MAGNESIUMLEGIERUNG UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DERSELBEN

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Magnesiumlegierung. Um eine Magnesiumlegierung zu erreichen, welche sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine hohe Umformbarkeit aufweist, ist erfindungsgemäß eine Magnesiumlegierung vorgesehen, aufweisend (in At.-%)
15,0 % bis 70,0 % Lithium,
mehr als 0,0 % Aluminium,
Rest Magnesium und herstellungsbedingte Verunreinigungen,
wobei ein Verhältnis von Aluminium zu Magnesium (in At.-%) 1:6 bis 4:6 beträgt.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Magnesiumlegierung.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Magnesiumlegierung.

[0002] Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Magnesiumlegierung.

[0003] Magnesiumlegierungen stellen insbesondere aufgrund deren geringen Dichte und guten mechanischen Eigenschaften häufig eingesetzte Konstruktionslegierungen bzw.

[0004] Konstruktionswerkstoffe, besonders im Bereich der Automobilindustrie und Flugzeugindustrie, dar. Es ist bekannt, dass eine Duktilität von Magnesiumlegierungen durch Zusatz von Lithium (Li) verbessert werden kann, wobei üblicherweise mit zunehmendem Lithium-Anteil ein Übergang von einem hexagonalen Kristallsystem zu einem kubisch-raumzentrierten Kristallsystem in der Magnesiumlegierung stattfindet. Dies ist mit einer erhöhten Anzahl von Gleitebenen verbunden, wodurch eine auftretende deutlich verbesserte Duktilität mit zunehmendem Lithium-Anteil erklärbar ist. Allerdings kann diese Herangehensweise mit einer Verringerung von Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Magnesiumlegierung verbunden sein, sodass häufig weitere Legierungselemente wie beispielsweise Aluminium oder Zink zugesetzt werden, um diese Nachteile zu dämpfen und in der Regel zumindest moderate Festigkeiten und Korrosionsbeständigkeiten zu erreichen.

[0005] Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Magnesiumlegierung anzugeben, welche eine hohe Festigkeit, insbesondere eine hohe Druckfestigkeit, und eine gute Umformbarkeit aufweist.

[0006] Weiter ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Magnesiumlegierung anzugeben.

[0007] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Magnesiumlegierung, aufweisend, insbesondere bestehend aus, (in At.-%)
15,0 % bis 70,0 % Lithium,
mehr als 0,0 % Aluminium,
Rest Magnesium und herstellungsbedingte Verunreinigungen,
wobei ein Verhältnis von Aluminium zu Magnesium (in At.-%) 1:6 bis 4:6 beträgt.

[0008] Grundlage der Erfindung ist die Erkenntnis, dass sich bei einer vorgenannten Legierungszusammensetzung einer Magnesiumlegierung mit entsprechendem Anteil von Lithium (Li) sowie einem zwingend vorgesehenen Anteil von Aluminium (Al) in einem bestimmten, vorgenannten Verhältnisbereich von Aluminium zu Magnesium eine mikroskalige Gefügestruktur bzw. feine, insbesondere feine lamellare, Gefügestruktur in der Magnesiumlegierung ausbildet. Als theoretischer Unterbau dieses Verhaltens wird eine eutektische Umwandlung der Magnesiumlegierung angesehen, welche bei einem vorgenannten Verhältnis von Aluminium zu Magnesium auftritt. Die feinskalige Gefügestruktur ist mit einer hohen Festigkeit, insbesondere einer hohen Druckfestigkeit verbunden, wobei gleichzeitig eine gute Umformbarkeit der Magnesiumlegierung bei entsprechenden vorgenannten Anteilen von Lithium in der Magnesiumlegierung gegeben ist. Orientierungszusammensetzung bzw. Orientierungslinie im Phasendiagramm ist dabei im Besonderen ein Verhältnis von Aluminium zu Magnesium (in Atomprozent, abgekürzt mit At.-%) von ca. 3:6, da sich bei diesem Verhältnis eine besonders homogene feinskalige bzw. homogene feine lamellare Gefügestruktur bzw. Morphologie findet. In einem Bereich um dieses Verhältnis, vor allem bei einem Verhältnis von Aluminium zu Magnesium (in At.-%) von 1:6 bis 4:6, findet sich die feine, insbesondere feine lamellare, Gefügestruktur bzw. Morphologie weiterhin mit unterschiedlich starker Ausprägung, was in der Regel entsprechend mit unterschiedlichen Ausprägungen einer Höhe einer Festigkeit, insbesondere einer Höhe einer Druckfestigkeit, sowie Umformbarkeit bzw. Duktilität der Magnesiumlegierung verbunden ist. Aufgrund dieses besonderen morphologischen Verhaltens im angegebenen Zusammensetzungsbereich ist damit eine Bildung einer Magnesiumlegierung ermöglicht, welche sowohl eine hohe Festigkeit, insbesondere Druckfestigkeit, als auch eine gute Umformbarkeit aufweist.

[0009] Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die Magnesiumlegierung (in At.-%) 30,0 % bis 60,0 %, insbesondere 40 % bis 50 %, Lithium aufweist. Dadurch sind eine ausgeprägte Festigkeit und eine besonders ausgeprägte Umformbarkeit erreichbar. Dies dürfte sich insbesondere aus einer Kombination von feinstrukturierter Morphologie und einer Umwandlung zu einem kubisch-raumzentrierten Kristallsystem im angegebenen Lithium-Bereich ergeben. Besonders nachdrücklich treten sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine hohe Umformbarkeit in Erscheinung, wenn die Magnesiumlegierung (in At.-%) 45 % bis 50 %, insbesondere 45 % bis 48 %, Lithium aufweist.

[0010] Eine Konstruktionslegierung mit hoher Einsatzfähigkeit ist erreichbar, wenn die Magnesiumlegierung als Magnesiumbasislegierung ausgebildet ist. Magnesiumbasislegierung bezeichnet dabei entsprechend einer praxisüblichen Notation eine Magnesiumlegierung, welche unter Zugrundelegung deren Legierungsanteile in Gewichtsprozent (Gew.-%) als Hauptelement bzw. als größten Legierungsanteil Magnesium enthält. Vor allem in Kombination mit, insbesondere vorstehend, angeführten Anteilen für Lithium ist eine praktikable Konstruktionslegierung mit sehr hohen Festigkeitseigenschaften und ausgeprägter Umformbarkeit erreichbar.

[0011] Günstig für eine ausgeprägte Feinheit bzw. feine, insbesondere lamellare, Gefügestruktur ist es, wenn das Verhältnis von Aluminium zu Magnesium (in At.-%) 2:6 bis 3,5:6, bevorzugt 2,5:6 bis 3,5:6, beträgt. Dadurch ist eine besonders hohe Festigkeit, insbesondere Druckfestigkeit, erreichbar. Dies gilt besonders bei einem Verhältnis von Aluminium zu Magnesium (in At.-%) von etwa 3:6, bei welchem eine sehr homogene feine Morphologie bzw. Gefügestruktur erhältlich ist. Vorteilhaft ist es hierzu insbesondere, wenn die Magnesiumlegierung (in At.-%) 30,0 % bis 60,0 % Lithium und ein Verhältnis von Aluminium zu Magnesium (in At.-%) von 2,5:6 bis 3,5:6, insbesondere etwa 3:6, beträgt.

[0012] Es versteht sich, dass die angegebenen Verhältnisse von Aluminium zu Magnesium mit entsprechenden Unsicherheiten, wie diese bei einer Herstellung von Legierungen, insbesondere unter Verwendung von Gießverfahren, üblich sind, behaftet sind und entsprechend nicht als vollkommen exakte Werte zu interpretieren sind, sondern einem üblichen, praktisch sinnvollen Rundungsschema unterliegen, wie dies von einem verständigen Fachmann auf dem Gebiet einer Legierungsherstellung, insbesondere unter Verwendung von Gießverfahren, zweckmäßig angewendet wird, um eine entsprechende Magnesiumlegierung herzustellen.

[0013] Es hat sich bewährt, wenn die Magnesiumlegierung mehr als 0,0 bis 3,0 Gew.-%, insbesondere mehr als 0,0 bis 2,0 Gew.-%, bevorzugt mehr als 0,0 bis 1,5 Gew.-%, Calcium (Ca) aufweist. Auf diese Weise ist eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit der Magnesiumlegierung erreichbar. Insbesondere ist damit eine verringerte Oxidationsneigung der Magnesiumlegierung umsetzbar, vorteilhaft üblicherweise dadurch, dass sich eine stabile Oxidationsschicht an einer Oberfläche der Magnesiumlegierung bildet. Weiter ist durch einen vorgenannten Anteil von Calcium ein Kornfeinungseffekt in der Magnesiumlegierung nutzbar bzw. erreichbar, sodass eine hohe Stabilität des feinskaligen Gefüges erreichbar und eine Festigkeit der Magnesiumlegierung weiter erhöhbar ist. Sowohl eine hohe Oxidationsbeständigkeit als auch eine erhöhte Festigkeit bzw. eine Stabilisierung der Festigkeitseigenschaften ist erreichbar, wenn die Magnesiumlegierung 0,5 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% Calcium aufweist. Vorstehend angeführte Effekte bei einem Vorhandensein von Calcium in der Magnesiumlegierung beruhen insbesondere auf einer Bildung von CaO. Entsprechend kann im Speziellen vorgesehen sein, dass Calcium, zumindest teilweise, insbesondere überwiegend, bevorzugt gänzlich, in Form von CaO der Magnesiumlegierung als Legierungsanteil zugesetzt wird bzw. in der Magnesiumlegierung enthalten ist. Damit kann eine homogene Verteilung von Calcium bzw. CaO in der Magnesiumlegierung begünstigt werden. Vorteilhaft ist es somit insbesondere, wenn die Magnesiumlegierung CaO mit den vorstehend angegebenen Anteilen für Calcium aufweist.

[0014] Für eine Reduktion einer Oxidationsneigung ist es günstig, wenn die Magnesiumlegierung mehr als 0,0 bis 3,0 Gew.-%, bevorzugt 1,0 Gew.-% bis 2,0 Gew.-%, Seltenerdmetalle, insbesondere Yttrium (Y), aufweist. Von Relevanz ist hierbei besonders eine auftretende Bildung von Y₂O₃ in der Magnesiumlegierung. Entsprechend kann im Speziellen vorgesehen sein, dass Yttrium, zumindest teilweise, insbesondere überwiegend, bevorzugt gänzlich, in Form von Y₂O₃ der Magnesiumlegierung als Legierungsanteil zugesetzt wird bzw. in der Magnesiumlegierung enthalten ist. Vorteilhaft ist es somit, wenn die Magnesiumlegierung Y₂O₃ mit den vorgenannt angegebenen Anteilen für Yttrium aufweist.

[0015] Eine Oxidationsneigung ist insbesondere reduzierbar, wenn sowohl Calcium, insbesondere in Form von CaO, als auch Seltenerdmetalle, insbesondere Yttrium, bevorzugt in Form von Y₂O₃, jeweils entsprechend den vorgenannten Gehaltsbereichen, in der Magnesiumlegierung enthalten sind, wobei sich im Besonderen Calcium mit mehr als 0,0 bis 1,5 Gew.-% und Yttrium mit 1,0 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% bewährt hat.

[0016] Eine besonders ausgeprägte Korrosionsbeständigkeit ist erreichbar, wenn die Magnesiumlegierung Calcium und Seltenerdmetalle, insbesondere Yttrium, enthält, wobei ein Gesamtanteil von Calcium und Seltenerdmetallen, insbesondere Yttrium, mehr als 0,0 bis 3,0 Gew.-%, bevorzugt 1,0 Gew.-% bis 2,5 Gew.-%, beträgt.

[0017] Vorteilhaft ist es, wenn eine Druckfestigkeit der Magnesiumlegierung, insbesondere bei Raumtemperatur, mindestens 300 MPa, insbesondere mindestens 350 MPa, bevorzugt mindestens 380 MPa, besonders bevorzugt mindestens 400 MPa, beträgt. Dies ist mit einer erfindungsgemäß vorgesehenen Legierungszusammensetzung für die Magnesiumlegierung aufgrund deren feinstrukturierten Gefügestruktur, insbesondere nach einer Herstellung der Magnesiumlegierung durch Gießen, erreichbar. Bevorzugt gelten vorgenannte Werte für eine maximale Druckfestigkeit, im Speziellen für eine Stauchgrenze oder Quetschgrenze, der Magnesiumlegierung. Mit Vorteil kann die Druckfestigkeit bzw. maximale Druckfestigkeit bzw. Stauchgrenze oder Quetschgrenze der Magnesiumlegierung mindestens 410 MPa, im Speziellen mindestens 430 MPa, betragen. Dies ist üblicherweise praktikabel mit einer Wärmebehandlung erreichbar, wie insbesondere nachstehend dargelegt ist.

[0018] Es hat sich gezeigt, dass die Magnesiumlegierung eine gute Auslagerungsfähigkeit aufweist, wobei eine Festigkeit, insbesondere Druckfestigkeit, und/oder Umformbarkeit der Magnesiumlegierung durch Wärmebehandlung der Magnesiumlegierung weiter optimiert bzw. bevorzugt erhöht werden können. Mit Vorteil ist daher vorgesehen, dass eine spezifische Druckfestigkeit, insbesondere eine maximale spezifische Druckfestigkeit, der Magnesiumlegierung, insbesondere bei Raumtemperatur, in einem ausgelagerten Zustand mindestens 300 Nm/g, insbesondere mindestens 330 Nm/g, bevorzugt mindestens 350 Nm/g, beträgt. Der ausgelagerte Zustand bezeichnet dabei einen Zustand der Magnesiumlegierung nach einer durchgeführten Wärmebehandlung der Magnesiumlegierung. Hierzu günstige Randbedingungen der Wärmebehandlung sind insbesondere nachstehend im Rahmen eines Verfahrens zur Herstellung einer Magnesiumlegierung weiter erläutert und entsprechend anwendbar.

[0019] Die angegebenen Materialkennwerte für die Magnesiumlegierung, vornehmlich Werte zu Druckfestigkeit bzw. spezifischer Druckfestigkeit, beziehen sich dabei insbesondere auf eine Raumtemperatur, welche üblicherweise zwischen 20 °C und 25 °C, in der Regel bei etwa 20 °C, liegt.

[0020] Es hat sich gezeigt, dass eine besonders große Festigkeit, insbesondere Druckfestigkeit, und vorteilhaft große Umformbarkeit erreichbar sind, wenn die Magnesiumlegierung 18,0 Gew.-% bis 24,0 Gew.-%, insbesondere 18,0 Gew.-% bis 22 Gew.-% Lithium, und 15,0 Gew.-% bis 30,0 Gew.-%, insbesondere 16,5 Gew.-% bis 28,0 Gew.-% Aluminium aufweist. Hierbei hat sich zudem gezeigt, dass mit einem zusätzlichen Anteil von Calcium eine Härte der Magnesiumlegierung, insbesondere im Rahmen einer durchgeführten Wärmebehandlung, optimiert bzw. gezielt eingestellt werden kann. Vorteilhaft ist es hierfür, wenn die Magnesiumlegierung außerdem Calcium mit mehr als 0,0 bis 2,5 Gew.-%, insbesondere 0,1 Gew.-% bis 2,0 Gew.-%, bevorzugt 0,3 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%, aufweist. Somit kann im Speziellen in diesem Gehaltsbereich von Lithium und Aluminium durch Calcium nicht nur eine Korrosionsbeständigkeit bzw. Oxidationsneigung beeinflusst bzw. verbessert werden, sondern zudem Einfluss auf ein Härte der Magnesiumlegierung genommen werden. Dies zeigt sich im Besonderen, wenn die Magnesiumlegierung 18,0 Gew.-% bis 22 Gew.-% Lithium und 16,5 Gew.-% bis 28,0 Gew.-% Aluminium aufweist, besonders hervortretend bei 0,1 Gew.-% bis 2,0 Gew.-%, insbesondere bei 0,3 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%, Calcium. Im Rahmen einer Wärmebehandlung nimmt üblicherweise die Härte mit zunehmender Wärmebehandlungsdauer zu, sodass abhängig von einer Dauer der Wärmbehandlung eine Härte der Magnesiumlegierung einstellbar ist. Günstig für eine hohe Härte ist es, wenn eine Wärmebehandlung zwischen 200 °C und 450 °C eine Wärmbehandlungsdauer von mehr als 1 Stunde, insbesondere mehr als 3 Stunden, aufweist. Im Speziellen ist eine einfach handzuhabende und zu bearbeitende Zusammensetzung bzw. Magnesiumlegierung zu erhalten, wenn die Magnesiumlegierung 20 Gew.-% Lithium und 15,0 Gew.-% bis 30,0 Gew.-%, insbesondere 16,5 Gew.-% bis 28,0 Gew.-%, besonders bevorzugt 18,0 Gew.-% bis 26,0 Gew.-%, Aluminium aufweist. Dies gilt besonders, wenn zudem wie vorstehend angeführt Calcium in der Magnesiumlegierung enthalten ist.

[0021] Die mechanischen Eigenschaften der Magnesiumlegierung können durch Zusätze weiterer Legierungselemente auf einen bestimmten Einsatzzweck hin optimiert werden. Für eine Feinabstimmung einer Festigkeit, insbesondere der Druckfestigkeit, der Magnesiumlegierung ist es günstig, wenn die Magnesiumlegierung 3,0 Gew.-% bis 10,0 Gew.-% Zink aufweist. Eine Optimierung der Druckfestigkeit, insbesondere ohne eine Umformbarkeit besonders einzuschränken, ist erreichbar, wenn die Magnesiumlegierung 7,0 Gew.-% bis 10,0 Gew.-% Zink aufweist. Alternativ oder kumulativ zu Zink ist es hierzu günstig, wenn die Magnesiumlegierung 2,0 Gew.-% bis 10,0 Gew.-%, bevorzugt 3,0 Gew.-% bis 7,0 Gew.-%, Silicium aufweist.

[0022] Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung beruht in der Regel darauf, dass Ausgangsstoffe der Magnesiumlegierung vermischt und ausgehend von einer flüssigen bzw. teilflüssigen Phase abgekühlt werden. Auf einfache Weise kann die erfindungsgemäße Magnesiumlegierung bzw. ein Vormaterial, Halbzeug oder Bauteil mit bzw. aus der Magnesiumlegierung mittels üblicher Gießverfahren, beispielsweise mit Formgieß-Verfahren, Druckguss-Verfahren, Strangguss-Verfahren oder Kokillenguss-Verfahren hergestellt werden. Als vorteilhaft hat es sich insbesondere erwiesen, wenn die Herstellung der erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung eine Wärmebehandlung umfasst, um eine Mikrostruktur bzw. Morphologie der Magnesiumlegierung im Hinblick auf eine Festigkeit, insbesondere Druckfestigkeit, bzw. Umformbarkeit zu optimieren.

[0023] Das weitere Ziel der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung erreicht, wobei eine Wärmebehandlung der Magnesiumlegierung durchgeführt wird, um eine Festigkeit, insbesondere Druckfestigkeit, und/oder Umformbarkeit der Magnesiumlegierung zu optimieren bzw. zu erhöhen. Es hat sich gezeigt, dass durch eine Wärmebehandlung der Magnesiumlegierung eine Festigkeit, insbesondere Druckfestigkeit, bzw. Umformbarkeit der Magnesiumlegierung weiter optimiert bzw. erhöht werden können, sodass diese insbesondere gezielt, bevorzugt auf einen Einsatzzweck der Magnesiumlegierung abgestimmt, eingestellt werden können.

[0024] Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend bzw. analog den Merkmalen, Vorteilen, Umsetzungen und Wirkungen, welche im Rahmen einer erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung, insbesondere vorstehend, beschrieben sind, ausgebildet sein kann. Analoges gilt auch für die erfindungsgemäße Magnesiumlegierung im Hinblick auf ein, insbesondere nachstehend, beschriebenes, erfindungsgemäßes Verfahren bzw. dessen einzelne Behandlungsschritte bzw. Herstellungsschritte.

[0025] Günstig für eine ausgeprägte Erhöhung der Festigkeit, insbesondere Druckfestigkeit, ist es, wenn die Wärmebehandlung mit einer Temperatur größer als 200 °C, insbesondere zwischen 200 °C und 450 °C, für mehr 20 Minuten, insbesondere mehr als 1 Stunde, durchgeführt wird. Als besonders geeignet für eine ausgeprägte Erhöhung der Festigkeit, insbesondere Druckfestigkeit, hat sich dabei eine Wärmebehandlung mit einer Temperatur zwischen 250 °C und 400°C, bevorzugt zwischen 270 °C und 350 °C, erwiesen. Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Wärmebehandlung für mehr als 1 Stunde (Std), bevorzugt zwischen 1 Stunde und 10 Stunden, insbesondere bevorzugt zwischen 1 Stunde und 6 Stunden, durchgeführt wird, um die Festigkeit effizient einzustellen. Als besonders effizient für eine nachhaltige Festigkeitserhöhung bei gleichzeitiger Optimierung einer Umformbarkeit der Magnesiumlegierung hat sich eine Wärmebehandlung zwischen 300 °C und 350 °C, bevorzugt zwischen 320 °C und 340 °C, für 2 Stunden bis 5 Stunden erwiesen. Es versteht sich, dass grundsätzlich auch eine längere Wärmebehandlungsdauer üblich sein kann, allerdings haben sich die vorstehend angegebenen Wärmebehandlungsdauern als besonders praktikabel hinsichtlich einer zeiteffizienten Optimierung der mechanischen Eigenschaften gezeigt.

[0026] Mit Vorteil ist ein Vormaterial, Halbzeug oder Bauteil mit, insbesondere aus, einer erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung oder erhältlich nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung umgesetzt. Entsprechend den vorstehenden Ausführungen, Merkmalen und Wirkungen der erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung bzw. einer mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Magnesiumlegierung weist auch ein mit einer Magnesiumlegierung gebildetes Vormaterial, Halbzeug oder Bauteil eine vorteilhaft hohe Festigkeit, insbesondere Druckfestigkeit, und gute Umformbarkeit auf.

[0027] Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:

Fig. 1 eine schematische Phasendiagramm-Darstellung für Mg-Li-Al, in welcher Zusammensetzungsbereiche der erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung angegeben sind;

Fig. 2 ein Fließspannungsdiagramm mehrerer Magnesiumlegierungsproben aus einer erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung;

Fig. 3 und Fig. 4 Rasterelektronenmikroskopaufnahmen einer Magnesiumlegierungsprobe aus einer erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung mit unterschiedlichen Vergrößerungen;

Fig. 5 ein Fließspannungsdiagramm von Magnesiumlegierungsproben aus einer erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung nach durchgeführten Wärmebehandlungen;

Fig. 6 eine Fließspannungsdiagramm von Magnesiumlegierungsproben aus einer weiteren erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung nach durchgeführten Wärmebehandlungen;

Fig. 7 ein Härtediagramm von Magnesiumlegierungsproben aus einer erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung.

[0028] Fig. 1 zeigt eine schematische Phasendiagramm-Darstellung (in At.-%) für Magnesium-Lithium-Aluminium (Mg-Li-Al) gemäß einer üblichen ternären Phasendiagramm-Ausgestaltung, wobei Zusammensetzungsbereiche bzw. Gehaltsbereiche von Legierungsanteilen einer erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung angegeben sind. In der Phasendiagramm-Darstellung ist als strichpunktierte Linie A eine Orientierungszusammensetzung einer Mg-Li-Al-Legierung mit einem Verhältnis von Aluminium zu Magnesium (in At.-%) von ca. 3:6 dargestellt, da sich entsprechend einer der Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnis in einem Gehaltsbereich von 15,0 At.-% bis 70,0 At.-% Lithium bei diesem Verhältnis von Aluminium zu Magnesium eine besonders homogene, feinskalige, insbesondere feine lamellare, Gefügestruktur bzw. Morphologie findet. In einem Bereich um dieses Verhältnis, angegeben mit einem Verhältnis von Aluminium zu Magnesium (in At.-%) von 1:6 bis 4:6, findet sich diese feinskalige bzw. feinstrukturierte Gefügestruktur weiterhin in unterschiedlich starker Ausprägung und erklärt eine vorteilhaft hohe Festigkeit, insbesondere Druckfestigkeit, sowie gute Umformbarkeit der Magnesiumlegierung in diesem Bereich. Ein Zusammensetzungsbereich (in At.-%) von 15,0 % bis 70,0 % Lithium und einem Verhältnis von Aluminium zu Magnesium (in At.-%) von 1:6 bis 4:6 ist in Fig. 1 mit einem mit einer durchgezogenen Linie dargestellten Viereck, gekennzeichnet mit Bezugszeichen 1, ersichtlich dargestellt. Eine ausgeprägte Festigkeit und besonders ausgeprägte Umformbarkeit findet sich insbesondere in einem Zusammensetzungsbereich (in At.-%) von 30,0 % bis 60,0 % Lithium und einem Verhältnis von Aluminium zu Magnesium (in At.-%) von 1:6 bis 4:6. Dieser Zusammensetzungsbereich ist in Fig. 1 mit einem mit einer gestrichelten Line dargestellten Viereck, gekennzeichnet mit Bezugszeichen 2, dargestellt.

[0029] Im Rahmen einer Entwicklung der erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung wurden Versuchsreihen mit unterschiedlichen Legierungszusammensetzungen von Magnesiumlegierungen, insbesondere entsprechend von erfindungsgemäß definierten Legierungszusammensetzungen, durchgeführt. Im Folgenden werden repräsentativ für die vorgenannten Zusammensetzungsbereiche Kenndaten von aus Mg-20%Li-15%Al-1%Ca-0,5%Y (in Gew.-%) und Mg-20%Li-24%Al-1%Ca-0,5%Y (in Gew.-%) gefertigten Magnesiumlegierungsproben dargestellt. Die Magnesiumlegierungsproben wurden mittels Kokillenguss hergestellt, wobei insbesondere Magnesiumlegierungsproben mit zylindrischer Form, mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Länge von 10 mm, gefertigt wurden. Die Magnesiumlegierungsproben wurden Druckversuchen bei Raumtemperatur, etwa 20 °C, unterzogen und als Ergebnis Fließkurven ermittelt, welche eine Fließspannung, in MPa, als Funktion eines Verformungsgrades, in %, darstellen.

[0030] Fig. 2 zeigt ein Fließspannungsdiagramm mit Fließkurven als Ergebnis von Druckversuchen mit aus Mg-20%Li-15%Al-1%Ca-0,5%Y (in Gew.-%) gefertigten Magnesiumlegierungsproben bei Raumtemperatur. Dargestellt sind Fließkurven von Magnesiumlegierungsproben unmittelbar nach einer Herstellung der Magnesiumlegierungsproben (as-cast), in Fig. 2 gezeigt als durchgezogenen Linien, gekennzeichnet mit Bezugszeichen 3. Darüber hinaus sind Fließkurven von Magnesiumlegierungsproben nach einer durchgeführten Wärmebehandlung (aged) der Magnesiumlegierungsproben dargestellt, in Fig. 2 gezeigt als gestrichelte Linien, gekennzeichnet mit Bezugszeichen 4. Hierzu wurden Magnesiumlegierungsproben einer Wärmebehandlung bei 330 °C für 3 Stunden unterzogen und anschließend Fließkurven mittels Druckversuchen ermittelt. Ersichtlich ist ein deutlicher Einfluss der Wärmebehandlung auf Druckfestigkeit und Umformbarkeit der Magnesiumlegierungsproben, wodurch das Potential gegeben ist, Druckfestigkeit und Umformbarkeit optimiert, insbesondere auf einen späteren Einsatzzweck hin, durch Wärmebehandlung einzustellen.

[0031] Fig. 3 und Fig. 4 zeigen Rasterelektronenmikroskopaufnahmen der aus Mg-20%Li-15%Al-1%Ca-0,5%Y (in Gew.-%) gefertigten Magnesiumlegierungsproben mit unterschiedlichen Vergrößerungen. Ersichtlich sind einerseits helle Korngrenzphasen (in weißlich-grau), welche als Al-Ca identifiziert wurden und andererseits ausgeprägte feine Kristallstrukturen bzw. Morphologien in einem von den Korngrenzphasen umschließenden Bereich, insbesondere in einem Zentrumsabschnitt dieses Bereiches, bzw. im Inneren des Mischkristalles, gut ersichtlich insbesondere in Fig. 4. Erkennbar ist außerdem eine stark unterschiedliche Feinstruktur, insbesondere in der Nähe der Korngrenzphasen.

[0032] Fig. 5 zeigt ein Fließspannungsdiagramm mit Fließkurven als Ergebnis von Druckversuchen mit aus Mg-20%Li-15%Al-1%Ca-0,5%Y (in Gew.-%) gefertigten Magnesiumlegierungsproben bei Raumtemperatur, wobei Magnesiumlegierungsproben nach durchgeführten Wärmebehandlungen mit unterschiedlichen Wärmebehandlungstemperaturen untersucht wurden. Dargestellt sind Fließkurven von Magnesiumlegierungsproben, welche einer Wärmebehandlung bei 270 °C für 4 Stunden unterzogen wurden, in Fig. 5 gezeigt als gestrichelte Linien, gekennzeichnet mit Bezugszeichen 5, und Fließkurven von Magnesiumlegierungsproben, welche einer Wärmebehandlung bei 330 °C für 4 Stunden unterzogen wurden, in Fig. 5 gezeigt als durchgezogenen Linien, gekennzeichnet mit Bezugszeichen 6. Ersichtlich ist ein ausgeprägter Einfluss von Wärmebehandlungstemperaturen auf die mechanischen Eigenschaften der Magnesiumlegierungsproben, wobei eine Wärmebehandlungstemperatur von 330 °C im Vergleich zu einer niedrigeren Wärmebehandlungstemperatur von 270 °C zu einer ausgeprägten Verbesserung der Druckfestigkeit führt, wobei gleichzeitig weiterhin eine sehr gute Umformbarkeit der Magnesiumlegierungsproben gegeben ist.

[0033] Fig. 6 zeigt ein Fließspannungsdiagramm mit Fließkurven als Ergebnis von Druckversuchen mit aus Mg-20%Li-24%Al-1%Ca-0,5%Y (in Gew.-%) gefertigten Magnesiumlegierungsproben bei Raumtemperatur, wobei Magnesiumlegierungsproben nach durchgeführten Wärmebehandlungen mit unterschiedlichen Wärmebehandlungstemperaturen untersucht wurden. Dargestellt sind Fließkurven von Magnesiumlegierungsproben, welche einer Wärmebehandlung bei 270 °C für 4 Stunden unterzogen wurden, in Fig. 6 gezeigt als gestrichelte Linien, gekennzeichnet mit Bezugszeichen 7, und Fließkurven von Magnesiumlegierungsproben, welche einer Wärmebehandlung bei 330 °C für 4 Stunden unterzogen wurden, in Fig. 6 gezeigt als durchgezogenen Linien, gekennzeichnet mit Bezugszeichen 8. Auch hier findet sich analog zu dem in Fig. 5 dargestellten Ergebnis ein ausgeprägter Einfluss von Wärmebehandlungstemperaturen auf die mechanischen Eigenschaften der Magnesiumlegierungsproben, wobei eine Wärmebehandlungstemperatur von 330 °C im Vergleich zu einer niedrigeren Wärmebehandlungstemperatur von 270 °C zu einer Verbesserung der Druckfestigkeit führt, wobei gleichzeitig weiterhin eine gute Umformbarkeit der Magnesiumlegierungsproben gegeben ist.

[0034] Fig. 7 zeigt ein Härtediagramm als Ergebnis von Härteprüfungen nach Vickers mit aus Mg-20%Li-15%Al-1%Ca-0,5%Y (in Gew.-%) gefertigten Magnesiumlegierungsproben bei Raumtemperatur, etwa 20 °C, wobei Magnesiumlegierungsproben nach durchgeführten Wärmebehandlungen mit unterschiedlichen Wärmebehandlungsdauern untersucht wurden. Als Wärmebehandlungstemperatur wurde 330 °C angewendet. Im Härtediagramm sind jeweils Mittelwerte von Härten nach Vickers (HV 0,1) von mehreren Messungen in Abhängigkeit von unterschiedlichen Wärmebehandlungsdauern t, von 0 Minuten (min) bis 300 Minuten, der Magnesiumlegierungsproben dargestellt. Ersichtlich ist eine sukzessive Zunahme der Härte mit einer Wärmebehandlungsdauer, wobei insbesondere bei einer Wärmbehandlungsdauer von mehr als 60 Minuten eine hohe Härte erreichbar ist. Mit Hinblick auf die in Fig. 3 und Fig. 4 gezeigten Bilddarstellungen ist dieses Verhalten möglicherweise erklärbar mit einer Diffusion von Calcium in den inneren Bereich des Mischkristalles.

[0035] Eine erfindungsgemäße Magnesiumlegierung weist somit vorteilhaft sowohl eine große Festigkeit als auch eine gute Umformbarkeit auf, welche insbesondere mittels Wärmebehandlung optimiert bzw. bevorzugt erhöht werden können. Im Speziellen ist außerdem die Möglichkeit gegeben, eine Härte der Magnesiumlegierung zu optimieren bzw. definiert einzustellen. Die erfindungsgemäße Magnesiumlegierung bzw. ein Bauteil mit bzw. aus der erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung bietet damit ein Potenzial robuste und widerstandfähige Bauelemente, insbesondere Konstruktionsbauelemente, im Besonderen in der Automobilindustrie, Flugzeugindustrie und/oder Weltraumindustrie, bevorzugt zweckangepasst, umzusetzen.

Ansprüche

1. Magnesiumlegierung, aufweisend (in At.-%)
15,0 % bis 70,0 % Lithium,
mehr als 0,0 % Aluminium,
Rest Magnesium und herstellungsbedingte Verunreinigungen,
wobei ein Verhältnis von Aluminium zu Magnesium (in At.-%) 1:6 bis 4:6 beträgt.

2. Magnesiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnesiumlegierung (in At.-%) 30,0 % bis 60,0 %, insbesondere 40 % bis 50 %, Lithium aufweist.

3. Magnesiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Aluminium zu Magnesium (in At.-%) 2:6 bis 3,5:6 beträgt.

4. Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnesiumlegierung mehr als 0,0 bis 3,0 Gew.-% Calcium aufweist.

5. Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnesiumlegierung mehr als 0,0 bis 3,0 Gew.-% Seltenerdmetalle, insbesondere Yttrium, aufweist.

6. Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnesiumlegierung Calcium und Seltenerdmetalle, insbesondere Yttrium, enthält, wobei ein Gesamtanteil von Calcium und Seltenerdmetallen, insbesondere Yttrium, mehr als 0,0 bis 3,0 Gew.-% beträgt.

7. Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckfestigkeit der Magnesiumlegierung mindestens 300 MPa, insbesondere mindestens 350 MPa, beträgt.

8. Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine spezifische Druckfestigkeit der Magnesiumlegierung in einem ausgelagerten Zustand mindestens 300 Nm/g beträgt.

9. Verfahren zur Herstellung einer Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmebehandlung der Magnesiumlegierung durchgeführt wird, um eine Festigkeit und/oder Umformbarkeit der Magnesiumlegierung zu optimieren.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung mit einer Temperatur größer als 200 °C, insbesondere zwischen 200 °C und 400 °C, für mehr 20 Minuten, insbesondere mehr als 1 Stunde, durchgeführt wird.

11. Vormaterial, Halbzeug oder Bauteil mit einer Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder erhältlich nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10.

Amended claims

Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 137(2) EPÜ.

1. Magnesiumlegierung, aufweisend (in At.-%)
40,0 % bis 70,0 % Lithium,
mehr als 0,0 % Aluminium,
optional zudem mehr als 0,0 bis 3,0 Gew.-% Calcium,
optional zudem mehr als 0,0 bis 3,0 Gew.-% Seltenerdmetalle, insbesondere Yttrium,
optional zudem 3,0 Gew.-% bis 10,0 Gew.-% Zink,
optional zudem 2,0 Gew.-% bis 10,0 Gew.-% Silicium,
Rest Magnesium und herstellungsbedingte Verunreinigungen,
wobei ein Verhältnis von Aluminium zu Magnesium (in At.-%) 1:6 bis 4:6 beträgt.

2. Magnesiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnesiumlegierung (in At.-%) 30,0 % bis 60,0 %, insbesondere 40 % bis 50 %, Lithium aufweist.

3. Magnesiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Aluminium zu Magnesium (in At.-%) 2:6 bis 3,5:6 beträgt.

4. Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnesiumlegierung Calcium und Seltenerdmetalle, insbesondere Yttrium, enthält, wobei ein Gesamtanteil von Calcium und Seltenerdmetallen, insbesondere Yttrium, mehr als 0,0 bis 3,0 Gew.-% beträgt.

5. Verfahren zur Herstellung einer Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmebehandlung der Magnesiumlegierung durchgeführt wird, um eine Festigkeit und/oder Umformbarkeit der Magnesiumlegierung zu optimieren.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung mit einer Temperatur größer als 200 °C, insbesondere zwischen 200 °C und 400 °C, für mehr 20 Minuten, insbesondere mehr als 1 Stunde, durchgeführt wird.

7. Vormaterial, Halbzeug oder Bauteil mit einer Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder erhältlich nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6.

Zeichnung