Binäre Magnesiumlegierung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine binäre Magnesiumlegierung mit überwiegendem Magnesiumgehalt.
Die Entwicklung der hochprozentigen Magnesiumgusslegierungen wurde in erster Linie durch -den Umstand bestimmt, dass,die einzige Möglichkeit zur Erzielung eines kristallinischen Gussgefüges von technisch brauchbaren Festigkeitseigenschaften bei Magnesium in dem Hinzulegieren von Le gierungskomponenten mit härtend wirkenden Eigenschaften bestand.
Bis heute wurden für diesen Zweck fast aus chliesslich Aluminium und Zink verwendet. Diese Metalle üben, bei Anwendung in den gebräuchlichen Men genverhältnissen von 4-10% Aluminium, gegebenenfalls zusammen mit bis zu 3 Zink, eine härtende und kornverkleinernde Wirkung auf .das Magnesium aus, das an sich weich ist und nach dem Erstarren eine grab kristallinische, radialstrahlige Struktur aufweist.
Je nach ihrer besonderen Zusammen setzung und je nach der Art des, angewand ten Giessverfahrens (Sand-, Kokillen- oder Spritzguss) weisen diese bekannten Magne- siumgusslegierungen im unvergüteten Zustand eine Zugfestigkeit von 16-22 kg/mm@ auf, bei einer Dehnung von. ä-12 %, einer Streck grenze von 8-12 kg/mm@ und einer Kerb zähigkeit von 0,
5 mkg/em2 ("Werkstoffhand- buch Nichteisenmetalle" 1986, Blatt K3).
Ein Nachteil. dieser bekannten Magne- siumlegierungen ist aber darin zu erblicken, dass sie während der Erstarrung zur Bildung sogenannter Mikrolunker, das heisst feiner Haarrisse im Gefüge, neigen.
Diese Mikro lunker machen die Gussstücke nicht nur bis zu einem gewissen Grad durchlässig für Flüssigkeiten oder Gase, sondern sie beein trächtigen auch unter gewissen Umständen, infolge ihrer Kerbwirkung wesentlich die guten mechanischen Eigenschaften, die an sich bei gesundem Gefüge der Gussstücke er- reichbar sind. Dieser Nachteil macht sich besonders an hochbeanspruchten Stellen der Gussstüeke bemerkbar, die entsprechend ver stärkt werden müssen.
Die Neigung der be kannten Gusslegierungen, solche Mikrolunker zu bilden, scheint mit ihrem verhältnismässig hohen Gehalt an Legierungsbildnern zusam menzuhängen, der im Vergleich zu reinem oder niedrig legiertem Magnesium zu einem grossen Ers:ta.rrungsintervall führt. Die bis heri.gen Versuche, der Bildung solcher Mikro lunker entgegenzuwirken, beschränkten sich auf eine ausgedehnte Verwendung von s oge- nannten Abschreckplatten und andern Mass nahmen zur raschen Abkühlung der gefähr deten Gefügebereiche.
Solche Massnahmen sind jedoch teuer und in der Praxis häufig schwierig zu beherrschen.
In Erkenntnis der Bedingungen, die für die Bildung eines mikrolunkerfreien Guss- gefüges von hoher Festigkeit massgebend sind, nämlich Feinkörnigkeit und kleines Ersta.rrungsintervall, wurden systematisch Versuche durchgeführt, die zur Auffindung von Legierungsbildnern dienen sollten, wel che auf Magnesium eine stark kornver feinernde Wirkung ausüben, und zwar auch dann, wenn sie in Mengenverhältnissen an gewendet würden, die zur Erzielung einer erheblichen Verbreiterung des Erstarrungs- intervalles nicht ausreichend sind.
Es wurde dabei gefunden, dass das Zir- kon ein Metall ist, das den vorerwähnten Forderungen entspricht.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist also eine binäre Magnesiumlegierung, die durch einen Gehalt zwischen 0,05 und 2 Zirkon gekennzeichnet ist.
Es hat sich gezeigt, dass das Zirkon, in Mengen von 0,05-'-)% mit Magnesium legiert, eine viel stärkere Kornverfeinerung bewirkt, als die bisher üblichen viel grösseren Mengen von Aluminium und Z1n1L Bei Zu satz von Zirkon zum Magnesium in den vor erwähnten Mengenverhältnissen ist ausserdem das Erstarrungsintervall der erhaltenen Le b erung noch so klein, dass eine solche Legie rung ohne wahrnehmbare Mikrolunkerbil- Jung erstarrt.
Die kornverfeinernde Wir kung des Zirkons auf reines Magnesium (im Gusszustand: Zugfestigkeit 9-l3 <B>kg/mm',</B> Dehnung 5-69o) ist so stark, dass schon ein Zusatz von (:
),5 % Zirkon der Legierung eine Zugfestigkeit von 18,5 kg/mm\ und eine Streckgrenze von 7 kg/mm' verleiht, welche Werte nahezu denen der bisher gebrauchten Guss.legierungen gleichkommen. Ausserdem wird die Dehnung auf 21 % und die Kerb- zähigkeit auf 1,5 mkg/cm@ erhöht. Diese Werte sind also wesentlich höher als die ent sprechenden Werte der gebräuchlichen Guss- legierungen.
Da die Korrosionsbeständigkeit von Guss- legierungen durch ein feinkörniges und dichtes Gefüge begünstigt wird, so ist die erfindungsgemässe Legierung bezüglich Kor rosionsbeständigkeit und besonders im Hin blick auf Spannungskorrosionsfestigkeit den besten bisher bekannten Legierungen auf Magnesiumbasis gleichwertig.
Der Zusatz von Mangan, das sonst als notwendig für die Verbesserung der Korrosionsfestigkeit ange sehen wurde, erübrigt sich; er würde im vor liegenden Fall das Zirkon zudem noch hin- (lern, seine günstigen Wirkungen auszuüben.
Das feine Korn, das eich bei der Erstar rung der erfindungsgemässen Magnesium- Zirkon-Legierung bildet, bleibt auch nach wiederholtem Einschmelzen und Umgiessen der Legierung erhalten. Die Bildung des feinkörnigen Gefüges ist praktisch unabhän gig von der Abkühlungsgeschwindigkeit der gegossenen Legierung; sie tritt also sowohl beim Kokillenguss als auch beim Saudguss ein.
Die guten Eigenschaften der vorbeschrie- benen insbesondere ihre hervor ragende Dehnbarkeit und Kerbzähigkeit, ma chen sie auch für die Verarbeitung zu ver- kneteten Erzeugnissen geeignet.
Eine binäre Legierung, die bis etwa 2/o Zirkon enthält, zeigt nach der Verknetung Festigkeitswerte, die. denjenigen der gebräuchlichen verknete- ten Magnesiumlegierungen, die erhebliche Mengen Aluminium und gegebenenfalls auch Zink enthalten, gleichkommen, während sie hinsichtlich Zähigkeit diesen gebräuchlichen Legierungen wesentlich überlegen ist. Von Wichtigkeit ist noch der Umstand, dass insbe sondere die verknetete Legierung sich vor den bekannten verkneteten Legierungen durch ihre Schweissbarkeit auszeichnet.
Für die bekannte Magnesiumknetlegie- rung AM 503 der I. G. Farbenindustrie A. G. (siehe "Werkstoffhandbuch Nichteisenme talle" 1936, Blatt K4) werden folgende Fe stigkeitswerte angegeben:
Zugfestigkeit = 19-23 kg/mm2 Streckgrenze = 14-17 kg/mm' Dehnung = l,5-5 Kontraktion =<B>5%.</B> Im Vergleich hierzu weist eine Magne- siumlegierung mit 1 % Zirkon im verkneteten Zustand die folgenden Festigkeitswerte auf: Zugfestigkeit = 29,8 kg/mm@ Streckgrenze = 25,8 kg/mm' Dehnung =<B>16,2</B> Kontraktion = 34,0
Binary magnesium alloy. The present invention relates to a binary magnesium alloy with a predominant magnesium content.
The development of high-percentage cast magnesium alloys was primarily determined by the fact that the only way to achieve a crystalline cast structure with technically useful strength properties in magnesium was to add alloy components with hardening properties.
To date, aluminum and zinc have been used almost exclusively for this purpose. When used in the usual proportions of 4-10% aluminum, if necessary together with up to 3 zinc, these metals have a hardening and grain-reducing effect on the magnesium, which is soft in itself and, after solidification, has a grave crystalline, having radial beam structure.
Depending on their special composition and depending on the type of casting process used (sand, permanent mold or injection molding), these known magnesium cast alloys have a tensile strength of 16-22 kg / mm @ in the non-tempered state, with an elongation of . ä-12%, a yield strength of 8-12 kg / mm @ and a notch toughness of 0,
5 mkg / em2 ("Material handbook non-ferrous metals" 1986, sheet K3).
A disadvantage. However, these known magnesium alloys can be seen in the fact that they tend to form so-called micro-voids, that is, fine hairline cracks in the structure, during solidification.
These micro-cavities not only make the castings permeable to liquids or gases to a certain extent, but also, under certain circumstances, as a result of their notch effect, significantly impair the good mechanical properties that can be achieved with a healthy structure of the castings. This disadvantage is particularly noticeable at highly stressed parts of the castings that must be reinforced accordingly.
The tendency of the known cast alloys to form such micro-cavities seems to be related to their relatively high content of alloying agents, which leads to a large replacement interval compared to pure or low-alloyed magnesium. The attempts to date to counteract the formation of such micro-voids have been limited to the extensive use of so-called quenching plates and other measures to rapidly cool the endangered structural areas.
However, such measures are expensive and often difficult to master in practice.
In recognition of the conditions that are decisive for the formation of a high-strength cast structure free of micro-voids, namely fine grain size and small initialization interval, systematic tests were carried out that were intended to identify alloy formers which had a strong grain-refining effect on magnesium exercise, even if they were used in proportions that are not sufficient to achieve a considerable broadening of the solidification interval.
It was found that the zircon is a metal that meets the above-mentioned requirements.
The present invention thus relates to a binary magnesium alloy which is characterized by a content between 0.05 and 2 zirconium.
It has been shown that the zirconium, alloyed with magnesium in amounts of 0.05%, causes a much greater grain refinement than the much larger amounts of aluminum and Z1n1L that have been used up to now when zirconium is added to the magnesium in the In addition, the solidification interval of the life obtained is still so small that such an alloy solidifies without any noticeable micro-shrinkage.
The grain-refining effect of the zirconium on pure magnesium (in the as-cast state: tensile strength 9-l3 <B> kg / mm ', </B> elongation 5-69o) is so strong that even an addition of (:
), 5% zirconium gives the alloy a tensile strength of 18.5 kg / mm 'and a yield point of 7 kg / mm', which values are almost the same as those of the cast alloys used up to now. In addition, the elongation is increased to 21% and the notch toughness to 1.5 mkg / cm @. These values are therefore significantly higher than the corresponding values of the common cast alloys.
Since the corrosion resistance of cast alloys is favored by a fine-grained and dense structure, the alloy according to the invention is equivalent to the best magnesium-based alloys known to date with regard to corrosion resistance and particularly with regard to stress corrosion resistance.
The addition of manganese, which was otherwise seen as necessary to improve the corrosion resistance, is unnecessary; in the present case he would also prevent the zircon from exerting its beneficial effects.
The fine grain that is formed during the solidification of the magnesium-zirconium alloy according to the invention is retained even after the alloy has been repeatedly melted down and poured over. The formation of the fine-grain structure is practically independent of the cooling rate of the cast alloy; so it occurs both in permanent mold casting and in suction casting.
The good properties of the above-described, in particular their excellent ductility and notch toughness, also make them suitable for processing into kneaded products.
A binary alloy which contains up to about 2 / o zirconium shows strength values after kneading that. equal to those of the customary kneaded magnesium alloys, which contain considerable amounts of aluminum and possibly also zinc, while it is significantly superior to these customary alloys in terms of toughness. Another important factor is that the kneaded alloy, in particular, is distinguished from the known kneaded alloys by its weldability.
The following strength values are given for the well-known magnesium wrought alloy AM 503 from I. G. Farbenindustrie A. G. (see "Material handbook for non-ferrous metals" 1936, sheet K4):
Tensile strength = 19-23 kg / mm2 Yield strength = 14-17 kg / mm 'Elongation = 1.5-5 contraction = <B> 5%. </B> In comparison, a magnesium alloy with 1% zirconium in the kneaded State the following strength values: tensile strength = 29.8 kg / mm @ yield point = 25.8 kg / mm 'elongation = <B> 16.2 </B> contraction = 34.0