Optimization of Two-Step Solid-Solution Heat Treatment of Mg-Zn-Ca Alloy for Enhanced Mechanical Performance

Abstract

Magnesium (Mg) alloys are very light materials that could be useful for many applications. Typical technology for most Mg alloys involves casting followed by solid solution heat treatment. Due to the complexity of some Mg alloy systems, single-step solution treatments cannot achieve dissolution of all secondary phases. Those may require different solutionizing temperatures, creating a need for two-step approaches that treat each phase separately.

A two-step solution heat treatment was found necessary for as-cast Mg-4Zn-0.2Ca alloy, and this work aimed at optimizing its parameters. Step-1 used 320°C to dissolve zinc-rich phases, while Step-2 used 470°C to dissolve calcium-rich phases. This approach treats each type of eutectic phase at its solutionizing temperature while controlling grain growth. Vickers hardness testing and SEM analysis were used to evaluate the evolution of relationship between mechanical properties and microstructure.

Step-1 with optimal treatment at 320°C for 10 hours and 25 minutes achieved a 40% hardness increase compared to the as-cast condition. The complete two-step process achieved approximately 20% total hardness increase compared to the as-cast condition, with optimal treatment of 470°C for 8 hours at step-2 after the initial Step-1. Step-1 accounts for the major hardness increase due to a larger fraction of solute atoms within the magnesium matrix, producing greater solid solution strengthening after quenching. Step-2 serves a complementary purpose by improving microstructural uniformity by dissolving Ca and residual zinc at the higher solutionizing temperature at the cost of noticeable grain growth. SEM analysis confirmed progressive dissolution of secondary phases, with precipitates becoming smaller and fewer, creating uniform material structure. The two-step approach successfully achieves a uniform, single-phase solid solution through systematic dissolution of different secondary phases.

The results confirm that two-step solid solution heat treatment is an effective method for optimizing mechanical properties in Mg-Zn-Ca alloys.

Popular Abstract (Swedish)

Magnesium är bland de lättaste metaller och har potential att bidra till minskad klimatpåverkan inom många områden. Med sin låga densitet på 1,74 g/cm³ kan lättviktsmaterial av magnesium minska energiförbrukning. Dessutom är metallen biologiskt nedbrytbar, vilket gör den perfekt för medicinska implantat som inte behöver opereras ut. Utmaningen är att ren magnesium är för svag och för spröd för de flesta tillämpningar.

För att stärka magnesium tillsätts andra metaller som zink och kalcium, vilket skapar legeringar med bättre egenskaper. Men även med dessa förbättringar krävs rätt värmebehandling för att materialet ska nå sin fulla potential. Värmebehandling innebär att man värmer upp metallen till höga temperaturer så att de små partiklar som bildas vid gjutning löses upp i materialet. Detta skapar en mer enhetlig struktur och starkare material.

För den legering som studerades här, Mg-4Zn-0,2Ca, fungerar inte en vanlig enstegsbehandling. Zinkrika partiklar löses upp vid cirka 320°C, medan kalciumrika partiklar kräver hela 470°C. Om man behandlar materialet vid 470°C direkt smälter de zinkrika partiklarna, vilket förstör materialstrukturen helt. Därför behövdes en tvåstegsprocess där varje typ av partikel behandlas vid sin optimala temperatur.

I detta arbete optimerades tiderna för varje behandlingssteg genom att mäta materialets hårdhet vid olika tidpunkter. Materialets inre struktur studerades också med elektronmikroskop för att se hur partiklarna gradvis försvann och hur kornstorleken förändrades.

Resultaten visade att de två stegen fyller olika men kompletterande funktioner. Det första steget vid 320°C under 10 timmar och 25 minuter gav en stor hårdhetshöjning på 40 procent, men materialet blev ojämnt. Det andra steget vid 470°C under 8 timmar löste upp de kvarvarande partiklarna och skapade en mer enhetlig struktur, vilket är viktigt för tillförlitliga mekaniska egenskaper och för efterföljande åldring processer som kan stärka materialet ytterligare. Totalt blev materialet cirka 20 procent hårdare efter hela tvåstegsbehandlingen jämfört med det obehandlade, och samtidigt blev strukturen betydligt mer homogen. Studien visar vikten av att optimera både temperatur och tid för varje steg – för kort behandling ger inte full effekt, medan för lång behandling leder till mer korntillväxt och försämrade egenskaper.

Sammanfattningsvis visar detta arbete att tvåstegs värmebehandling är nödvändig för att optimera magnesiumlegeringar med både zink och kalcium. Genom noggrant vald process kan man uppnå både förbättrad styrka och enhetlig mikrostruktur, vilket är avgörande för användning i medicinska implantat och andra krävande tillämpningar.

• author: Drar, Josef
• supervisor: Johan Ranstad
• organization: Materials Engineering
• course: FKML01 20252
• year: 2025
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Solid Solution heat treatment, Mechanical properties (Hardness), Microstructure Characterization, Mg-Zn-Ca alloy, Grain Size, Diffusion, Secondary phases, Solution Strengthening
• publication/series: LUTFD2/(TFME-25)/5046-SE(1-29)
• language: English
• id: 9214923
• date added to LUP: 2025-11-10 11:10:34
• date last changed: 2025-11-10 11:10:34