DE10221720A1

DE10221720A1 - Magnesiumlegierung

Info

Publication number: DE10221720A1
Application number: DE2002121720
Authority: DE
Inventors: Sigrun Jagodzinski; Olaf Hentschel; Frank Doernenburg; Johann Wolf
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2003-11-27

Abstract

Eine Magnesiumlegierung, insbesondere zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses durch Druckguss, weist 4-9 Gewichts-% Aluminium, 0,1-2 Gewichts-% Calcium und 0,5-2,5 Gewichts-% Strontium auf.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnesiumlegierung.
Magnesiumlegierungen, die Aluminium enthalten, werden zum Druckgießen unterschiedlichster Bauteile verwendet. Um ihre Kriech- und Temperaturfestigkeit zu erhöhen, werden als weitere Legierungsbestandteile Calcium, Strontium oder Selten-Erdelemente zugesetzt.

So ist beispielsweise aus EP 0879898 B1 eine Legierung bekannt, die bis 2 Gewichts-% Calcium enthält. Während geringe Calciumgehalte das Temperaturverhalten nicht im gewünschten Ausmaß verbessern, führen höhere Calciumgehalte zu einer Klebeneigung im Druckwerkzeug. Bei Legierungen, die Strontium enthalten (vgl. US 6322644) ist diese Klebeneigung noch stärker ausgeprägt. Strontium enthaltende Magnesium-Legierungen (GB 2296256A, WO 96/24701, EP 0791662 A1) führen nur bei einer schnellen Erstarrungsgeschwindigkeit zu einer hohen Kriechfestigkeit bei höherer Temperatur. Sie sind daher nur für Bauteile mit geringen Wandstärken geeignet.

Aus DE 199 37 184 A1 ist eine Magnesiumlegierung bekannt, die bis zu 1,2 Gewichts-% Calcium, 0,01 bis 0,2 Gewichts-% Strontium und 0,05 bis 1 Gewichts-% Seltenerdelemente enthält. Die danach hergestellten Legierungen zeichnen sich entweder durch eine gute Druckgießbarkeit, aber geringe Kriech- und Warmfestigkeit aus oder sie sind kriech- und warmfest, aber schlecht gießbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Legierungen auf Magnesiumbasis bereit zu stellen, die auch für dickwandigere Bauteile, die bei erhöhter Temperatur eingesetzt werden, geeignet sind.

Dies wird erfindungsgemäß durch eine Legierung auf Magnesiumbasis erreicht, die 4-9, vorzugsweise 6-7 Gewichts-% Aluminium, 0,1-2, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 Gewichts-% Calcium und 0,5-2,5, vorzugsweise 0,8-1,5 Gewichts-% Strontium enthält.

Während sich bei einem Aluminiumgehalt von weniger als 4 Gewichts-% durch die hohe Viskosität die Gießbarkeit der Legierung verschlechtert, treten bei einem Aluminiumgehalt von über 9% Phasen auf, die zu einer Versprödung führen. Bei ca. 6 Gewichts-% Al wird das Optimum an Festigkeit und Bruchdehnung erreicht. Al erhöht die Festigkeit und Härte von Mg.

Calcium führt in erster Linie zu einer Erhöhung der Warmfestigkeit und Strontium zu einer Erhöhung der Kriechfestigkeit. Bei einem Calciumgehalt von weniger als 0,1 Gewichts-% und einem Strontiumgehalt von weniger als 0,5 Gewichts-% tritt jedoch keine spürbare Erhöhung der Warm- bzw. Kriechfestigkeit auf. Hingegen wird bei einem Calciumgehalt von mehr als 2% und einem Strontiumgehalt von mehr als 2,5% die Gießbarkeit deutlich verschlechtert, was u. a. zum Auftreten von Warmrissen führt.

Zink führt in Kombination mit Al zur Erhöhung der Festigkeit. Der Zinkgehalt der erfindungsgemäßen Legierung sollte 0,2 Gewichts-% nicht überschreiten. Mangan führt bei unveränderter Zugfestigkeit zu einer Verbesserung der Streckgrenze und kristallisiert mit Fe zu weniger korrosionskritischen intermetallischen Verbindungen aus. Ca. 0,3 Gewichts-% Mn sind durch die Anwesenheit des Al in Mg löslich. Der Mangangehalt liegt vorzugsweise bei 0,3 bis 0,4 und der Siliziumgehalt bei max. 0,05%. Da schon ein geringer Gehalt an Eisen, Kupfer und Nickel zu einer deutlichen Herabsetzung der Korrosionsfestigkeit führt, liegen vorzugsweise der Fe- Gehalt bei maximal 0,004, der Cu-Gehalt bei max. 0,008 und der Ni-Gehalt bei maximal bei 0,001 Gewichts-%.

Damit beträgt der Magnesium-Gehalt der erfindungsgemäßen Legierung vorzugsweise mehr als 85 Gewichts-%.

Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Legierung also folgende Zusammensetzung in Gewichts-% auf:

Al 4-9	Si max. 0,005
Ca 0,1-2,0	Fe > 0,004
Sr 0,5-2,5	Cu > 0,008
Zn max. 0,2	Ni > 0,001
Mn 0,3-0,4	Rest Magnesium und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Die erfindungsgemäße Legierung weist auch bei einer hohen Temperatur eine hervorragende Warmfestigkeit und Kriechfestigkeit auf. So beträgt bei einer Temperatur von 150°C im Warmfestigkeitsversuch (nach DIN 5125-B6x30) die 0,2%-Dehngrenze mehr als 110 N/mm² und die Zugfestigkeit mehr als 140 N/mm². Im Kriechversuch (nach DIN EN10291) mit Zeitstandproben mit einem Durchmesser von 6 mm und einer parallelen Messlänge von 25 mm bei 150°C und einer Spannung von 50 N/mm² beträgt die Kriechdehnung weniger als 0,2% nach 120 Stunden.

Die erfindungsgemäße Legierung ist daher insbesondere für Kraftfahrzeugkomponenten im Antriebsbereich geeignet, insbesondere für das Zylinderkurbelgehäuse einer flüssig gekühlten Brennkraftmaschine. Ein Zylinderkurbelgehäuse, für das die erfindungsgemäße Legierung besonders geeignet ist, ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung 101 12 132 beschrieben, auf die vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Dieses Zylinderkurbelgehäuse zeichnet sich durch stark variierende Wandstärken aus. So ist beispielsweise der Bereich der Schraubenlöcher, wo eine besonders hohe Kriechfestigkeit erforderlich ist, dickwandig ausgebildet. Die erfindungsgemäße Legierung führt - beispielsweise im Gegensatz zu Magnesiumlegierungen mit Seltenerdelementen - jedoch nicht nur in dünnwandigen Bereichen, sondern auch im dickwandigen Bereich zu einer hohen Kriechfestigkeit.

Mit der erfindungsgemäßen Legierung können daher generell Bauteile für Anwendungen bei hohen Temperaturen hergestellt werden, die eine hohe Wandstärke von beispielsweise bis zu 200 mm, vorzugsweise bis zu 70 mm aufweisen, jedoch auch Bauteile mit sehr geringen Wandstärken bis herab zu 0,5 mm.

Die erfindungsgemäße Legierung kann für alle Gießverfahren eingesetzt werden, im Vordergrund steht jedoch der Einsatz im Druckguss.

Das nachstehende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel

Aus einer handelsüblichen AM60-Legierung (5,6-6,4% Al; 0,26-0,50% Mn; max. 0,20 Zn; max. 0,05 Si; max. 0,008 Cu; max. 0,001 Ni, max. 0,004 Fe; Rest Mag) wurde in einem Tiegel unter CO₂-Schutzgasatmosphäre durch Zulegieren der übrigen Legierungsbestandteile eine Legierung mit der nachstehenden Zusammensetzung hergestellt, wobei der Al-Gehalt mit hp-Al mit einer Reinheit von mindestens 99, 99 Gewichts-% eingestellt wurde.
Al 6,8-7,2 Gewichts-%
Ca 0,8-1,0 Gewichts-%
Sr 0,6-0,8 Gewichts-%
Mn 0,3-0,4 Gewichts-%
Be 5-15 ppm
Rest Magnesium

Zur Durchführung der Warmfestigkeitsversuche wurden aus der Legierung Zugproben nach DIN 50125-B6x30 hergestellt. Die Warmfestigkeitseigenschaft wurde bei der Prüftemperatur 100°C und 150°C mit jeweils drei Proben bestimmt. Bei 100°C beträgt die Zugfestigkeit 160 N/mm², bei 150°C 150 N/mm², die 0,2% Dehngrenze beträgt bei 100°C 120 N/mm² und bei 150°C 110 N/mm².

Demgegenüber weisen die handelsüblichen Legierungen AN60, AS 21 und AS 41 bei 150°C eine 2%-ige Dehngrenze von deutlich unter 100 N/mm² auf, ebenso die handelsübliche AE42-Legierung, die 2 Gewichts-% Seltenerdelemente enthält.

Die Kriechdehnungsmessung wurde nach DIN EN10291 an Zeitstandproben ohne Wärmebehandlung mit einem Durchmesser dO = 6 mm und einer parallelen Messlänge von 25 mm durchgeführt. Das Spannungsniveau liegt bei 50 N/mm², die Prüftemperatur bei 150°C. Nach einer Prüfdauer von 120 Stunden wurde eine Kriechdehnung von 0,16% gemessen.

Die gleiche Kriechdehnrate wurde bei 150°C bei einer Spannung von 50 N/mm² nach einer Prüfdauer von 120 Stunden an einem Zylinderkurbelgehäuse gemäß der deutschen Patentanmeldung 101 12 132 gemessen, die mit der vorstehend angegebenen erfindungsgemäßen Legierung hergestellt worden ist. Im Gegensatz zu einem Probekörper weist dieses Bauteil unbearbeitete Oberflächen, Kerben durch die Fertigung und eine höhere Porosität auf. Demgegenüber beträgt die Kriechdehnung bei der handelsüblichen AS41-Legierung bei einer Prüftemperatur von 150°C und einer Prüfspannung von 50 N/mm² nach 100 Stunden, am Probekörper gemessen, beispielsweise 0,25%.

Claims

1. Legierung auf Magnesiumbasis, enthaltend
4-9 Gewichts-% Aluminium
0,1-2 Gewichts-% Calcium
0,5-2,5 Gewichts-% Strontium

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumgehalt 6-7 Gewichts-% beträgt.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Calcium-Gehalt 0,5-1,5 Gewichts-% beträgt.

4. Legierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strontium-Gehalt 0,8-1,5 Gewichts-% beträgt.

5. Verwendung der Legierung nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Druckgießen des Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine.