[0001] Die Erfindung betrifft eine Magnesiumbasislegierung.
[0002] Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Magnesiumbasislegierung.
[0003] Magnesiumbasislegierungen stellen häufig eingesetzte Gusslegierungen dar und finden
im Besondern breite Anwendung im Bereich der Automobilindustrie. Vor allem für Druckgussverfahren,
additive Fertigungsverfahren oder Thixomolding-Verfahren haben sich Mg-Al-Legierungen
bewährt, da diese neben guten mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur insbesondere
eine hohe Eignung für eine Gießbarkeit durch eine Ausbildung eines Eutektikums bzw.
einer eutektischen Phase bei etwa 437 °C aufweisen. Das Eutektikum wird dabei mit
einer intermetallischen Mg
17Al
12-Phase gebildet (α(Mg) + Mg
17Al
12), welche eine Festigkeit der Legierung erhöht, gleichzeitig aber eine Dehnbarkeit
der Legierung reduziert.
[0004] Gebräuchlich sind Mg-Al-Legierungen mit einem Al-Anteil zwischen 2 Gew.-% und 9 Gew.-%.
Bekannte Legierungen sind beispielsweise AZ61 (Mg-Al6%-Zn1%) oder AZ91 (Mg-Al9%-Zn1%),
bezeichnet gemäß fachüblicher Kurzbezeichnung nach ASTM-Standard, wobei die Anteile
jeweils in Gew.-% angegeben sind. Der übliche Al-Anteil von Mg-Al-Legierungen zwischen
2 Gew.-% und 9 Gew.-% ist dadurch erklärbar, dass mit höherem Al-Anteil ein höherer
Anteil der Mg
17Al
12-Phase gebildet wird und dadurch eine Dehnbarkeit der Legierung stetig weiter reduziert
wird. Anwendbare Mg-Al-Legierungen weisen daher in der Regel einen Al-Anteil von weniger
als 10,0 Gew.-% auf. Magnesiumbasislegierungen, welche für einen Druckguss und/oder
für additive Fertigungsverfahren geeignet sind, zeigen deshalb meist entweder eine
gute Festigkeit oder eine hohe Dehnbarkeit, sowohl eine gute Festigkeit als auch eine
hohe Dehnbarkeit wird selten erreicht und stellt einen üblichen Zielkonflikt dar.
[0005] Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Magnesiumbasislegierung
anzugeben, welche sowohl eine große Festigkeit als auch eine große Dehnbarkeit aufweist
und sich insbesondere für Druckgussverfahren oder additive Fertigungsverfahren eignet.
[0006] Weiter ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen
Magnesiumbasislegierung anzugeben.
[0007] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Magnesiumbasislegierung, aufweisend
(in Gew.-%)
in einem ersten Anteil Magnesium,
in einem zweiten Anteil mehr als 10,0 % Aluminium,
einen dritten Anteil eines oder mehrerer Elemente, welcher mit Aluminium zumindest
eine erste Phase bildet,
optional mehr als 0,0 bis 2,0 % Zinn,
Rest Magnesium und herstellungsbedingte Verunreinigungen,
wobei die Magnesiumbasislegierung eine Mg
17Al
12-Phase enthält und eine Bildungstemperatur der ersten Phase größer ist als eine Bildungstemperatur
der Mg
17Al
12-Phase.
[0008] Grundlage der Erfindung ist die Idee, den festigkeitssteigernden Effekt von Aluminium
in einer Magnesiumbasislegierung zu nutzen, also vergleichsweise hohe Al-Anteile in
der Magnesiumbasislegierung vorzusehen, gleichzeitig aber einen Anteil der intermetallischen
Mg
17Al
12-Phase zu reduzieren, um auf diese Weise eine mögliche Reduktion einer Dehnbarkeit
der Magnesiumbasislegierung zu verringern. Indem ein dritter Anteil eines oder mehrerer
Elemente vorgesehen ist, welcher mit Aluminium eine erste Phase bildet, und eine Bildungstemperatur
der ersten Phase größer ist als eine Bildungstemperatur der Mg
17Al
12-Phase bzw. des Eutektikums mit der Mg
17Al
12-Phase, ist ein Anteil des Aluminiums in der ersten Phase gebunden und steht deshalb
für eine Bildung einer Mg
17Al
12-Phase nicht mehr im vollen Ausmaß zur Verfügung. Dadurch reduziert sich also der
Anteil von gebildeter Mg
17Al
12-Phase bzw. eutektischer Phase, welche mit Mg
17Al
12-Phase gebildet ist, wodurch ein negativer Einfluss der Mg
17Al
12-Phase auf die Dehnbarkeit reduziert ist. Gleichzeitig trägt aber die erste Phase,
welche mit Aluminium gebildet ist, zur Festigkeit der Magnesiumbasislegierung bei.
Vorteilhaft ist es, wenn dabei die erste Phase eine günstige Morphologie hinsichtlich
derer mechanischen Eigenschaften, insbesondere einer hohen Festigkeit bzw. Dehnbarkeit,
aufweist. Hierzu ist es beispielsweise günstig, wenn die erste Phase als nicht zusammenhängende
Struktur, bevorzugt in Form von überwiegend isolierten Inseln, ausgebildet ist und/oder
Ausscheidungen der ersten Phase eine möglichst kleine Größe aufweisen und/oder Ausscheidungen
der ersten Phase eine runde oder blockförmige Gestalt aufweisen, wie nachstehend im
Detail erläutert ist. Auf diese Weise wird demnach erreicht, dass die Magnesiumbasislegierung
sowohl eine große Festigkeit als auch eine große Dehnbarkeit aufweist.
[0009] Der Al-Anteil stellt dabei zweckmäßig nach Magnesium den höchsten Anteil eines Elementes
in der Magnesiumbasislegierung dar. Die Bildungstemperatur der Mg
17Al
12-Phase bzw. des Eutektikums mit der Mg
17Al
12-Phase liegt in der Regel in einem Bereich von etwa 437 °C, wie dies aus einem binären
Phasendiagramm von Mg-Al, dargestellt in Fig. 1, entnommen werden kann.
[0010] Die Mg
17Al
12-Phase und deren Bildungstemperatur beziehen sich erfindungsgemäß insbesondere auf
jene Mg
17Al
12-Phase, welche im Rahmen einer Bildung eines Eutektikums (α(Mg) + Mg
17Al
12) bei einem Abkühlen der Mg-Al-Legierung gebildet wird. Es ist dem Fachmann verständlich,
dass bei einem realen Erstarrungsprozess einer Mg-Al-Legierung, besonders aufgrund
einer geringen Diffusionsgeschwindigkeit von Aluminium in Magnesium, geringe Anteile
von Mg
17Al
12 schon bei höheren Temperaturen, beispielsweise schon bei einer Solidustemperatur
der Mg-Al-Legierung, ausgeschieden werden können. Verständigerweise fallen solche
Anteile erfindungsgemäß nicht unter den verwendeten Begriff Mg
17Al
12-Phase und stellen entsprechend auch keine Limitierung für die erfindungsgemäße Magnesiumbasislegierung
dar.
[0011] Zweckmäßig ist vorgesehen, dass der dritte Anteil mit Aluminium mehrere unterschiedliche
erste Phasen bildet, deren Bildungstemperaturen größer als die Bildungstemperatur
der Mg
17Al
12-Phase sind. Dies ermöglicht ein differenziertes Einstellen der gewünschten Festigkeit
sowie Dehnbarkeit der Magnesiumbasislegierung. Hierzu können, wie nachfolgend erläutert,
unterschiedliche Elemente für eine Bildung der ersten Phase bzw. mehrerer erster Phasen
verwendet werden. Insbesondere Seltenerdmetalle (RE) und/oder Calcium (Ca) haben sich
zur Bildung der ersten Phase als günstig erwiesen.
[0012] Mit Vorteil ist zur Erreichung einer ausgeprägten Festigkeit vorgesehen, dass der
dritte Anteil die zumindest erste Phase zumindest mit einem Anteil von Aluminium bildet,
welcher im zweiten Anteil 10 Gew.-% Aluminium übersteigt. Der dritte Anteil bildet
damit also mit mindestens dem zweiten Anteil von Aluminium abzüglich 10,0 Gew-% Aluminium
die zumindest eine erste Phase. Es stehen dann maximal 10,0 Gew.-% Aluminium für eine
Bildung einer Mg
17Al
12-Phase zur Verfügung, da der übrige Anteil von Aluminium in der zumindest ersten Phase
gebunden ist. Der negative Einfluss der Mg
17Al
12-Phase auf die Dehnbarkeit ist dadurch auf ein praktikables Maß reduziert.
[0013] Der dritte Anteil eines oder mehrere Elemente kann grundsätzlich mit allen Elementen,
abgesehen von Magnesium und Aluminium, gebildet sein, welche gemeinsam mit Aluminium
eine erste Phase bilden, deren Bildungstemperatur größer ist als jene der Mg
17Al
12-Phase, um einen Anteil der Mg
17Al
12-Phase bzw. des Eutektikums mit der Mg
17Al
12-Phase zu reduzieren.
[0014] Es hat sich gezeigt, dass es für eine große Festigkeit und große Dehnbarkeit günstig
ist, wenn der dritte Anteil mit einem oder mehreren Elementen ausgewählt aus der Gruppe
bestehend aus Seltenerdmetallen (RE), Scandium, Calcium, Strontium, Barium, Zirconium,
Mangan und/oder Lithium gebildet ist. Dabei haben sich folgende zugehörige Gehaltsbereiche
(in At.-%) als besonders geeignet erwiesen:
mehr als 0,0 bis 3,0 % Seltenerdmetalle, bevorzugt nach Maßgabe eines Mindestzugabefaktors
von etwa 0,5 At.-% Seltenerdmetalle und/oder
mehr als 0,0 bis 1,0 % Sc, bevorzugt nach Maßgabe eines Mindestzugabefaktors von etwa
0,33 At.-% Sc und/oder
mehr als 0,0 bis 3,0 % Ca, bevorzugt nach Maßgabe eines Mindestzugabefaktors von etwa
0,5 At.-% Ca und/oder
mehr als 0,0 bis 1,5 % Sr, bevorzugt nach Maßgabe eines Mindestzugabefaktors von etwa
0,25 At.-% Sr und/oder
mehr als 0,0 bis 3,0 % Ba, bevorzugt nach Maßgabe eines Mindestzugabefaktors von etwa
0,25 At.-% Ba und/oder
mehr als 0,0 bis 1,0 % Zr, bevorzugt nach Maßgabe eines Mindestzugabefaktors von etwa
0,5 At.-% Zr und/oder
mehr als 0,0 bis 1,0 % Mn, bevorzugt nach Maßgabe eines Mindestzugabefaktors von etwa
0,625 At.-% Mn und/oder
mehr als 0,0 bis 6,0 % Li, bevorzugt nach Maßgabe eines Mindestzugabefaktors von etwa
1,0 At.-% Li.
[0015] Der Mindestzugabefaktor definiert dabei einen Mindestanteil eines jeweiligen Elementes
zur Bindung von 1,0 At.-% Aluminium durch das jeweilige Element in der zumindest ersten
Phase. Ein bevorzugt vorgesehener Anteil eines Elementes des dritten Anteiles ergibt
sich somit, indem der durch das Element in der ersten Phase zu bindende Anteil von
Aluminium mit dem Mindestzugabefaktor des Elementes multipliziert wird. Dabei kann
zur Bindung eines Anteiles von Aluminium in der zumindest ersten Phase die erste Phase
mit einem der vorgenannten Elemente, insbesondere entsprechend dem Mindestzugabefaktor
des Elementes, gebildet sein oder mit mehreren der vorgenannten Elemente, wobei sich
der in der ersten Phase zu bindende Anteil des Aluminiums dann insbesondere auf die
mehreren Elemente entsprechend deren jeweiligen Mindestzugabefaktoren aufteilt.
[0016] Soll beispielsweise mit dem dritten Anteil ein Anteil von 2 At.-% Aluminium in der
ersten Phase gebunden sein, kann dies vorteilhaft erfolgen, indem der dritte Anteil
mit Scandium und Mangan derart gebildet ist, dass (in At.-%) vorgesehen ist:
Scandium mit einem Anteil von 1,3 % x 0,33 % = 0,43 At.-% und
Mangan mit einem Anteil von 0,7 % x 0,625 % = 0,438 At.-%.
Hierbei ist also zur Bestimmung von vorteilhaften Anteilen von Scandium und Mangan
im dritten Anteil angenommen, dass ausgehend von dem beispielhaften Anteil von 2 At.-%
Aluminium ein Anteil von 1,3 At.-% Aluminium durch Scandium unter Berücksichtigung
des Mindestzugabefaktors von Scandium von 0,33 At.-% und ein Anteil von 0,7 At.-%
Aluminium durch Mangan unter Berücksichtigung des Mindestzugabefaktors von Mangan
von 0,625 At.-% in der ersten Phase gebunden sind. Auf diese Weise können vorteilhafte
Anteile von Elementen des dritten Anteiles zur gezielten Festlegung eines Anteiles
von Aluminium in der ersten Phase auf einfache Weise vorgesehen werden.
[0017] Um eine besonders ausgeprägte Festigkeit zu erreichen, ist es günstig, wenn die erste
Phase und/oder die Mg
17Al
12-Phase jeweils als nicht zusammenhängende Struktur ausgebildet sind. Nicht zusammenhängende
Struktur bedeutet dabei eine Ausbildung in Form von überwiegend isolierten Inseln,
im Gegensatz zu einer Ausbildung einer netzartigen Struktur, wie es in konventionellen
Legierungen häufig der Fall ist. Üblicherweise sind hierbei mehr als 50 Gew.-% der
ersten Phase bzw. Mg
17Al
12-Phase in Form von isolierten Inseln ausgebildet. Eine hohe Festigkeit ist erreichbar,
wenn mehr als 70 Gew.-%, bevorzugt mehr als 90 Gew.-%, der ersten Phase bzw. Mg
17Al
12-Phase in Form von isolierten Inseln ausgebildet sind. Günstig ist es, wenn Ausscheidungen
der ersten Phase und/oder Ausscheidungen der Mg
17Al
12-Phase möglichst klein sind. Dadurch ist eine besonders große Festigkeit erreichbar.
Eine Struktur der ersten Phase und/oder Mg
17Al
12-Phase bzw. eine Größe deren Ausscheidungen kann praktikabel bei einem Abkühlen der
Ausgangsstoffe der Magnesiumbasislegierung ausgehend von einer flüssigen Phase durch
passende Wahl einer Abkühlrate eingestellt werden. Ursache ist insbesondere eine langsame
Diffusionsgeschwindigkeit von Aluminium in Magnesium. Bewährt hat sich dabei eine
Abkühlrate von mehr als 10 K/s, bevorzugt mehr als 20 K/s. Insbesondere kann mit einer
derartigen Abkühlrate eine Größe der Ausscheidungen klein gehalten werden. Bedingt
durch eine langsame Diffusionsgeschwindigkeit von Aluminium in Magnesium wird dadurch
außerdem ein Anteil der Mg
17Al
12-Phase noch weiter reduziert. Wird eine Abkühlrate von mehr als 20 K/s verwendet,
sind besonders kleine und homogen verteilte, nicht zusammenhängende Ausscheidungen
der ersten Phase und/oder Mg
17Al
12-Phase erreichbar, wodurch eine besonders große Festigkeit und große Dehnbarkeit erzielt
werden kann. Insbesondere wird bei einer solchen Abkühlrate eine Festigkeit durch
ausgeprägte Mischkristallverfestigung weiter erhöht und eine Korrosionsbeständigkeit
verbessert. Derartige Abkühlraten werden in der Regel bei einem Druckgussverfahren
oder einem Lichtbogenprozess oder einem Plasmaprozess verwendet, weshalb diese Verfahren
bzw. Prozesse besonders geeignet für eine Anwendung bzw. Herstellung der erfindungsgemäßen
Magnesiumbasislegierung entsprechend den vorgenannten Wirkungen sind. Eine weitere
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ist erreichbar, wenn Ausscheidungen der
ersten Phase und/oder Ausscheidungen der Mg
17Al
12-Phase eine runde oder blockförmige Gestalt aufweisen. Dies kann durch eine abgestimmte
Wahl der Elemente des dritten Anteiles sowie häufig auch mit einer Wahl einer geeigneten
Abkühlrate bei einer Herstellung, erreicht werden.
[0018] Ein ausgeprägtes Reduzieren eines Anteiles der Mg
17Al
12-Phase wird erreicht, wenn der dritte Anteil mit Seltenerdmetallen, bevorzugt mit
einem Anteil von mehr als 0,0 bis 4,0 Gew.-%, gebildet ist. Dadurch ergibt sich eine
ausgeprägte Festigkeit und große Dehnbarkeit.
[0019] Ein ähnlich günstiges Verhalten zeigt sich auch, wenn der dritte Anteil mit Calcium,
bevorzugt mit einem Anteil von mehr als 0,0 bis 4,0 Gew-% gebildet ist.
[0020] Es hat sich auch gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn der dritte Anteil mit Seltenerdmetallen,
bevorzugt mit einem Anteil von mehr als 0,0 bis 4,0 Gew.-%, und mit Calcium, bevorzugt
mit einem Anteil von mehr als 0,0 bis 4,0 Gew.-%, gebildet ist. Dadurch ist eine besonders
ausgeprägte Verringerung eines Anteiles der Mg
17Al
12-Phase und in Folge eine große Festigkeit und große Dehnbarkeit ermöglicht. Dies gilt
besonders, wenn die Seltenerdmetalle mit einem Anteil von mehr als 0,0 bis 4,0 Gew.-%
und Calcium mit einem Anteil von mehr als 0,0 bis 4,0 Gew.-% vorgesehen ist.
[0021] Als besonders geeignet zur Erreichung der erfindungsgemäß vorgesehenen Wirkungen
hat sich eine Verwendung von Mischmetall bzw. Cer-Mischmetall erwiesen. Günstig ist
es entsprechend, wenn der dritte Anteil mit Mischmetall gebildet ist, insbesondere
mit einem Anteil von mehr als 0,0 bis 4,0 Gew.-%. Insbesondere in Kombination mit
Calcium, bevorzugt entsprechend den vorgenannten Anteilen, ergibt sich eine besonders
ausgeprägte Festigkeit und große Dehnbarkeit.
[0022] Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der dritte Anteil mit mehr als 0,0 bis
0,5 Gew.-%, bevorzugt etwa 0,3 Gew.-%, Mangan gebildet ist. Dies verbessert neben
einer Erhöhung der Festigkeit außerdem eine Korrosionsbeständigkeit.
[0023] Es hat sich insbesondere bewährt, dass der dritte Anteil mit Seltenerdmetallen, Calcium
und Mangan, zweckmäßig gemäß den vorgenannten jeweiligen Anteilen, gebildet ist. Dadurch
wird eine große Festigkeit, große Dehnbarkeit und ausgeprägte Korrosionsbeständigkeit
erreicht. Vorteilhaft ist es hierfür weiter, wenn der dritte Anteil zudem mit Strontium,
bevorzugt mit einem Anteil zwischen 0,1 Gew.-% und 0,8 Gew.-%, gebildet ist.
[0024] Bewährt hat es sich, wenn die Magnesiumbasislegierung mit mehr als 0,0 bis 1,0 Gew.-%,
bevorzugt etwa 0,5 Gew-%, Zink ausgebildet ist. Dadurch wird eine Festigkeit weiter
verstärkt.
[0025] Zweckmäßig ist es, wenn die Magnesiumbasislegierung mehr als 10,0 Gew.-% bis etwa
30,0 Gew.-% Aluminium aufweist. Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäß vorgesehenen
Wirkungen im Hinblick auf übliche Herstellungsverfahren mit großen Abkühlraten besonders
praktikabel erreicht werden können, wenn die Magnesiumbasislegierung mehr als 10,0
Gew.-% bis 15,0 Gew.-%, bevorzugt zwischen 10,2 Gew.-% bis 12,5 Gew.-%, Aluminium
aufweist.
[0026] Das weitere Ziel der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen
Magnesiumbasislegierung erreicht, wobei Ausgangsstoffe der Magnesiumbasislegierung
ausgehend von einer flüssigen Phase bzw. einer Schmelze abgekühlt werden, um die erste
Phase und anschließend die Mg
17Al
12-Phase auszubilden. Entsprechend den erfindungsgemäß vorgesehenen Ausführungen, Merkmalen
und Wirkungen der erfindungsgemäßen Magnesiumbasislegierung kann mit dem Verfahren
vorteilhaft eine entsprechende Magnesiumbasislegierung hergestellt werden. Da die
erste Phase eine Bildungstemperatur aufweist, welche höher als die Bildungstemperatur
der Mg
17Al
12-Phase ist, wird ein Anteil des Aluminiums in der ersten Phase gebunden und steht
im gebundenen Ausmaß nicht mehr für eine Ausbildung der Mg
17Al
12-Phase zur Verfügung. Eine Zusammensetzung der flüssigen Phase bzw. Schmelze entspricht
der vorstehend erläuterten allgemeinen Zusammensetzung oder gegebenenfalls einer der
ebenfalls erläuterten speziellen Zusammensetzungen.
[0027] Mit Vorteil ist vorgesehen, dass ein Abkühlen der Ausgangsstoffe mit einer Abkühlrate
von mehr als 10 K/s, bevorzugt mehr als 20 K/s, erfolgt. Wie vorstehend bereits ausgeführt,
ist dadurch eine Ausbildung der ersten Phase und/oder Mg
17Al
12-Phase als nicht zusammenhängende Struktur erreichbar und werden dadurch zudem Ausscheidungen
der ersten Phase und/oder Ausscheidungen der Mg
17Al
12-Phase klein gehalten. Dies verstärkt vorteilhaft eine Festigkeit und Dehnbarkeit
der Magnesiumbasislegierung. Wird eine Abkühlrate von mehr als 20 K/s verwendet, sind
besonders kleine und homogen verteilte, nicht zusammenhängende Ausscheidungen der
ersten Phase und/oder Mg
17Al
12-Phase erreichbar, wodurch eine besonders große Festigkeit und große Dehnbarkeit erzielt
werden kann. Weitere Vorteile, die sich durch eine solch hohe Abkühlrate ergeben,
sind eine zusätzliche Festigkeitserhöhung durch Mischkristallverfestigung sowie eine
verbesserte Korrosionsbeständigkeit. Zweckmäßig ist es hierbei, wenn das Abkühlen
derart erfolgt, dass eine derartige Abkühlrate durchgehend zumindest während eines
Abkühlens von der Bildungstemperatur der Mg
17Al
12-Phase bis etwa 150 °C unterhalb der Bildungstemperatur der Mg
17Al
12-Phase gegeben ist. Dies gilt besonders, wenn das Abkühlen so erfolgt, dass eine derartige
Abkühlrate durchgehend während eines Abkühlens von einer flüssigen Phase der Ausgangsstoffe
bis zu einer Temperatur 150 °C unterhalb der Bildungstemperatur der Mg
17Al
12-Phase gegeben ist.
[0028] Günstig ist es, wenn eine Wärmebehandlung der Magnesiumbasislegierung vorgesehen
ist, um einen Anteil der Mg
17Al
12-Phase einzustellen. Es hat sich gezeigt, dass dadurch eine Festigkeit und auch eine
Dehnbarkeit weiter optimiert werden können. Insbesondere ist dadurch ermöglicht, eine
Festigkeit und Dehnbarkeit der Magnesiumbasislegierung auf einen Einsatzzweck abgestimmt
einzustellen. Dies unterscheidet eine erfindungsgemäße Magnesiumbasislegierung beispielsweise
von einer üblichen AZ61-Magnesiumbasislegierung, bei welcher in der Regel aufgrund
deren geringen Aluminiumanteils durch eine Wärmebehandlung keine Verbesserung bzw.
kein weiteres zweckgerichtetes Einstellen von Festigkeit und Dehnbarkeit mehr erreichbar
ist.
[0029] Bewährt hat es sich, wenn ein Druckgussverfahren oder Lichtbogenschweißen, insbesondere
Wire-Arc-Additive-Manufacturing, angewendet wird. Diese Herstellungstechniken werden
mit hohen Abkühlraten betrieben, weshalb diese besonders geeignet für eine Herstellung
bzw. Verwendung einer erfindungsgemäßen Magnesiumbasislegierung sind, da wie vorstehend
ausgeführt hohe Abkühlraten zu besonders großer Festigkeit und großer Dehnbarkeit
der Magnesiumbasislegierung führen. Vor allem Wire-Arc-Additive-Manufacturing (WAAM)
hat sich als besonders geeignet erwiesen. Dabei wird ein Lichtbogenschweißprozess
zum schichtweisen Aufbau eines Bauteiles verwendet. Die beim Wire-Arc-Additive-Manufacturing
angewendeten hohen Abkühlraten führen zu homogenen und fein verteilten Ausscheidungen
sowohl der ersten Phase als auch der Mg
17Al
12-Phase, wodurch große Festigkeiten und Dehnbarkeiten erreichbar sind. Dies ermöglicht
eine Erzeugung von komplexen Bauteilen mit der erfindungsgemäßen Magnesiumbasislegierung,
welche besonders robust sind.
[0030] Mit Vorteil ist ein Vormaterial, Halbzeug oder Bauteil mit einer erfindungsgemäßen
Magnesiumbasislegierung oder nach einem erfindungsgemäßen Verfahren erstellt. Entsprechend
den vorstehenden Ausführungen, Merkmalen und Wirkungen der erfindungsgemäßen Magnesiumbasislegierung
bzw. einer mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Magnesiumlegierung
weist auch ein mit der Magnesiumbasislegierung gebildetes Vormaterial, Halbzeug oder
Bauteil eine vorteilhaft große Festigkeit und große Dehnbarkeit auf.
[0031] Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten
Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:
Fig. 1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Phasendiagramm für Mg-Al;
Fig. 2 einen Vergleich einer erfindungsgemäßen Magnesiumbasislegierung mit einer üblichen
AZ91-Legierung hinsichtlich derer Phasenanteile;
Fig. 3 ein Mikrostrukturbild einer erfindungsgemäßen Magnesiumbasislegierung;
Fig. 4 eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Magnesiumbasislegierung der Fig.
3;
Fig. 5 ein Spannungs-Dehnungsdiagramm zweier erfindungsgemäßer Magnesiumbasislegierungsproben
im Vergleich mit einer üblichen AZ61-Legierungsprobe;
Fig. 6 ein Mikrostrukturbild der AZ61-Legierungsprobe der Fig. 5.
[0032] Fig. 1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Phasendiagramm für eine Legierungszusammensetzung
aus Mg und Aluminium, dargestellt bis zu einem Anteil von 60 Gew.-% Aluminium. Eine
übliche aus dem Stand der Technik bekannte Legierung mit Mg-Al9% (in Gew.-%) ist mit
einer senkrechten, gestrichelten Linie im Phasendiagramm eingezeichnet. Bei einem
Abkühlen der Mg-AI9%-Legierung ausgehend von einer flüssigen Phase L erstarrt zuerst
ausschließlich eine Mischkristallphase α(Mg). Bei weiterer Abkühlung wird schließlich,
wie aus dem Phasendiagramm ersichtlich, ein Eutektikum bzw. eine eutektische Phase,
gebildet mit einer Mg
17Al
12-Phase, ausgeschieden. Diese spröde intermetallische Mg
17Al
12-Phase führt üblicherweise zu einer Erhöhung einer Festigkeit einer Mg-Al-Legierung,
insbesondere auch der gezeigten Mg-AI9%-Legierung, reduziert jedoch gleichzeitig deren
Dehnbarkeit. Je größer der Al-Anteil, umso größer ist ein Anteil der Mg
17Al
12-Phase, weshalb kommerzielle Magnesiumbasislegierungen in der Regel weniger als 10
Gew.-% Aluminium aufweisen.
[0033] Im Rahmen einer Entwicklung der erfindungsgemäßen Magnesiumbasislegierung wurden
Versuchsreihen mit unterschiedlichen Legierungszusammensetzungen von Magnesiumbasislegierungen
durchgeführt. Zwei erfindungsgemäße Magnesiumbasislegierungen, bezeichnet als AEX11-1
und AEX11-2, dargestellt in Tabelle 1, werden im Folgenden präsentiert und mit bekannten
Legierungen aus dem Stand der Technik verglichen.
Tabelle 1: Zwei Legierungsbeispiele und deren Legierungszusammensetzung (in Gew.-%)
Beispiel |
Al |
Zn |
Mischmetall |
Ca |
Sr |
Mn |
AEX11-1 |
10,1 - 11,5 |
0,3 - 0,6 |
2,5 - 3,5 |
0,2 - 0,44 |
0 |
0,15 - 0,5 |
AEX11-2 |
10,1 - 11,5 |
0,3 - 0,6 |
2,5 - 3,5 |
0,2 - 0,44 |
0,2 - 0,6 |
0,15 - 0,5 |
[0034] Wie in Tabelle 1 ersichtlich wurde ein Al-Anteil sowohl der Legierung AEX11-1 als
auch der Legierung AEX11-2 in einem Bereich etwas oberhalb von 10,0 Gew.-% gewählt,
um vorteilhafte Wirkungen der beiden Legierungen im Vergleich zu üblichen Mg-Al-Legierungen
aufzuzeigen, welche üblicherweise Al-Anteile von bis zu etwa 9,0 Gew.-% aufweisen.
[0035] Fig. 2 zeigt einen Vergleich der AEX11-1-Legierung mit der einer üblichen AZ91-Legierung,
wobei unterschiedliche Phasenanteile der beiden Legierungen, welche mit der Simulationssoftware
Thermocalc berechnet wurden, dargestellt sind. Phasenanteile der AEX11-1-Legierung
sind dabei als durchgezogene Linien dargestellt, Phasenanteile der AZ91-Legierung
als gestrichelte Linien. Dargestellt sind sowohl für die AEX11-1-Legierung als auch
für die AZ91 -Legierung die Anteile der flüssigen Phase L, der α(Mg) und der Mg
17Al
12-Phase. Weiter dargestellt ist außerdem eine Al
11RE
3-Phase der Legierung AEX11-1. RE steht dabei als Abkürzung für Seltenerdmetalle. Fig.
2 stellt ersichtlich dar, dass die AEX11-1-Legierung im Vergleich zur AZ91-Legierung
trotz eines höheren Al-Anteiles einen geringeren Anteil der Mg
17Al
12-Phase aufweist. Eine Bildungstemperatur der Mg
17Al
12-Phase liegt sowohl bei AEX11-1 als auch bei AZ91 zwischen 360 °C und 370 °C. Eine
Bildungstemperatur der Al
11RE
3-Phase der AEX11-1-Legierung liegt bei etwa 560 °C. Da die Bildungstemperatur der
Al
11RE
3-Phase deutlich größer ist als die Bildungstemperatur der Mg
17Al
12-Phase, wird also bei einem Abkühlen einer Ausgangszusammensetzung der AEX11-1-Legierung
ausgehend von der flüssigen Phase durch eine Bildung der Al
11RE
3-Phase ein Al-Anteil gebunden, sodass bei einem Erreichen der Bildungstemperatur der
Mg
17Al
12-Phase nur noch ein reduzierter Al-Anteil zur Bildung der Mg
17Al
12-Phase zur Verfügung steht. Die Al
11RE
3-Phase trägt zu einer großen Festigkeit der AEX11-1 Legierung bei, der reduzierte
Anteil der Mg
17Al
12-Phase führt zu einer großen Dehnbarkeit der AEX11-1-Legierung. Weitere Phasen der
AEX11-1-Legierung, wie beispielsweise eine Al-Mn-Phase, sind in Fig. 2 nicht dargestellt,
da diese im Vergleich zur Al
11RE
3-Phase vernachlässigbar kleine Anteile aufweisen. Die AEX11-2-Legierung zeigt ein
zur AEX11-1-Legierung analoges Verhalten.
[0036] Die Legierungsproben für AEX11-1 und AEX11-2 wurden mit Schwerkraftguss zu Bolzen
vergossen und mit einem Strangpressverfahren zu Drähten weiterverarbeitet. Aus den
Drähten wurden schließlich mit einem Lichtbogenschweißverfahren per Wire-Arc-Additive-Manufacturing
Probenteile aus der AEX11-1-Legierung bzw. der AEX11-2-Legierung gefertigt.
[0037] Fig. 3 zeigt ein repräsentatives Mikrostrukturbild eines AEX11-1-Probenteiles. Ersichtlich
ist ein relativ feines, homogenes Gefüge, welches nadelförmige Al-RE-Ausscheidungsphasen
(in dunkelgrau) sowie Mg
17Al
12-Ausscheidungsphasen (in hellgrau) zeigt. Weiter sind vereinzelt Al-Mn-Phasen (in
dunkelgrau und blockförmig), ersichtlich. Vorteilhaft sind die gezeigten Phasen jeweils
als nichtzusammenhängende Struktur, insbesondere als isolierte Inseln, ausgebildet,
wodurch eine besonders ausgeprägte Festigkeit erreichbar ist. Die AEX11-2-Probenteile
zeigen analoge Mikrostrukturbilder.
[0038] Fig. 4 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme der AEX11-1-Legierung. Gut ersichtlich
sind nadelförmige Ausscheidungen der AI-RE-Phase (in hellgrau) sowie Ausscheidungen
der Mg
17Al
12-Phase (in dunkelgrau).
[0039] Vorteilhaft ist die Mg
17Al
12-Phase bzw. die mit dieser gebildete eutektische Phase durch eine Wärmebehandlung
auflösbar und im Bedarfsfall anschließend zur Festigkeitssteigerung wieder ausscheidbar.
[0040] Fig. 5 zeigt ein Spannungs-Dehnungsdiagramm als Ergebnis von Dilatometer-Zugversuchen
der Probenteile vor und nach einer Wärmebehandlung. Dargestellt sind Spannungs-Dehnungs-Kurven
für ein AEX11-1-Probenteil vor dessen Wärmebehandlung, gekennzeichnet in Fig. 5 mit
Bezugszeichen 1, und nach dessen Wärmebehandlung, gekennzeichnet mit Bezugszeichen
2, sowie Spannungs-Dehnungs-Kurven für ein AEX11-2-Probenteil vor dessen Wärmebehandlung,
gekennzeichnet mit Bezugszeichen 3, und nach dessen Wärmebehandlung, gekennzeichnet
mit Bezugszeichen 4. Als Vergleich ist zudem eine Spannungs-Dehnungs-Kurve, für eine
übliche AZ61-Legierungprobe, gekennzeichnet in Fig. 5 mit Bezugszeichen 5, dargestellt,
welche mit einem Verfahren entsprechend dem Herstellungsverfahren der beiden AEX11-Probenteile
hergestellt ist. Ersichtlich ist, dass das AEX11-1-Probenteil und AEX11-2-Probenteil
sehr hohe Streckgrenzen aufweisen, welche höher liegen als eine Streckgrenze der AZ61-Legierungsprobe.
Dehnbarkeiten des AEX11-1-Probenteiles und AEX11-2-Probenteiles vor der Wärmebehandlung
der Probenteile sind dabei niedriger als jene der AZ61-Legierungsprobe. Nach durchgeführter
Wärmebehandlung weisen sowohl das AEX11-1-Probenteil als auch das AEX11-2-Probenteil
große Festigkeiten und große Dehnbarkeiten auf. Eine Wärmebehandlung ermöglicht damit
ein Einstellen von Festigkeit und Dehnbarkeit. Im Falle einer üblichen AZ61-Legierung
führt eine Wärmebehandlung hingegen zu keiner Verbesserung von Festigkeit oder Dehnbarkeit.
Dies ist bei Betrachtung eines Mikrostrukturbildes der AZ61-Legierungsprobe, dargestellt
in Fig. 6, auch verständlich. Im Vergleich mit dem Mikrostrukturbild des AEX11-1-Probenteiles
der Fig. 3 zeigt Fig. 6 wesentlich geringere Anteile von ausgeschiedene Phasen. Dies
erklärt einerseits die große Dehnbarkeit der AZ61-Legierungsprobe und andererseits
die fehlende Möglichkeit, eine Festigkeitssteigerung der AZ61-Legierung durch Wärmebehandlung
zu erreichen.
[0041] Eine erfindungsgemäße Magnesiumbasislegierung weist damit vorteilhaft sowohl eine
große Festigkeit als auch eine große Dehnbarkeit auf und bietet insbesondere die Möglichkeit,
Festigkeit und Dehnbarkeit durch Wärmebehandlung einzustellen.
1. Magnesiumbasislegierung, aufweisend (in Gew.-%)
in einem ersten Anteil Magnesium,
in einem zweiten Anteil mehr als 10,0 % Aluminium,
einen dritten Anteil eines oder mehrerer Elemente, welcher mit Aluminium zumindest
eine erste Phase bildet,
optional mehr als 0,0 bis 1,0 % Zink,
Rest Magnesium und herstellungsbedingte Verunreinigungen,
wobei die Magnesiumbasislegierung eine Mg17Al12-Phase enthält und eine Bildungstemperatur der ersten Phase größer ist als eine Bildungstemperatur
der Mg17Al12-Phase.
2. Magnesiumbasislegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Anteil die zumindest erste Phase zumindest mit einem Anteil von Aluminium
bildet, welcher im zweiten Anteil 10 Gew.-% Aluminium übersteigt.
3. Magnesiumbasislegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Anteil mit einem oder mehreren Elementen ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus Seltenerdmetallen, Scandium, Calcium, Strontium, Barium, Zirconium, Mangan und/oder
Lithium gebildet ist.
4. Magnesiumbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Anteil mit Aluminium mehrere unterschiedliche erste Phasen bildet, deren
Bildungstemperaturen größer als die Bildungstemperatur der Mg17Al12-Phase sind.
5. Magnesiumbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Phase und/oder die Mg17Al12-Phase jeweils als nicht zusammenhängende Struktur ausgebildet sind.
6. Magnesiumbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Anteil mit Seltenerdmetallen, bevorzugt mit einem Anteil von mehr als
0,0 bis 4,0 Gew.-% gebildet ist.
7. Magnesiumbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Anteil mit Calcium, bevorzugt mit einem Anteil von mehr als 0,0 bis 4,0
Gew.-%, gebildet ist.
8. Magnesiumbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Anteil mit Mischmetall gebildet ist.
9. Verfahren zur Herstellung einer Magnesiumbasislegierung nach einem der Ansprüche 1
bis 8, wobei Ausgangsstoffe der Magnesiumbasislegierung ausgehend von einer flüssigen
Phase abgekühlt werden, um die erste Phase und anschließend die Mg17Al12-Phase auszubilden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abkühlen der Ausgangsstoffe mit einer Abkühlrate von mehr als 10 K/s, bevorzugt
mehr als 20 K/s, erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmebehandlung der Magnesiumbasislegierung vorgesehen ist, um einen Anteil
der Mg17Al12-Phase einzustellen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckgussverfahren oder Lichtbogenschweißen, insbesondere Wire-Arc-Additive-Manufacturing,
angewendet wird.
13. Vormaterial, Halbzeug oder Bauteil mit einer Magnesiumbasislegierung nach einem der
Ansprüche 1 bis 8 oder erhältlich nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9
bis 12.