EFFECTS OF HEAT TREATMENT AFTER HOT ROLLING ON THE CORROSION AND MECHANICAL PROPERTIES OF Mg- Zn- Ca- Mn BIOMATERIALS

Abstract

ABSTRACT

The effects of Zn ratio, thermomechanical processing and heat treatment on the microstructure, mechanical properties, and corrosion resistance of Mg-1Zn-0.2Ca-0.3Mn and Mg-3Zn-0.2Ca-0.3Mn (wt.%) magnesium alloys were investigated in this thesis. Alloys were produces using gravity die casting. Cast alloys were homogenized at 400 °C for 12 h. After that, two sets of samples from each alloy were sliced using wire erosion. Both sets of the alloys were hot rolled at 250 °C. Then, post heat treatment at 325 °C for 10, 20, 30, 60, and 120 minutes was applied to the hot rolled alloys to compare the effect of post heat treatment on the properties of the hot rolled alloys.

All of the samples were characterized using optic microscope, field emission scanning electron microscope with EDS attachment (SEM-EDS), X-ray diffraction (XRD), tensile tests, micro hardness measurements, and immersion corrosion tests. The results showed that homogenized alloys have large and uniform grain distributions, and the microstructure of the alloys consist of α-Mg matrix and Ca2Mg6Zn3 intermetallic phases. Hot rolling results in finer and elongated grain formation. Hot rolling increased the mechanical properties and hardness of the investigated alloys. After post heat treatment at 120 min, both alloys showed lower hardness and yield strength but higher elongation. In addition, heat treatments applied after hot rolling greatly improved the corrosion properties of the alloys. Immersion corrosion tests showed that corrosion rate of the alloys decreased with increasing immersion time due to the formation of protective layer on the surface of the alloys. Immersion corrosion tests also showed that hot rolling has negative effect on the corrosion resistance of the alloys. However, subsequent heat treatment reduces the negative effect of the hot rolling on the corrosion resistance of the alloys. Among the alloys, Alloy-2 heat treated at 325 °C for 120 min after hot rolling exhibited better mechanical properties (modulus of elasticity, yield and tensile strength, and hardness) and lower corrosion rate than Alloy-1. Therefore, the properties of Alloy-2 can be further improved, and its biocompatibility can be investigated for biodegradable orthopedic implant applications.

ÖZET

Bu tezde Mg-1Zn-0.2Ca-0.3Mn ve Mg-3Zn-0.2Ca-0.3Mn (% ağırlıkça) magnezyum alaşımlarının mikroyapısı, mekanik özellikleri ve korozyon direncine Zn oranının, termomekanik işlemin ve ısıl işlemin etkileri araştırılmıştır. Alaşımlar metal kalıba döküm yöntemiy üretildi. Dökme alaşımlar 400 °C’de 12 saat homojenleştirildi. Daha sonra her alaşımdan iki set numune tel erozyon kullanılarak dilimlendi. Alaşımların her iki seti de 250 °C’de sıcak haddelendi. Daha sonra, son ısıl işlemin sıcak haddelenmiş alaşımların özellikleri üzerindeki etkisini belirlemek için 325 °C’de 10, 20, 30, 60 ve 120 dakika son ısıl işlem uygulandı.

Bütün numuneler optik mikroskop, EDS eklentili alan emisyon taramalı elektron mikroskobu (SEM-EDS), X-ışını kırınımı (XRD), çekme testleri, mikro sertlik ölçümleri ve daldırma korozyon testleri kullanılarak karakterize edildi. Sonuçlar, homojenleştirilmiş alaşımların iri ve üniform tane dağılımlarına sahip olduğunu ve alaşımların mikro yapısının α-Mg matrisi ve Ca2Mg6Zn3 intermetalik fazlardan oluştuğunu gösterdi. Sıcak haddeleme daha ince ve uzun taneli yapı oluşumuna neden olmuştur. Sıcak haddeleme incelenen alaşımların mekanik özelliklerini ve sertliğini arttırmıştır. Her iki alaşım da 120 dakikadaki ısıl işlemden sonra daha düşük sertlik ve akma dayanımı, fakat daha yüksek uzama göstermiştir. Ayrıca sıcak haddeleme sonrasında uygulanan ısıl işlemler alaşımların korozyon özelliklerini büyük ölçüde iyileştirmiştir. Daldırma korozyon testleri, alaşımların yüzeyinde koruyucu tabaka oluşması nedeniyle daldırma süresinin artmasıyla alaşımların korozyon hızının azaldığını göstermiştir. Daldırma korozyon testleri ayrıca sıcak haddelemenin alaşımların korozyon direncini olumsuz etkilediğini göstermiştir. Ancak haddelemeden sonra uygulanan ısıl işlemin sıcak haddelemenin alaşımların korozyon direnci üzerindeki olumsuz etkisini azalttığını göstermiştir. Alaşımlar arasında, sıcak haddelemeden sonra 325 °C’de 120 dakika boyunca ısıl işleme tabi tutulan Alaşım-2, Alaşım-1'e göre daha iyi mekanik özellikler (elastikiyet modülü, akma ve çekme mukavemeti ve sertlik) ve daha düşük korozyon hızı sergilemiştir. Bu nedenle, biyobozunur ortopedik implant uygulamaları için Alloy-2’nin özellikleri daha da geliştirilebilir ve biyouyumluluğu araştırılabilir.