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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verwendung einer Magnesiumlegierung
als Werkstoff zur Herstellung eines Rades. Darüber hinaus
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines Rades aus einer Magnesiumlegierung.
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Serienräder
für Kraftfahrzeuge bestehen in der Regel aus Stahl oder
aus Aluminium und sind daher vergleichsweise schwer. Daher muss
das Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs entsprechend dimensioniert werden, wodurch
sich das Fahrwerks– und damit auch das Fahrzeuggewicht
erhöht. Um das Gewicht der Räder zu verringern,
ist aus dem Stand der Technik bekannt, leichter umformbare Legierungen,
beispielsweise eine AZ80-Legierung, als Werkstoff zu deren Herstellung
zu verwenden. Die Verwendung derartiger Legierungen hat jedoch den
Nachteil, dass die Festigkeit und die Lebensdauer der Räder
verringert werden. Häufig werden Fahrzeugräder
in einem Gießprozess hergestellt, der eine geringere Festigkeit
und ein höheres Gewicht des Rades zur Folge hat. Eine bekannte
Maßnahme zur Verringerung des Radgewichts besteht darin,
die Raddimensionen zu verringern. Derartige Räder mit verringerten
Raddimensionen eignen sich jedoch insbesondere nicht für
größere Fahrzeuge.
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Aus
dem Stand der Technik sind bereits Magnesiumlegierungen mit verschiedenen
Zusammensetzungen bekannt, die als leichteste Metallwerkstoffe beispielsweise
in der Automobilindustrie eingesetzt werden. Eine Magnesiumlegierung,
die unter der Bezeichnung MRI201S bekannt ist, wurde insbesondere
für die Anwendung bei hohen Temperaturen entwickelt. In
der europäischen Patentanmeldung
EP 1 329 530 A1 sind zahlreiche
Verarbeitungsverfahren für diese Legierung, insbesondere
Gießen und nachfolgendes Umformen in Form von Strangpressen
und Schmieden, offenbart. Die in der vorstehend genannten Druckschrift
offenbarte Magnesiumlegierung ist grundsätzlich als Werkstoff
zur Herstellung eines Rads für ein Kraftfahrzeug geeignet.
Allerdings weist diese Magnesiumlegierung nachteilige Umformeigenschaften
auf, die die Herstellung des Rades erschweren.
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Hier
setzt die vorliegende Erfindung an.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verwendung
einer Magnesiumlegierung mit verbesserten Umformeigenschaften als
Werkstoff zur Herstellung eines Rades vorzuschlagen, so dass ein Rad
mit einem geringeren Gewicht zur Verfügung gestellt werden
kann. Des Weiteren liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Rades aus einer Magnesiumlegierung vorzuschlagen,
mittels dessen ein Rad mit einem geringeren Gewicht erzeugt werden
kann
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Die
Lösung dieser Aufgabe liefert eine Verwendung einer Magnesiumlegierung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Verwendung einer Magnesiumlegierung
mit den Merkmalen des Anspruchs 2. Ferner wird die der vorliegenden
Erfindung zugrunde liegende Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 3 sowie durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung.
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Gemäß Anspruch
1 weist eine Magnesiumlegierung, die vorzugsweise in einem Schmiedeprozess
zur Herstellung eines Rades verwendet wird, folgende alternative
Zusammensetzung auf
2,7–3,3 Gew.-% Nd,
1,8 – 2,4
Gew.-% Y,
0,2–0,8 Gew.-% Zn,
0,2–0,6
Gew.-% Zr,
< 0,03
Gew.-% Si,
< 0,005
Gew.-% Cu,
< 0,005
Gew.-% Fe,
< 0,001
Gew.-% Ni,
Rest Mg mit Verwesentlichen Verunreinigungen. Diese
Magnesiumlegierung soll nachfolgend aus Vereinfachungsgründen
kurz als MRI301F bezeichnet werden.
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Gemäß Anspruch
2 weist eine Magnesiumlegierung, die vorzugsweise in einem Schmiedeprozess
zur Herstellung eines Rades verwendet wird, folgende Zusammensetzung
auf
1,0–2,5 Gew.-% Zn,
0,05–0,4 Gew.-%
Nd,
0,05–0,25 Gew.-% Y,
0,1–0,5 Gew.-%
Zr,
0,03–0,15 Gew.-% eines Mischmetalls auf Ce-Basis,
Rest
Mg mit unwesentlichen Verunreinigungen. Diese Magnesiumlegierung
soll nachfolgend aus Vereinfachungsgründen kurz als MRI302F
bezeichnet werden.
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Ein
Vorteil der hier vorgeschlagenen erfindungsgemäßen
Verwendungen der Magnesiumlegierungen MRI301F beziehungsweise MRI302F
als Werkstoffe zur Herstellung eines Rades – wobei die
Herstellung vorzugsweise durch Schmieden und anschließendes
Abstrecken erfolgen kann – besteht darin, dass das Gewicht des
Rades bis etwa 30% gegenüber einem Aluminiumrad reduziert
werden kann. Die Masse eines Rades, das aus den vorstehend genannten
Legierungen hergestellt wird, beträgt lediglich etwa 7
kg. Im Vergleich dazu besitzt ein Aluminium-Serienrad eine Masse
von etwa 10,5 kg. Durch die Verwendung der Magnesiumlegierungen
MRI301F oder MRI302F als Werkstoffe können ferner die Festigkeit
und die Lebensdauer der Räder erhöht werden. Diese
Vorteile ergeben sich insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen
Magnesiumlegierungen, wie zum Beispiel AZ80. Es hat sich ferner
gezeigt, dass die Räder, die durch Verwendung der Magnesiumlegierungen
MR1301F beziehungsweise MRI302F hergestellt werden, eine erheblich
verbesserte Kriechbeständigkeit aufweisen.
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Die
Magnesiumlegierungen MRI301F beziehungsweise MR1302F liegen in vorteilhafter
Weise als Knetlegierungen vor. Auf Grund der vorteilhaften mechanischen
Eigenschaften dieser Legierungen (hohe Kriechbeständigkeit,
hohe Warmfestigkeit, sehr gute Ermüdungsfestigkeit) ergeben
sich besondere Vorteile für die Herstellung eines Rades
durch ein Schmiedeverfahren. Geschmiedete Bauteile haben gegenüber
gegossenen Bauteilen deutliche Vorteile im Hinblick auf ihre Festigkeit
und ihr Gewicht. Deshalb ist das Schmiedeverfahren für
das Sicherheitsbauteil Rad besonders relevant.
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Gemäß Anspruch
3 wird ein Rad aus einer Magnesiumlegierung mit der Zusammensetzung
2,7–3,3
Gew.-% Nd,
1,8–2,4 Gew.-% Y,
0,2–0,8
Gew.-% Zn,
0,2–0,6 Gew.-% Zr,
< 0,03 Gew.-% Si,
< 0,005 Gew.-% Cu,
< 0,005 Gew.-% Fe,
< 0,001 Gew.-% Ni,
Rest
Mg mit unwesentlichen Verunreinigungen,
durch Schmieden und
anschließendes Abstrecken hergestellt, wobei das Werkstück
bei einer Temperatur zwischen 400°C und 450°C
geschmiedet wird.
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Bei
einem alternativen erfindungsgemäßen Verfahren
wird gemäß Anspruch 4 ein Rad aus einer Magnesiumlegierung
mit der Zusammensetzung
1,0–2,5 Gew.-% Zn,
0,05–0,4
Gew.-% Nd,
0,05–0,25 Gew.-% Y,
0,1–0,5
Gew.-% Zr,
0,03–0,15 Gew.-% eines Mischmetalls auf
Ce-Basis,
Rest Mg mit unwesentlichen Verunreinigungen,
durch
Schmieden und anschließendes Abstrecken hergestellt, wobei
das Werkstück bei einer Temperatur zwischen 400°C
und 450°C geschmiedet wird.
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Das
Werkstück kann in einer bevorzugten Ausführungsform
der Verfahren mit einer Geschwindigkeit von maximal 15 mm/s geschmiedet
werden
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Werkstück
bei einer Temperatur zwischen 400°C und 450°C
abgestreckt werden.
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Es
besteht in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
die Möglichkeit, dass das Werkstück mit einer
Geschwindigkeit von maximal 0,7 m/min abgestreckt wird.
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Das
Umformen kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
mit einem Umformgrad pro Walzschritt von maximal 0,5 erfolgen.
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Mit
diesen Prozessparametern kann ein Rad mit einem besonders vorteilhaften
Eigenschaftsprofil hergestellt werden.
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Zur
Bereitstellung eines Korrosionsschutzes können insbesondere
anodische Oxidationsverfahren (zum Beipsiel Keronite) sowie ein
Dreischicht-Lackaufbau (Füller, Decklack, Klarlack) vorgesehen
sein.
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Die
Magnesiumschmiederäder, die bislang nur aus Standardlegierungen
(zum Beispiel AZ80, ZK60) gefertigt wurden, haben vergleichsweise
eingeschränkte Eigenschaften im Vergleich zu einem Aluminiumschmiederad
(geringere Festigkeit, niedrigere Warmfestigkeit oder schlechtere Kriechbeständigkeit).
Mit den Magnesiumlegierungen MRI301F und MRI302F, die bei der Herstellung
eines Rades vorzugsweise als Knetlegierung in einem Schmiede- und
Abstreckprozess verwendet werden, kann dieser Nachteil vermieden
werden.
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Beispiele
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Anhand
der nachfolgenden Beispiele soll die vorliegende Erfindung näher
erläutert werden.
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Zur
Untersuchung des Drückwalzprozesses wurden Demonstratoren
in Form von kleinen Modellräder geschmiedet und anschließend
abgestreckt. Die Parameter Umformgrad, Umformgeschwindigkeit, Umformtemperatur
sowie die Anzahl der Walzschritte wurden dabei variiert, um deren
Einfluss auf die Bauteilqualität zu untersuchen.
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Bei
den Untersuchungen stellte sich heraus, dass die Qualität
der Walzproben, die durch Verwendung der Magnesiumlegierung MRI301F
hergestellt wurden, weniger von der Temperatur, sondern sehr stark
von den Faktoren Umformgrad pro Schritt und von der Umformgeschwindigkeit
abhängt. Beispielsweise konnte festgestellt werden, dass
eine Erhöhung der Walzgeschwindigkeit von 0,2 m/min auf
1,2 m/min die Qualität der Walzproben verschlechterte.
Daraus ergibt sich, dass die Prozessparameter beim Drückwalzen
der Prototypenräder dementsprechend angepasst werden können.
Das bedeutet zum Beispiel, dass es vorteilhafter ist, in mehreren
kleineren Umformschritten langsamer zu walzen. Dadurch sinken die
erforderlichen Umformkräfte und somit die Belastung des
Materials, so dass im Ergebnis auch die Ausschussquote verringert
werden kann. Darüber hinaus konnte festgestellt werden,
dass offenbar ein Beheizen der Umformwerkzeuge während
des Herstellungsprozesses besonders vorteilhaft ist, da es bei der
Prototypenfertigung zu Rissen durch die Abkühlung der Oberfläche
beim Kontakt mit den kalten Drückwalzen kam.
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Die
Untersuchungen konnten ferner zeigen, dass die aus der Magnesiumlegierung
MRI301F geschmiedeten Modellräder im Vergleich zu den aus
kommerziell erhältlichen Magnesiumlegierungen hergestellten
Modellrädern sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten
Temperaturen höhere Festigkeiten aufweisen. Dadurch können
im Vergleich zu den bekannten, beispielsweise aus der Legierung
AZ80 hergestellten Rädern erhebliche Gewichtsreduzierungen
erreicht werden.
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Lastwechselzahl
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Durch
die Verwendung der hier vorgestellten Magnesiumlegierungen können
also geringere Bauteilgewichte bei gleichen Festigkeiten erzielt
werden. In Verbindung mit einer besseren Kriechfestigkeit sowie
einer sehr guten Biegewechselfestigkeit sind diese Legierungen als
Werkstoffe für die Herstellung dynamisch hoch belasteter
und zum Teil auch thermisch beaufschlagter Bauteile (beispielsweise
Fahrzeugräder) besonders vorteilhaft. Diese Vorteile werden
insbesondere aus den Ergebnissen von Umlaufbiegeprüfungen
an Rennsporträdern deutlich, die in Tabelle 1 zusammengefasst
sind. Tabelle 1:
Legierung | Lastwechselzahl |
AZ80 | 2.115.000 |
WE54 | 6.600.000 |
WE43 | 3.005.000 |
ZK60 | 1.692.000 |
MRI301F | > 10.000.000 |
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Man
erkennt, dass die aus der Magnesiumlegierung MRI301F hergestellten
Räder im Vergleich zu den aus den übrigen Legierungen
hergestellten Rädern die mit Abstand höchste Lastwechselzahl
haben. Nach 10 Millionen Lastwechseln konnten keinerlei Anrisse
beobachtet werden, so dass die Versuche abgebrochen wurden.
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Nachfolgend
sollen einige weitere vorteilhafte Eigenschaften der Magnesiumlegierungen
MRI301F und MRI302F im Vergleich zu AZ80 und Aluminium näher
erläutert werden. Aus den nachstehend aufgeführten Tabellen,
in denen die mechanischen Eigenschaften der verschiedenen untersuchten
Werkstoffe zusammengefasst sind, wird deutlich, dass die Legierungen
MRI301F und MRI302F vor allem bei höheren Temperaturen deutlich
bessere mechanische Eigenschaften als die Standardlegierung AZ80
haben und mit denen von Aluminium vergleichbar sind.
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Vergleich der mechanischen
Eigenschaften bei Raumtemperatur
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In
Tabelle 2 sind einige ausgewählte mechanische Eigenschaften
der Legierungen MRI301F und MRI302F bei Raumtemperatur (Zugversuch)
zusammengefasst. Tabelle 2:
Kenngröße | AZ80 | MRI301F | MRI302F | ALMgSi1 |
SP | SCH. | SP | SCH. | SP | SCH. | SP | SCH. |
Streckgrenze
Rp [MPa] | 264 | 235 | 213 | 223 | 263 | 216 | 305 | 296 |
Zugfestigkeit
Rm [MPa] | 337 | 326 | 273 | 281 | 306 | 287 | 334 | 353 |
Bruchdehnung
A [%] | 10 | 10 | 11 | 8 | 8 | 12 | 11 | 10 |
Brucheinschnürung
Z [%] | 11 | 20 | 34 | 31 | 21 | 21 | 34 | 35 |
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Dabei
stehen in dieser und in den nachfolgend aufgeführten Tabellen
die Abkürzungen „SP" für stranggepresst
und „SCH." für geschmiedet.
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Man
erkennt, dass die aus der Aluminiumlegierung hergestellten Probekörper
im direkten Vergleich zu den aus den Magnesiumlegierungen MRI301F
und MR1302F hergestellten Probekörpern eine etwas höhere Festigkeit
aufweisen. Demgegenüber sind die Werte für die
Bruchdehnung nahezu identisch.
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Vergleich der mechanischen Eigenschaften
bei einer Temperatur T = 150°C
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In
Tabelle 3 sind die mechanischen Eigenschaften der Legierungen bei
einer erhöhten Temperatur (150°C) zusammengefasst. Tabelle 3:
Kenngröße | AZ80 | MRI301F | MRI302F | ALMgSi1 |
SP | SCH. | SP | SP | SP |
Streckgrenze
Rp [MPa] | 107 | 156 | 187 | 180 | 253 |
Zugfestigkeit
Rm [MPa] | 170 | 183 | 257 | 199 | 260 |
Bruchdehnung
A [%] | 52 | 56 | 23 | 26 | 24 |
Brucheinschnürung
Z [%] | 60 | 76 | 29 | 44 | 54 |
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Aus
Tabelle 3 wird deutlich, dass die Legierungen MRI301F und MRI302F
besonders vorteilhafte Warmfestigkeitseigenschaften besitzen. Es
zeigt sich, dass die Festigkeiten im Gegensatz zur AZ80-Legierung
nur geringfügig absinken. Erwartungsgemäß steigen
bei der AZ80-Legierung mit höherer Temperatur die Dehnungswerte
im Vergleich zu den Ergebnissen bei Raumtemperatur stark an.
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Kriechgeschwindigkeiten
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In
Tabelle 4 sind die Ergebnisse von Zugkriechversuchen bei 135°C
und 85 MPa dargestellt. Tabelle 4:
Legierung | Kriechgeschwindigkeit
[s–1] |
SP | SCH. |
AZ80 | 2,8·10–7 | 5,97·10–7 |
MRI301F | 1,32·10–11 | 1,23·10–11 |
MRI302F | 1,23·10–10 | 3,74·10–8 |
AlMgSi1 | 1,74·10–10 | - |
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Es
wird deutlich, dass die Legierung MRI301F in diesem Vergleich die
geringste Kriechgeschwindigkeit aufweist. Die Kriechgeschwindigkeit
der Legierung MRI302F ist mit derjenigen von Aluminium vergleichbar.
Die herkömmliche Legierung AZ80 weist die höchste
Kriechgeschwindigkeit auf, was vor allem im Verschraubungsbereich
eines Rades problematisch werden kann, da sich dort die Radschrauben
lösen können.
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Spannungsrelaxationsversuche
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In
Tabelle 5 sind die Ergebnisse von Spannungsrelaxationsversuchen
zusammengefasst. Bei diesen Untersuchungen wurde eine zylindrisch
geformte Probe mit einer definierten Kraft verschraubt und bei verschiedenen
Temperaturen über Zeiträume von insgesamt 110
Stunden thermisch belastet. Nach Ablauf der Versuche und Abkühlung
auf Raumtemperatur wurde die verbliebene Vorspannkraft in % zur
Ausgangskraft als Vergleichskriterium ausgewertet. Dabei wurde die
Relaxation von Spannungen beispielsweise im Verschraubungsbereich
der Magnesiumräder untersucht. Tabelle 5:
Legierung | 150°C | 175°C | 200°C |
50
MPa | 70
MPa | 50
MPa | 70
MPa | 50
MPa | 70
MPa |
Al-Referenz | 100% | 100% | 100% | 94% | 89% | 75% |
MRI301F | 100% | 100% | 91% | 95% | 87% | 80% |
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Die
Versuchsergebnisse zeigen, dass es bei einer Temperatur von 150°C
zu keinerlei Setzungs- und Relaxationserscheinungen kommt. Die eingestellte
Vorspannung ist nach 110 Stunden bei Aluminium und Magnesium noch
zu 100% vorhanden. Erst bei einer Erhöhung der Temperatur
auf 175°C kommt es zu einer Spannungsrelaxation. Einen
deutlicheren Abbau der eingestellten Kräfte war allerdings
erst bei einer Temperatur von 200°C zu beobachten. Ein
signifikanter Unterschied zwischen der MRI301F-Legierung und der
Aluminium-Referenzlegierung war nicht erkennbar.
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Ermüdungsfestigkeit
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Die
Ermüdungsfestigkeit wurde mittels Dauerschwingversuchen
an stranggepresstem Formmaterial bestimmt (Versuchsparameter: Frequenz
ca. 20 kHz, Lastverhältnis R = –1, (Zug- und Druck-Belastung)).
Die Prüfung erfolgte an Raumluft und in einem Salzwassersprühnebel.
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Bei
kubisch-flächenzentrierten Metallen (Aluminium) und hexagonalen
Metallen wie Magnesium gibt es keine eigentliche Dauerfestigkeit.
Es kommt zu einem mehr oder weniger steilen, aber stetigen Abfall
der Spannung über der Lastspielzahl. Daher wurde als Maß für
die Zeitfestigkeit die 107/50-Spannung angenommen
(Spannung bei 107 Lastspielen und 50% Überlebenswahrscheinlichkeit).
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Die
Dauerfestigkeit wird definiert als 10
9/50-Spannung
(Spannung bei 10
9 Lastspielen und 50% Überlebenswahrscheinlichkeit).
Im Beanspruchungsfall Kraftfahrzeug sind allerdings keine größeren
Lastspielzahlen zu erwarten. Es ergaben sich folgende, in Tabelle
6 dargestellten Schwingfestigkeiten. Tabelle 6
Kenngröße | AZ80 | MRI301F | MRI302F | ALMgSi1 |
RL | SZW | RL | SZW | RL | SZW | RL | SZW |
109/50-Spannung [MPa] | 103 | 43 | 116 | 74 | 108 | 44 | 113 | 45 |
107/50-Spannung [MPa] | 119 | 64 | 148 | 96 | 157 | > 90 | 157 | 82 |
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Diese
Ergebnisse zeigen, dass die Legierung MRI301F in ihrem Eigenschaftsprofil
der Aluminiumlegierung bei Raumluft (RL) auch bei der Ermüdungsfestigkeit
gleichwertig ist und in einem Salzwassersprühnebel (SZW)
sogar höhere 107/50 beziehungsweise
109/50-Spannungen aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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