Production of Mg-Sn-Zr Magnesium Alloys Through Hot Press Method

Abstract

Mg alloys are in the light alloys group with their very low density. With the addition of different alloying elements, improvements are achieved especially in mechanical properties. The homogeneous distribution of the added alloy elements in the microstructure is one of the important factors affecting the properties of the alloy. In this study, Mg alloys containing Zr addition in different proportions (x=0.5%, 1%, 1.5% and 2%) by weight were produced by hot pressing method. The sintering process was carried out at 610 oC under 50 MPa pressure for 60 min. In order to prevent Mg and Zr powders from contacting with air, the powders are covered with 20% paraffin by volume. Scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectrometry (EDS) analyses were applied in the microstructure studies of the surface of alloys. Phase formations in the microstructure were determined by XRD analysis. Oxidation could be prevented by the paraffin coating technique before the sintering process and by the protective argon gas during sintering. With the hot pressing method applied, Mg alloys have reached a relative density of over 98.8%. The hot pressing method applied was effective in the production of homogeneous microstructure of Mg alloys. The α-Zr phases, homogeneously distributed in the grain boundaries with the addition of Zr, have been effective in the development of mechanical properties.

Keywords

• Mg Alloy
• Zr Addition
• Relative Density
• Microstructure
• Mechanical Properties

Mg-Sn-Zr Magnezyum Alaşımlarının Sıcak Pres Yöntemiyle Üretimi

Öz

Mg alaşımları, oldukça düşük yoğunluğuyla hafif alaşımlar grubunda yer almaktadır. Farklı alaşım elementlerinin ilavesiyle özellikle mekanik özelliklerinde gelişmeler sağlanmaktadır. İlave edilen alaşım elementlerinin mikroyapıda homojen dağılması, alaşımın özelliklerini etkileyen önemli etmenlerdendir. Bu çalışmada, ağırlıkça farklı oranlarda (x= %0,5, %1, %1,5 ve %2) Zr ilavesi içeren Mg alaşımları, sıcak presleme yöntemiyle üretilmiştir. Sinterleme prosesi, 610 oC’de, 50 MPa basınç altında 60 dk süreyle gerçekleştirilmiştir. Mg ve Zr tozlarının havayla temasını önlemek için, tozlar hacimce %20 oranında parafin ile kaplanmıştır. Alaşımların yüzeyine ait mikroyapı incelemelerinde taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağılımlı spektrometri (EDS) analizleri uygulanmıştır. Mikroyapıdaki faz oluşumları XRD analizi ile tespit edilmiştir. Sinterleme işlemi öncesinde parafin kaplama tekniğiyle, sinterleme esnasında ise koruyucu argon gazı ile oksidasyon önlenebilmiştir. Uygulanan sıcak presleme yöntemiyle, Mg alaşımları %98,8’in üzerinde bağıl yoğunluğa ulaşmıştır. Uygulanan sıcak presleme yöntemi, homojen mikroyapılı Mg alaşımlarının üretiminde etkili olmuştur. Zr ilavesiyle tane sınırlarında homojen bir şekilde dağılan α-Zr fazları, mekanik özelliklerin gelişmesinde etkili olmuştur.

Anahtar Kelimeler

• Mg alaşımı
• Zr İlavesi
• Bağıl Yoğunluk
• Mikroyapı
• Mekanik Özellikler

References

1. Akkaş, M., Çetin, T., & Boz, M. (2018). Gaz atomizasyonu yöntemi ile AM60 magnezyum alaşım tozu üretimi ve karakterizasyonu. SDU International Journal of Technological Sciences, 10(3), 1–9.
2. Akyüz, B. (2018). AS21 ve AJ21 magnezyum alaşımlarının mekanik ve işlenebilirlik özelliklerinin incelenmesi. BŞEÜ Fen Bilimleri Dergisi, 5(2), 105–111.
3. Akyüz, B. (2019). AZ21 ve AJ21 magnezyum alaşımlarının mekanik özellikleri ve işlenebilirliği. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 7(3), 1019–1028.
4. Akyüz, B. (2020). AZ91, AS91 ve AM90 magnezyum alaşımlarının aşınma ve ısıl davranışları üzerine karşılaştırmalı bir çalışma. BŞEÜ Fen Bilimleri Dergisi, 7(2), 1075–1083.
5. Aydoğmuş, T., Kelen, F., & Aydemir, E. (2020). Sıcak presleme yöntemi ile AZ91 magnezyum alaşımının üretimi. BEÜ Fen Bilimleri Dergisi, 9(1), 277–287.
6. Candan, Ş., Çelik, M., & Candan, E. (2014). AZ91 magnezyum alaşımında soğuma hızlarının mekanik ve korozyon özelliklerine etkisi. BŞEÜ Fen Bilimleri Dergisi, 1(2), 17–28.
7. Candan, Ş., Çim, S., Emir, S., & Candan, E. (2018). AZ serisi Mg alaşımlarının korozyon davranışlarında β-fazının rolü. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 6(4), 1139–1162.
8. Çelik, İ. (2019). Yüzey işlemi uygulanmış AZ31 Mg alaşımının yapısal özelliklerinin ve aşınma davranışının incelenmesi. Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 9(1), 136–142.

9. Çetin, T., Akkaş, M., & Boz, M. (2020). Gaz atomizasyonu yöntemi ile üretilen AM60 magnezyum alaşım tozunun toz karakterizasyonu üzerine gaz basıncının etkisinin araştırılması. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 35(2), 967–977.
10. Elen, L., Türen, Y., & Koç, E. (2019). AZ91 Mg alaşımına farklı oranlarda Sb ilavesi ile katılaşma hızının mikroyapı ve mekanik özelliklere etkisi. Uluslararası Mühendislik Araştırma ve Geliştirme Dergisi, 11(2), 451–463.
11. Erçetin, A., Aslantas, K., & Özgün, Ö. (2020). Micro-end milling of biomedical Tz54 magnesium alloy produced through powder metallurgy. Machining Science and Technology, 24(6), 924–947. https://doi.org/10.1080/10910344.2020.1771572
12. Ercetin, A., Özgün, Ö., & Aslantas, K. (2021). Investigation of Mechanical Properties of Mg5Sn-xZn Alloys Produced through New Method in Powder Metallurgy. Journal of Testing and Evaluation, 49(5), 20200020. https://doi.org/10.1520/jte20200020
13. Ercetin, A., Özgün, Ö., Aslantas, K., & Aykutoğlu, G. (2020). The microstructure, degradation behavior and cytotoxicity effect of Mg–Sn–Zn alloys in vitro tests. SN Applied Sciences, 2(2), 1–12. https://doi.org/10.1007/s42452-020-1988-9
14. Erden, M. A. (2016a). Effect of C content on microstructure and mechanical properties of Nb-V added microalloyed steel produced by powder metallurgy method. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, 5(9), 44–47.
15. Erden, M. A. (2016b). Karıştırma süresinin toz metalürjisi ile üretilen alaşımsız çeliklerin mekanik özelliklerine etkisi. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, 5(9), 62–65.
16. Gökçe, A. (2020a). Magnezyum ve alaşımlarının toz metalurjisi işlemleri. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 8(1), 522–534.
17. Gökçe, A. (2020b). Toz metalurjisi yöntemiyle Mg-Sn alaşımı üretimi ve karakterizasyonu. Academic Platform Journal of Engineering and Science, 8(1), 112–119.
18. Kim, M., An, S., Huh, C., & Kim, C. (2019). Development of zirconium-based alloys with low elastic modulus for dental implant materials. Applied Sciences, 9(24), 5281.
19. Li, J., Chen, R., Ma, Y., & Ke, W. (2013). Effect of Zr modification on solidification behavior and mechanical properties of Mg-Y-RE (WE54) alloy. Journal of Magnesium and Alloys, 1(4), 346–351. https://doi.org/10.1016/j.jma.2013.12.001
20. Li, W., Huang, X., & Huang, W. (2017). Effects of Ca, Ag addition on the microstructure and age-hardening behavior of a Mg-7Sn (wt%) alloy. Materials Science and Engineering A, 692, 75–80. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.03.066
21. Liu, H., Chen, Y., Tang, Y., Wei, S., & Niu, G. (2007). The microstructure, tensile properties, and creep behavior of as-cast Mg-(1-10)%Sn alloys. Journal of Alloys and Compounds, 440(1–2), 122–126. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.09.024
22. Liu, Q., Ma, Q. xian, Chen, G. qiang, Cao, X., Zhang, S., Pan, J. luan, Zhang, G., & Shi, Q. yu. (2018). Enhanced corrosion resistance of AZ91 magnesium alloy through refinement and homogenization of surface microstructure by friction stir processing. Corrosion Science, 138, 284–296. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2018.04.028
23. Majeed, A., Zhang, Y., Lv, J., Peng, T., Atta, Z., & Ahmed, A. (2020). Investigation of T4 and T6 heat treatment influences on relative density and porosity of AlSi10Mg alloy components manufactured by SLM. Computers and Industrial Engineering, 139, 106194. https://doi.org/10.1016/j.cie.2019.106194
24. Mert, F. (2018). A comparision of the dry sliding wear behavior of as-cast and hot rolled AZ31B magnesium alloy. ÖHÜ Mühendislik Bilimleri Dergisi, 7(1), 417–426.
25. Özgün, Ö., Aslantaş, K., & Erçetin, A. (2020). Powder Metallurgy Mg-Sn alloys: Production and characterization. Scientia Iranica, 27(3), 1255–1265. https://doi.org/10.24200/SCI.2019.50212.1578
26. Özgün, Ö., & Erçetin, A. (2017). Microstructural and mechanical properties of Cr-C reinforced Cu matrix composites produced through powder metallurgy method. Turkish Journal of Nature and Science, 6(2), 1–6.
27. Özgün, Ö., Yılmaz, R., Gülsoy, H. Ö., & Fındık, F. (2015). Toz enjeksiyon kalıplama yöntemi ile üretilen 718 süperalaşım parçaların kırılma tokluğu ve darbe dayanımı özellikleri. Türk Doğa ve Fen Dergisi, 4(1), 1–7.
28. Öztürk, F., & Kaçar, İ. (2012). Magnezyum alaşımları ve kullanım alanlarının incelenmesi. Niğde Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 1(1), 12–20.
29. Pan, F., & Yang, M. (2011). Preliminary investigations about effects of Zr, Sc and Ce additions on as-cast microstructure and mechanical properties of Mg-3Sn-1Mn (wt.%) magnesium alloy. Materials Science and Engineering A, 528(15), 4973–4981. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.02.095
30. Sun, M., Wu, G., Wang, W., & Ding, W. (2009). Effect of Zr on the microstructure, mechanical properties and corrosion resistance of Mg-10Gd-3Y magnesium alloy. Materials Science and Engineering A, 523(1–2), 145–151. https://doi.org/10.1016/j.msea.2009.06.002
31. Turan, M. E., Sun, Y., Akgul, Y., Turen, Y., & Ahlatci, H. (2017). The effect of GNPs on wear and corrosion behaviors of pure magnesium. Journal of Alloys and Compounds, 724, 14–23. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.07.022
32. Wang, F., Feng, Y., Li, M., & Teng, X. (2020). Effect of Ca and Zr additions and aging treatments on microstructure and mechanical properties of Mg-Sn alloy. Materials Science Forum, 993 MSF, 152–160. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.993.152
33. Yang, M., Liang, X., Yi, Z., & Pan, F. (2011). Effects of zirconium addition on as-cast microstructure and mechanical properties of Mg-3Sn-2Ca magnesium alloy. Materials and Design, 32(4), 1967–1973. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2010.11.071
34. Yin, S., Duan, W., Liu, W., Wu, L., Yu, J., Zhao, Z., Liu, M., Wang, P., Cui, J., & Zhang, Z. (2020). Influence of specific second phases on corrosion behaviors of Mg-Zn-Gd-Zr alloys. Corrosion Science, 166, 108419. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2019.108419