[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/cm
3 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 Al
2Ca 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 SF
6, 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-SF
6-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/A
0 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
(d
0 = 5 mm, I
0 = 5 · d
0, kleiner Praportionalitätsstab, nach DIN 50 125), Druckproben (d
0 = 10 mm, I
0 = 2 · d
0, 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 Al
2Ca-Phase zu ermöglichen. Die Phase Al
2Ca erwies sich als temperaturstabiler als die Phase Mg
17Al
12 und konnte daher das Kornwachstum beim Strangpressen besser behindern als die Phase
Mg
17Al
12. Auch die Ausscheidungsphase Mg
2Si behinderte das Kornwachstum beim Strangpressen besser als die Phase Mg
17Al
12. Eine Zugabe von Ca zu Al-freien Legierungen führte zur Bildung von Mg
2Ca- bzw. Ca
5Zn
2-Ausscheidungen. Es zeigte sich, daß die normalerweise bei Al-haltigen Magnesiumlegierungen
erscheinende Phase Mg
17Al
12 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 Mg
17Al
12 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 |
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.
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.
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.