DE102020129422A1

DE102020129422A1 - Verfahren zum Ausbilden von Gegenständen aus einer magnesiumbasierten Legierung bei hohen Deformationsgeschwindigkeiten

Info

Publication number: DE102020129422A1
Application number: DE102020129422.0A
Authority: DE
Inventors: Henry Zhan
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2020-11-09
Publication date: 2021-06-10
Also published as: US11655513B2; US20210172035A1; CN112941435A

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Komponenten aus einer magnesiumbasierten Legierung, wie z.B. Automobilkomponenten, umfassen das Behandeln eines Gussteils, das eine magnesiumbasierte Legierung umfasst, in einem ersten Verformungsprozess, um eine Vorform zu bilden. Bei einem Aspekt weist der erste Verformungsprozess eine erste maximale vorgegebene Deformationsgeschwindigkeit von größer oder gleich ungefähr 0,001/s bis kleiner oder gleich ungefähr 1/s in einer Umgebung mit einer Temperatur von ≥ bis ungefähr 250 °C bis ≤ bis ungefähr 450 °C auf. Bei einem anderen Aspekt ist der erste Verformungsprozess eine Kaltverformung, gefolgt von Glühen. Die Vorform wird dann einem zweiten Verformungsprozess mit einer zweiten maximalen vorgegebenen Deformationsgeschwindigkeit von ≥ ungefähr 1/s bis ≤ ungefähr 100/s in einer Umgebung mit einer Temperatur von ≥ ungefähr 150 °C bis ≤ ungefähr 450 °C unterzogen, um die Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung im Wesentlichen frei von Rissbildung zu bilden. Es ist außerdem eine feste Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung mit ausgewählten Mikrostrukturen vorgesehen.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von Komponenten aus einer magnesiumbasierten Legierung, wie z.B. Automobilkomponenten, indem eine magnesiumbasierte Legierung einem ersten Verformungsprozess unterzogen wird, um eine Vorform zu erzeugen, die dann unter Vermeidung von Rissbildung einer hohen Deformationsgeschwindigkeit unterworfen werden kann.
Leichtmetallkomponenten sind zu einem wichtigen Schwerpunkt bei der Herstellung von Fahrzeugen geworden, insbesondere von Automobilen, bei denen eine kontinuierliche Verbesserung der Leistung und der Kraftstoffeffizienz wünschenswert ist. Während herkömmlicher Stahl und andere Metalllegierungen verschiedene Leistungsvorteile bieten, einschließlich hoher Festigkeit, können solche Materialien ein hohes Gewicht aufweisen. Leichtmetallkomponenten für Automobilanwendungen werden häufig aus Aluminium- und/oder Magnesiumlegierungen hergestellt. Solche Leichtmetalle können tragende Komponenten bilden, die stark und steif sind und gleichzeitig eine gute Festigkeit und Duktilität (z.B. Dehnung) aufweisen. Hohe Festigkeit und Duktilität sind besonders wichtig für Sicherheitsanforderungen und Haltbarkeit in Fahrzeugen, wie z.B. Automobilen.
Während magnesiumhaltige Legierungen ein Beispiel für Leichtmetalle sind, die zur Ausbildung von Strukturkomponenten in einem Fahrzeug verwendet werden können, kann die Verwendung von magnesiumhaltigen Legierungen in der Praxis begrenzt sein. Während aluminiumhaltige Legierungen durch eine Vielzahl verschiedener Formgebungsverfahren behandelt werden können, einschließlich solcher, die hohe Deformationsgeschwindigkeiten erfordern, wie z.B. Knetprozesse wie Strangpressen, Walzen, Schmieden, Abstreckdrücken, Stanzen und dergleichen, sind magnesiumbasierte Legierungen typischerweise auf Vorgänge beschränkt, die nur geringe Deformationsgeschwindigkeiten erfahren (z.B. kleiner 1/Sekunde), da sie sonst reißen können. Es wäre wünschenswert, Komponenten für Fahrzeuge aus magnesiumhaltigen Werkstoffen über verschiedene Verfahren mit hoher Deformationsgeschwindigkeit bilden zu können. Daher besteht ein ständiger Bedarf an verbesserten Formgebungsverfahren zur Herstellung von verbesserten Leichtmetallkomponenten aus magnesiumhaltigen Legierungen.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung. Das Verfahren kann das Behandeln eines Gussteils, das eine magnesiumbasierte Legierung umfasst, bis zu einem ersten Verformungsprozess umfassen. Der erste Verformungsprozess weist eine erste maximale vorgegebene Deformationsgeschwindigkeit von größer oder gleich ungefähr 0,001/s bis kleiner oder gleich ungefähr 1/s. Der erste Verformungsprozess wird in einer Umgebung mit einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 250 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 450 °C durchgeführt, um eine Vorform zu bilden. Die magnesiumbasierte Legierung weist eine Zusammensetzung auf, die Zirconium mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 1 Gew.-%, Mangan mit größer oder gleich ungefähr 0,3 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Gew.-%, Scandium mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-%, ein Seltenerdmetallelement mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-%, Zink mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 6 Gew.-%, Aluminium mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% und als Rest Magnesium umfasst. Das Verfahren umfasst außerdem einen zweiten Verformungsprozess, dem die Vorform unterzogen wird und der eine zweite maximale vorgegebene Deformationsgeschwindigkeit von größer oder gleich ungefähr 1/s bis kleiner oder gleich ungefähr 100/s aufweist. Der zweite Verformungsprozess wird in einer Umgebung mit einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 150 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 450 °C durchgeführt, um die Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung zu bilden, die im Wesentlichen frei von Rissbildung ist.
Bei einem Aspekt umfasst die Vorform eine oder mehrere intermetallische Spezies, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus ZnZr, AlMn, MnSc, Al-RE, wobei RE ein Seltenerdelement ist, und Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt ist der erste Verformungsprozess aus der Gruppe ausgewählt, die aus Strangpressen, Schmieden, Walzen und Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt ist der zweite Verformungsprozess aus der Gruppe ausgewählt, die aus Hochgeschwindigkeitswalzen, Abstreckdrücken, Hochgeschwindigkeitsschmieden, Ringwalzen und Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt umfasst das Verfahren vor dem Behandeln ferner eine Wärmebehandlung des Gussstücks, um die magnesiumbasierte Legierung zu homogenisieren, thermisch stabile, verfeinerte Niederschläge zu bilden, oder sowohl die magnesiumbasierte Legierung zu homogenisieren als auch thermisch stabile, verfeinerte Niederschläge zu bilden.
Bei einem Aspekt umfasst die Vorform eine Matrix mit einer Vielzahl dynamisch rekristallisierter Körner, die eine durchschnittliche Größe von größer oder gleich ungefähr 0,1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 20 µm aufweisen, und einer Vielzahl grober Körner, die eine durchschnittliche Größe von größer oder gleich ungefähr 1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 200 µm aufweisen. Eine durchschnittliche Größe der Vielzahl von groben Körnern ist um größer oder gleich 50% größer als die durchschnittliche Größe der dynamisch rekristallisierten Körner.
Bei einem Aspekt umfasst die magnesiumbasierte Legierung eine Vielzahl von Domänen, die thermisch stabile, verfeinerte intermetallische Spezies, die in einer Matrix verteilt sind, umfassen. Die Matrix erfährt während der Behandlung eine dynamische Rekristallisation zur Bildung verfeinerter Körner, während die dynamische Rekristallisation in der Vielzahl von Domänen minimiert oder verhindert wird.
Bei einem Aspekt umfasst das Verfahren nach dem Unterziehen ferner eine Wärmebehandlung in einer Umgebung mit einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 150 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 300 °C für eine Dauer von größer oder gleich ungefähr 2 Stunden bis kleiner oder gleich ungefähr 100 Stunden, um die mechanischen Eigenschaften der Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung zu verbessern.
Bei einem Aspekt ist die Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung eine Automobilkomponente, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Komponente für einen Verbrennungsmotor, einem Ventil, einem Kolben, einer Turboladerkomponente, einer Felge, einem Rad, einem Ring und Kombinationen davon besteht.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung. Das Verfahren kann das Behandeln eines Gussteils, das eine magnesiumbasierte Legierung umfasst, in einem Kaltverformungsprozess in einer Umgebung mit einer Temperatur von kleiner oder gleich ungefähr 200 °C umfassen, um eine Vorform zu bilden. Die magnesiumbasierte Legierung weist eine Zusammensetzung auf, die Zirconium mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 1 Gew.-%, Mangan mit größer oder gleich ungefähr 0,3 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Gew.-%, Scandium mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-%, ein Seltenerdmetallelement mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-%, Zink mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 6 Gew.-%, Aluminium mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% und als Rest Magnesium umfasst. Das Verfahren kann auch das Glühen der Vorform umfassen. Außerdem kann die Vorform einem zweiten Verformungsprozess mit einer maximalen vorgegebenen Deformationsgeschwindigkeit von größer oder gleich ungefähr 1/s bis kleiner oder gleich ungefähr 100/s in einer Umgebung mit einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 150 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 450 °C unterzogen werden. Dies bildet die Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung, die im Wesentlichen frei von Rissbildung ist.
Bei einem Aspekt ist der zweite Verformungsprozess aus der Gruppe ausgewählt, die aus Hochgeschwindigkeitswalzen, Abstreckdrücken, Hochgeschwindigkeitsschmieden, Ringwalzen und Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt umfasst das Verfahren vor dem Behandeln ferner eine Wärmebehandlung des Gussstücks, um die magnesiumbasierte Legierung zu homogenisieren, thermisch stabile, verfeinerte Niederschläge zu bilden, oder sowohl die magnesiumbasierte Legierung zu homogenisieren als auch thermisch stabile, verfeinerte Niederschläge zu bilden.
Bei einem Aspekt umfasst die magnesiumbasierte Legierung eine Vielzahl von Domänen, die thermisch stabile, verfeinerte Niederschläge, die in einer Matrix verteilt sind, umfassen. Die Matrix erfährt während der Behandlung eine statische Rekristallisation zur Bildung verfeinerter Körner, während die statische Rekristallisation in der Vielzahl von Domänen minimiert oder verhindert wird.
Bei einem Aspekt umfasst das Verfahren nach dem Unterziehen ferner eine Wärmebehandlung in einer Umgebung mit einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 150 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 300 °C für eine Dauer von größer oder gleich ungefähr 2 Stunden bis kleiner oder gleich ungefähr 100 Stunden, um die mechanischen Eigenschaften der Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung zu verbessern.
Bei einem Aspekt umfasst die Vorform nach dem Glühen eine oder mehrere intermetallische Spezies, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus ZnZr, AlMn, MnSc, AIRE, wobei RE ein Seltenerdelement ist, und Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt ist die Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung eine Automobilkomponente, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Komponente für einen Verbrennungsmotor, einem Ventil, einem Kolben, einer Turboladerkomponente, einer Felge, einem Rad, einem Ring und Kombinationen davon besteht.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zur Herstellung einer festen Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung. Die Komponente umfasst eine Mikrostruktur mit größer oder gleich ungefähr 5 Flächenprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Flächenprozent länglicher, thermisch stabiler Körner, die eine intermetallische Spezies mit einer durchschnittlichen Größe von größer oder gleich ungefähr 1 nm bis kleiner oder gleich ungefähr 1 µm umfassen. Die länglichen, thermisch stabilen Körner sind in einer Matrix verteilt, die rekristallisierte Körner mit einer durchschnittlichen Größe von größer oder gleich ungefähr 0,1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 20 µm umfasst. Die feste Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung ist im Wesentlichen frei von Rissbildung.
Bei einem Aspekt sind die rekristallisierten Körner in der Matrix dynamisch rekristallisierte Körner.
Bei einem Aspekt ist die Mikrostruktur aus einer magnesiumbasierten Legierung gebildet, die Zirconium mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 1 Gew.-%, Mangan mit größer oder gleich ungefähr 0,3 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Gew.-%, Scandium mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-%, ein Seltenerdmetallelement mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-%, Zink mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 6 Gew.-%, Aluminium mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% und als Rest Magnesium umfasst.
Bei einem Aspekt ist die intermetallische Spezies aus der Gruppe ausgewählt, die aus ZnZr, AlMn, MnSc, AIRE, wobei RE ein Seltenerdelement ist, und Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt ist die feste Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung eine Automobilkomponente, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Komponente für einen Verbrennungsmotor, einem Ventil, einem Kolben, einer Turboladerkomponente, einer Felge, einem Rad, einem Ring und Kombinationen davon besteht.
Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hierin gegebenen Beschreibung. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausgestaltungen und nicht aller möglichen Ausführungen und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.

1 zeigt eine repräsentative schematische Darstellung einer Vorform einer Vorform aus einer magnesiumbasierten Legierung, die nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde, einschließlich einer Vielzahl von thermisch stabilen groben Körnern, die in einer Matrix aus verfeinerten Körnern verteilt sind.
2 zeigt eine mikroskopische Aufnahme einer Vorform aus einer magnesiumbasierten Legierung, die nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde, einschließlich einer Vielzahl von thermisch stabilen groben Körnern, die in einer Matrix aus verfeinerten Körnern verteilt sind, mit einem Maßstabsbalken von 100 µm.
3 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Vorform aus einer magnesiumbasierten Legierung von 4 mit einem Maßstabsbalken von 20 µm.
4 zeigt eine repräsentative schematische Darstellung einer Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung, nachdem sie einem Prozess mit hoher Deformationsgeschwindigkeit nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung unterzogen wurde, einschließlich einer Vielzahl von länglichen groben Körnern, die in einer Matrix aus dynamisch rekristallisierten Körnern verteilt sind.
5 zeigt ein optisches Bild einer zu 50% verformten Probe einer magnesiumbasierten Legierung, die nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde.
6 zeigt ein optisches Bild einer zu 67% verformten Probe einer magnesiumbasierten Legierung, die nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde.

Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Da beispielhafte Ausgestaltungen vorgesehen sind, ist dies eine sorgfältige Offenbarung, die Fachleuten den vollen Umfang vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie z.B. Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein umfassendes Verständnis der Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Für Fachleute ist es offensichtlich, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausgestaltungen in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollten, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken. Bei einigen beispielhaften Ausgestaltungen sind bekannte Prozesse, bekannte Gerätestrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausgestaltungen und soll nicht einschränkend wirken. Wie hierin verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ sowie „der, die, das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „enthalten“ und „aufweisen“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der dazu dient, verschiedene hierin dargelegte Ausgestaltungen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff bei bestimmten Aspekten alternativ auch als ein einschränkenderer und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z.B. „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausgestaltung, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte angibt, ausdrücklich auch Ausgestaltungen, die aus solchen angegebenen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausgestaltung alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „im Wesentlichen bestehend aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, von einer solchen Ausgestaltung ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich nicht erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, in der Ausgestaltung eingeschlossen sein können.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie zwangsläufig in der bestimmten erläuterten oder veranschaulichten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wird eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“ oder „in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet, kann sie sich direkt auf oder in Eingriff mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden oder mit dem- oder derselben verbunden oder gekoppelt sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wird dagegen ein Element als „direkt auf“ oder „direkt in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ bezeichnet, dürfen keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten in ähnlicher Weise ausgelegt werden (z.B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ oder „angrenzend“ gegenüber „direkt benachbart“ oder „direkt angrenzend“ usw.). Wie hierin verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Punkte ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hierin verwendet sein können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einer anderen Komponente, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hierin verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, der Kontext weist eindeutig darauf hin. So könnte man einen ersten Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, einen ersten Bereich, eine erste Schicht oder einen ersten Abschnitt, die im Folgenden besprochen werden, als zweiten Schritt, zweites Element, zweite Komponente, zweiten Bereich, zweite Schicht oder zweiten Abschnitt bezeichnen, ohne von den Lehren der Ausführungsbeispiele abzuweichen.
Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vor“, „nach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen können hierin der Einfachheit halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Abbildungen veranschaulicht. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu bestimmt sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen des in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Geräts oder Systems einzuschließen.
In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, um geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausgestaltungen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche Werte, die genau den genannten Wert aufweisen, einzuschließen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der detaillierten Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z.B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Patentschrift, einschließlich der im Anhang befindlichen Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Ungefähr“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Werts, ungefähr oder ziemlich nahe am Wert, fast). Wird die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ gegeben ist, in der Technik nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verstanden, dann bezeichnet „ungefähr“, wie es hierin verwendet wird, zumindest Abwandlungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „ungefähr“ eine Abweichung von kleiner oder gleich 5%, optional kleiner oder gleich 4%, optional kleiner oder gleich 3%, optional kleiner oder gleich 2%, optional kleiner oder gleich 1%, optional kleiner oder gleich 0,5% und kleiner oder gleich 0,1% umfassen.
Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilten Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Teilbereiche.
Es werden nun beispielhafte Ausgestaltungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Bei bestimmten Aspekten bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf Verfahren zur Herstellung von Komponenten aus einer magnesiumbasierten Legierung. Die hierin vorgesehenen Verfahren ermöglichen die Bildung von Komponenten aus einer magnesiumbasierte Legierung bei hohen Deformationsgeschwindigkeiten, indem zunächst eine Vorform gebildet wird, die so zugeschnitten ist, dass sie eine vorgegebene Mikrostruktur aufweist, die anschließend hohen Deformationsgeschwindigkeiten unterzogen wird, was sich vorteilhaft auf die mechanischen Eigenschaften der aus magnesiumbasierten Legierungen gebildeten Komponenten auswirkt. Im Allgemeinen zeigen magnesiumbasierte Legierungen während der Verformung und Bearbeitung ein anisotropes Verhalten, was die Möglichkeiten der Verarbeitung einschränken kann. Das anisotrope Verhalten kann zumindest teilweise während der Ausbildung der gewünschten Form der Gegenstände bei hohen Deformationsgeschwindigkeiten auftreten. Aufgrund starker geometrischer Erweichungseffekte in magnesiumbasierten Legierungen neigt die Deformationslokalisation bei Verformungen mit hoher Deformationsgeschwindigkeit dazu, in Domänen mit weicheren Orientierungen aufzutreten, was zu starker Rissbildung in frühen Formgebungsstadien führen kann. Somit können magnesiumbasierte Legierungen in Fertigungsprozessen, die mit hohen Deformationsgeschwindigkeiten verbunden sind, im Allgemeinen nicht ohne Rissbildung gebildet werden.
Unter Deformation versteht man im Allgemeinen ein Verhältnis von zwei Längen (Anfangs- und Endwert) und damit einen dimensionslosen Wert. Eine Deformationsgeschwindigkeit wird also in Einheiten der inversen Zeit (z.B. s-1) angegeben. Ein Prozess mit hoher Deformationsgeschwindigkeit kann als ein Prozess betrachtet werden, der eine Deformationsgeschwindigkeit von größer oder gleich ungefähr 1/s auf ein Material anwendet, während es verarbeitet wird. Umformprozesse mit hoher Deformationsgeschwindigkeit können diejenigen Prozesse umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Hochgeschwindigkeitswalzen, Abstreckdrücken, Hochgeschwindigkeitsschmieden, Ringwalzen und Kombinationen davon besteht. Konventionell wurden jedoch solche Prozesse mit hohen Deformationsgeschwindigkeiten bei der Ausbildung von Gegenständen oder Komponenten aus einer magnesiumbasierten Legierung aufgrund der auftretenden umfangreichen Rissbildung vermieden.
Nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung können bestimmte magnesiumbasierte Legierungen behandelt werden, um eine vorteilhafte Mikrostruktur in einer Vorform zu bilden, die anschließend Prozessen mit hoher Deformationsgeschwindigkeit unterzogen werden kann, ohne dass es zu einer signifikanten Rissbildung kommt. Geeignete magnesiumbasierte Legierungen weisen eine Zusammensetzung auf, die Zirconium (Zr) mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 1 Gew.-% umfasst. Mangan (Mn) kann mit größer oder gleich ungefähr 0,3 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Gew.-% vorliegen. Scandium (Sc) kann mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-% vorliegen. Die magnesiumbasierte Legierung kann auch ein optionales zusätzliches Seltenerdmetallelement (RE) (zusätzlich zu oder anstelle von Scandium) umfassen, das mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% vorliegt. Das Seltenerdmetall kann ein Lanthanid sein. Bei bestimmten Aspekten ist das zusätzliche Seltenerdelement aus der Gruppe ausgewählt, das aus Cer (Ce), Dysprosium (Dy), Erbium (Er), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Holmium (Ho), Lanthan (La), Lutetium (Lu), Neodym (Nd), Praseodym (Pr), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Terbium (Tb), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb), Yttrium (Y) und Kombinationen davon besteht. Bei bestimmten Abwandlungen ist das zusätzliche Seltenerdelement aus der Gruppe ausgewählt, die aus Cer (Ce), Gadolinium (Gd), Neodym (Nd), Scandium (Sc), Yttrium (Y) und Kombinationen davon besteht. Bei bestimmten Abwandlungen kann das Seltenerdelement eine Kombination von Seltenerdelementen, wie Neodym, umfassen, während es sich beim Rest um schwere Seltenerdelemente wie Ytterbium, Erbium, Dysprosium und/oder Gadolinium, handelt. Die magnesiumbasierte Legierung umfasst außerdem Zink (Zn) mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 6 Gew.-%. Aluminium (AI) kann mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% vorliegen. Verunreinigungen können mit kleiner oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-%, optional kleiner oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% und bei bestimmten Abwandlungen optional kleiner oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-% der magnesiumbasierten Legierung vorliegen. Ein Rest der magnesiumbasierten Legierung kann Magnesium (Mg) sein.
Bei einer Abwandlung kann die magnesiumbasierte Legierung eine ZK30-Legierung sein, die nominell 3 Gew.-% Zink, 0,5-0,6 Gew.-% Zirconium und als Rest Magnesium aufweist. Bei einer anderen Abwandlung kann die magnesiumbasierte Legierung eine ZK60-Legierung sein, die nominell 6 Gew.-% Zink, 0,5-0,6 Gew.-% Zirconium und als Rest Magnesium aufweist. Bei noch anderen Abwandlungen kann die magnesiumbasierte Legierung nominell 1 Gew.-% Aluminium, 0,5 Gew.-% Zink und 0,5 Gew.-% Mangan sowie als Rest Magnesium aufweisen.
Bei bestimmten Abwandlungen kann die magnesiumbasierte Legierung eine Zusammensetzung aufweisen, die im Wesentlichen aus Zirconium (Zr) mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 1 Gew.-%, Mangan (Mn) mit größer oder gleich ungefähr 0,3 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Gew.-%, Scandium (Sc) mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-%, einem zusätzlichen Seltenerdmetallelement (RE-Element) mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Gew.-%, wie oben erörtert, besteht. Die magnesiumbasierte Legierung besteht außerdem im Wesentlichen aus Zink (Zn) mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 6 Gew.-%, Aluminium (AI) mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-%, Verunreinigungen mit kleiner oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% und einem Rest Magnesium (Mg).
Bei noch anderen Abwandlungen kann die magnesiumbasierte Legierung eine Zusammensetzung aufweisen, die aus Zirconium (Zr) mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 1 Gew.-%, Mangan (Mn) mit größer oder gleich ungefähr 0,3 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Gew.-%, Scandium (Sc) mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-%, einem zusätzlichen Seltenerdmetallelement (RE-Element) mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Gew.-%, wie oben erörtert, besteht. Die magnesiumbasierte Legierung besteht außerdem aus Zink (Zn) mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 6 Gew.-%, Aluminium (Al) mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-%, anderen Verunreinigungen mit kleiner oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% und einem Rest Magnesium (Mg).
Solche Magnesiumlegierungen haben die Fähigkeit, thermisch stabile Niederschläge oder intermetallische Spezies während der Wärmebehandlung vor der Verformung und/oder während des Verarbeitungsschrittes bzw. der Verarbeitungsschritte bei den hierin beschriebenen mittleren Deformationsgeschwindigkeiten zu bilden, um eine Vorform bereitzustellen. Bei bestimmten Aspekten können die intermetallischen Spezies eine Zusammensetzung aufweisen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus ZnZr, MnSc, AlMn, AIRE - wobei RE ein Seltenerdelement ist, das jedes der oben beschriebenen Elemente, einschließlich Scandium, umfassen kann - und Kombinationen davon besteht. Die thermisch stabilen Niederschläge befinden sich in groben Körnern, die in einer Matrix der magnesiumbasierten Legierung verteilt sind und bei der Verarbeitung bei höheren Temperaturen, z.B. bei Temperaturen von größer oder gleich ungefähr 200 °C, stabil bleiben können. Thermisch stabile verfeinerte Niederschläge können Dislokationen anheften und die dynamische Rekristallisation (DRX) während aller hier in Betracht gezogenen Zwischenbehandlungs- oder Verarbeitungsschritte verzögern. Somit bilden die Mikrostrukturen, die sich bei bestimmten Behandlungsverfahren, die durch die vorliegende Offenbarung vorgesehen sind, gebildet haben, Domänen, die letztlich gegen dynamische Rekristallisation (oder alternativ statische Rekristallisation) resistent sind. Diese Domänen sind daher reich an thermisch stabilen Niederschlägen und werden nach der Verarbeitung mit hoher Deformationsgeschwindigkeit in eine Matrix aus dynamisch rekristallisierten Körnern oder Domänen eingebettet, die in den thermisch stabilen Niederschlägen mager sind. Auf diese Weise ist in der vorliegenden Offenbarung die Bildung maßgeschneiderter bimodaler Mikrostrukturen denkbar, um eine Verarbeitung mit Verformungsprozessen bei hoher Deformationsgeschwindigkeit zu ermöglichen. In solchen Mikrostrukturen wird die durch geometrische Erweichung induzierte Deformationslokalisation durch Ungleichheiten bei der Korngröße behindert.
Bei bestimmten Abwandlungen sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Behandlung eines Gussstücks (z.B. Walzblock, Gussblock, Gussstück auf Größe und dergleichen) vor, das aus einer magnesiumbasierten Legierung gebildet ist, wie die oben beschriebenen, die grobe Körner mit thermisch stabilen Niederschlägen/intermetallischen Spezies umfassen. Die Behandlung umfasst einen ersten Verformungsprozess. Der erste Verformungsprozess weist einen mittleren Deformationsgeschwindigkeitswert auf, der zum Beispiel eine erste maximale vorgegebene Deformationsgeschwindigkeit von größer oder gleich ungefähr 0,001/s bis kleiner oder gleich ungefähr 1/s aufweist. Insbesondere im tatsächlichen Herstellungsprozess kann die Deformationsgeschwindigkeit, der verschiedene Teile des Werkstücks unterliegen, variieren und während des gesamten Prozesses möglicherweise nicht konstant sein. Der erste Verformungsprozess, der die Vorform erzeugt, kann in einer Umgebung mit einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 250 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 450 °C, optional größer oder gleich ungefähr 350 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 400 °C durchgeführt werden. Bei bestimmten Aspekten wird der erste Verformungsprozess, der die Vorform erzeugt, aus der Gruppe ausgewählt, die aus Strangpressen, Schmieden, Walzen und Kombinationen davon besteht. Durch Steuerung der Deformationsgeschwindigkeit, der Temperatur und des Deformationswerts während des Zwischenverarbeitungsschrittes/des ersten Verformungsprozesses können bimodale Mikrostrukturen in einer Vorform, die die magnesiumbasierte Legierung umfasst, erzielt werden. Bei bestimmten Aspekten kann der Zwischenverarbeitungsschritt/der erste Verformungsprozess einen Deformationswert von größer oder gleich ungefähr 20% bis kleiner oder gleich ungefähr 300% aufweisen. Bei einer Abwandlung kann die mechanische Gleeble-Prüfung als Technik im Labormaßstab verwendet werden, um Zwischenverarbeitungsbedingungen zu simulieren und geeignete Verarbeitungsfenster für die Ausbildung der Vorform zu bestimmen.
Wie in der Mikrostruktur 20 einer Vorform in 1 gezeigt ist, umfasst, nachdem die Vorform durch den ersten Verformungsprozess behandelt wurde, die magnesiumbasierte Legierung optional eine Vielzahl von Domänen 32, die thermisch stabile, verfeinerte Niederschläge umfassen, die in einer Matrix 34 verteilt sind. Im Allgemeinen ist die Vielzahl von Domänen 32 reich an intermetallischen Spezies oder Niederschlägen, d.h. von einer Gesamtkonzentration der in der Zusammensetzung vorhandenen intermetallischen Spezies liegen in der Vielzahl von Domänen 32 größer 50 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 55 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 60 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 65 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 70 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 75 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 80 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 85 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 90 Gew.-%, und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 95 Gew.-% der in der Zusammensetzung vorliegenden intermetallischen Spezies vor, so dass diese Domänen 32 als reich an intermetallischen Verbindungen angesehen werden können, während die Matrix 34 bei den intermetallischen Spezies oder Niederschlägen mager ist.
Die Matrix 34 erfährt während der Behandlung eine dynamische Rekristallisation zur Bildung verfeinerter Körner, während die dynamische Rekristallisation in der Vielzahl von Domänen 32 minimiert oder verhindert wird. Beispielsweise bildet sich nach der Behandlung der Vorform durch den ersten Verformungsprozess bei bestimmten Abwandlungen eine Mikrostruktur mit größer oder gleich ungefähr 5 Flächenprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Flächenprozent, optional größer oder gleich ungefähr15 Flächenprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Flächenprozent, und bei bestimmten Abwandlungen ungefähr 20 Flächenprozent thermisch stabiler Körner, die eine intermetallische Spezies umfassen (oder die Vielzahl der Bereiche 32 in 1). Ein Flächenprozent oder Flächenanteil wird an einem Querschnitt der Mikrostruktur gemessen. Bei bestimmten Abwandlungen können die thermisch stabilen Körner als grobe Körner in der Mikrostruktur betrachtet werden und können eine durchschnittliche Größe von größer oder gleich ungefähr 1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 200 µm, optional größer oder gleich ungefähr 20 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 100 µm aufweisen.
Während des ersten Verformungsprozesses bei niedrigen bis mittleren Deformationsgeschwindigkeiten können die Bereiche, die außerhalb der groben Körner liegen und die bei intermetallischen Spezies magerer sind (entsprechend der Matrix 34 in 1), eine dynamische Rekristallisation (DRX) durchlaufen. Die Bereiche thermisch stabiler grober Körner (entsprechend der Vielzahl von Domänen 32) sind jedoch während des ersten Verformungsvorgangs resistent gegen dynamische Rekristallisation und somit nach der Bearbeitung intakt und nicht rekristallisiert. Bei bestimmten Aspekten können die thermisch stabilen Körner oder Domänen in der Matrix verteilt sein. Die dynamisch rekristallisierten Körner der Matrix können eine durchschnittliche Größe von größer oder gleich ungefähr 100 nm bis kleiner oder gleich ungefähr 20 µm, optional größer oder gleich ungefähr 1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 20 µm aufweisen. Bei verschiedenen Aspekten können die thermisch stabilen groben Körner eine mittlere Korngröße aufweisen, die um größer oder gleich 50%, optional um größer oder gleich 80%, optional um größer oder gleich 40%, optional um größer oder gleich 100% und bei bestimmten Aspekten optional um größer oder gleich 200% größer als eine mittlere Korngröße der dynamisch rekristallisierten Körner ist. Wie in 2-3 gezeigt, wird somit eine Magnesiumlegierung mit einer nominellen Zusammensetzung von 3 Gew.-% Zink, 0,5 Gew.-% Zirconium und einem Rest Magnesium in einem Verformungsprozess bei einer Temperatur von ungefähr 400 °C geschmiedet, die eine Mikrostruktur mit einer Vielzahl von thermisch stabilen groben Körnern (durch Pfeile 100 dargestellt) aufweist, die nicht kristallisierte Domänen definieren, die in einer Matrix aus raffinierten dynamisch rekristallisierten Körnern oder Domänen homogen verteilt oder in diesen eingebettet sind.
Bei bestimmten Aspekten bleiben thermisch stabile grobe Körner, die nicht rekristallisierte Domänen definieren, aufgrund der Bildung großer Mengen verfeinerter Niederschläge, die die dynamische Rekristallisation verzögern, erhalten. Die weicheren nicht rekristallisierten Domänen lassen sich bei höheren Temperaturen leichter verformen und erfahren eine sehr viel stärkere plastische Deformation als die umgebenden verfeinerten dynamisch rekristallisierten Körner. Daher wird die durch geometrische Erweichung induzierte Deformationslokalisation durch Ungleichheiten bei der Korngröße behindert. Somit kommt es in nicht rekristallisierten Domänen, die in der Vorform verbleiben, bei Verformungen mit hoher Deformationsgeschwindigkeit während der nachfolgenden Verarbeitung zu einer Deformationsteilung. Darüber hinaus findet an den Grenzen zwischen den jeweiligen Domänen oder Körnern eine kontinuierliche dynamische Rekristallisation statt, um die Deformationskonzentration abzubauen und so zur Plastizität beizutragen.
Nach der Behandlung der magnesiumbasierten Legierung in einem ersten Verformungsprozess mit einer ersten vorgegebenen Deformationsgeschwindigkeit von größer oder gleich ungefähr 0,001/s bis kleiner oder gleich ungefähr 1/s in einer Umgebung mit einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 250 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 450 °C zur Bildung einer Vorform können die Verfahren umfassen, dass die Vorform einem zweiten Verformungsprozess unterzogen wird. Der zweite Verformungsprozess kann ein eine starke Deformation aufweisender Prozess mit einer zweiten vorgegebenen Deformationsgeschwindigkeit von größer oder gleich ungefähr 1/s bis kleiner oder gleich ungefähr 100/s sein. Bei bestimmten Abwandlungen ist der zweite Verformungsprozess bei hoher Deformationsgeschwindigkeit aus der Gruppe ausgewählt, die aus Hochgeschwindigkeitswalzen, Abstreckdrücken und Kombinationen davon besteht. Der zweite Verformungsprozess kann in einer Umgebung mit einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 150 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 450 °C durchgeführt werden.
Auf diese Weise entsteht eine Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung, die im Wesentlichen frei von Rissbildung ist. Der hierin verwendete Begriff „im Wesentlichen frei“ bedeutet, dass zwar geringfügige Mikrorisse auftreten können, dass aber nach einer Verformung mit starker Deformation keine signifikanten Rissfehler in der Komponente vorhanden sind, so dass unerwünschte physikalische Eigenschaften und Einschränkungen, die mit dem Vorhandensein von Makrorissen einhergehen, vermieden werden (z.B. Festigkeitsverlust, Versagen und Beschädigung und dergleichen). Während sich die in der vorliegenden Offenbarung vorgesehenen Komponenten aus einer magnesiumbasierten Legierung besonders für die Verwendung als Komponenten in einem Automobil oder anderen Fahrzeugen (z.B. Motorrädern, Booten, Traktoren, Bussen, Motorrädern, Wohnmobilen, Wohnwagen und Panzern) eignen, können sie auch in einer Vielzahl anderer Industrien und Anwendungen verwendet werden, zum Beispiel (nicht einschränkend) einschließlich Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, Konsumgüter, Geräte, Gebäude (z.B. Häuser, Büros, Schuppen, Lagerhallen), Büroausrüstung und -möbel und Maschinen für Industrieausrüstung, landwirtschaftliche Geräte, Landmaschinen oder Schwermaschinen. Bestimmte geeignete Automobilkomponenten, die aus der nach den vorliegenden Verfahren behandelten Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung gebildet sind, umfassen solche, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus einer Komponente für einen Verbrennungsmotor, einem Ventil, einem Kolben, einer Turboladerkomponente, einer Felge, einem Rad, einem Straßenrad, einem Ring und Kombinationen davon besteht.
Bei bestimmten anderen Aspekten ist nach der vorliegenden Offenbarung auch das Vorgeben einer Deformationsgeschwindigkeit, eines Deformationswerts und einer Temperatur sowie für den dazwischen liegenden ersten Verformungsprozess mittels einer Gleeble-Simulationsmethode zur Gewinnung eines beträchtlichen Anteils niederschlagsreicher, nicht rekristallisierter Domänen denkbar, die in den kristallisierten Körners der Matrix eingebettet sind.
Das oben beschriebene Verfahren ist mit der dynamischen Rekristallisation von verfeinerten Domänen oder Körnern verbunden, die in thermisch stabilen intermetallischen Verbindungen oder Niederschlägen mager sind, die während des ersten Verformungsprozesses bei relativ hohen Temperaturen von größer oder gleich ungefähr 250 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 450° auftritt. Bei bestimmten alternativen Abwandlungen können jedoch statische Rekristallisationstechniken verwendet werden, bei denen anstelle einer Hochtemperaturverformung bei mittleren Deformationsgeschwindigkeiten ein Kaltverformungsprozess stattfindet. Die Kaltverformungsprozesse können alle oben beschriebenen Verfahren sein, z.B. einschließlich Strangpressen, Schmieden und/oder Walzen, außer dass sie bei relativ niedrigen Temperaturen durchgeführt werden. Bei einem solchen Verfahren wird ein Gußstück, das eine magnesiumbasierte Legierung wie die oben beschriebene umfasst, mit einem Kaltverformungsprozess in einer Umgebung mit einer Temperatur von kleiner oder gleich ungefähr 200 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 150 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 100 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 75 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 50 °C und bei bestimmten Abwandlungen bei Raumtemperatur beispielsweise zwischen ungefähr 20 °C und ungefähr 25 °C behandelt. Während des Kaltverformungsprozesses sammeln sich Dislokationen im verformten Werkstück an.
Bei diesem Verfahren wird die Vorform dann geglüht. Unter Glühen versteht man, dass nach der Herstellung der Vorform aus dem Kaltverformungsprozess die Vorform auf eine Temperatur unterhalb ihres Schmelzpunktes erhitzt wird. Nach dem Glühvorgang kann es zu einer statischen Rekristallisation der verfeinerten Körner kommen, während die thermisch stabilen groben Körner nicht rekristallisierte Domänen definieren, ähnlich der oben beschriebenen bimodalen Mikrostruktur. Insbesondere kann das Glühen das Erhitzen der Vorform auf einen Wert über einer Solvus-Temperatur der magnesiumbasierten Legierung und das Aufrechterhalten dieser Temperatur umfassen, bis die Legierungselemente im Wesentlichen homogen im Magnesium verteilt sind und eine feste Lösung entstanden ist. Nur zum Beispiel kann das Glühen das Erhitzen der Vorform auf eine Temperatur von größer oder gleich ungefähr 250 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 500 °C und das Aufrechterhalten dieser Temperatur über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 1 Stunde bis kleiner oder gleich 6 Stunden umfassen. Ein Ziel der Glühbehandlung ist es, die kalt verformten Mikrostrukturen statisch zu rekristallisieren, so dass Glühzeit und -temperatur variieren können, um diese Mikrostruktur zu erreichen.
Nach dem Glühen wird die Vorform einem zweiten Verformungsprozess mit einer zweiten vorgegebenen Deformationsgeschwindigkeit von größer oder gleich ungefähr 1/s bis kleiner oder gleich ungefähr 100/s in einer Umgebung mit einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 150 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 450 °C unterzogen. Auf diese Weise wird eine Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung gebildet, die im Wesentlichen frei von Rissbildung ist.
Bei jedem der oben beschriebenen Verfahren, die entweder mit einer dynamischen Rekristallisation oder einer statischen Rekristallisation zur Bildung einer Vorform verbunden sind, kann das Gussstück vor der ersten Behandlung zur Bildung der Vorform entweder durch einen zwischengeschaltetes Reckverformungs- oder Kaltverformungsprozess wärmebehandelt werden, um die magnesiumbasierte Legierung zu homogenisieren, die Bildung thermisch stabiler, verfeinerter Niederschläge in den grobe Körner definierenden Domänen zu ermöglichen, oder sowohl die magnesiumbasierten Legierung zu homogenisieren als auch thermisch stabile Niederschläge zu bilden. Das Gussstück kann in einer Umgebung mit einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 250 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 500 °C und über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 0,5 Stunden bis kleiner oder gleich 6 Stunden erhitzt werden. Die Zeit und Temperatur für diesen Wärmebehandlungsschritt können von der Dicke des Gussteils abhängen.
Darüber hinaus kann die Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung nach dem Umformen der Komponente in dem zweiten Verformumgsprozess bei hoher Deformationsgeschwindigkeit durch Erhitzen in einer Umgebung mit einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 150 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 300 °C und über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 2 Stunden bis kleiner oder gleich 100 Stunden gealtert werden. Auf diese Weise kann die Alterung die mechanischen Eigenschaften der Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung verbessern. Auch hier können die Zeit und Temperatur für diesen Alterungsschritt von der Dicke des Gussteils abhängen.
Bei bestimmten Abwandlungen ist in der vorliegenden Offenbarung auch eine feste Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung mit einer der oben beschriebenen Zusammensetzungen denkbar, die eine neue Mikrostruktur 50 aufweist, wie sie in der 4 gezeigt ist, die nach dem Verformungsprozess mit hoher Deformationsgeschwindigkeit auftritt. Die Mikrostruktur 50 kann eine Vielzahl von länglichen, thermisch stabilen Körnern 62 enthalten, die in einer Matrix 64 verteilt sind, die eine Vielzahl von dynamisch rekristallisierten Körnern umfasst. Mit länglich ist gemeint, dass jedes Korn 62 eine größere Längs- oder Dehnungsabmessung definiert (in 4 mit 66 gekennzeichnet), so dass das Korn eine ausgeprägte längliche Abmessung aufweist. Die länglichen, thermisch stabilen Körner 62 können ein Aspektverhältnis aufweisen, das als AV = L/B definiert werden kann, wobei L und B für die Länge (z.B. 66) und die Breite 68 des Korns stehen. Es ist wünschenswert, dass die Vielzahl von länglichen, thermisch stabilen Körnern ein durchschnittliches AV von größer ungefähr 3, optional größer ungefähr 5, optional größer ungefähr 7 und bei bestimmten Abwandlungen optional größer ungefähr 10 aufweist. 5 und 6 zeigen zum Beispiel die Verformung einer Probe mit einer ZK30-Legierung mit nominell 3 Gew.-% Zink, 0,5-0,6 Gew.-% Zirconium und einem Rest Magnesium nach 50% bzw. 67% Verformung. Das Aspektverhältnis der groben, nicht rekristallisierten Körner (Pfeile 110), die wie ZnZr reich an intermetallischen Verbindungen sind, ist ein Aspektverhältnis, das sich mit zunehmendem Verformungsgrad stark verändert (erhöht), was darauf hindeutet, dass die Körner einer starken plastischen Deformation unterliegen.
Die Vielzahl der länglichen, thermisch stabilen Körner kann band- oder faserförmig sein.
Bei bestimmten Abwandlungen kann die Mikrostruktur größer oder gleich ungefähr 5 Flächenprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Flächenprozent längliche, thermisch stabile Körner aufweisen, die eine intermetallische Spezies mit einer durchschnittlichen Größe von größer oder gleich ungefähr 1 nm bis kleiner oder gleich ungefähr 1 µm umfassen und in einer Matrix verteilt sind, die dynamisch rekristallisierte Körner mit einer durchschnittlichen Größe von größer oder gleich ungefähr 0,1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 20 µm umfasst, wobei die Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung im Wesentlichen frei von Rissbildung ist.
Die vorstehende Beschreibung der Ausgestaltungen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht dazu bestimmt, vollständig zu sein oder die Offenbarung einzuschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausgestaltung sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausgestaltung beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausgestaltung verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben sind. Dieselben können auch auf vielerlei Weise abgewandelt werden. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, und alle diese Änderungen sind dazu bestimmt, in dem Umfang der Offenbarung enthalten zu sein.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung, umfassend: Behandeln eines Gussstücks, das eine magnesiumbasierte Legierung umfasst, in einem ersten Verformungsprozess mit einer ersten maximalen vorgegebenen Deformationsgeschwindigkeit von größer oder gleich ungefähr 0,001/s bis kleiner oder gleich ungefähr 1/s in einer Umgebung mit einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 250 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 450 °C, um eine Vorform zu bilden, wobei die magnesiumbasierte Legierung eine Zusammensetzung aufweist, die Zirconium mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 1 Gew.-%, Mangan mit größer oder gleich ungefähr 0,3 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Gew.-%, Scandium mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-%, ein Seltenerdmetallelement mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-%, Zink mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 6 Gew.-%, Aluminium mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% und als Rest Magnesium umfasst, und Unterziehen der Vorform einem zweiten Verformungsprozess mit einer zweiten maximalen vorgegebenen Deformationsgeschwindigkeit von größer oder gleich ungefähr 1/s bis kleiner oder gleich ungefähr 100/s in einer Umgebung mit einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 150 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 450 °C, um die Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung im Wesentlichen frei von Rissbildung zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorform eine oder mehrere intermetallische Spezies umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus ZnZr, AIMn, MnSc, AIRE, wobei RE ein Seltenerdelement ist, und Kombinationen davon besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Verformungsprozess aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Strangpressen, Schmieden, Walzen und Kombinationen davon besteht, und der zweite Verformungsprozess aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Hochgeschwindigkeitswalzen, Abstreckdrücken, Hochgeschwindigkeitsschmieden, Ringwalzen und Kombinationen davon besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorform eine Matrix umfasst, die Folgendes umfasst: eine Vielzahl von dynamisch rekristallisierten Körnern mit einer durchschnittlichen Größe von größer oder gleich ungefähr 0,1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 20 µm und eine Vielzahl von groben Körnern mit einer durchschnittlichen Größe von größer oder gleich ungefähr 1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 200 µm, wobei die durchschnittliche Größe der Vielzahl von groben Körnern um größer oder gleich 50% größer als die durchschnittliche Größe der dynamisch rekristallisierten Körner ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die magnesiumbasierte Legierung eine Vielzahl von Domänen umfasst, die thermisch stabile verfeinerte intermetallische Spezies umfassen, die in einer Matrix verteilt sind, wobei die Matrix während der Behandlung eine dynamische Rekristallisation erfährt, um verfeinerte Körner zu bilden, während die dynamische Rekristallisation in der Vielzahl von Domänen minimiert oder verhindert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung eine Automobilkomponente ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Komponente für einen Verbrennungsmotor, einem Ventil, einem Kolben, einer Turboladerkomponente, einer Felge, einem Rad, einem Ring und Kombinationen davon besteht.
Verfahren zur Herstellung einer Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung, umfassend: Behandeln eines Gussstücks, das eine magnesiumbasierte Legierung umfasst, in einem Kaltverformungsprozess in einer Umgebung mit einer Temperatur von kleiner oder gleich ungefähr 200 °C, um eine Vorform zu bilden, wobei die magnesiumbasierte Legierung eine Zusammensetzung aufweist, die Zirconium mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 1 Gew.-%, Mangan mit größer oder gleich ungefähr 0,3 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Gew.-%, Scandium mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-%, ein Seltenerdmetallelement mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-%, Zink mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 6 Gew.-%, Aluminium mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% und als Rest Magnesium umfasst, Glühen der Vorform und Unterziehen der Vorform einem zweiten Verformungsprozess mit einer maximalen vorgegebenen Deformationsgeschwindigkeit von größer oder gleich ungefähr 1/s bis kleiner oder gleich ungefähr 100/s in einer Umgebung mit einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 150 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 450 °C, um die Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung im Wesentlichen frei von Rissbildung zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die magnesiumbasierte Legierung eine Vielzahl von Domänen umfasst, die thermisch stabile, verfeinerte Niederschläge umfassen, die in einer Matrix verteilt sind, wobei die Matrix während der Behandlung eine statische Rekristallisation erfährt, um verfeinerte Körner zu bilden, während die statische Kristallisation in der Vielzahl von Domänen minimiert oder verhindert wird.
Feste Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung, umfassend eine Mikrostruktur mit größer oder gleich ungefähr 5 Flächenprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Flächenprozent länglicher, thermisch stabiler Körner, die eine intermetallische Spezies mit einer durchschnittlichen Größe von größer oder gleich ungefähr 1 nm bis kleiner oder gleich ungefähr 1 µm umfassen und in einer Matrix verteilt sind, die dynamisch rekristallisierte Körner mit einer durchschnittlichen Größe von größer oder gleich ungefähr 0,1 nm bis kleiner oder gleich ungefähr 20 µm umfasst, wobei die Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung im Wesentlichen frei von Rissbildung ist.
Feste Komponente aus einer magnesiumbasierten Legierung nach Anspruch 9, wobei die Mikrostruktur aus einer magnesiumbasierten Legierung gebildet ist, die Zirconium mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 1 Gew.-%, Mangan mit größer oder gleich ungefähr 0,3 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Gew.-%, Scandium mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-%, ein Seltenerdmetallelement mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-%, Zink mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 6 Gew.-%, Aluminium mit größer oder gleich 0 bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% und als Rest Magnesium umfasst und die intermetallische Spezies aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus ZnZr, AlMn, MnSc, AIRE, wobei RE ein Seltenerdelement ist, und Kombinationen davon besteht.