DE102004004892B4

DE102004004892B4 - Verfahren zur Herstellung eines Gussteils aus einer hitzebeständigen Magnesiumlegierung

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Publication number: DE102004004892B4
Application number: DE102004004892A
Authority: DE
Inventors: Motoharu Kariya Tanizawa; Kyoichi Kariya Kinoshita; Eiji Kariya Kishi; Katsufumi Kariya Tanaka; Yuki Kariya Okamoto; Takayuki Kariya Kato
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2024-01-31
Also published as: FR2850672B1; FR2850672A1; DE102004004892A1; JP2004232060A; JP4575645B2; US20040151613A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Gussteils aus einer hitzebeständigen Magnesiumgusslegierung, mit folgenden Schritten:
Herstellen einer Legierungsschmelze, die Folgendes umfasst: Calcium (Ca) in einer Menge von 3 bis 15 Gew.-%; Aluminium (Al) mit Ca zusammen in einer Gesamtmenge von 6 bis 25 Gew.-%; Mangan (Mn) in einer Menge von 0,5 bis 1 Gew.-%; sowie Rest Magnesium (Mg) und unvermeidliche Verunreinigungen, wobei für die Gesamtheit 100 Gew.-% genommen wird und das Masseverhältnis Ca/Al der Ca-Menge bezogen auf die Al-Menge auf 1 oder mehr eingestellt wird;
Eingießen der Legierungsschmelze in eine Form; und nach dem Eingießen Erstarren lassen der Legierungsschmelze durch Abkühlen, um so das Gussteil zu erzielen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gussteils aus einer hitzebeständigen Magnesiumlegierung.
Aufgrund des in letzter Zeit wachsenden Bedarfs nach Gewichtsreduzierung haben Magnesiumlegierungen, die wesentlich leichter als Aluminiumlegierungen sind, die Aufmerksamkeit der Ingenieure auf sich gezogen. Magnesiumlegierungen sind die leichtesten unter den in der Praxis brauchbaren Metallen und stehen davor, nicht nur als Materialien für die Luftfahrt, sondern auch als Materialien für Kraftfahrzeuge eingesetzt zu werden. So werden Magnesiumlegierungen beispielsweise bereits in Kraftfahrzeugrädern und Motorkopfabdeckungen verwendet. Das in letzter Zeit gestiegene Umweltbewusstsein erfordert eine weitere Gewichtsreduzierung bei Fahrzeugen. Dadurch wurden Untersuchungen angestoßen, ob Magnesiumlegierungen auch für Anwendungen oder Vorrichtungen im Hochtemperaturbereich verwendet werden können. In diesem Zusammenhang ist natürlich die Hitzebeständigkeit von Magnesiumlegierungen von Bedeutung. So zeigt die unter dem japanischen Industriestandard normierte Legierung AZ91, eine allgemein gebräuchliche Magnesiumlegierung, zum Beispiel eine so geringe Kriechfestigkeit, dass sie sich nicht für Bauteile eignet, die in Hochtemperaturumgebungen eingesetzt werden. Andererseits steht als ein Material mit besserer Hitzebeständigkeit die unter dem Standard der Dow Chemical Company der Vereinigten Staaten von Amerika normierte AE42 zur Verfügung. Außerdem schlagen die JP 3-229954 B , die JP 2002-129272 A und die JP 2002-275569 A Magnesiumlegierungen mit guter Kriechfestigkeit und auch ansonsten guten anderen Eigenschaften vor.
Die oben genannten Magnesiumlegierungen enthalten alle in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 3 Gew.-% Seltenerdelemente. Seltenerdelemente sind sicherlich wirksame Elemente, um die Hitzebeständigkeit von Magnesiumlegierungen zu verbessern. Allerdings sind Seltenerdelemente so teuer, dass sie die Kosten der Magnesiumlegierungen und ihrer Gussteile erhöhen. Außerdem stellten die Erfinder in ihren Studien und Untersuchungen fest, dass Seltenerdelemente in Gusslegierungen leicht zu Rissen führen. Es ist daher ungünstig, Seltenerdelemente in Gusslegierungen zu haben. Darüber hinaus wissen die Erfinder seit Neuestem, dass sich Hitzebeständigkeit, etwa eine ausreichende Kriechfestigkeit, auch erzielen lässt, ohne zu Magnesiumlegierungen Seltenerdelemente hinzuzufügen.
Des Weiteren ist aus der DE 1 184 508 C die Verwendung von Magnesiumlegierungen aus 2 bis 10 Gew.-% Aluminium, über 0,5 bis 2,5 Gew.-% Calcium, 0 bis 4 Gew.-% Zink, 0 bis 0,5 Gew.-% Kupfer, 0 bis 0,5 Gew.-% Silizium, Rest Magnesium als Werkstoff für Gussteile bekannt, die einen hohen Kriechwiderstand bei erhöhten Temperaturen haben müssen.
Die DE 1 608 193 A offenbart eine Magnesiumgusslegierung, bestehend aus 2 bis 10 Gew.-% Aluminium, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Calcium, 0,001 bis 0,5 Gew.-% Mangan, bis zu 0,5 Gew.-% Kupfer, bis zu 0,5 Gew.-% Silizium und bis zu 0,6 Gew.-% Zink, Rest Magnesium.
Die EP 1 048 743 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines kriechfesten Gussteils aus einer Magnesiumlegierungsschmelze, bestehend aus 3 bis 6 Gew.-% Aluminium, 1,7 bis 3,3 Gew.-% Calcium, bis zu 0,35 Gew.-% Mangan und 0 bis 0,2 Gew.-% Strontium, Rest Magnesium.
Wie aus der EP 0 990 710 A1 hervorgeht, werden Magnesiumlegierungen, die Aluminium und Calcium enthalten, auch zur Herstellung von Schmiedeteilen verwendet.
Schließlich offenbart die EP 0 414 620 A1 Verfahren zur Herstellung eines Magnesiumlegierungsbarrens, durch Sprühabscheiden einer Magnesiumlegierung, bestehend aus 2 bis 9 Gew.-% Aluminium, 0,5 bis 5 Gew.-% Ca, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 0 bis 4 Gew.-% Zink, und 0 bis 4 Gew.-% Seltenerdelemente, Rest Magnesium.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Gussteils aus einer hitzebeständigen Magnesiumgusslegierung zur Verfügung zu stellen, das beim Gießen das Auftreten von Rissen verhindern kann und das, ohne Seltenerdelemente zu verwenden, durch Verwendung von Elementen, die weniger teuer als Seltenerdelemente sind, ein Gussteil aus einer Magnesiumlegierung erzeugt, die neben einer guten Hitzebeständigkeit eine gute Vergießbarkeit hat.
Die Erfinder zeigten großen Einsatz, um diese Aufgabe zu lösen, und führten dazu wiederholt eine Reihe systematischer Versuche durch. Dadurch gelangten sie zu dem Ergebnis, dass, wenn in Magnesiumlegierungen lediglich Al, Ca und Mn, die wesentlich preiswerter sind, in einer jeweils angemessenen Menge enthalten sind, Gussteile aus einer Magnesiumlegierung hergestellt werden können, die eine ausreichende Hitzebeständigkeit zeigt und gleichzeitig eine gute Vergießbarkeit hat, so dass beim Gießen weniger leicht Risse auftreten. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse konnten sie die vorliegende Erfindung vollenden. Diese ist in Anspruch 1 definiert.
Die beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete hitzebeständige Magnesiumlegierung enthält keine teuren seltenen Erden. Da sich die notwendigen Elemente der hitzebeständigen Magnesiumlegierung auf lediglich Ca, Al und Mn beschränken, sind die hitzebeständige Magnesiumlegierung und die daraus hergestellten hitzebeständigen Magnesiumlegierungsgussteile nicht nur im Hinblick auf die Materialkosten, sondern auch auf die Herstellungskosten preiswerter und daher bezogen auf die Kosten sehr wettbewerbsfähig. Schließlich zeigt die vorgestellte hitzebeständige Magnesiumlegierung nicht nur eine ausreichende Hitzebeständigkeit, sondern hat wie gesagt auch den Vorteil, dass beim Gießen das Auftreten von Rissen verhindert wird.
Dabei ist im Übrigen nicht unbedingt klar, warum die vorgestellte hitzebeständige Magnesiumlegierung eine gute Hitzebeständigkeit und Vergießbarkeit zeigt, wenn sie die in den jeweiligen oben genannten Bereich fallende Menge an lediglich Ca und Al enthält. Allerdings wird derzeit davon ausgegangen, dass dies auf Folgendes zurückzuführen ist.
Es werden zunächst die Gründe beschrieben, warum die vorgestellte hitzebeständige Magnesiumlegierung eine gute Hitzebeständigkeit hat.
Al ist ein wichtiges Element, um die Festigkeit von Magnesiumlegierungen bei Zimmertemperatur zu verbessern, wenn es in den Magnesiumkristallkörnern gelöst ist. Darüber hinaus ist Al ein wichtiges Element, um die Korrosionsbeständigkeit von Magnesiumlegierungen auf eine höhere Stufe zu bringen. Wenn in Magnesiumlegierungen allerdings der Al-Gehalt zunimmt, ist Al in der Matrix der Magnesiumlegierungen, etwa in den Dendritenzellen und den α-Kristallkörnern, übersättigt gelöst, so dass es Al-reiche Phasen bildet. Da die Al-reichen Phasen thermisch instabil sind, wandeln sie sich in Mg-Al Verbindungen wie Mg₁₇Al₁₂ um, die in der Magnesiummatrix oder den Magnesiumkristallkorngrenzen ausgeschieden werden, wenn die Magnesiumlegierungen auf hohe Temperaturen erhitzt werden. Wenn solche Magnesiumlegierungen für eine lange Zeitdauer im Hochtemperaturbereich bleiben, agglomerieren die intermetallischen Verbindungen zu solch groben Körnern, dass sich die Kriechverformung der Magnesiumlegierungen erhöht. Dadurch sinkt die Hitzebeständigkeit der Magnesiumlegierungen.
Ca hat die Wirkung, die mit der Zunahme des Al-Gehalts einher gehende Hitzebeständigkeitsabnahme zu verhindern. Dies wird der Tatsache zugeschrieben, dass Ca mit den Mg-Al Verbindungen und der Matrix reagiert, so dass es weniger Mg₁₇Al₁₂ gibt, welches das Kriechen verringert, und gleichzeitig Ca-Al Verbindungen und Mg-Ca Verbindungen bildet, die im Hochtemperaturbereich stabil sind. Diese intermetallischen Verbindungen kristallisieren hauptsächlich in den Kristallkorngrenzen in Form eines Netzwerks bzw. werden dort ausgeschieden, wobei davon ausgegangen wird, dass sie dadurch eine Keilwirkung ausüben, die die Versetzungsbewegung der Magnesiumlegierungen verhindert.
Dies sind vermutlich die Gründe, warum die Magnesiumlegierung eine solch gute Hitzebeständigkeit zeigt, dass sie auch im Hochtemperaturbereich einer geringeren Kriechverformung unterliegt, wenn sie in jeweils passender Menge Al und Ca enthält.
Als Nächstes werden die Gründe beschrieben, warum die vorgestellte Magnesiumlegierung eine gute Vergießbarkeit hat. Dabei ist zu beachten, dass der Begriff „Vergießbarkeit" in dieser Beschreibung angibt, ob beim Gießen Risse auftreten oder nicht. Bei den beim Gießen auftretenden Rissen kann zwischen sogenannten Heißrissen und Schrumpfrissen unterschieden werden. Heißrisse sind Risse, die dann auftreten, wenn Flüssig-/Festanteile im Zustand der Koexistenz von flüssiger und fester Phase einer Volumenkontraktion unterliegen. Demzufolge sind auf den Bruchflächen Dendritenstrukturen bzw. baumförmige Strukturen zu erkennen. Schrumpfrisse treten dagegen in einem von Flüssigphasen freien Zustand auf, wenn es durch die Gießspannungen zu einem Reißen kommt. Demzufolge stellen die Bruchflächen spröde, von Dendritenstrukturen freie Bruchflächen dar. Solange nichts anderes angegeben wird, werden in der Beschreibung beide Rissarten einfach unterschiedslos als Gussrisse bezeichnet. Allerdings kann vorweg genommen werden, dass im Folgenden in erster Linie Heißrisse ins Auge gefasst werden. Diese Interpretation lässt sich aus den folgenden Fakten ableiten. Da Heißrisse stark von den Eigenschaften der Magnesiumlegierungen an sich beeinflusst werden, lässt sich das Problem der Heißrisse nur schwer durch Überarbeitung des Gießaufbaus und der Herstellungsprozesse lösen. Im Gegensatz dazu ist es häufig möglich, das Problem der Schrumpfrisse durch einen entsprechend entwickelten oder erarbeiteten Formaufbau und ein daran angepasstes Gießverfahren zu lösen. Tatsächlich hat die vorgestellte Magnesiumlegierung nicht nur Vorteile bei der Verhinderung von Heißrissen, sondern verhindert in der Praxis auch ausreichend Schrumpfrisse. Im Folgenden wird die Magnesiumlegierung also unter dem Gesichtspunkt beschrieben, wie sie die Gussrisse verhindert.
Die Erfinder dachten zunächst daran, das Erstarrungstemperaturfenster der Magnesiumlegierungen zu verengen, um die Gussrisse zu verhindern. Das Erstarrungstemperaturfenster entspricht der Temperaturdifferenz zwischen der Liquidustemperatur, bei der die Metallschmelze zu erstarren beginnt, und der Solidustemperatur, bei der die Metallschmelze vollständig erstarrt ist. Wenn das Erstarrungstemperaturfenster verengt wird, lassen sich Vorteile bei der Verhinderung der Gussrisse erzielen, da die Schrumpfspannungen abnehmen, wenn die Magnesiumlegierungsmetallschmelze erstarrt. Um das Erstarrungstemperaturfenster zu verengen, muss die Solidustemperatur der Magnesiumlegierungen erhöht und die Liquidustemperatur gesenkt werden.
Die von den Erfindern durchgeführten Studien und Untersuchungen ergaben, dass die Solidustemperatur der vorgestellten Magnesiumlegierung (z. B. einer ternären Mg-Ca-Al Legierung) stark durch Ca beeinflusst wird. Und zwar steigt die Solidustemperatur steil auf etwa 515°C an, wenn mehr Ca enthalten ist. Wenn Al hinzugegeben wird, steigt die Solidustemperatur entsprechend der Al-Zugabe, auch wenn die Zunahme nur gering ist. Wenn sich der Ca-Gehalt und der Al-Gehalt wie bei einer Mg-Legierung mit 3 Gew.-% Ca und 3 Gew.-% Al im Großen und Ganzen entsprechen, d. h. wenn das Al/Ca-Masseverhältnis praktisch 1 ist, stellt sich heraus, dass der Einfluss von Ca vorherrscht, so dass die Solidustemperatur einer Temperatur (von z. B. etwa 515°C) entspricht, die durch das binäre Mg-Ca Phasendiagramm bestimmt wird. Wenn das Masseverhältnis von Al zu Ca, also das Al/Ca-Masseverhältnis, 3 oder mehr beträgt, ist der Beitrag von Al eher moderat, so dass die Solidustemperatur auf ungefähr 530°C steigt. Vermutlich beeinflusst Ca die Solidustemperatur deswegen so stark, weil die Solidustemperatur in dem binären Mg-Ca Phasendiagramm im Großen und Ganzen konstant bei etwa 515°C bleibt, wenn der Ca-Gehalt in den beanspruchten Bereich der Erfindung fällt.
Was die Liquidustemperatur betrifft, hat Ca die Wirkung, die Liquidustemperatur etwas stärker als Al zu senken, wobei Ca und Al aber zusammen die Liquidustemperatur als Ganzes beeinflussen. So zeigt eine Mg-Legierung mit 3 Gew.-% Al und 3 Gew.-% Ca zum Beispiel eine Liquidustemperatur von 620°C, eine Mg-Legierung mit 6 Gew.-% Al und 3 Gew.-% Ca eine Liquidustemperatur von 603°C und eine Mg-Legierung mit 3 Gew.-% Al und 9 Gew.-% Ca eine Liquidustemperatur von 581°C.
Aus diesen Tatsachen ergibt sich, dass es zur Verengung des Erstarrungstemperaturfensters wichtig ist, dass Ca in einer Menge von 1 Gew.-% oder mehr enthalten ist, damit die Solidustemperatur auf 515°C oder mehr erhöht wird, und dass die Gesamtmenge an Ca und Al auf eine vorbestimmte Mindestmenge eingestellt wird, damit die Liquidustemperatur wie vorgesehen sinkt. Da mit zunehmendem Gehalt an Ca und Al naturgemäß nicht nur die Solidustemperatur weiter steigt, sondern auch die Liquidustemperatur weiter sinkt, sollte einfach nur das Erstarrungstemperaturfenster verengt werden. Wenn der Gehalt an Ca und Al jedoch zu stark wächst, ist dies ökonomisch ungünstig, da die Kosten der Magnesiumlegierungen steigen. Außerdem ist es ungünstig, wenn der Gehalt an Al gegenüber dem Gehalt an Ca zu sehr steigt, da dies wie gesagt zu einer geringeren Hitzebeständigkeit der Magnesiumlegierungen führt. Wenn andererseits der Gehalt an Ca zu sehr steigt, besteht die Gefahr, dass das Fließvermögen der Metallschmelze sinkt, dass es zu einem Verschmelzen mit den Formen kommt und dass die Bruchdehnung abnimmt.
Mit Blick auf die Hitzebeständigkeit und die Vergießbarkeit wird der Gehalt an Ca und Al, also der Gehalt der erforderlichen Elemente, in der vorgestellten hitzebeständigen Magnesiumlegierung so eingestellt, dass der Gehalt an Ca in einem Bereich von 3 bis 15 Gew.-%, d. h. Ca: 3–15 Gew.-% fällt; und dass die Gesamtmenge an Ca und Al in einen Bereich von 6 bis 25 Gew.-%, d. h. 6 Gew.-% ≤ Ca + Al ≤ 25 Gew.-% fällt. Die Zusammensetzung lässt sich als Ca: 3–15 Gew.-% und Al: 3–10 Gew.-% interpretieren. Die Obergrenze für den Ca-Gehalt beträgt vorzugsweise 10 Gew.-% und besser noch 9 Gew.-%. Darüber hinaus beträgt die Obergrenze für den Gesamtgehalt an Ca und Al vorzugsweise 20 Gew.-%, besser noch 18 Gew.-% und am besten 12 Gew.-%. Unter besonderer Berücksichtigung des Al-Gehalts sollte die Obergrenze vorzugsweise 10 Gew.-% und besser noch 9 Gew.-% betragen. Wenn der Gehalt an Al höher als der Gehalt an Ca ist, lässt sich die Ausscheidung von Mg₁₇Al₁₂ nicht ausreichend verhindern, so dass sich wie gesagt die Kriechfestigkeit der Magnesiumlegierungen verringert. Dementsprechend beträgt das Masseverhältnis des Ca-Gehalts zum Al-Gehalt, also das Ca/Al-Verhältnis, 1 oder mehr, besser noch 2 oder mehr und am besten 3 oder mehr.
Aufgrund der oben beschriebenen Zusammensetzung hat die vorgestellte hitzebeständige Magnesiumlegierung ein Erstarrungstemperaturfenster von 110°C oder weniger, 100°C oder weniger, 90°C oder weniger, 80°C oder weniger, bzw. 75°C oder weniger. Wenn sich das Erstarrungstemperaturfenster so weit verengt, heißt das, dass sich anders als in dem Fall, dass bei einem bestimmten Gießverfahren einfach die Abkühlgeschwindigkeit erhöht wird, bei sämtlichen Gießverfahren die Abkühlgeschwindigkeit an sich verbessert und die Erstarrungszeit verkürzt. Genauer gesagt verkürzt sich die Erstarrungszeit sogar beim Standguss, dessen Abkühlgeschwindigkeit verhältnismäßig gering ist, und verkürzt sich sogar noch mehr beim Spritzguss, dessen Abkühlgeschwindigkeit sehr schnell ist. Da sich die Erstarrungszeit auf diese Weise verkürzt, wird davon ausgegangen, dass beim Erstarren der Metallschmelze Schrumpfspannungen unterdrückt werden, so dass sich die Gussrisse verhindern lassen.
Als die Erfinder die Struktur von Gussteilen aus der vorgestellten hitzebeständigen Magnesiumlegierung untersuchten, stellten sie darüber hinaus fest, dass die Struktur wesentlich feiner war. Vermutlich ist die wie oben beschrieben verkürzte Erstarrungszeit einer der Gründe für diesen Effekt, doch beeinflusst auch die Zusammensetzung der vorgestellten hitzebeständigen Magnesiumlegierung die feinere Struktur. Dieser Einschätzung liegt die Tatsache zugrunde, dass die Struktur nicht so fein ausfällt, wenn sie trotz eines auf ungefähr 80°C verengten Erstarrungstemperaturfenster seltene Erden enthält. Vermutlich verhindert die feinere strukturelle Rauheit wirksam die Gussrisse. Da der mittlere Kristallkorndurchmesser einen Hinweis auf die strukturelle Rauheit gibt, wird davon ausgegangen, dass sich die Gussrisse besonders wirksam verhindern lassen, wenn der mittlere Kristallkorndurchmesser auf nur 18 μm oder weniger, 16 μm oder weniger, 14 μm oder weniger, 12 μm oder weniger bzw. 10 μm oder weniger gesenkt wird.
Die vorgestellte hitzebeständige Magnesiumlegierung enthält außerdem Mn. Mn ist ein Element, das in Mg-Kristallkörnern gelöst ist und die Magnesiumlegierungen einer Mischkristallhärtung unterzieht. Außerdem reagiert Mn mit Al, so dass es ebenfalls die Ausscheidung von Mg₁₇Al₁₂ als eine der Ursachen der Verringerung der Kriechfestigkeit oder Kriechbeständigkeit verhindert und gleichzeitig thermisch stabile intermetallische Verbindungen bildet.
Demzufolge ist Mn ein Element, das nicht nur die Zimmertemperaturfestigkeit von Magnesiumlegierungen, sondern auch die Hochtemperaturfestigkeit verbessern kann. Darüber hinaus beeinträchtigt Mn nicht die Vergießbarkeit der Magnesiumlegierungen. Abgesehen davon hat Mn den Vorteil, Fe als eine der Korrosion verursachenden Verunreinigungen durch Abscheiden zu entfernen. Wenn die vorgestellte hitzebeständige Magnesiumlegierung weniger Mn enthält, sind die Vorteile weniger deutlich, und wenn die vorgestellte hitzebeständige Magnesiumlegierung Mn in einer Menge von mehr als 1 Gew.-% enthält, kann nicht nur von keiner Steigerung der Vorteile ausgegangen werden, sondern ist dies auch nicht ökonomisch. Es ist daher angemessen, dass die vorgestellte hitzebeständige Magnesiumlegierung Mn in einer Menge von 0,1 bis 1 Gew.-% und besser noch von 0,2 bis 0,7 Gew.-% enthält.
Das Gussteil aus der vorgestellten hitzebeständigen Magnesiumlegierung muss nicht unbedingt durch gewöhnlichen Standguss oder Druckguss hergestellt werden, sondern kann auch durch Spritzguss hergestellt werden. Dabei ist zu beachten, dass sich die Begriffe „Gusslegierung" und „Vergießbarkeit" in der Beschreibung auf sämtliche Gussverfahren beziehen. Außerdem kommt es bei der beim Gießen verwendeten Form nicht darauf an, ob es eine Sandform oder eine Metallform ist.
Des Weiteren bemisst sich der in der Beschreibung verwendete Begriff „Hitzebeständigkeit" nach den mechanischen Eigenschaften der Magnesiumlegierungen in einer Hochtemperaturatmosphäre, beispielsweise nach den Kriecheigenschaften oder der Hochtemperaturfestigkeit, die durch einen Entspannungsversuch oder einen die axiale Spannung aufrecht erhaltenden Versuch untersucht werden.
Wenn der Bereich der Zusammensetzung der jeweiligen Elemente in der Beschreibung in der Form „von x bis y Gew.-%" angegeben ist, bedeutet dies, solange nichts anderes angegeben ist, dass die Untergrenze „x" und die Obergrenze „y" mit eingeschlossen sind.
Der Anwendungsbereich für das Gussteil aus der vorgestellten hitzebeständigen Magnesiumlegierung erstreckt sich auf verschiedene Gebiete, ausgehend von der Raumfahrt-, Militär- und Luftfahrttechnik bis zu Kraftfahrzeugen und Elektrogeräten für den Haushalt. Allerdings ist es angemessener, die vorgestellte hitzebeständige Magnesiumlegierung für Produkte einzusetzen, die in Hochtemperaturumgebungen verwendet werden, etwa für Motoren, Getriebe oder Klimakompressoren, die sich im Kraftfahrzeugmotorraum befinden, oder damit in Beziehung stehende Produkte, um aktiven Nutzen aus der Hitzebeständigkeit zu ziehen.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen genauer anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:
1 im Schnitt den Aufbau einer Form;
2 Fotografien der Metallstruktur, die bei der Untersuchung des Querschnitts von Prüfkörpern unter einem metallografischen Mikroskop erzielt wurden, wobei 2(a) ein Bild der Metallstruktur von Prüfkörper Nr. 5 und 2(b) ein Bild der Metallstruktur von Prüfkörper Nr. 7 ist; und
3 ein Punktediagramm zur Darstellung des Erstarrungstemperaturfensters und der strukturellen Rauheit von Prüfkörpern wie auch der Tatsache, ob in den Prüfkörpern Gussrisse auftraten oder nicht.
Die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele erfolgt unter Bezugnahme auf bestimmte Beispiele.
Es wurde eine Vielzahl von Prüfkörpern hergestellt, indem der Gehalt bzw. die zugegebene Menge an Al, Ca und Mn in den Magnesiumlegierungen auf verschiedene Weise geändert wurde. Die sich ergebenden Prüfkörper wurden im Hinblick darauf untersucht, ob Gussrisse auftraten oder nicht, und auf die strukturelle Rauheit.
(Herstellung der Prüfkörper)
Auf die Innenfläche eines Tiegels wurde ein Chloridzuschlag aufgebracht. Es ist zu beachten, dass der Tiegel aus Eisen bestand und in einem elektrischen Ofen vorgeheizt wurde. In den Tiegel wurden ein reines Magnesiumblankmetall, reines Al und eine Mg-Mn Legierung gefüllt und darin aufgeschmolzen. Die Legierungsausgangsmaterialien wurden jeweils mit einer vorbestimmten Masse abgewogen. Außerdem wurde zu der sich ergebenden Metallschmelze, die bei 750°C gehalten wurde, Ca hinzugegeben, das mit einem vorbestimmten Gewicht abgewogen war (Metallschmelzefertigungsschritt).
Die sich ergebende Metallschmelze wurde gut umgerührt, um die Ausgangsmaterialien vollständig aufzuschmelzen. Danach wurde die Metallschmelze für eine Weile weiter bei der gleichen Temperatur von 750°C gehalten. Während des Aufschmelzens der Ausgangsmaterialien wurde auf die Oberfläche der Metallschmelze ein Gasgemisch aus Kohlendioxidgas und SF₆-Gas aufgesprüht, um ein Brennen des Mg zu verhindern, und wurde, wann immer angebracht, auf der Oberfläche der Metallschmelze der Zuschlag verteilt.
Die auf diese Weise hergestellten Legierungsschmelzen wurden jeweils in eine Form eingegossen, die den in 1 gezeigten Aufbau hatte (Eingießschritt) und dann in Luft erstarren gelassen (Erstarrungsschritt). Auf diese Weise wurden durch Standguss zylinderförmige Prüfkörper mit geschlossenem Boden (hitzebeständige Magnesiumlegierungsgussteile) hergestellt. Die zylinderförmigen Prüfkörper mit geschlossenem Boden hatten eine Bodenfläche, deren Dicke etwa 3 mm betrug und die eine ϕ 17 mm große Öffnung hatte, sowie einen Außendurchmesser von etwa ϕ 60 mm. Die nachfolgende Tabelle 1 gibt die chemische Zusammensetzung jedes Prüfkörpers an.
(Untersuchung zu Gussrissen und struktureller Rauheit und Berechnung des Erstarrungstemperaturfensters)
Die sich ergebenden Prüfkörper wurden visuell und mit Hilfe eines metallografischen Mikroskops auf das Vorhandensein von Gussrissen und die Art der Gussrisse hin untersucht. Wenn an der Bruchfläche der Gussrisse dendritische Strukturen ausgebildet waren, wurden die Gussrisse als Heißrisse angesehen; und wenn die Bruchflächen spröde Bruchflächen waren, wurden die Gussrisse als Schrumpfrisse angesehen. Tabelle 1 gibt zusammen mit den chemischen Zusammensetzungen das Vorhandensein von Gussrissen in den jeweiligen Prüfkörpern an.
Darüber hinaus wurden die Prüfkörper in der Mitte durchtrennt und wurde die strukturelle Rauheit der Schnittfläche bei 500-facher Vergrößerung mit Hilfe eines metallografischen Mikroskops untersucht. Tabelle 1 gibt neben den angesprochenen Eigenschaften die Ergebnisse dieser Untersuchung an. Dabei ist zu beachten, dass die in Tabelle 1 genannte Rauheit eine mittlere strukturelle Rauheit ist und durch den mittleren Kristallkorndurchmesser ausgewiesen ist, der aus den Mittelwerten der Größe der α-Phase in Mg berechnet wurde. Als Referenz geben die 2(a) und 2(b) das fotografische Bild der Struktur in den Prüfkörpern Nr. 5 bzw. 7 wieder.
Darüber hinaus gibt Tabelle 1 neben den oben beschriebenen Eigenschaften die Erstarrungstemperaturfenster an, die aus der Solidustemperatur und Liquidustemperatur der jeweiligen Prüfkörper berechnet wurden.
3 fasst die Eigenschaften Erstarrungstemperaturfenster, strukturelle Rauheit und Vorhandensein von Gussrissen zusammen, die wie oben beschrieben bestimmt wurden.
(Beurteilung)
Aus der Tabelle 1 und 3 ergibt sich Folgendes:

(1) Die Zusammensetzungen der Prüfkörper Nr. 1 bis 3 liegen außerhalb der beanspruchten erfindungsgemäßen Bereiche.
(2) Die Zusammensetzungen der Prüfkörper Nr. 4 bis 7 fallen in die beanspruchten erfindungsgemäßen Bereiche. Demzufolge zeigten sämtliche Prüfkörper Nr. 4 bis 7 ein Erstarrungstemperaturfenster von 105°C oder weniger und waren feiner, so dass sie eine strukturelle Rauheit von 16 μm oder weniger hatten. Außerdem litten die Prüfkörper Nr. 4 bis 7 kaum unter dem Vorhandensein von Schrumpfrissen, geschweige denn von Heißrissen.

Je größer der Ca-Gehalt bezogen auf den Al-Gehalt war, je größer also das Ca/Al-Masseverhältnis war, um so enger war das Erstarrungstemperaturfenster der Prüfkörper Nr. 4 bis 7 und um so feiner war gleichzeitig ihre strukturelle Rauheit.

(3) Die Zusammensetzungen der Prüfkörper Nr. C1 bis C10 lagen außerhalb der beanspruchten erfindungsgemäßen Bereiche. Außer dem Prüfkörper Nr. C10 litten sämtliche Prüfkörper Nr. C1 bis C9 unter dem Vorhandensein von Gussrissen. Vermutlich litt der Prüfkörper Nr. C10 deswegen nicht unter dem Vorhandensein von Gussrissen, weil er aus einer Mg-Al Legierung bestand, die eine geringe Hitzebeständigkeit und insbesondere eine geringe Kriechbeständigkeit hatte, so dass sie sich durch die Spannungen beim Gießen leicht verformen konnte.

Die Prüfkörper Nr. C4 bis C9 enthielten seltene Erden. Dementsprechend zeigten sämtliche Prüfkörper Nr. C4 bis C9 ungeachtet des Erstarrungstemperaturfensters eine grobe strukturelle Rauheit. Unter den Prüfkörpern Nr. C4 bis C9 hatten die Prüfkörper, deren absoluter Ca-Gehalt geringer war und deren Al-Gehalt bezogen auf den Ca-Gehalt größer war, etwa die Prüfkörper Nr. C6 bis C8, eine grobe strukturelle Rauheit, obwohl sie ein enges Erstarrungstemperaturfenster hatten. Darüber hinaus litten die Prüfkörper Nr. C6 bis C8 unter dem Vorhandensein von Gussrissen, wobei es sich dabei stets um Schrumpfrisse handelte.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Gussteils aus einer hitzebeständigen Magnesiumgusslegierung, mit folgenden Schritten: Herstellen einer Legierungsschmelze, die Folgendes umfasst: Calcium (Ca) in einer Menge von 3 bis 15 Gew.-%; Aluminium (Al) mit Ca zusammen in einer Gesamtmenge von 6 bis 25 Gew.-%; Mangan (Mn) in einer Menge von 0,5 bis 1 Gew.-%; sowie Rest Magnesium (Mg) und unvermeidliche Verunreinigungen, wobei für die Gesamtheit 100 Gew.-% genommen wird und das Masseverhältnis Ca/Al der Ca-Menge bezogen auf die Al-Menge auf 1 oder mehr eingestellt wird; Eingießen der Legierungsschmelze in eine Form; und nach dem Eingießen Erstarren lassen der Legierungsschmelze durch Abkühlen, um so das Gussteil zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erstarrungstemperaturfenster, also die Temperaturdifferenz zwischen der Liquidustemperatur, bei der die Legierungsschmelze zu erstarren beginnt, und der Solidustemperatur, bei der die Legierungsschmelze zu erstarren aufhört, auf 110°C oder weniger eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Legierungsschmelze frei von Seltenerdelementen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der mittlere Kristallkorndurchmesser des erzielten Gussteils 18 μm oder weniger beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Gussteil im Standguss hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Gussteil im Spritzguss hergestellt wird.