Mikrostruktur und Kriechverhalten von Magnesium-Druckgusslegierungen im System Mg-Zn-Al-Ca

Abstract

Ziel dieser Arbeit war, ein besseres Verständnis über die grundlegenden Mechanismen der Kriechverformung von Mg-Druckgusslegierungen zu gewinnen. Dazu wurden systematische Untersuchungen zur Mirostruktur und zum Kriechverhalten einer nicht kommerziell erhältlichen Mg-Legierung mit 8 Gew.% Zink und 5 Gew.% Aluminium (ZA85) durchgeführt. Zusätzlich wurden zwei mit 0.3 und 0.9 Gew.% Calcium (ZACa8503 und ZACa8509) modifizierte Varianten dieser Legierung hergestellt und untersucht. Licht- und verschiedene elektronenmikroskopische Verfahren zeigen, dass die Legierungen ein zweiphasiges Gefüge besitzen. Neben den dendritischen Mg-Körnern, die in der Nähe der Korngrenzen stark übersättigte Seigerungszonen aufweisen, tritt auf den Korngrenzen eine intermetallische Phase mit quasikristalliner Kristallstruktur auf. In Folge einer thermischen Beanspruchung kommt es speziell in den Seigerungszonen zur Bildung von Ausscheidungen, die in Folge von Ostwald-Reifung kontinuierlich vergröbern. Neben Gefügeuntersuchungen standen Kriechversuche die an unterschiedlichen Gefügezuständen durchgeführt wurden im Vordergrund dieser Arbeit. Die Kriechbeständigkeit der ZA85 ist dabei größer als die konventioneller, aluminiumreicher AZ-Legierungen. Weiterhin konnte als Folge der Ca-Zugabe eine signifikante Steigerung der Kriechfestigkeit beobachtet werden. Die Korrelation der mikrostrukturellen Untersuchungen mit den Ergebnissen der Kriechversuche deutet darauf hin, dass die Hochtemperaturverformung durch Versetzungskriechen dominiert wird, welches wiederum von Ausscheidungs- und Alterungsvorgängen beeinflusst wird. Das Verhalten der ZA85 Basislegierung, sowie der Einfluss des Calciums lassen sich mittels eines Schwellspannungskonzeptes, das auf der Versetzungs-Teilchen-Wechselwirkung beruht, phänomenologische beschreiben. Die in dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse werfen einerseits ein neues Licht auf das Kriechverhalten von Mg-Legierungen und geben zum anderen Hinweise für zukünftige Legierungsentwicklungen.

In the present work, the creep behavior of non-commercially available magnesium alloys was investigated in order to gain knowledge of the basic creep mechanisms in magnesium die-cast alloys. To this end, an alloy with 8 wt.% Zn and 5 wt.% Al (ZA85), as well as two ZA85 alloys which were modified with 0.3 und 0.9 wt.% calcium (ZACa8503 und ZACa8509), were cast and investigated. Light optical, scanning electron and transmission electron microscopy were used to study the microstructure. The alloys exhibit typical dendritic solidification structures. Between the a-Mg dendrites, an intermetallic phase is present at the grain boundaries. This ternary phase has been found to have a quasi-crystalline structure with icosahedral point-group symmetry. The grain boundary phase is surrounded by a region of highly supersaturated magnesium solid solution. After annealing, the samples exhibit t-phase precipitates that formed predominantly in the supersaturated regions near the grain boundaries. With increasing aging time, a coarsening of these precipitates can be observed. Creep tests were performed on samples in die-cast and annealed conditions. It was found that the creep strength of ZA85 is significant higher than that of an AZ91 alloy. Additionally, the investigations have revealed that the creep resistance of ZA85 alloys can be significantly improved by the addition of Ca. High temperature dislocation creep was found to be the rate controlling mechanism in ZA and ZACa die-cast alloys. However, the creep behavior is strongly influenced by precipitates that form during the creep tests. Based on these results, the creep behavior of ZA85 and the beneficial influence of Ca were described by a threshold model which is based on a dislocation precipitation interaction. On the one hand, new information about the creep mechanisms in Mg die-cast alloys can be found in this work. On the other hand further alloy development can benefit from the results obtained in this investigation.