MAGNESIUMLEGIERUNGEN HOHER DUKTILITÄT, VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG UND DEREN VERWENDUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft Magnesiumlegierungen hoher Duktilität, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung, insbesondere Calcium-, und/oder Strontium-, -haltige Magnesiumlegierungen.

[0002] Magnesiumlegierungen sind aufgrund ihrer sehr geringen Dichte etwa im Bereich von 1,2 bis 1,9 g/cm³ als metallische Konstruktionsmaterialien vor allem für den Fahrzeug- und Flugzeugbau von hohem Interesse. Sie werden zukünftig für den Leichtbau von Kraftfahrzeugen und Flugzeugen immer mehr eingesetzt werden, um das Gewicht von zusätzlichen Elementen aufgrund steigender Komfort- und Sicherheitsstandards insbesondere bei neuen schadstoffärmeren Automobilen ausgleichen zu können. Sie sind auch für transportable oder aus anderem Grund besonders leicht gebaute Geräte und Anlagen von Interesse. Der Leichtbau ermöglicht dabei in besonderem Maße die Konstruktion von energiesparenden Fahr- und Flugzeugen wie z.B. des 3-Liter-Kraftfahrzeugs. Unter den Herstellungsverfahren kommt beim Urformen dem Druckgießen und beim Umformen dem Strangpressen, Schmieden, Walzen und ggf. nachfolgendem Umformen wie dem Streck- bzw. Tiefziehen zukünftig eine stark wachsende Bedeutung zu, da mit diesen Verfahren Leichtbaubauteile herstellbar sind, wie z.B. Sitz-, Fenster- und Türrahmen, Elemente von Fahrzeugzellen und Fahrzeugaußenhäuten, Gehäuse, Bodenelemente, Deckel, Tankelemente, Tankklappen, Halterungen, Stützen, Träger, Winkel, Crashelemente, Pralldämpfer, Prallschilde und Prallträger, Kleinteile bzw. allgemein für Bauteile und Halbzeuge im Automobil und Flugzeug, für die zusehends steigender Bedarf besteht.

[0003] Die Kaltverformbarkeit der kommerziell gebräuchlichen Magnesiumlegierungen ist aufgrund der hexagonalen Kristallstruktur und der damit zusammenhängenden geringen Duktilität begrenzt. Polykristallines Magnesium sowie die meisten Magnesiumlegierungen verhalten sich bei Raumtemperatur spröde. Für etliche Anwendungen bzw. für bestimmte Herstellverfahren von Halbzeugen aus Magnesiumlegierungen ist neben guten mechanischen Eigenschaften wie hoher Zugfestigkeit ein duktiles Verhalten notwendig. Ein verbessertes Umform-, Energieaufnahme- und Deformationsverhalten bedingt eine höhere Duktilität und ggf. auch eine höhere Festigkeit und Zähigkeit. Hierfür sind Magnesiumlegierungen mit diesen Eigenschaften zu entwickeln bzw. deren Herstellverfahren weiterzuentwickeln, weil viele Werkstoffvarianten mit dem Herstellzustand stark variierende Werkstoffeigenschaften aufweisen.

[0004] Als Duktilität wird das Vermögen eines Werkstoffes zu bleibender Formänderung bezeichnet, das beim einachsigen Zustand nach dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm im Idealfall völlig ohne elastischen Anteil ist. Dieses Vermögen wird durch den Eintritt des Bruches begrenzt. Im allgemeinen gilt die im Zugversuch bis zum Bruch erreichte bleibende Dehnung als Duktilität. Als Maß für die Duktilität können ferner auch die Brucheinschnürung, Schlagarbeit und Kerbschlagarbeit mit jeweils etwas anderer Aussage angesehen werden. Diese Eigenschaften lassen sich gemäß EN 10 002, Teil 1, bzw. gemäß DIN 50115 und 50116 ermitteln. Die Bruchdehnung A = A_plast kennzeichnet die Formänderung mit ihrem plastischen Anteil bei einer weitgehend einachsigen Belastung, zusätzlich kann entsprechend dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm der elastische Anteil der Dehnung A_elast sowie die Summe des elastischen und plastischen Anteils D = ΣA = A_elast + A_plast ermittelt werden. Ein hochplastischer Werkstoff wird als duktil bezeichnet.

[0005] Bei Angaben der Bruchdehnung und der Zugfestigkeit zu verschiedenen Magnesiumlegierungen wird deutlich, daß die Bruchdehnung oft umso höhere Werte einnehmen kann, wenn nur mittelhohe Werte der Zugfestigkeit erreicht werden und daß umgekehrt nur mittelhohe Werte der Bruchdehnung bei hohen Werten der Zugfestigkeit erzielt werden. Sehr hohe Werte der Zugfestigkeit lassen sich nur bei vergleichsweise geringen Werten der Bruchdehnung erreichen.

[0006] Die Elastizität bezeichnet den elastischen Anteil des Spannungs-Dehnungs-Diagrammes entsprechend dem Hook'schen Gesetz, wo bei idealen linear-elastischen Verhältnissen noch keine bleibende Formänderung auftritt.

[0007] Weiterhin kann das Streckgrenzen-Verhältnis V als Verhältnis der Fließspannung F = R_P02 zur Zugspannung Z = R_m angegeben werden. Somit ergeben sich zwei die Elastizität, zwei die Plastizität sowie zwei deren Verhältnis zueinander kennzeichnende Werte für die weitgehend einachsige Belastung. Hierbei ergibt das Verhältnis des elastischen mit dem plastischen Anteil der Dehnung die beste Annäherung an die Realität.

[0008] Die Schlagarbeit ist vor allem ein Maß für die Energieaufnahme eines Halbzeuges und für plastisches Verhalten, also für die Verformbarkeit und Verformungsgeschwindigkeit. Eine hohe Schlagarbeit ist daher wesentlich für den Einsatz von Deformationselementen wie z.B. Crashelementen, Pralldämpfern, Prallschilden und Prallträgern. Die Schlagarbeit - gemessen an ungekerbten Proben - ist u.a. aufgrund höherer Absolutwerte für Magnesiumlegierungen aussagekräftiger als die Kerbschlagarbeit und betrifft eine weitgehend einachsige Belastung. Die Kerbschlagarbeit, die immer an gekerbten Proben bestimmt wird, kennzeichnet auch die Fehleranfälligkeit eines Werkstoffes bei dreiachsiger Belastung. Ihre Aussagekraft ist insbesondere dann geringer, wenn die Ausführung der Kerbe die Werte der Kerbschlagarbeit wesentlich beeinflußt. Die Schlagarbeit und die Kerbschlagarbeit werden bei dynamischer Belastung gemessen und können einen Hinweis auf die Energieaufnahme und Verformbarkeit geben. Zug- und Druckversuche erfolgen im Vergleich hierzu unter quasistatischen Belastungen. Ein Schluß von einachsigen auf mehrachsige Eigenschaften bzw. Verhältnisse ist nur teilweise möglich.

[0009] Die im folgenden aufgeführten Werte gemessen an Proben in einem bestimmten Herstellungszustand geben daher die aktuellen Werkstoffeigenschaften wieder. Sie gewähren einen Hinweis auf das Umformverhalten, das vorher beim Umformen aufgetreten war. Es ist in diesem Zustand ein Schluß auf die Eigenschaften und das Verhalten eines Halbzeuges oder sogar eines Bauteiles mit diesem ggf. weiter veredelten Halbzeug im späteren Einsatz gut möglich. Weiterhin ist ein Schluß von den Werkstoffeigenschaften umgeformter Legierungen möglich, die z.B. durch Biegen, Drücken, Drückwalzen, Streckziehen, Tiefziehen, Innenhochdruckumformen oder Walzprofilieren zu weiterverarbeiteten Halbzeugen geformt werden sollen. Da die Veränderung der Werkstoffeigenschaften vom gegossenen zum stranggepreßten Zustand ähnlich der Veränderung der Werkstoffeigenschaften vom gegossenen zum geschmiedeten, gewalzten oder einem ähnlichen umgeformten Zustand ist, ist daher auch ein Schluß auf einen anderen Umformzustand möglich.

[0010] Für den Einsatz von Leichtbauelementen wird üblicherweise auf die elastischen Eigenschaften (Steifigkeit) abgehoben, soweit es nicht wie z.B. bei einem Unfall auf die Verformungseigenschaften und damit auf die Energieaufnahme des Elementes und auf das plastische Verhalten ankommt. Daher spielen bezüglich der u.U. mehrfachen Umformung insbesondere die plastischen und für den Einsatz die plastischen oder/und elastischen Eigenschaften eine Rolle. Diese Eigenschaften sind für den Einsatz in der Regel auf die jeweilige Umgebungstemperatur, also im Extremfall im Bereich von -40 °C bis +90 °C, an einzelnen Stellen im Fahr- oder Flugzeug jedoch auf die örtlich noch tieferen oder höheren Temperaturen abzustellen. Der Belastungszustand ist jedoch meistens mehrachsig. Der Schluß von einachsigen auf mehrachsige Belastungszustände ist umso eher möglich, je mehr ein eher isotropes Gefüge vorliegt.

[0011] Für die Herstellung derartiger Automobilelemente bietet sich insbesondere die Herstellung durch Druckgießen bzw. Strangpressen, Schmieden oder/und Walzen an. Voraussetzung für den Einsatz von Halbzeugen aus Magnesiumlegierungen bzw. von daraus oder damit hergestellten Bauteilen im Automobil kann die Erfüllung bestimmter Eigenschaftsprofile je nach Anwendung sein wie z.B. bei Deformationselementen, Sitz- und Türrahmen eine Zugfestigkeit des Leichtwerkstoffs von mindestens 100 MPa, vorzugsweise von mindestens 130 MPa, zusammen mit einer Bruchdehnung gemessen bei Raumtemperatur von mindestens 10 %, vorzugsweise von mindestens 15 %. Je höher die Zugfestigkeit, Bruchdehnung und weitere Eigenschaften, die auf hohe Duktilität und Energieaufnahme hinweisen, sind, umso geeigneter sind diese Halbzeuge bzw. Bauteile in der Regel für den Einsatz. Ferner sind höhere Festigkeitswerte und eine höhere Duktilität auch eine Erleichterung und teilweise auch Voraussetzung für die Umformung gegossener Rohlinge bzw. für die weitere Umformung bereits umgeformter Rohlinge oder Halbzeuge. Je höher diese Eigenschaften im gegossenen bzw. pulverkompaktierten Zustand sind, desto höher sind diese üblicherweise auch im umgeformten Zustand. Eine höhere Duktilität kann das Umformen bzw. das erneute Umformen, insbesondere das Strangpressen, erleichtern. Daher ist eine Bruchdehnung von mindestens 10 % auch für die nachfolgenden Herstellungsschritte zu Elementen aus Magnesiumlegierungen hilfreich. Daher wird aus mehreren Gründen eine Zugfestigkeit von mindestens 150 MPa gemessen bei Raumtemperatur, vorzugsweise von mindestens 180 MPa, bzw. eine Bruchdehnung von mindestens 18 %, vorzugsweise von mindestens 20 %, besonders bevorzugt von mindestens 25 %, empfohlen. Üblicherweise beträgt die Bruchdehnung bei den kommerziell gebräuchlichen Magnesiumlegierungen gemessen bei Raumtemperatur weniger als 12 %.

[0012] Bei stärkerer Substitution von anderen Legierungen durch Magnesiumlegierungen, um durch Gewichtserspamis Treibstoff einzusparen bzw. den Einbau zusätzlicher Elemente ohne Gewichtszunahme zu ermöglichen, ist die Weiterentwicklung der Technologie der bekannten Magnesiumlegierungen und die Erforschung weiterer Magnesiumlegierungen notwendig, insbesondere bezüglich der Eigenschaftskombination Duktilität - Festigkeit.

[0013] Es ergeben sich grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten zur Steigerung der Duktilität und somit der Bruchdehnung bei Magnesiumlegierungen und verwandten Leichtwerkstoffen:

1. Eine recht begrenzte Möglichkeit dieser Steigerung ergibt sich durch Optimierung des Herstellungsprozesses in Verbindung mit Wärmebehandlungsverfahren oder/und über optimierte Herstellparameter z.B. beim Strangpressen. Wichtig ist jedoch beim Umformen z.B. durch Strangpressen, daß die auftretende dynamische Rekristallisation nicht zur Grobkombildung führt. Denn die Energieaufnahme und die mechanischen Eigenschaften einer Legierung sollten in der Regel umso größer sein, je kleiner die mittlere Korngröße ist. Ziel einer Legierungsentwicklung kann dabei eine Modifikation des Gefügeaufbaus durch Einformen von temperaturstabilen Ausscheidungen oder/und eine Stabilisierung des Gefüges durch Beeinflussung des Kornwachstums sein, um möglichst feines Korn und eine möglichst geringe Porosität zu erzeugen.

2. Beim Übergang der Kristallstruktur der Mg-Hauptphase von der hexagonal dichtesten Kugelpackung auf die kubisch raumzentrierte Kristallstruktur z.B. aufgrund einer höheren Zugabe eines Dotierungselementes wie z.B. mindestens 10,8 Gew.-% Li, um ohne weitere Dotierungselemente einen homogenen β-Lithium-Magnesium-Mischkristall zu erzeugen, tritt eine verbesserte Bruchdehnung und eine bessere Umformbarkeit bei Raumtemperatur aufgrund einer erhöhten Anzahl von Gleitsystemen auf. Allerdings können sich dabei Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit verschlechtern.

3. Da Korngrenzen und andere Gefügeinhomogenitäten bzw. Gefügefehler wie z.B. Einschlüsse, Poren, grobe Ausscheidungen, Oxidschlieren und Seigerungen bei der Bewegung von Versetzungen als Barrieren wirken, kann eine Verfeinerung des Gefüges, eine Verkleinerung von Gefügeinhomogenitäten/-fehlern bzw. eine Vermeidung bestimmter Gefügeinhomogenitäten/-fehler zu einer Steigerung der Festigkeit, der Bruchdehnung und der Energieaufnahme führen. Die Zusammenhänge sind jedoch im Einzelfall sehr komplex. Die Kornfeinung ist ein wichtiges Hilfsmittel, um weitere Verformungssysteme zu aktivieren, die ein Korngrenzengleiten und neue Fließprozesse bei Raumtemperatur erlauben und somit die Duktilität verbessern. Dies kann durch die Zugabe kornfeinender Zusätze oder/und durch heterogene Keimbildung beim Erstarren von Gußwerkstoffen aus Legierungen mit bestimmten Zusätzen erfolgen.

[0014] Selbst die handelsüblichen Mg-Gußlegierungen bzw. Mg-Knetlegierungen sind im gegossenen und ggf. danach umgeformten, insbesondere stranggepreßten, gepreßten, gewalzten oder/und geschmiedeten und ggf. danach wärmebehandelten Zustand üblicherweise bisher von relativ geringer Duktilität und geringem Energieaufnahmevermögen. Für die preiswerte Herstellung von Halbzeugen, insbesondere für Fahrzeuge und Flugzeuge, besteht Bedarf an geeigneten Legierungen und einfachen Verfahren zur Herstellung von Magnesiumlegierungen mit etwas erhöhter Festigkeit und stark erhöhter Duktilität.

[0015] Da das Interesse an Mg-Knetlegierungen erst in den letzten Jahren etwas größer geworden ist, steht bisher nur eine begrenzte Anzahl an Legierungen für den großtechnischen Einsatz zur Verfügung. Das sind Legierungen auf Basis Mg-Al-Zn wie z.B. AZ31, AZ61 und AZ80, auf Basis Mg-Zn-Zr wie z.B. ZK40 und ZK60 oder auf Basis Mg-Mn wie z.B. M1.

[0016] Neite beschreibt in Materials Science and Technology, Vol. 8, ED.: K. H. Matucha, 199?, in Kapitel 4.3.2 Herstellverfahren und mechanische Eigenschaften von typischen Magnesiumlegierungen. Für stranggepreßte Magnesiumlegierungen auf Basis AZ in Form von Stäben werden - vor allem mit dem Aluminiumgehalt steigend - Zugfestigkeiten von 204 bis 340 MPa und Bruchdehnungen von 9 bis 17 % angegeben, die durch eine künstliche Alterung bis zu einer Zugfestigkeit von 380 MPa gesteigert werden konnten, wobei aber die Bruchdehnung auf 6 bis 8 % sank. Für AZ31 werden 250 MPa und 14 bis 15 % angeführt. Die Legierung M1 wies im stranggepreßten Zustand typischerweise eine Zugfestigkeit von 225 MPa und eine Bruchdehnung von 12 % auf. Für die Legierung ZE10 im gewalzten und geglühten dynamisch rekristallisienten Zustand werden 215 bis 230 MPa Zugfestigkeit und 18 bis 23 % Bruchdehnung angegeben.

[0017] GB 2,296,256 A führt Werte der Bruchdehnung von 17,2 und 18 % für Legierungen MgAl0.5-1.1Mn0.10-0.12 an, die jedoch eine recht geringe Biegefestigkeit aufwiesen.

[0018] Kamado et al. beschreiben in Proc. 3^rd Int. Magnesium Conference April 10-12 1996, Manchester/UK, Ed.: G.W. Lorimer, für die Legierung AI10Si1Ca0.5 Werte von etwa 170 MPa Zugfestigkeit und 2 % Bruchdehnung für den preßgeformten Zustand.

[0019] Von J. Becker, G. Fischer und K. Schemme, Light weight construction using extruded and forged semi-finished products made of magnesium alloys, Vortrag Wolfsburg 1998, wurden für die Magnesiumlegierung AZ31 im stranggepreßten Zustand Werte von 250 MPa Zugfestigkeit und 14 % Bruchdehnung mitgeteilt, für die Legierung M2 von 250 MPa für die Zugfestigkeit, aber nur von 4 % für die Bruchdehnung. Die Proben waren daher nicht auf duktile Werkstoffeigenschaften optimiert.

[0020] In US 3,419,385 wird die Zugfestigkeit für einzelne stranggepreßte Magnesiumlegierungen mit Gehalten an Y, Zn und Zr mit 248 bis 352 MPa und die Bruchdehnung mit 14 bis 26 % je nach Zusammensetzung angegeben. Die chemisch der Legierung ZE10Zr0.7 am nächsten kommende Legierung Zn2.1Y1.9Zr0.9 wies im gegossenen Zustand nur eine Bruchdehnung von 8 % auf. Es ist davon auszugehen, daß bei den damals üblichen Herstellverfahren und zur Verfügung stehenden Ausgangsmaterialien hohe Verunreinigungen auftraten, die das Ergebnis diesbezüglich stark beeinflußten und die Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu den heute herstellbaren hochreinen Legierungen wesentlich beeinträchtigten.

[0021] In den folgenden Publikationen wird die Duktilität der in den Beispielen aufgeführten Proben, wenn überhaupt, nur durch die Werte der Bruchdehnung quantitativ belegt:

[0022] WO 89/11552 beschreibt sogenannte superpfastische Formkörper aus Magnesiumlegierungen auf Basis ZnALSE bzw. AlMn. Die Legierungen wurden über spontanes Abschrecken von Schmelztröpfchen gewonnen. Die in Tabelle 1 als Probe 5 genannte Zusammensetzung auf Basis weist Gehalte an Al von 11 Gew.-% und an Mn von 1 Gew.-% auf. Sie zeigt auch nur eine Bruchdehnung von 3,5 %, was auf vergleichsweise geringe Duktilität, also hohe Sprödigkeit, schließen läßt. Die höchste Raumtemperaturbruchdehnung bei allen anderen Beispielen liegt bei 18 % und wurde für eine Magnesiumlegierung der Zusammensetzung MgZn2Al15Nd1 ermittelt.

[0023] US 5,078,962 schützt Magnesiumlegierungen, die Al, Zn, Mn, Ca oder/und SE enthalten. Probe 11 der Tabelle auf Basis Al5Mn0,5Ca3,5 weist eine Bruchdehnung von nur 8 % auf.

[0024] EP-A-0 414 620 lehrt ebenfalls Magnesiumlegierungen, die Al, Zn, Mn, Ca oder/und SE enthalten. Die Legierungen auf Basis AlZn haben deutlich andere Zusammensetzungen als AZ 31.

[0025] EP-A-0 791 662 informiert über Magnesiumlegierungen, die Al, Mn, Ca, SE und ggf. Zn enthalten. Die Legierungen der Beispiele und Vergleichsbeispiele weisen eine Bruchdehnung im Bereich von 0,3 bis 6,9 % auf.

[0026] US 5,681,403 lehrt Magnesiumlegierungen auf Basis AlMn, die ggf. SE, Ca, Cu oder/und Zn enthalten. Die Diagramme weisen für die Legierungen eine Bruchdehnung von weniger als 12 % aus.

[0027] T. Ebert et al. berichten in Magnesium Alloys and their Applications, Eds.: B. L. Mordike und K. U. Kainer, 563ff, Vorträge einer gleichnamigen Konferenz April 28-30, 1998, in Wolfsburg, über Magnesiumlegierungen hergestellt durch "Spray Forming". Die in Figur 4 dargestellten mechanischen Raumtemperatureigenschaften auf Basis AE, AS und AlCa verdeutlichen die Entwicklungsrichtung zu hohen Zugfestigkeiten und geringen Bruchdehnungen. Die Bruchdehnung beträgt bis zu 11 %, bei der Legierung AE42 jedoch 20 %.

[0028] Koushirou Hirata et al. beschreiben in Keikinzoku 47, 1997, 12, 672-678 die Auswirkungen des Aluminiumgehalts und der Wärmebehandlung auf die Zugfestigkeit semi-solid geformter Magnesiumlegierungen mit 4 - 8 % Al und ggf. 2 % Ca sowie mit 4 - 8 % Al, 1 % Si und 0,5 % Ca.

[0029] US 4,675,157 schützt Magnesiumlegierungen mit bis zu 11 % Al, bis zu 4 % Zn, von 0,5 bis 4 % von Elementen ausgewählt aus Si, Ge, Co, Ti und Sb, wobei die Summe aus Al und Zn 2 bis 13 % beträgt und eine Mischkristallphase in bestimmter Weise auftritt. Diese Magnesiumlegierungen wurden durch Abschrecken von Schmelztröpfchen hergestellt. Die Bruchdehnung der verschiedensten Beispiele und Vergleichsbeispiele variiert zwischen 0,8 und 11 %.

[0030] JP-A-09/316586 publiziert am 09.12.1997 lehrt verschleiß- und wärmebeständige Magnesiumlegierungen mit bis zu 4 % SE, bis zu 5 % Si und ggf. ≤ 1 % Mn, ≤ 1 % Zr, ≤ 4 % Ca, ≤ 10 % Al, ≤ 5 % Zn und ≤ 5 % Ag. Diese Legierungen sind auf hohe Zugfestigkeit bei Raumtemperatur und bei 200 °C, aber nicht auf hohe Duktilität optimiert.

[0031] EP-A-0 799 901 offenbart wärmebeständige Magnesiumlegierungen mit guten Kriecheigenschaften auf Basis von 2 bis 6 % Al und 0,5 bis 4 % Ca bei einem Ca:Al-Verhältnis von ≤ 0,8. Die Bruchdehnung dieser Proben soll jedoch nur 0,8 bis 7 % betragen.

[0032] US 5,071,474 führt ein Verfahren zum Schmieden von Magnesiumlegierungen auf der Grundlage von abgeschreckten Schmelztröpfchen an, wobei die Legierungen neben Al und Zn Mn, Ce, Nd, Pr und Y enthalten können. Die Bruchdehnung der Beispiele und Vergleichsbeispiele schwankt zwischen 0 und 11 %.

[0033] In US 5,147,603 werden die mechanischen Kenndaten von Magnesiumlegierungen auf Basis von AlCa/Sr, Al9Zn1 bzw. Al9Zn1Ca/Sr veröffentlicht. Die Bruchdehnung der Beispiele und Vergleichsbeispiele schwankt zwischen 0,4 und 20 %, wobei nur die Legierungen auf Basis von AlSr, AZ91 bzw. AZ91Ca/Sr Werte zwischen 13 und 20 % zeigen.

[0034] In GB 831,638 werden die mechanischen Eigenschaften von Magnesiumlegierungen auf Basis von Th und Mn sowie ggf. von Zn oder/und SE offengelegt. Die Bruchdehnung der Beispiele liegt nur bei 3,5 und 4 %.

[0035] JP-A-62/00348 publiziert am 19.07.1994 lehrt hochfeste wärmebeständige Magnesiumlegierungen mit bis zu 5 % Lanthaniden sowie ggf. ≤ 5 % Ca, ≤ 1,5 % Mn, ≤ 1,5 % Zr oder/und Gehalten an Ag, Al, Sc, Sr, Y bzw. Zn. Die Legierungen sind offenbar nur auf Zugfestigkeit bei Raumtemperatur und bei erhöhter Temperatur optimiert.

[0036] DE-A-42 08 504 schützt Maschinenbauteile aus einer 2 bis 8 % SE enthaltenden Magnesiumlegierung, die einen hohen Anteil an Samarium und eine gute Kriech- und Ermüdungsfestigkeit sowie eine gute Zugfestigkeit bei erhöhter Temperatur aufweisen sollen. Die genannten Probekörper wurden weder umgeformt, noch verformt.

[0037] US 3,024,108 offenbart Magnesiumlegierungen auf Basis von ZnMn, die SE oder/und Th enthalten. Die mechanischen Eigenschaften der gewalzten Proben werden jeweils für die Walzrichtung und quer hierzu angegeben, wobei sich gemittelt über alle Richtungen Bruchdehnungen von ca. 9 bis 13 % ergeben.

[0038] A. Raman beschreibt in Uses of Rare Earth Metals and Alloys in Metallurgy, Z. Metallkunde 68, 1977, 3, 163 - 172, SE-haltige Magnesiumlegierungen. Auch wenn vereinzelt von einem Anstieg der Duktilität infolge Zugabe mindestens eines Seltenerdelementes gesprochen wird, sind die einzigen explizit genannten Werte der Bruchdehnung bei 2 bis 8 % bzw. unter Bezug auf JP-A-72/07973 (März 1972) für La-haltige Magnesiumlegierungen bei etwa 25 %.

[0039] S. Kamado et al. berichten in Magnesium Alloys and their Applications, Eds.: B. L. Mordike und K. U. Kainer, 169ff, Vorträge einer gleichnamigen Konferenz April 28-30, 1998, in Wolfsburg, über Magnesiumlegierungen auf Basis SE, Y oder/und Zr hergestellt u.a. durch Gießen und Walzen. Die Bruchdehnung betrug etwa 6 bis 17 % bei Raumtemperatur, wobei nur die Legierungen mit 9,6 % Y und 0,84 % Zr sowie mit 9,3 % Gd, 4,1 % Y und 0,7 % Zr Werte über 10 % erreichten.

[0040] T. Mohri et al. beschreiben in Microstructure and mechanical properties of a Mg-4Y-3RE alloy processed by thermo-mechanical treatment in Materials Science and Engineering A257, 1998, 287 - 294, Magnesiumlegierungen mit 4 % Y, 0,41 % Zr, 0,15 % Li und 3,2 % SE, von denen 2,2 % Nd sind. Die extrudierten Proben zeigten eine Raumtemperaturbruchdehnung von etwa 13 % bzw. von etwa 20 %.

[0041] Die WO-A-96/25529 beschreibt Magnesiumlegierungen mit einem Gehalt von 2 bis 6 Gew.-% Aluminium und mit 0,1 bis 0,8 Gew.-% Calcium. Die Legierungen können neben weiteren Bestandteilen auch bis zu etwa 0,5 Gew.-% Mangan enthalten. Es handelt sich um Gusslegierungen, die hergestellt werden aus einer Magnesium-Aluminium-Legierung und einer Calcium-Magnesium-Legierung. Die Legierungen enthalten die intermetallische Verbindung Al₂Ca und weisen eine erhöhte Kriechbeständigkeit auf. Eine Umformung nach dem Guss ist nicht vorgesehen.

[0042] Das japanische Patent Abstract JP-A-9271919 beschreibt wärmebeständige Magnesiumlegierungen mit einem Anteil von 2 bis 10 Gew.-% Aluminium sowie 1 bis 10 Gew.-% Calcium, die neben weiteren Elementen auch einen Anteil von weniger als 2 % Mangan enthalten können. Die Legierungen werden geformt aus Metallkörnern oder Pellets durch Spritzgießen bei der Liquidustemperatur oder durch Formen im halbgeschmolzenen Zustand aus einem Gemisch zwischen fester Phase und Flüssigphase. Es wird eine Bruchdehnung von 14 % und eine Zugfestigkeit von 200 MPa für die Produkte angegeben.

[0043] Es bestand daher die Aufgabe, Magnesiumlegierungen erhöhter Duktilität und möglichst auch erhöhter Energieaufnahme, Druckfestigkeit und Zähigkeit unter Auswahl der für diese Einsatzzwecke am ehesten wirkenden Parameter vorzuschlagen, die eine möglichst geringe Dichte aufweisen und darüber hinaus auch möglichst einfach und kostengünstig hergestellt werden können.

[0044] Die Aufgabe wird gelöst mit einer Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann und die 0,2 bis 4 Gew.-% Mn sowie 0,2 bis 6 Gew.-% Ca oder/und 0,1 bis 6 Gew.-% Sr enthält, wobei die restlichen Gehalte der Magnesiumlegierung aus Magnesium und unvermeidbaren Verunreinigungen bestehen, wobei ihre Druckfestigkeit mindestens 300 MPa, ihre Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 20 J und ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 15 % beträgt und sie hergestellt ist aus hochreinen Legierungen durch Strangpressen oder Schmieden mit einem Umformgrad von mindestens 1,5 unter dynamischer Rekristallisation und unter Ausbildung eines feinkörnigen Gefüges mit einer mittleren Korngröße von höchstens 25 µm.

[0045] Die Aufgabe wird auch gelöst mit einer entsprechenden Magnesiumlegierung, die eine Legierung auf Basis AM (Aluminium/Mangan) oder MA (Mangan/Aluminium) ist, die 0,5 bis 10 Gew.-% Al und 0,1 bis 4 Gew.-% Mn sowie jeweils 0,1 bis 6 Gew.-% Ca oder/und Sr enthält, wobei die restlichen Gehalte der Magnesiumlegierung aus Magnesium und unvermeidbaren Verunreinigungen bestehen, wobei ihre Druckfestigkeit mindestens 320 MPa, ihre Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 40 J und ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 16 % beträgt und wobei sie hergestellt ist aus hochreinen Legierungen durch Strangpressen oder Schmieden mit einem Umformgrad von mindestens 1,5 unter dynamischer Rekristallisation und unter Ausbildung eines feinkörnigen Gefüges mit einer mittleren Korngröße von höchstens 25 µm.

[0046] Vorzugsweise weisen diese Magnesiumlegierungen einen plastischen Anteil der Spannung bestimmt im Zugversuch nach dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm aus der Differenz von Zugspannung und Fließspannung von mindestens 40 MPa auf, besonders bevorzugt von mindestens 60 MPa, ganz besonders bevorzugt von 80 bis 120 MPa.

[0047] Alle diese Magnesiumlegierungen können u.a. durch Strangpressen hergestellt worden sein. Es sind jedoch auch andere Umformverfahren anstelle oder zusammen mit dem Strangpressen von Vorteil, insbesondere das Schmieden. Vorzugsweise sind sie umgeformt, insbesondere stranggepreßt oder/und geschmiedet, und weisen ein feinkörniges, dynamisch rekristallisiertes Gefüge, insbesondere mit einer mittleren Korngröße von nicht mehr als 20 µm, und einen Gehalt an Ausscheidungsphasen von nicht mehr als 5 Vol.-% auf, bevorzugt von nicht mehr als 2 Vol.-%. Sie können ein Gefüge mit einer mittleren Korngröße von höchstens 25 µm aufweisen, besonders bevorzugt von höchstens 15 µm, ganz besonders bevorzugt von höchstens 8 µm. Die mittlere Korngröße wird dabei an Anschliffen mit üblichen stereometrischen Verfahren bestimmt.

[0048] Die restlichen Gehalte der angeführten chemischen Zusammensetzung bestehen aus Magnesium und unvermeidbaren Verunreinigungen. Gehalte an Cadmium stören bei der Verarbeitung nur wegen ihrer Giftigkeit, sind sonst aber insbesondere bezüglich der Umformbarkeit eher von Vorteil. Spurengehalte an Kupfer, Eisen und Nickel sollen möglichst gering sein, da sie sich auf die Verarbeitung oder/und die Werkstoffeigenschaften negativ auswirken.

[0049] Die chemische Zusammensetzung der Magnesiumlegierungen variierte nur geringfügig oder fast gar nicht von der Zusammensetzung der Schmelze zur Zusammensetzung vor bzw. nach dem Strangpressen bis zur Zusammensetzung des daraus hergestellten Halbzeugs.

[0050] Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Magnesiumlegierung, bei dem ein urgeformter oder kompaktierter Formkörper hergestellt und durch Umformen oder/und Verformen dynamisch rekristallisiert wird. Der Formkörper kann daher über die Schmelze oder/und über Pulver hergestellt worden sein. Beim Umformen, insbesondere beim Strangpressen, wird ein Umformgrad von mindestens 1,5 gewählt, vorzugsweise von mindestens 2 oder sogar von mindestens 3, um eine dynamische Rekristallisation und ein feinkörniges Gefüge zu erwirken. Der Umformgrad kennzeichnet den Grad der Querschnittsverringerung beim Umformen und wird als natürlicher Logarythmus des Verhältnisses von Ausgangsquerschnitt zu Querschnitt nach dem Umformen angegeben. Er ist daher auch oft mit dem Grad der dynamischen Rekristallisation korreliert, wobei möglichst noch kein stärkeres Wachstum einzelner Körner auftreten sollte, sondern ein möglichst feinkörniges Gefüge angestrebt wird, das bei manchen Magnesiumlegierungen eine hohe Duktilität bedingt. Je stabiler das Gefüge einer Magnesiumlegierung ist, desto feinkörniger wird bzw. bleibt das Gefüge beim Umformen. Der umgeformte oder/und verformte Formkörper kann danach zu einem Halbzeug oder/und einem aus oder mit diesem Halbzeug gefertigten Bauteil bearbeitet bzw. verarbeitet werden. Das hergestellte Halbzeug bzw. das aus oder mit dem Halbzeug hergestellte Bauteil kann gerichtet, z.B. durch Biegen, Drücken, Drückwalzen, Streckziehen, Tiefziehen, Innenhochdruckumformen oder Walzprofilieren weiter verformt, z.B. durch Trennen, Bohren, Fräsen, Schleifen, Läppen, Polieren bearbeitet, gefügt oder/und z.B. durch Ätzen, Beizen, Lackieren oder sonstiges Beschichten oberflächenbehandelt werden.

[0051] Beim Fügen kann das Halbzeug oder das daraus oder damit hergestellte Bauteil durch mindestens ein wärmearmes Fügeverfahren wie z.B. Kleben, Nieten, Stecken, Anpressen, Einpressen, Clinchen, Falzen, Schrumpfen oder Schrauben oder/und mindestens ein wärmeeinbringendes Fügeverfahren wie z.B. Verbundgießen, Verbundschmieden, Verbundstrangpressen, Verbundwalzen, Löten oder Schweißen, insbesondere Strahlschweißen oder Schmelzschweißen, mit einem gleichartigen oder andersartigen Halbzeug oder Bauteil verbunden werden. Das andersartige Halbzeug oder Bauteil kann ebenfalls im wesentlichen aus einer Magnesiumlegierung oder aus einer anderen Legierung oder auch aus einem nichtmetallischen Werkstoff bestehen. Es kann die gleiche oder eine andere Geometrie aufweisen wie das erfindungsgemäße Halbzeug oder Bauteil. Das Fügeverfahren kann insbesondere dazu dienen, aus mehreren Elementen ein Gehäuse, einen Apparat, eine Anlage, eine Profilkonstruktion oder/und eine Verkleidung herzustellen.

[0052] Als Halbzeuge im Sinne dieser Anmeldung werden Formkörper verstanden, die noch nicht für ihren jeweiligen Anwendungszweck fertiggestellt und einsatzfähig sind. Als Bauteile werden dagegen die für den beabsichtigten Einsatzzweck geeigneten Formkörper bezeichnet. Beide Begriffe gehen jedoch fließend ineinander über, da es sich bei dem gleichen Formkörper für den einen Einsatzzweck um ein Halbzeug, für den anderen aber bereits um ein Bauteil handeln kann. Ferner wird aus Gründen der sprachlichen Vereinfachung nicht überall im Text streng zwischen Halbzeug und Bauteil unterschieden bzw. beides gleichzeitig angeführt oder nur von Magnesiumlegierung gesprochen, obwohl beides gemeint sein kann.

[0053] Die Halbzeuge aus erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungen bzw. die daraus oder damit hergestellten Bauteile können verwendet werden als Felgen, Getriebegehäuse, Lenkradskelette, Querlenker, Rahmenelemente, Elemente von Fahrzeugzellen oder Fahrzeugaußenhäuten, Fahrzeugzelle, Fahrzeugaußenhaut, Cockpitträger, Cockpithaut, Gehäuse, Bodenelemente, Böden, Deckel, Tankelemente, Tankklappen, Halterungen, Stützen, Träger, Winkel, Hohlprofile, Rohre, Deformationselemente, Crashelemente, Crashabsorber, Pralldämpfer, Prallschilde, Prallträger, Kleinteile wie z.B. Zahnräder, als Laufräder und sonstige Arten Räder, als geschweißte Profilkonstruktionen, für die Fahrzeugkarosserie, für Sitz-, Fenster- oder/und Türrahmen, als Halbzeuge, Bauteile oder Verbunde am oder im Automobil oder Flugzeug.

Verfahren zur Herstellung von Strangpreßprofilen:

[0054] Die Verfahren zur Herstellung von Strangpreßprofilen aus den erfindungsgemäßen Legierungen werden in einer am gleichen Tag vom gleichen Anmelder eingereichten Patentanmeldung im Detail beschrieben.

[0055] Es wird vorzugsweise von hochreinen, kommerziell erhältlichen Legierungen ausgegangen. Ggf. werden diese Legierungen durch Zusätze auflegiert. Dabei können die hochreinen auflegierten Legierungen beim Schmelzprozeß geringe Mengen an Verunreinigungen aus dem Tiegel aufnehmen. Die Legierungen können beispielsweise in einem Nickel- und Chrom-freien Stahltiegel unter einer Schutzgasatmosphäre, z.B. Ar oder/und SF₆, erschmolzen werden. Anstelle eines Gießverfahrens kann auch die pulvermetallurgische Herstellung von Grünlingen ggf. mit nachfolgender Glühung eingesetzt werden. Die Verfahrensschritte sind grundsätzlich bekannt, bedingen aber je nach Legierung eine unterschiedliche Abänderung bzw. Optimierung.

[0056] Voraussetzung für die Weiterverarbeitung von Magnesiumlegierungen z.B. durch Strangpressen, oder/und Schmieden ist die Herstellung geeigneter Varmaterialien z.B. in Form von Blöcken, Bolzen oder Brammen. Für die Herstellung von Bolzen zum Strangpressen gibt es vor allem zwei Möglichkeiten:

[0057] Beim ersten Verfahren kann ein Bolzen mit einem sehr großen Durchmesser gegossen werden, der dann anschließend mit Hilfe einer Hochleistungsstrangpresse zu Rundbolzen mit einem Durchmesser verpreßt werden kann, der dem Rezipientendurchmesser entspricht. Hierbei wird die Seigerung durch die thermomechanische Behandlung verringert.

[0058] Ein weniger aufwendiges Verfahren als dieses Dappelstrangpressen ist die Herstellung der Bolzen durch Sand-, Kokillen- oder Strangguß mit einer ausreichend großen Bearbeitungszugabe. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, daß keine stärkere Seigerungen auftreten, die auch durch lange Homogenisierungszeiten nicht oder nur unzureichend ausgeglichen werden. Die Folgen könnten sonst eine schlechte Verpreßbarkeit und eine größere Streuung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Duktilität, sein.

[0059] Die gegossenen Bolzen können zunächst durch Wärmebehandlung in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung bei z.B. 350 °C im Bereich von 6 h bis 12 h homogenisiert werden, um Seigerungen im Gefüge zu beseitigen, das z.T. heterogene Gefüge zu verbessern und die Preßbarkeit zu erhöhen. Danach können die homogenisierten Bolzen mechanisch auf die erforderlichen Abmessungen bearbeitet werden.

[0060] Seigerungen können zu einer ungleichmäßigen Verformung und bei kritischen Strangpreßbedingungen zu Rissen bzw. zu lokalen Aufschmelzungen führen, was schlechte Oberflächenqualitäten bedingen kann. Bei weniger gut homogenisierten Bolzen ist ein unnötig hoher Preßdruck beim Strangpressen erforderlich.

[0061] Das Strangpressen der Magnesiumlegierungen kann in den gleichen Strangpreßanlagen erfolgen, die für das Strangpressen von Aluminiumlegierungen eingesetzt werden, sowohl über das direkte, als auch über das indirekte Strangpressen. Nur bei der Werkzeuggestaltung (Matrize) ist das Verformungsverhalten spezifisch zu berücksichtigen. Scharfkantige Einläufe, wie sie bei Aluminiumlegierungen zum Einsatz kommen, sind bei Magnesiumlegierungen zu vermeiden, da sonst die Gefahr von Oberflächenrissen auftritt. In vielen Fällen wird z.B. für Matrizen von Rundprofilen ein Einlaufwinkel von ca. 50 ° für Magnesiumlegierungen verwendet.

[0062] Der wichtigste Parameter neben der Strangpreßtemperatur ist die Strangpreßgeschwindigkeit, weil sie die Eigenschaften und die Oberflächenqualität der Strangpreßprofile maßgeblich beeinflußt. Ein hoher Preßdruck bedingt dabei auch eine hohe Strangpreßgeschwindigkeit, die aus wirtschaftlichen Gründen angestrebt wird. Eine hohe Strangpreßgeschwindigkeit ist üblicherweise mit einer noch besseren Oberflächenqualität verbunden. Die Preßbarkeit der Magnesiumlegierungen ist vergleichbar mit denen schwerpreßbarer Aluminiumlegierungen. Eine hohe Strangpreßgeschwindigkeit wird zwar aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten angestrebt, ist aber bei Magnesiumlegierungen nicht immer realisierbar. Trotz gewisser Kenntnisse zum Strangpressen von Magnesiumlegierungen müssen üblicherweise die Parameter zum Strangpressen im Detail erarbeitet werden, da hier ein großes Optimierungspotential verborgen ist.

[0063] Dem Strangpressen schließt sich vorteilhafterweise eine Wärmebehandlung an. Diese Wärmebehandlung ist üblicherweise nicht von starkern Interesse, da die erfindungsgemäßen Legierungen durch diese Wärmebehandlung meistens nicht stark verbessert werden. Die Halbzeuge können ggf. gerichtet, weiter verformt, bearbeitet, gefügt oder/und oberflächenbehandelt werden. Mit den erfindungsgemäßen Legierungen können Voll- und Strangprofile in einfachen oder komplizierten Querschnitten ohne Probleme stranggepreßt werden. Hierbei können Halbzeuge verbessert bzw. daraus oder damit ggf. auch Bauteile hergestellt werden.

Beispiele:

[0064] Die folgenden erfindungsgemäßen Beispiele stellen ausgewählte Ausführungsformen dar, ohne die Erfindung einzuschränken.

[0065] Bei den benutzten Legierungsbezeichnungen kennzeichnet A Al, E mindestens ein Seltenerdelement SE, wobei auch La und Y zu den Seltenerdelementen gerechnet werden, M oder MN Mn, S Si und Z Zn - üblicherweise mit Gehaltsangaben in Gew.-%, soweit nichts anderes vermerkt ist. Bei allgemein gebräuchlichen Legierungsangaben wie z.B. AZ31 werden durch die Zahlen wie für die jeweilige Legierung üblich nur größenordnungsmäßige Gehalte angegeben, die branchenüblich in relativ breitem Maß variieren können. Zusätzlich kann bei der in den Beispielen verwendeten Ausgangslegierung und den damit hergestellten modifizierten Legierungen auf Basis AZ ein geringer Mangangehalt vorhanden sein. Alle Beispiele wiesen Spuren von weniger als 0,1 Gew.-% Cd, von weniger als 0,05 Gew.-% Cu, von weniger als 0,04 Gew.-% Fe und von weniger als 0,003 Gew.-% Ni auf.

[0066] Die Legierungen wurden als hochreine kommerziell erhältliche Legierungen oder üblicherweise aus hochreinen Ausgangslegierungen wie z.B. AM-, AS- oder AZ-Legierungen bzw. durch Zugabe von Reinstmagnesium HP-Mg, einer Seltenerdelement-haltigen Vortegierung mit einem Verhältnis von Nd zu weiteren Seltenen Erden einschließlich Yttrium von 0,92, einer Zirkonium-haltigen Vorlegierung, von Calcium bzw. Strontium auflegiert. Die Standardlegierungen enthielten einen Mn-Gehalt von bis zu etwa 0,2 Gew.-%. Die Legierungen wurden in einem Stahltiegel unter der Schutzgasatmosphäre eines Ar-SF₆-Gemisches erschmolzen. Die Schmelze wurde bei einer Temperatur im Bereich von 780 bis 820 °C, einmalig auch bei 750 °C, gehalten und vergossen. Der Abguß der für das nachfolgende Strangpressen erforderlichen Rohlinge erfolgte in eine zylindrische Stahlkokille mit Bearbeitungszugabe. Die Form wies je nach Versuch einen Durchmesser von 90 bzw. 110 mm und eine Formtemperatur im Bereich von 80 bis 320 °C auf. Die erzielten Elementgehalte wurden spektroskopisch überprüft. Bei allen Legierungen wurde darauf geachtet, daß das Gefüge der Gußkörper möglichst homogen und frei von Verunreinigungen ist, da dies die Duktilität empfindlich beeinflussen kann. Alle Legierungen ließen sich ohne Probleme erschmelzen, abgießen und zu Bolzen verarbeiten.

[0067] Danach wurden die Gießkörper über 12 h bei 350 °C homogenisiert. Durch Drehen wurden Bolzen von in der Regel 70 mm Durchmesser und 120 mm Länge hergestellt; bei 6 Proben der Legierung AZ31Ca0,3 wurde jedoch ein Durchmesser von 74 mm gewählt. Die homogenisierten und abgedrehten Bolzen waren dann für das Strangpressen gut vorbereitet.

[0068] Danach wurden die Bolzen auf die jeweilige Strangpreßtemperatur im Bereich von 200 bis 450 °C aufgeheizt, über 60 bis 150 min durchgewärmt und in einer 400 t-Horizontalpresse stranggepreßt. Die Temperatur des Bolzens ist daher jene Temperatur, die der Bolzen bei Eintritt in die Strangpresse aufweist.

[0069] Vorversuche wurden mit der Legierung AZ31 in einer 400 t-Strangpresse bei direktem Strangpressen durchgeführt (Tabellen 1 und 2). Mit einem Rezipientendurchmesser von 74 mm konnte ein breites Parameterfeld erfolgreich untersucht werden. Die Vorversuche erlaubten die Festlegung der Versuchsparameter. In systematischen Vorversuchen an der Referenzlegierung AZ31 wurden die geeigneten Strangpreßparameter ausgewählt; an den stranggepreßten Proben wurden die mechanischen Eigenschaften und die mittleren Korngrößen bestimmt (Tabellen 1 und 2). Die Ergebnisse der Vorversuche bestimmten wesentlich die Versuchsparameter der nachfolgenden Versuche.

[0070] Bei den spezifischen Versuchen wurden etliche der Herstellparameter systematisch variiert (Tabellen 3e/f). Einerseits wurde der Matrizendurchmesser variiert und wurden hierbei die Preßstempelgeschwindigkeit und Strangpreßtemperatur konstant gehalten, andererseits wurde die Matrizengeometrie konstant gehalten und wurde hierbei die Preßstempelgeschwindigkeit variiert und schließlich wurde die Strangpreßtemperatur legierungsabhängig variiert. Die Preßstempelgeschwindigkeit und das Strangpreßverhältnis ergaben dabei die Strangpreßgeschwindigkeit. Mit Hilfe einer derartigen Parametermatrix war eine Bewertung des Einflusses unterschiedlicher Umformbedingungen möglich. Die Variation der Strangpreßparameter hatte einen unterschiedlichen Einfluß auf das Eigenschaftsprofil der stranggepreßten Magnesiumwerkstoffe. Tendenzen der Werkstoffeigenschaften der verschiedenen Legierungen je nach den Herstellparametem lassen sich aus den Tabellen 3e/f entnehmen.

[0071] Bei den spezifischen Strangpreßversuchen wurde ebenfalls in einer 400-t-Strangpresse bei direktem Strangpressen gearbeitet. Strangpreßtemperatur: 340 °C, 365 °C bzw. 390 °C jeweils nach 1 h Zeit des Aufheizens und Durchwärmens des Bolzens. Es wurden vorwiegend Preßmatrizen mit einem Durchmesser von 15, 16 bzw. 18 mm und entsprechend einem Verpressungsverhältnis von 1 : 24,3, 1 : 21,4 und 1 : 16,9 eingesetzt. Die Preßgeschwindigkeit betrug 3,8 - 4,5, 5,0 - 5,5, 5,8 - 6,5 bzw. 9,5 - 10 m/min. Nur ein kleiner Teil der Strangpreßversuche wird in Tabelle 3e wiedergegeben. Je nach Probe wurde bei einem Rezipientendurchmesser von 74 mm eine Rezipiententemperatur im Bereich von 250 bis 380 °C, ein Matrizendurchmesser im Bereich von 14 bis 18 mm, ein Preßverhältnis A/A₀ im Bereich von 16,9 bis 27,9, ein Umformgrad ϕ = In(A_o/A) im Bereich von 2,8 bis 3,3, eine Stempelgeschwindigkeit im Bereich von 145 bis 508 mm/min, eine Strangpreßgeschwindigkeit im Bereich von 3,2 bis 10,8 m/min, ein Preßdruck zu Beginn des Strangpressens im Bereich von 8,7 bis 23,5 MPa und ein Preßdruck zum Ende des Strangpressens im Bereich von 7,2 bis 16,5 MPa und einmalig von 23,3 MPa eingestellt.

[0072] Die aufgetretenen Strangpreßdrücke variierten je nach verwendeter Legierung und eingestellten Parametern in einem breiten Spektrum. Die erreichten Enddrücke lagen für Legierungen ohne Ca-, SE- oder Zr-Zusatz im Bereich um 10 ± 2 MPa bei Strangpreßtemperaturen größer 300 °C und bei Ca-, SE- oder Zr-haltigen Legierungen um bis zu 4 MPa höher. Ursache für die höheren Strangpreßdrücke und somit für den erhöhten Formänderungswiderstand von Magnesiumlegierungen mit Ca-, SE- oder Zr-Zusatz ist ein höherer Anteil an stabilen Ausscheidungen als bei Magnesiumlegierungen ohne diesen Zusatz. Für geringere Temperaturen wurden generell etwas höhere Strangpreßdrücke ermittelt.

[0073] Alle Legierungen, sowohl die Ausgangslegierungen, als auch die durch Zusätze modifizierten Legierungen ließen sich problemlos in einem breiten Temperatur-, Strangpreßgeschwindigkeits- und Strangpreßverhältnisbereich umformen. Die aufgetretenen Strangpreßdrücke variierten je nach verwendeter Legierung und eingestellten Strangpreßparametern. Die Bolzen zeigten eine gute Verpreßbarkeit mit einem großen Spielraum bezüglich Preßkraft und Preßgeschwindigkeit. Die untere Strangpreßtemperatur ist durch die unzureichende plastische Verformbarkeit unterhalb einer Temperatur im Bereich von etwa 200 bis 220 °C bedingt, die obere Strangpreßtemperatur findet ihre Grenzen durch die Nähe zur eutektischen Temperatur und möglicherweise durch die erste Ausbildung von Anteilen einer schmelzflüssigen Phase.

[0074] Die stranggepreßten Rundprofile wurden durch Fräsen und Drehen bearbeitet zu Rundzugproben (d₀ = 5 mm, I₀ = 5 · d₀, kleiner Praportionalitätsstab, nach DIN 50 125), Druckproben (d₀ = 10 mm, I₀ = 2 · d₀, nach DIN 50 106), Schlagbiegeproben (10 x 10 x 55 mm, nach DIN 50 116) und Kerbschlagbiegeproben (nach DIN 50 115). Pro Legierung und Versuch wurden jeweils 5 dieser Proben hergestellt und getestet. Bei allen Proben wurde die Längsrichtung so gewählt, daß sie mit der Richtung des Strangpressens übereinstimmt.

[0075] Beim Zugversuch wurden Zugfestigkeit R_m, Dehngrenze = Streckgrenze R_P0,2 und Bruchdehnung A bzw. z.T. auch die Brucheinschnürung BE beim Zugversuch bei einer Zuggeschwindigkeit von 0,5 mm/min bestimmt. Beim Druckversuch wurden Werte der Druckfestigkeit R_Dm, Stauchgrenze R_D0,2 und Stauchung A_D bei einer Druckgeschwindigkeit von 0,5 mm/min gewonnen. Der Beginn der plastischen Verformung (Dehn- bzw. Stauchgrenze) wurde graphisch ermittelt. Außerdem wurden Brinellhärte-Messungen nach DIN 50351 durchgeführt. Alle Messungen fanden bei Raumtemperatur statt. Die Ergebnisse der mechanischen Bestimmungen sind in den Tabellen 3a-c und die der Gefügeuntersuchungen in der Tabelle 3d zusammengestellt.

[0076] An ausgewählten Proben wurden Anschliffe hergestellt, die bezüglich mittlerer Korngröße, Gefügeinhomogenitäten sowie Art und Verteilung der enthaltenen ausgeschiedenen Phasen beurteilt wurden. Anhand dieser Bewertung erfolgte eine weitere Optimierung der Herstellungs- und Verarbeitungsparameter.

[0077] Generell trat während des Strangpressens eine dynamische Rekristallisation auf, die in Abhängigkeit von den Strangpreßparametern und der Legierungszusammensetzung zu unterschiedlichen mittleren Korngrößen führte. Je nach den Strangpreßbedingungen ergaben sich trotz gleicher Legierungszusammensetzung Unterschiede im Gefüge der Proben. Die Gefügeausbildung und die erreichte Bruchdehnung korrelierten mit den Verformungsparametern.

[0078] Die an den gegossenen und stranggepreßten Proben ermittelten Festigkeitswerte waren weitaus höher als erwartet. Überraschenderweise war auch das Verformungsvermögen dieser Legierungen sehr hoch. Ferner war es überraschend, daß die Werkstoffeigenschaften der modifizierten Legierungen erstaunlich wenig in Abhängigkeit von den Strangpreßbedingungen variierten, was für eine Fertigung vorteilhaft ist. Ferner war es überraschend, daß die Schlagarbeit der Legierung ZE10 derart hoch lag.

[0079] Die Meßergebnisse der Brinellhärte-Bestimmungen ermöglichten keine besonderen Aussagen. Die Brinellhärte der stranggepreßten Proben erwies sich um 7 bis 22 % größer als bei den Proben im Gußzustand. Die Härte nahm mit dem Aluminium-Gehalt zu.

[0080] Bei der stranggepreßten (=extrudierten) Legierung AM50 lag die Zugfestigkeit bei Werten bis zu 287 MPa, die Druckfestigkeit bei Werten bis zu 365 MPa, die Bruchdehnung bei Werten bis zu 21,6 % und die Schlagarbeit ungekerbter Proben bei Werten bis zu 85 J (Tabellen 3a/c). Alle diese Werkstoffeigenschaften lagen daher signifikant über denen, die an Proben im gegossenen Zustand ermittelt wurden.

[0081] Bei der stranggepreßten Legierung AM20Ca0.2 bzw. AM50Ca0,5 traten im Vergleich zur stranggepreßten Legierung AM20 bzw. AM50 bei den Druck- und Schlagversuchen höhere mechanische Eigenschaften bei einer vergleichbar hohen Duktilität auf, bei den geringer Aluminium-haltigen Legierungen auch bei den Zugversuchen. Da die untersuchten stranggepreßten Proben noch nicht die beste Gefügehomogenität aufwiesen, können hier noch deutlich bessere Eigenschaften erzielt werden. Bei der stranggepreßten Legierung AZ31Ca0.3 bzw. AS41 Ca0.4 lagen die Ergebnisse der Druckfestigkeit höher als bei der stranggepreßten Legierung AZ31 bzw. AS41. Bei diesen Ca-modifizierten Legierungen traten die höchsten ermittelten Druckfestigkeiten auf. Bei den stranggepreßten Legierungen AM50 bzw. AZ31 nahmen die mittleren Korngrößen im Trend mit der Strangpreßtemperatur z.B. im Bereich von 6 bis 12 µm bzw. 3,5 bis 10 µm zu. Bei der Legierung AM50Ca0,5 lag die mittlere Korngröße im Bereich von 4,5 bis 9 µm und somit aufgrund des Ca-Zusatzes geringer, wobei die mittleren Korngrößen proportional zur Strangpreßtemperatur ebenfalls etwas zunahmen.

[0082] Bei der stranggepreßten Legierung ME10 lagen die höchsten Werte der Zugversuche mit der mittleren Zugfestigkeit bei Werten bis zu 336 MPa und der mittleren Streckgrenze bei Werten bis zu 327 MPa. Die gegossene Legierung ME10 zeigte einen sehr hohen plastischen Anteil der Spannung, während sich das Verhältnis des elastischen zum plastischen Anteils beim Strangpressen umkehrte und zu umgekehrten Extremwerten führte (Tabelle 3b). Es traten sehr kleine mittlere Korngrößen im Bereich von 3 bis 5 µm auf.

[0083] Bei der stranggepreßten Legierung MN150Ca0.2 zeigte sich eine sehr starke Steigerung der meisten mechanischen Eigenschaften im Vergleich zur stranggepreßten Legierung MN150. Ein Zusatz von Zr0.7 zur stranggepreßten Ausgangslegierung MN150 wirkte sich nur wenig aus.

[0084] Bei der stranggepreßten Legierung ZE10 wurden zwar geringere mechanische Eigenschaften ermittelt, doch variierten diese sehr stark mit der Temperatur, so daß noch bessere mechanische Eigenschaften mit noch höherer Temperatur erzielt werden können: Die Eigenschaften der Legierung ZE10 werden wesentlich von den Seltenen Erden beeinflußt und können bei der Variation der Seltenerdelemente einschließlich Lanthan und Yttrium bzw. ihrer Gehalte noch weiter optimiert werden. Bei der Legierung ZE10 traten mittlere Korngrößen im Bereich von 6,5 bis 13 µm auf, die wieder mit der Strangpreßtemperatur eher zunahmen; diese Legierung erwärmte sich jedoch mit zunehmender Strangpreßgeschwindigkeit relativ stark, was bei höherer Strangpreßgeschwindigkeit ebenfalls zu etwas größeren mittleren Korngrößen führte. Bei der stranggepreßten modifizierten Legierung ZE10Zr0,7 ergaben sich aufgrund des Zirkonium-Zusatzes sehr viel höhere Festigkeiten als bei der stranggepreßten Ausgangslegierung ZE10. Sie wies wie die zusätzlich Zr0.7 enthaltende stranggepreßte Legierung sehr hohe Werte der Bruchdehnung und der Kerbschlagarbeit auf. So konnte beim Abkühlen von Aluminium-freien Zirkonium-haltigen Schmelzen eine heterogene Keimbildung einsetzen, die aufgrund eines Korngrenzen-Pinnings zu einem besonders feinen Gefüge führte. Die Schlagarbeit an ungekerbten Proben war jedoch aufgrund der inhomogenen Verteilung der Zirkonium-haltigen Phase im Vergleich. zu den Proben der Legierung ZE10 teilweise geringfügig gesunken. Bei der stranggepreßten Legierung ZE14Zr0,7 stabilisierte der Zirkonium-Zusatz das Gefüge. Es entstanden beim Strangpressen Gefüge mit mittleren Korngrößen im Bereich von 2,2 bis 4,5 µm. Diese geringen Korngrößen entstanden über einen weiten Strangpreßparameterbereich. Bei dieser Legierung war die geringe Variation der Korngrößen in Abhängigkeit von den Strangpreßparametern auffällig.

[0085] Ein Zusatz von SE0.7 oder insbesondere von Zr0.7 zur Legierung ZM21 wirkte sich nur wenig auf die mechanischen Eigenschaften aus.

[0086] Es wurde gefunden, daß die Hall-Petch-Beziehung auch für die erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungen im Trend gültig ist, nach der die mechanischen Eigenschaften mit kleineren Korngrößen verbessert werden. Das gilt in vielen Fällen vor allem für die Zug- und Druckfestigkeit, aber auch grundsätzlich für die Bruchdehnung und Schlagarbeit.

[0087] Bei diesen Versuchen wurden insbesondere Magnesiumlegierungen als geeignet ermittelt, bei denen je vorhandenem 1 Gew.-% Al ein Gehalt an Ca im Bereich von etwa 0,05 bis 0,2 Gew.-% Ca zugesetzt wurde, um eine Ausscheidung der Al₂Ca-Phase zu ermöglichen. Die Phase Al₂Ca erwies sich als temperaturstabiler als die Phase Mg₁₇Al₁₂ und konnte daher das Kornwachstum beim Strangpressen besser behindern als die Phase Mg₁₇Al₁₂. Auch die Ausscheidungsphase Mg₂Si behinderte das Kornwachstum beim Strangpressen besser als die Phase Mg₁₇Al₁₂. Eine Zugabe von Ca zu Al-freien Legierungen führte zur Bildung von Mg₂Ca- bzw. Ca₅Zn₂-Ausscheidungen. Es zeigte sich, daß die normalerweise bei Al-haltigen Magnesiumlegierungen erscheinende Phase Mg₁₇Al₁₂ zwar eine etwas erhöhte Festigkeit verursacht, aber auch für eine geringere Bruchdehnung verantwortlich ist. Da diese Phase noch spröder ist als als die reine hexagonale Mg-Phase, sollten größere Gehalte von Mg₁₇Al₁₂ vermieden werden.

[0088] Mit den Beispielen wurde nachgewiesen, daß die erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungen zum Strangpressen günstig sind, aber sich grundsätzlich zusätzlich oder alternativ zum Strangpressen auch zu anderen Arten des Umformens und weiteren Verformens aufgrund ihrer Werkstoffeigenschaften eignen.

Tabelle 1:

Ergebnisse der Vorversuche zur Ermittlung der Strangpreßparameter mit der Legierung AZ31 bei einer Strangpreßtemperatur von 400 °C, einem Matrizendurchmesser von 16 mm, einem Rezipientendurchmesser von 74 mm und einem Verpressungsverhältnis von 1 : 21
Preßgeschwindigkeit	Mittlerer Korndurchmesser	Zugfestigkeit Rm	Streckgrenze RP0,2	Bruchdehnung A	Brucheinschnürung
m/min	µm	MPa	MPa	%	%
4	8,8	277	134	12,5	29,2
5	9,3	281	141	12,7	29,3
8,4	9,0	282	137	15,6	35,2

Tabelle 2:

Einfluß des Verpressungsverhältnisses auf die mittleren Korngrößen und die mechanischen Eigenschaften aus dem Zugversuch bei einer Strangpreßtemperatur von 400 °C bei den Vorversuchen zum Ermitteln der Strangpreßparameter
Matrizendurchmesser	Preßverhältnis	Preßgeschwindigkeit	mittlerer Korndurchmesser	Zugfestigkeit Rm	Streckgrenze RP0,2	Bruchdehnung A	Brucheinschnürung
mm		m/min	µm	MPa	MPa	%	%
16	1 : 21	4	8,8	277	134	12,5	29,2
12	1 : 38	5	9,3	281	141	12,7	29,3

[0089] Bei den Tabellen 3a-f bedeuten "Guß" = Material im Gußzustand und "extr." = Gußmaterial, das anschließend durch Homogenisieren und Strangpressen (Extrudieren) umgeformt wurde, "B" = Beispiel, "VB" = Vergleichsbeispiel nach dem Stand der Technik, wobei erfindungsgemäßes Beispiel "B" sind nur die mit der AM oder MN bezogenen Legierungen zu betrachten.

Tabelle 3a:

Mittelwerte der Meßergebnisse der mechanischen Versuche an verschiedenen Proben der Ca-. Sr-, SE- und Zr-haltigen Magnesiumlegierungen und deren Ausgangslegierungen:
Probe	Legierung	Zugversuch				Druckversuch			Schlagvers.
		BE %	Rm MPa	RP0,2 MPa	A %	RDm MPa	Rstauch MPa	AD %	CG J	CUG J
VB 10	AM20   extr.	32,5	274	230	17,9	325	129	7,8	8,6	46
B 11	AM20Ca0.2   extr.	30,9	283	233	16,6	394	168	13,9	6,8	51
VB 12	AM50   Guß	14,0	178	69	11,0	338	73	26,0	6,2	13
B 13	AM50Ca0.5   extr.	30,1	287	197	18,3	373	166	15,8	7,3	66
B 13a	AM50Ca1.5Sr0.2   extr.	27,6	268	186	17,8	n.b.	n.b.	n.b.	7,7	63
VB 14	AS41   extr.	19,0	292	202	14,2	355	138	9,3	5,2	52
B 15	AS41Ca0.4   extr.	18,0	275	188	13,4	406	150	16,0	4,8	51
VB 16a	AZ31   extr.	33,1	282	215	17,6	342	124	8,9	10,8	65
B 17	AZ31Ca0.3   extr.	30,9	280	199	18,2	389	143	12,5	8,6	59
VB 18	ME10   Guß	15,3	192	75	7,9	328	83	27,0	7,3	19
VB 19	MN150   extr.	15,2	225	177	15,2	309	119	14,1	5,1	22
B 20	MN150Ca0.2 extr.	27,3	264	242	18,3	354	194	14,6	2,5	34

Tabelle 3b:

Mittelwerte der aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm der Zugversuche für modifizierte Magnesiumlegierungen und deren Ausgangslegierungen bestimmbare Werte. F = RP02 = Fließspannung = elastischer Anteil der Spannung. V = Streckgrenzenverhältnis = F : Z. Rm = Zugspannung Z = elastischer + plastischer Anteil der Spannung:
Nr.	Legierung	Spannungen				Dehnung
		Fließ-F MPa	Z - F MPa	Zug-Z MPa	V = F:Z	Aplast = A %
VB 10	AM20   extr.	230	44	274	0,84	17,9
B 11	AM20Ca0.2   extr.	233	50	283	0,82	16,6
VB 12	AM50   Guß	69	109	178	0,39	11,0
B 13	AM50Ca0.5   extr.	197	90	287	0,69	18,3
B 13a	AM50Ca1.5Sr0.2 extr.	186	82	268	0,69	17,8
VB 14	AS41   extr.	202	90	292	0,69	14,2
B 15	AS41Ca0.4   extr.	188	87	275	0,68	13,4
VB 16a	AZ31   extr.	215	67	282	0,76	17,6
B 17	AZ31Ca0.3   extr.	199	81	280	0,71	18,2
VB 18	ME10   Guß	75	117	192	0,39	7,9
VB 19	MN150   extr.	177	48	225	0,79	15,2
B 20	MN150Ca0.2 extr.	242	22	264	0,92	18,3

Tabelle 3c:

Höchste Mittelwerte der Meßergebnisse der mechanischen Eigenschaften ausgewählt aus verschiedenen Einzelproben der modifizierten Magnesiumlegierungen:
Probe	Legierung	Zugversuch				Druckversuch			Schlagvers.
		BE %	Rm MPa	RP0,2 MPa	A %	RDm MPa	Rstauch MPa	AD %	CG J	CUG J
VB 10	AM20   extr.	36,6	278	238	20,5	352	150	8,4	9,3	50,8
B 11	AM20Ca0.2   extr.	36,0	294	254	20,8	425	209	15,6	8,0	58,0
VB 12	AM50   extr.	21,6	287	212	21,6	365	140	11,2	10,0	85,0
B 13	AM50Ca0.5   extr.	32,0	295	215	20,3	421	186	16,7	7,5	68,5
B 13a	AM50Ca1.5Sr0.2 extr.	32,7	284	207	18,3	n.b.	n.b.	n.b.	11,2	68,7
VB 14	AS41   extr.	16,8	284	227	16,8	372	148	10,4	5,5	56,3
B 15	AS41Ca0.4   extr.	20,7	279	204	16,1	430	169	18,0	5,0	55,0
B 17	AZ31Ca0.3   extr.	35,3	286	214	21,8	407	162	15,3	9,0	63,7
VB 19	MN150   extr.	17,8	230	196	17,8	342	150	23,8	5,5	34,8
B 20	MN150Ca0.2 extr.	33,9	291	286	23,8	383	226	16,5	2,5	42,2

Tabelle 3d:

Vorwiegend auftretende Korngrößen im Gußzustand nach dem Homogenisieren bei 350 °C 4 h bzw. nach dem Strangpressen bei den modifizierten Magnesiumlegierungen und deren Ausgangslegierungen.
Probe	Legierung	mittlere Korngrößen, µm
VB 12	AM50   Guß	95
VB 13	AM50Ca0,5   Guß	124
B 13	AM50Ca0,5 extr.	4,6 - 9,2
B 13a	AM50Ca1,5Sr0,2 extr.	8,9 - 17,8
VB 16	AZ31   Guß	130
VB 16a	AZ31   extr.	3,5 - 6,8
VB 18	ME10   Guß	103

Tabelle 3e:

Verfahrensparameter zu verschiedenen Proben der modifizierten Magnesiumlegierungen und deren Ausgangslegierungen.
Probe	Legierung	Schmelztemperatur	Temperatur des Bolzens	Umformgrad ϕ= In(Ao/A)	Anfangspreßdruck	Preßgeschwindigkeit	Probenzahl
		°C	°C		MPa	m/min
VB 10	AM20   extr.	780 - 800	340 - 390	2,8 - 3,3	10,7 - 15,0	4,2 - 9,9	9
B 11	AM20Ca0.2   extr.	780	200 - 390	2,8 - 3,1	16,7 - 22,2	3,5 - 9,1	11
VB 12	AM50   Guß	800					1
B 13	AM50Ca0.5   extr.	780	250 - 340	2,8 - 3,1	15,7 - 23,5	3,4 - 9,2	8
B 13a	AM50Ca1.5Sr0.2 extr.	780	300 - 400	3,1	11,4 - 18,0	3,8 - 4,5	3
VB 14	AS41   HP extr.	780	250 - 390	2,8 - 3,3	10,7 - 21,4	4,3 - 10,2	10
B 15	AS41 Ca0.4   extr.	780	250 - 340	2,8 - 3,1	15,5 - 23,0	3,4 - 9,3	8
VB 16	AZ31   Guß	800					1
VB 16a	AZ31   extr.	780 - 800	250 - 390	2,8 - 3,2	10,6 - 20,8	4,2 - 10,6	17
B 17	AZ31Ca0.3   extr.	780	250 - 365	2,8 - 3,1	15,9 - 21,7	3,4 - 9,1	9
B17a	AZ31Ca0.5   extr.	780	250 - 365	2,8 - 3,1	14,7 - 21,2	3,5 - 9,1	9
VB 18	ME10   Guß	800	340				1
VB 19	MN150   extr.	780 - 800	250 - 390	2,8 - 3,3	8,7 - 14,6	4,5 - 10,8	10
B 20	MN150Ca0.2extr.	780	250 - 340	2,8 - 3,1	16,4 - 21,5	3,2 - 8,7	8

Ansprüche

1. Magnesiumlegierung, die 0,2 bis 4 Gew.-% Mn sowie 0,2 bis 6 Gew.-% Ca oder/und 0,1 bis 6 Gew.-% Sr enthält und Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu sowie, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, wobei die restlichen Gehalte der Magnesiumlegierung aus Magnesium und unvermeidbaren Verunreinigungen bestehen, hergestellt durch Strangpressen oder Schmieden mit einem Umformgrad von mindestens 1,5 unter dynamischer Rekristallisation und unter Ausbildung eines feinkörnigen Gefüges mit einer mittleren Korngröße von höchstens 25 µm, wobei ihre Druckfestigkeit mindestens 300 MPa, ihre Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 20 J und ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 15 % beträgt.

2. Magnesiumlegierung auf Basis AM (Aluminium/Mangan) oder MA (Mangan/Aluminium), die 0,5 bis 10 Gew.-% Al und 0,1 bis 4 Gew.-% Mn sowie jeweils 0,1 bis 6 Gew.-% Ca oder/und Sr enthält und Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu sowie, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, wobei die restlichen Gehalte der Magnesiumlegierung aus Magnesium und unvermeidbaren Verunreinigungen bestehen, hergestellt durch Strangpressen oder Schmieden mit einem Umformgrad von mindestens 1,5 unter dynamischer Rekristallisation und unter Ausbildung eines feinkörnigen Gefüges mit einer mittleren Korngröße von höchstens 25 µm, wobei ihre Druckfestigkeit mindestens 320 MPa, ihre Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 40 J und ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 16 % beträgt.

3. Magnesiumlegierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen plastischen Anteil der Spannung bestimmt im Zugversuch nach dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm aus der Differenz von Zugspannung und Fließspannung von mindestens 40 MPa aufweist.

4. Magnesiumlegierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Gefüge mit einer mittleren Korngröße von nicht mehr als 20 µm aufweist.

5. Magnesiumlegierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie umgeformt ist und ein feinkörniges, dynamisch rekristallisiertes Gefüge und einen Gehalt an Ausscheidungsphasen von nicht mehr als 5 Vol.-% aufweist.

6. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein urgeformter oder kompaktierter Formkörper hergestellt und durch Umformen oder/und Verformen dynamisch rekristallisiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der umgeformte oder/und verformte Formkörper zu einem Halbzeug oder/und einem aus oder mit diesem Halbzeug gefertigten Bauteil bearbeitet bzw. verarbeitet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das hergestellte Halbzeug bzw. das aus oder mit dem Halbzeug hergestellte Bauteil gerichtet, z. B. durch Biegen, Drücken, Druckwalzen, Streckziehen, Tiefziehen, Innenhochdruckumformen oder Walzprofilieren weiter verformt, bearbeitet, gefügt oder/und oberflächenbehandelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug oder das daraus oder damit hergestellte Bauteil durch mindestens ein wärmearmes Fügeverfahren wie z. b. Kleben, Nieten, Strecken, Anpressen, Einpressen, Clinchen, Falzen, Schrumpfen oder Schrauben oder/und mindestens ein wärmeeinbringendes Fügeverfahren wie z. B. Verbundgießen, Verbundschmieden, Verbundstrangpressen, Verbundwalzen, Löten oder Schweißen, insbesondere Strahlschweißen oder Schmelzschweißen, mit einem gleichartigen oder andersartigen Halbzeug oder Bauteil verbunden wird.

10. Halbzeug aus einer Magnesiumlegierung oder daraus oder damit hergestelltes Bauteil oder Verbund mit einem solchen Halbzeug oder Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass es/er nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche hergestellt wurde.

11. Verwendung einer Magnesiumlegierung, hergestellt nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9, als Felge, Getriebegehäuse, Lenkradskelett, Querlenker, Rahmenelement, Element von Fahrzeugzellen oder Fahrzeugaußenhaut, Fahrzeugzelle oder Fahrzeugaußenhaut, Cockpitträger, Cockpithaut, Gehäuse, Bodenelement, Boden, Deckel, Tankelement, Tankklappe, Halterung, Stütze, Träger, Winkel, Hohlprofil, Rohr, Deformationselement, Crashelement, Crashabsorber, Pralldämpfer, Prallschild, Prallträger, Kleinteil, als geschweißte Profilkonstruktion, für die Fahrzeugkarosserie, für Sitz-, Fenster- oder/und Türrahmen, als Halbzeug, Bauteil oder Verbund am oder im Automobil oder Flugzeug.

12. Verwendung eines Halbzeuges aus einer Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, eines daraus oder damit hergestellten Bauteiles oder/und eines Verbundes mit mindestens einem derartigen Halbzeug oder/und Bauteil als Felge, Getriebegehäuse, Lenkradskelett, Querlenker, Rahmenelement, Element von Fahrzeugzellen oder Fahrzeugaußenhaut, Cockpitträger, Gehäuse, Bodenelement, Deckel, Tankelement, Tankklappe, Halterung, Stütze, Träger, Winkel, Hohlprofil, Rohr, Deformationselement, Crashelement, Crashabsorber, Pralldämpfer, Prallschild, Prallträger, Kleinteil, als geschweißte Profilstruktionen, für die Fahrzeugkarosserie, für Sitz-, Fenster- oder/und Türrahmen, als Halbzeug, Bauteil oder Verbund am oder im Automobil oder Flugzeug.

Claims

1. Magnesium alloy which contains 0.2 to 4% by weight of Mn and 0.2 to 6% by weight of Ca and/or 0.1 to 6% by weight of Sr and may contain additions or traces of Cd amounting to less than 1.8% by weight and traces of up to 0.1% by weight of Cu, and also up to 0.05% by weight of Fe and up to 0.005% by weight of Ni, the remaining components of the magnesium alloy consisting of magnesium and inevitable impurities, produced by extrusion or forging with a degree of deformation of at least 1.5 with dynamic recrystallization and with a fine-grained microstructure with a mean grain size of at most 25 µm being formed, its compressive strength being at least 300 MPa, its impact energy, measured on unnotched specimens, being at least 20 J and its elongation at break, measured on tensile specimens, being at least 15%.

2. Magnesium alloy based on AM (aluminium/manganese) or MA (manganese/aluminium), which contains 0.5 to 10% by weight of Al and 0.1 to 4% by weight of Mn as well as in each case 0.1 to 6% by weight of Ca and/or Sr, and which may contain additions or traces of Cd amounting to less than 1.8% by weight and traces of up to 0.1% by weight of Cu, and also up to 0.05% by weight of Fe and up to 0.005% by weight of Ni, the remaining components of the magnesium alloy consisting of magnesium and inevitable impurities, produced by extrusion or forging with a degree of deformation of at least 1.5 with dynamic recrystallization and with a fine-grained microstructure with a mean grain size of at most 25 µm being formed, its compressive strength being at least 320 MPa, its impact energy, measured on unnotched specimens, being at least 40 J and its elongation at break, measured on tensile specimens, being at least 16%.

3. Magnesium alloy according to one of the preceding claims, characterized in that it has a plastic stress component, determined in a tensile test using the stress-strain diagram from the difference between tensile stress and yield stress, of at least 40 MPa.

4. Magnesium alloy according to one of the preceding claims, characterized in that it has a microstructure with a mean grain size of no more than 20 µm.

5. Magnesium alloy according to one of the preceding claims, characterized in that it is deformed and has a fine-grained, dynamically recrystallized microstructure and also a precipitated phase content of no more than 5% by volume.

6. Process for producing a magnesium alloy according to at least one of the preceding claims, characterized in that a pre-shaped or compacted shaped body is produced and is dynamically recrystallized by working and/or forming.

7. Process according to Claim 6, characterized in that the formed and/or worked shaped body is machined or processed to form a semi-finished product and/or a component produced from or with this semi-finished product.

8. Process according to Claim 6 or 7, characterized in that the semi-finished product produced or the component produced from or with the semi-finished product is straightened, deformed further, e.g. by bending, pressing, metal spinning, stretch-forming, deep-drawing, hydroforming or roll-forming, machined, joined and/or surface-treated.

9. Process according to Claim 7 or 8, characterized in that the semi-finished product or the component produced therefrom or therewith is connected to a component or semi-finished product of similar or different type by means of at least one low-heat joining process, such as for example adhesive bonding, riveting, stretching, pressing-on, pressing-in, clinching, folding, shrinking or screw connection and/or at least one heat-introducing joining process, such as for example composite casting, composite forging, composite extrusion, composite rolling, soldering or welding, in particular beam welding or fusion welding.

10. Semi-finished product made from a magnesium alloy or component produced therefrom or therewith, or assembly including a component or semi-finished product of this type, characterized in that it has been produced as described in at least one of the preceding claims.

11. Use of a magnesium alloy produced as described in at least one of Claims 6 to 9 as a rim, a transmission casing, a steering wheel skeleton, a wishbone, a frame element, an element of a vehicle cell or a vehicle outer skin, a vehicle cell or a vehicle outer skin, a cockpit beam, a cockpit skin, a housing, a floor element, a floor, a flap, a tank element, a tank flap, a holder, a support, a beam, a corner, a hollow profiled section, a tube, a deformation element, a crash element, a crash absorber, a shock absorber, an impact shield, an impact support, a small part, as a welded profiled-section structure, for the vehicle body, for seat, window and/or door frames, as a semi-finished product, component or assembly on or in an automobile or aircraft.

12. Use of a semi-finished product made from a magnesium alloy as described in one of Claims 1 to 9, of a component produced therefrom or therewith and/or of an assembly having at least one semi-finished product and/or component of this type as a rim, a transmission casing, a steering wheel skeleton, a wishbone, a frame element, an element of a vehicle cell or a vehicle outer skin, a cockpit beam, a housing, a floor element, a flap, a tank element, a tank flap, a holder, a support, a beam, a corner, a hollow profiled section, a tube, a deformation element, a crash element, a crash absorber, a shock absorber, an impact shield, an impact support, a small part, as a welded profiled-section structure, for the vehicle body, for seat, window and/or door frames, as a semi-finished product, component or assembly on or in an automobile or aircraft.

Revendications

1. Alliage de magnésium qui contient de 0,2 à 4 % en poids de Mn ainsi que de 0,2 à 6 % en poids de Ca et/ou de 0,1 à 6 % en poids de Sr et qui peut contenir des additions ou des traces de Cd à moins de 1,8 % en poids et des traces de jusque 0,1 % en poids de Cu ainsi que de jusque 0,05 % en poids de Fe et de jusque 0,005 % en poids de Ni, le solde de l'alliage de magnésium étant constitué de magnésium et d'impuretés inévitables, préparé par extrusion ou forgeage à un taux de déformation d'au moins 1,5 avec recristallisation dynamique et formation d'un réseau à grains fins dont la taille moyenne des grains est d'au plus 25 µm, sa résistance à la compression étant d'au moins 300 MPa, son énergie de choc, mesurée sur des éprouvettes non entaillées, étant d'au moins 20 J et son allongement à la rupture mesuré des éprouvettes de traction étant d'au moins 15 %.

2. Alliage de magnésium à base d'AM (aluminium/manganèse) ou de MA (manganèse/aluminium), qui contient de 0,5 à 10 % en poids de Al et de 0,1 à 4 % en poids de Mn ainsi que chaque fois de 0,1 à 6 % en poids de Ca et/ou de Sr, et qui peut contenir des additions ou des traces de Cd à moins de 1,8 % en poids et des traces de jusque 0,1 % en poids de Cu ainsi que de jusque 0,05 % en poids de Fe et de jusque 0,005 % en poids de Ni, le solde de l'alliage de magnésium étant constitué de magnésium et d'impuretés inévitables, préparé par extrusion ou forgeage à un taux de déformation d'au moins 1,5 avec recristallisation dynamique et formation d'un réseau à grains fins dont la taille moyenne des grains est d'au plus 25 µm, sa résistance à la compression étant d'au moins 300 MPa, son énergie de choc, mesurée sur des éprouvettes non entaillées, étant d'au moins 40 J et son allongement à la rupture mesuré des éprouvettes de traction étant d'au moins 16 %.

3. Alliage de magnésium selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente une part plastique de la contrainte, déterminée dans un essai de traction à partir du diagramme de contrainte-allongement et constituée de la différence entre la contrainte de traction et la contrainte d'écoulement, d'au moins 40 MPa.

4. Alliage de magnésium selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente un réseau dont la taille moyenne des grains n'est pas supérieure à 20 µm.

5. Alliage de magnésium selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est déformé et en ce qu'il présente un réseau à grains fins recristallisé en conditions dynamiques et une teneur en phases précipitées qui n'est pas supérieure à 5 % en volume.

6. Procédé de fabrication d'un alliage de magnésium selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on prépare un corps façonné préformé ou compacté et qu'on le recristallise en conditions dynamiques par formage et/ou déformation.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le corps façonné formé et/ou déformé est traité ou transformé en une ébauche et/ou en un composant réalisé à partir de ou avec cette ébauche.

8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que l'ébauche préparée ou le composant fabriqué à partir de ou avec l'ébauche est orienté, par exemple encore déformé, traité, joint et/ou traité en surface par flexion, compression, laminage, étirage, emboutissage profond, façonnage sous haute pression interne ou profilage au laminoir.

9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'ébauche ou le composant fabriqué à partir d'elle ou avec elle est relié à une ébauche ou à un composant de même type ou de type différent, par au moins un procédé de jonction réalisé avec peu de chaleur, par exemple collage, rivetage, étirage, pressage, injection, engorgement, pliage, retrait ou vissage et/ou au moins un procédé de jonction à apport de chaleur, par exemple coulée composite, forgeage composite, extrusion composite, laminage composite, brasage ou soudage, en particulier soudage par rayonnement ou soudage par fusion.

10. Ebauche en un alliage d'aluminium ou composant fabriqué à partir de ou avec cette ébauche ou produit composite qui comporte cette ébauche ou ce composant, caractérisé en ce qu'elle/il a été fabriqué(e) selon au moins l'une des revendications précédentes.

11. Utilisation d'un alliage de magnésium préparé selon au moins l'une des revendications 6 à 9, comme jante, boîtier de transmission, squelette de volant, bas de suspension, élément de cadre, élément de cellules de véhicule ou de peau extérieure de véhicule, cellule de véhicule ou peau extérieure de véhicule, support d'habitacle, peau d'habitacle, boîtier, élément de plancher, plancher, toiture, élément de réservoir, clapet de réservoir, soutien, appui, support, cornière, profilé creux, tube, élément de déformation, élément de collision, absorbeur de collision, écran support, amortisseur de chocs, petite pièce, sous la forme d'une structure profilée soudée, pour la carrosserie de véhicules, pour des encadrements de siège, de fenêtre et/ou de porte, comme ébauche, composant ou produit composite sur ou dans des automobiles ou des aéronefs.

12. Utilisation d'une ébauche en un alliage de magnésium selon l'une des revendications 1 à 9, d'un composant fabriqué à partir de ou avec cette ébauche et/ou d'un produit composite comportant au moins une telle ébauche et/ou un tel composant comme jante, boîtier de transmission, squelette de volant, bas de suspension, élément de cadre, élément de cellules de véhicule ou de peau extérieure de véhicule, support d'habitacle, boîtier, élément de plancher, couvercle, élément de réservoir, clapet de réservoir, soutien, appui, support, cornière, profilé creux, tube, élément de déformation, élément de collision, absorbeur de collision, écran support, amortisseur de chocs, petite pièce, sous la forme d'une structure profilée soudée, pour la carrosserie de véhicules, pour des encadrements de siège, de fenêtre et/ou de porte, comme ébauche, composant ou produit composite sur ou dans des automobiles ou des aéronefs.