DE112008001968B4

DE112008001968B4 - Bilden von Magnesiumlegierungen mit verbesserter Duktilität

Info

Publication number: DE112008001968B4
Application number: DE112008001968.1T
Authority: DE
Inventors: Anil K. Gupta; Arun M. Kumar; Palle Ramarao; Anil K. Sachdev; Aihua A. Luo; Raja K. Mishra
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2019-12-05
Anticipated expiration: 2028-05-31
Also published as: CN101809179A; WO2009014807A1; US20090028743A1; DE112008001968T5

Abstract

Verfahren zum Verarbeiten einer Magnesium-Cer-Legierung, wobei das Verfahren umfasst, dass:i) ein Magnesiumlegierungspressling bereitgestellt wird, der, bezogen auf das Gewicht, aus 0,2 bis 0,5 Gewichtsprozent Cer und Rest im Wesentlichen Magnesium besteht, wobei der Pressling mit einer vorbestimmten geradlinigen Achse für eine Warmverformung geformt wird,ii) der Magnesiumlegierungspressling auf eine Temperatur zwischen mehr als 350 und 500 °C erwärmt wird,iii) der erwärmte Magnesiumlegierungspressling entlang der vorbestimmten Achse bei einer Temperatur von mehr als 350°C bis 475 °C durch ein Strangpresswerkzeug mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 10 mm/s bis 1000 mm/s des Materialstrangs stranggepresst wird, wobei das Strangpressverhältnis im Bereich von 10:1 bis 60:1 liegt, um ein stranggepresstes Werkstück zu bilden, das Körner mit Basalebenen aufweist, die für eine gesteigerte Duktilität unter einem Winkel von größer als vierzig Grad mit Bezug auf die Strangpressachse orientiert sind, undiv) das stranggepresste Werkstück einer weiteren Verformung bei Umgebungstemperatur unterzogen wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft allgemein verarbeitete Magnesiumlegierungszusammensetzungen, die eine verbesserte Duktilität bei Raumtemperatur zeigen. Genauer wird mit Cer legiertes Magnesium einer Hochtemperaturverformung unterzogen, um die Umformbarkeit der Legierung bei Raumtemperatur zu verbessern.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Magnesium ist das leichteste Konstruktionsmetall. Bei technischen Anwendungen wird es mit einem oder mehreren Elementen, beispielsweise Aluminium, Mangan, Seltenerdenmetallen, Lithium, Zink und Silber, legiert. Magnesium bildet gewöhnlich fünfundachtzig Gewichtsprozent oder mehr dieser Legierungen.
Die Kosten von Magnesium sind in den letzten Jahren drastisch gesunken, und Magnesium und seine Legierungen sind attraktive Konstruktionsmaterialien für einen breiten Bereich von Anwendungen zum Teil aufgrund gewünschter physikalischer Eigenschaften, wie etwa leichtes Gewicht, hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit, maschinelle Bearbeitbarkeit und die Tauglichkeit zum leichten Recyclen, geworden. Jedoch ist die Verwendung von Magnesium in Knetprodukten, wie etwa einer Platte und Strangpressteilen, aufgrund der schlechten Verarbeitbarkeit von Magnesiumgussteilen und der geringeren Umformbarkeit und Duktilität von Magnesium in der primären Fertigungsstufe begrenzt gewesen. Bei Raumtemperatur ist reines Magnesium allgemein durch begrenzte Duktilität infolge seiner hexagonalen, eng gepackten Kristallstruktur und der resultierenden begrenzten Anzahl von aktiven Gleitsystemen gekennzeichnet. Diese inhärente Einschränkung verhindert häufig die weitläufige Verwendung von Magnesium in Knetprodukten, die aus Platten und Strangpressteilen hergestellt werden, da es schwierig und teuer ist, das schlecht verarbeitbare Material in nutzbare Endformen zu verarbeiten.
Fachleute auf dem Gebiet verstehen allgemein, dass Metallherstellungstechniken, die eine Kornverfeinerung fördern, helfen können, bestimmte Zugfestigkeitseigenschaften, wie etwa Kaltverfestigung und Duktilität, in Magnesiummetallen zu verbessern. Ein nicht herkömmlicher Metallverarbeitungsprozess, der als querschnittskonstante Winkelpressung (ECAE, equal channel angular extrusion) bekannt ist, funktioniert, indem ein einfaches Scheren an einem Metallmaterial an der Schnittstelle zweier identisch bemessener Kanäle (d.h. ohne eine wesentliche Verringerung des Querschnitts), die zusammen eine Verarbeitungsstrecke bilden, die eine scharfe Biegung (gewöhnlich 90°) enthält, durch die das Legierungsmaterial mehrere Durchläufe vornehmen kann, erzwungen wird. Es ist auch gezeigt worden, dass ECAE-Prozesse in bestimmten Magnesiumlegierungen Dehnungswerte auf mehr als 25 % verbessern. Jedoch machen die hohen, zu ECAE gehörenden Betriebsaufwendungen den Prozess häufig wirtschaftlich uninteressant und veranlassen Leute in der Industrie, andere, billigeren Verarbeitungstechniken zugängliche Legierungen, wie etwa Stahl und Aluminiumlegierungen, zu benutzen.
Unter Fachleuten ist auch allgemein anerkannt, dass die mechanische Verarbeitbarkeit von Magnesiummetallen verbessert werden kann, indem Magnesium mit besonderen Metallzusätzen legiert wird. Den Metallzusätzen ist das Absenken der kritischen Schubspannung (CRSS von critical resolved shear stress) in verschiedenen Gleitsystemen zugeschrieben worden, was zu Änderungen der Mikrostruktur des Magnesiummaterials während der Warmumformung führt. Dieses Phänomen kann die Umformbarkeit des Metalls verbessern, indem die Zahl von unabhängigen Gleitmodi erhöht wird, die für eine allgemeine Verformung verfügbar sind, während gleichzeitig der Zwillingsbildungseffekt minimiert wird, so dass das Einsetzen eines Bruchs verzögert wird. Leider ist die Kenntnis auf diesem Gebiet spärlich, da nur eine begrenzte Aufmerksamkeit darauf gerichtet worden ist, Legierungszusätze zu identifizieren, die in der Lage sind, die Umformbarkeit von gekneteten Magnesiummaterialien bei Raumtemperatur günstig zu manipulieren.
Es gibt somit einen allgemeinen Bedarf, Magnesiumlegierungen in einer primären Fertigungsstufe bereitzustellen, die eine verbesserte Duktilität zur Fertigung zu Knetprodukten aus Magnesiummetall aufweisen.
Aus der DE 202 02 591 U1 ist eine Magnesiumlegierung bekannt, welche 96 bis 97,9 % Magnesium, 1,6 bis 2 % Mangan und 0,5 bis 2 % Seltenerden enthält.
In der DE-AS-1 269 812 wird die Verwendung einer Magnesiumlegierung aus 1,25 bis 3 % Zink, 0,2 bis 0,8 % Zirkonium, einem Seltenerdelement und Rest Aluminium als Werkstoff für Bleche offenbart.
In der DE 199 15 276 A1 wird eine Magnesiumlegierung offenbart, welche Zusätze oder Spuren von Cadmium in einer Menge von weniger als 1,8 Gew.-%, bis zu 1 Gew.-% Kupfer, bis zu 0,05 Gew.-% Eisen, bis zu 0,005 Gew.-% Nickel, ein Alkali-, Erdalkali- oder Seltenerdmetall und Magnesium enthält.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verarbeiten einer Magnesium-Cer-Legierung, wobei das Verfahren umfasst, dass:

i) ein Magnesiumlegierungspressling bereitgestellt wird, der, bezogen auf das Gewicht, aus 0,2 bis 0,5 Gewichtsprozent Cer und Rest im Wesentlichen Magnesium besteht, wobei der Pressling mit einer vorbestimmten geradlinigen Achse für eine Warmverformung geformt wird,
ii) der Magnesiumlegierungspressling auf eine Temperatur zwischen mehr als 350 und 500 °C erwärmt wird,
iii) der erwärmte Magnesiumlegierungspressling entlang der vorbestimmten Achse bei einer Temperatur von mehr als 350°C bis 475 °C durch ein Strangpresswerkzeug mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 10 mm/s bis 1000 mm/s des Materialstrangs stranggepresst wird, wobei das Strangpressverhältnis im Bereich von 10:1 bis 60:1 liegt, um ein stranggepresstes Werkstück zu bilden, das Körner mit Basalebenen aufweist, die für eine gesteigerte Duktilität unter einem Winkel von größer als vierzig Grad mit Bezug auf die Strangpressachse orientiert sind, und
iv) das stranggepresste Werkstück einer weiteren Verformung bei Umgebungstemperatur unterzogen wird.

In einer Ausführungsform der Erfindung wurde eine Schmelze, die, bezogen auf das Gewicht, 0,2 Prozent Cer und den Rest Magnesium enthält, zu einem runden zylindrischen Pressling zum In-Line-Strangpressen gegossen. Der Pressling wurde für zwei Stunden auf 400°C vorgewärmt und entlang einer geraden Achse (nicht ECAE) durch ein kreisförmiges Werkzeug mit einem Strangpressverhältnis von 25:1 geschoben, um einen massiven Stab mit etwa fünfzehn Millimetern Durchmesser herzustellen. Es wurde ein gleichartig stranggepresster Pressling hergestellt, der aus Magnesium mit 0,5 Gewichtsprozent Cer bestand. Zu Zwecken des Vergleichs der resultierenden Eigenschaften wurde ein Pressling aus reinem Magnesium gegossen und auf die gleiche Weise stranggepresst.
Es wurde beobachtet, dass die Korngröße der stranggepressten, Cer enthaltenden Magnesiumpresslinge kleiner war als die Korngröße des stranggepressten Presslings aus reinem Magnesium. Die Zugfestigkeit des Cer enthaltenden Presslingmaterials bei Raumtemperatur war herabgesetzt, und die prozentuale Dehnung war signifikant erhöht. Die Dehnung bei Bruchlast im Zugversuch ist ein Maß der Duktilität. Wie es in nachstehend dargelegten Daten in dieser Beschreibung zu sehen ist, war die Duktilität der warm verformten, Cer enthaltenden Magnesiumlegierungen im Vergleich mit Magnesium und anderen bekannten Magnesiumlegierungen überraschend erhöht.
Es wurde herausgefunden, dass der Zusatz von Cer in Mengen bis zu etwa ein Gewichtsprozent die Duktilität und Verarbeitbarkeit von Magnesiumlegierungen bei Raumtemperatur im Anschluss an eine geeignete Warmverformungsverarbeitung verbessert. Erfindungsgemäß wird die Warmverformung durch Strangpressen bei Presslingtemperaturen von mehr als 350°C bis 475°C mit Strangpressverhältnissen im Bereich von 10:1 bis etwa 60:1 bei geeigneten Strangpressgeschwindigkeiten bewerkstelligt. Während der Warmverformung wurden die Presslinge mit auf Graphit beruhenden Schmiermitteln oder Bornitrid geeignet geschmiert, obwohl dies nicht notwendigerweise erforderlich ist.
Das Vorhandensein der kleinen Menge Cer begünstigt die Bildung von rekristallisierten Körnern, deren Basalebenen unter 40 - 50 Grad zur Strangpressachse orientiert sind. Die Magnesium-Cer-Legierung bietet ein leichteres basales Gleiten während einer nachfolgenden Formänderung entlang der Strangpressachse, was in den stranggepressten Stäben aus reinem Magnesium effektiv ausgeschlossen ist. Ungeachtet des Dehnungsmechanismus erhöht das Vorhandensein von etwa 0,2 bis etwa 0,5 Gewichtsprozent Cer in der warm verarbeiteten Magnesiummatrix die Fähigkeit merklich, das stranggepresste Stabmaterial bei Raumtemperatur weiter zu formen. Und die Verbesserung wurde ungeachtet dessen realisiert, ob das warm verarbeitete Material einen massiven oder hohlen Querschnitt aufwies. Somit können anschließend beispielsweise warm stranggepresste Magnesiumlegierungsstäbe oder -rohre beispielsweise Biege- oder Innenhochdruckumformungsschritten bei Umgebungstemperatur unterzogen werden, um leichter komplexere Formen für Kraftfahrzeugstrukturen oder -teile oder dergleichen zu bilden.
Signifikante Zunahmen der Duktilität bei Raumtemperatur sind in binären Magnesium-Cer-Legierungen gezeigt worden, die bis zu 0,5 Gewichtsprozent Cer enthalten. Die Kosten des Cer-Zusatzes können verringert werden, indem Cer enthaltendes Mischmetall verwendet wird, das typischerweise fünfzig Gewichtsprozent oder mehr Cer mit geringeren Mengen an Lanthan oder anderen Elementen der Lanthangruppe umfasst. In dieser Ausführungsform kann die Legierung auf Magnesiumbasis etwa ein halbes bis ein Prozent Cer zusammen mit anderen Seltenerdenelementen in dem Mischmetall enthalten.
Andere beispielhafte Ausführungsformen werden aus der folgenden Beschreibung von veranschaulichenden Ausführungsformen deutlich werden. Es ist zu verstehen, dass die ausführliche Beschreibung die besonderen Beispiele, obgleich sie exemplarische Ausführungsformen der Erfindung liefern, lediglich zu Veranschaulichungszwecken dienen und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken sollen.
Figurenliste
Die Offenbarung wird nun beispielhaft und nicht einschränkend anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben. Das Folgende ist eine Kurzbeschreibung der Zeichnungen.

1 ist ein Balkendiagramm von prozentualer Dehnung bei Bruchlast im Zugversuch für stranggepresste Prüflinge aus reinem Magnesium, Magnesium-0,2 Gew.-% Cer und Magnesium-0,5 Gew.-% Cer. Die Zugversuche wurden längs der Strangpressachse der Werkstücke durchgeführt.
2 ist ein Balkendiagramm von Zugfestigkeit in MPa für stranggepresste Prüflinge aus reinem Magnesium, Magnesium-0,2 Gew.-% Cer und Magnesium-0,5 Gew.-% Cer.

BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Beschreibung der folgenden Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und soll die beanspruchte Erfindung, ihre Anwendung oder ihre Nutzungen in keiner Weise einschränken.
Magnesiumlegierungen, die vorwiegend Magnesium mit kleinen Zusätzen Cer umfassen, können durch einen Warmverformungsprozess zu einem Knetgegenstand umgeformt werden, der eine verbesserte Duktilität bei Raumtemperatur zeigt. Hier bedeutet Raumtemperatur eine typische Innenumgebungstemperatur von beispielsweise etwa fünfzehn bis etwa dreißig Grad Celsius. Der Knetgegenstand kann in einer Endproduktform vorliegen. Jedoch macht die Duktilität bei Raumtemperatur des Knetgegenstandes diesen für eine weitere Verformungsverarbeitung zu einer gewünschten unterschiedlichen Form nützlich. Die unerwartete Duktilität des warm verformten Magnesiumkörpers ist auf seinen Cer-Gehalt und die Warmverformungsverarbeitung durchzuführen, die zu einer Änderung der Gleitverteilung, einer Abnahme der Streckgrenze, einer Zunahme der Kaltverfestigung, einer Verringerung der Korngröße und einer rekristallisierten Textur, die eine basale Versetzungsaktivität begünstigt, beitragen.
Cer ist ein bevorzugtes Seltenerdenelement als Zusatz zu Magnesium für eine verbesserte Duktilität der Magnesium-Cer-Kombination. Es kann bevorzugt sein, Cer in der Form eines Mischmetalls zu verwenden. Ein Cer-Mischmetall ist eine Legierung aus Seltenerdenelementen in verschiedenen natürlich auftretenden Anteilen. Es wird manchmal Cer-Mischmetall oder Seltenerdenmischmetall genannt. Eine repräsentative Mischmetallzusammensetzung umfasst ungefähr, bezogen auf das Gewicht, fünfzig Prozent Cer, fünfundvierzig Prozent Lanthan, mit kleinen Mengen an Neodym und Praseodym. Manchmal enthalten die Legierungen mehr oder weniger Cer. Eine Ausführungsform der Erfindung wird unter Verwendung von Cer als der alleinige Seltenerdenelementzusatz in Magnesium veranschaulicht, um die Duktilität bei Raumtemperatur von bestimmten beispielhaften binären Magnesium-Cer-Legierungen merklich zu verbessern.
In einer Ausführungsform kann eine Magnesiumlegierung, die eine kleine Menge von bis zu etwa einem Gewichtsprozent Cer enthält, einen Warmverformungsprozess erfahren, um ein Knetmetallobjekt zu fertigen, das eine verbesserte Duktilität bei Raumtemperatur im Vergleich mit der von Magnesium und herkömmlichen Magnesiumlegierungen zeigt. Die Löslichkeit von Cer in Magnesium beträgt ungefähr 0,1 % bei 500°C. Jedes überschüssige Cer bildet schließlich intermetallische Verbindungen mit Magnesium und Oxidpartikeln innerhalb der Legierung.
Eine Warmverformungstechnik, die zum Verbessern der Duktilität in einer Magnesium-Cer-Legierung geeignet ist, kann ein herkömmlicher Reihen-Warmstrangpressprozess sein. In einer Ausführungsform kann eine Magnesiumlegierung, die bis zu etwa einem Gewichtsprozent Cer enthält, als ein Pressling gegossen werden. Der anfängliche gegossene Pressling weist einen geeignet runden Querschnitt mit einem Durchmesser von beispielsweise etwa 50 Millimetern bis zu typischerweise etwa 300 Millimetern auf, obwohl auch größere Presslinge stranggepresst werden. Der gegossene Pressling wird auf eine Verformungstemperatur im Bereich von mehr als 350°C bis 475°C vorgewärmt. Es werden Vorsichtsmaßnahmen getroffen, um sicherzustellen, dass der Pressling aus Magnesium-Cer-Legierung während des Strangpressens ausreichend geschmiert ist, durch irgendein bekanntes Metallschmiermittel, wie etwa beispielsweise Graphit oder Bornitrid. Der Magnesiumlegierungspressling kann direkt durch ein herkömmliches kreisförmiges oder konisches Strangpresswerkzeug stranggepresst werden, das ein Strangpressverhältnis im Bereich von 10:1 bis 60:1 besitzt, mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 10 mm pro Sekunde bis 1000 mm pro Sekunde Materialstrang. Abhängig von der erwarteten Verwendung des stranggepressten Gegenstandes und/oder der besonderen Ausgestaltung des abschließenden Endprodukts kann die Magnesium-Cer-Legierung zu irgendeiner von einer Anzahl von Größen und Formen, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind, warmstranggepresst werden, wie etwa, ohne Einschränkung darauf, massive oder hohle Stäbe, I-Balken oder andere erreichbare stranggepresste Formen. Die verbesserte Duktilität dieser Formen kann dann für eine Weiterverarbeitung der Formen (z.B. durch Biegen oder Innenhochdruckumformen) bei einer Raumtemperatur benutzt werden.
In einer Ausführungsform erreichte ein Magnesiumlegierung, die 0,2 Gewichtsprozent Cer und den Rest Magnesium umfasst, welche einen direkten Warmstrangpressprozess gemäß den oben umrissenen Spezifikationen durchlief, einen Dehnungswert von ungefähr 30 % während einer anschließenden Verformung bei Raumtemperatur. Eine ähnlich stranggepresste Legierung, die 0,5 Gewichtsprozent Cer umfasst, erreichte einen geringfügig kleineren Dehnungswert von ungefähr 25 %. Zum Vergleich wurde ein Pressling aus im Wesentlichen reinem Magnesium durch das gleiche Verfahren und das gleiche Strangpresswerkzeug warm stranggepresst. Das Strangpressteil aus reinem Magnesium wies eine Dehnung von 9 % bei Raumtemperatur bei Bruchlast entlang der Strangpressachse auf. Diese Versuchswerte sind in 1 dargestellt. Es wurde herausgefunden, dass die Korngröße der stranggepressten Magnesium-Cer-Proben etwa die Hälfte der Korngröße des Strangpressteils aus reinem Magnesium betrug.
Zugfestigkeitswerte für diese drei Strangpressteile sind in 2 dargestellt. Es ist zu sehen, dass die warm stranggepressten Presslinge aus einer Magnesium-Cer-Legierung jeweils eine Abnahme der Zugfestigkeit erfahren.
Die relativ hohe Duktilität, die in diesen Magnesium-Cer-Legierungen beobachtet wird, kann zumindest teilweise auf die dominierende Rolle zurückgeführt werden, die auf Gleiten während einer anschließenden Zugverformung der warm verarbeiteten Legierung entlang der Strangpressachse zurückzuführen ist. Ein anderer Faktor, der zumindest teilweise auf hohe Duktilität zurückführbar ist, ist die intensive Scherzeilenbildung, die parallel zur Strangpressachse auftritt, die schließlich während einer kontinuierlichen Rekristallisierung bei Raumtemperatur zu einer Umverteilung der Verformung von den Scherzeilen weg und in Richtung der Matrix führt. Es wird in Erwägung gezogen, dass dieses Phänomen, sowie eine Verringerung der Zugfestigkeit und Korngröße, auf die kleine, in der Magnesium-Cer-Legierung vorhandene Menge Cer zurückzuführen ist.
Tatsächlich ist gezeigt worden, dass das Legieren von kleinen Mengen Cer mit Magnesium und das Unterziehen der Magnesiumlegierung einer Warmverformung eine Kornverfeinerung im Vergleich mit einem reinen Magnesiummaterial fördert. Die in der Magnesiumlegierung beobachtete verringerte Korngröße ist wahrscheinlich das Ergebnis von intermetallischen Partikeln auf Cer-Basis, die die Nukleation und das Wachstum von rekristallisierten Körnern beeinflussen.
Es ist auch gezeigt worden, dass das Vorhandensein von kleinen Mengen Cer in einer warm verformten Magnesiumlegierung die Anisotropie der CRSS (der kritischen Schubspannung) für unterschiedliche Gleitsysteme verringert und auch die Menge an Versetzungen in der Legierung während der Warmverformung erhöht. Diese Zunahme der gespeicherten Arbeit in der Magnesium-Cer-Legierung begünstigt die Nukleation und das Wachstum von Körnern während der Rekristallisierung, die nicht a priori festgelegt sind, um Basalebenen zu bilden, die parallel zu der Strangpressachse ausgerichtet sind. Beispielsweise ist während der Rekristallisierung die Bildung von Körnern, deren Basalebenen 40° bis 50° von der Strangpressachse weg orientiert sind, in Magnesiumlegierungen, die kleine Mengen Cer umfassen, beobachtet worden. Diese Orientierung lässt zu, dass Gleiten eine dominante Rolle bei der Legierungsverformung spielt, während die Bedeutung von Zwillingsbildung signifikant verringert wird.
Es wird angenommen, dass kleine Mengen Cer die elektronische Ladungsverteilung in dem Magnesiumgitter verändern und die CRSS abwandeln können, indem Barrieren für ein Versetzungsgleiten an all den Gleitsystemen, die zu dem hexagonalen Gitter gehören, verringert werden. Die Gleitaktivität in Magnesium-Cer-Legierungen kann zumindest teilweise durch die Bildung von günstigen Kornorientierungen infolge einer Warmverformung sowie die Fähigkeit der Legierung, Arbeit in Scherzeilen zu speichern, begünstigt, um eine kontinuierliche Rekristallisierung bei Raumtemperatur zu fördern.
Die Leichtigkeit von basalem Gleiten in kleineren, günstiger orientierten Körnern von warm verformten Magnesium-Cer-Legierungen kann zu einer Verringerung der Streckspannung der Legierung und zu einer Zunahme der Kaltverfestigung führen. Normalerweise führt eine Kornverfeinerung zu einer Zunahme der Streckgrenze der Legierung aufgrund der Hall-Petch-Beziehung. Es ist jedoch gezeigt worden, dass dieser Effekt in Materialien, die durch eine hexagonale, geschlossen gepackte Kristallstruktur definiert sind, bei der die Texturanisotropie eine dominante Rolle bei der Definition der Streckgrenze spielt, relativ schwach ist. Somit wird in dem Fall von Magnesium, das mit kleinen Mengen Cer legiert ist, eine Abnahme der Streckgrenze bis zu einem gewissen Ausmaß wegen der Umorientierungseffekte beobachtet, die mehr Signifikanz haben und den widerstreitenden Hall-Petch-Effekt geringfügig ausgleichen. Gleichermaßen ist der verbesserte Verformungsverfestigungskoeffizient, der durch eine Magnesium-Cer-Legierung erzielt wird, teilweise auf die Leichtigkeit eines Versetzungsquergleitens von Basal- zu Pyramidalebenen zurückzuführen.
In Anbetracht der überraschenden Zunahme der Duktilität bei Raumtemperatur der warm verformten Magnesium-Cer-Presslinge wird eine weitere Beschreibung des Strangpressprozesses mit Bezug auf den gegossenen Pressling aus reinem Magnesium (reines Mg) und einen Pressling aus einer Magnesium-Cer-Legierung, die etwa 0,2 Gewichtsprozent Cer umfasst (Mg-0,2Ce) angegeben. Beide Presslinge wiesen einen Durchmesser von ungefähr 75 mm auf und wurden entlang einer geraden Achse in einer vertikalen Mehrzweck-Hydraulikpresse Wellman Enefco™ mit 500 Tonnen stranggepresst, um massive Stäbe mit einem Durchmesser von ungefähr 15 mm zu bilden. Um dieses Warmstrangpressen zu bewerkstelligen, wurden die Presslinge jeweils auf eine Temperatur von ungefähr 400°C vorgewärmt und über eine Dauer von zwei Stunden gehalten und anschließend durch ein kreisförmiges Werkzeug mit einem Strangpressverhältnis von 25:1 mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/s gedrückt. Bornitrid wurde als ein Schmiermittel verwendet, um das Warm-Metallstrangpressen zu erleichtern. Danach wurden die mechanischen Eigenschaften und die Mikrostruktur der massiven Stäbe aus reinem Mg und aus Mg-0,2Ce analysiert und verglichen.
Um die mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur zu analysieren, wurden Proben der massiven, stranggepressten Stäbe getestet, um Streckgrenze, Kompressibilität und Dehnung zu bewerten. Zunächst wurden Zugprüflinge mit einer Maßlänge von 25 mm und einem Maßdurchmesser von 6,25 mm mit einer Instron Universal Testing Machine bei einer durchschnittlichen Dehnungsrate von 0,66 × 10^-3 s^-1 getestet. Drei Prüflinge wurden von unterschiedlichen Lagen entlang des stetigen Abschnitts der stranggepressten Stäbe entnommen, und die Durchschnittswerte wurden aufgezeichnet. Bei Raumtemperatur deckten Zugversuche an der Probe aus reinem Mg eine Streckgrenze von 106 MPa, eine Bruchfestigkeit von 170 MPa und einen Dehnungswert von 9,1 % auf. Entsprechende Versuche, die an der Mg-0,2Ce-Probe durchgeführt wurden, deckten eine Streckgrenze von 68,6 MPa, eine Bruchfestigkeit von 155 MPa und einen Dehnungswert von größer als 30 % auf. Die stranggepresste Stabprobe aus Mg-0,2Ce-Legierung weist deutlich eine geringere Streckgrenze auf und ist signifikant duktiler als die Stabprobe aus reinem Mg-Metall. Zusätzliche Details, die zu den Bruchflächen der Zugprüflinge gehören, werden nachstehend in Verbindung mit der Mikrostrukturanalyse der stranggepressten Stäbe dargelegt.
Zweitens wurden uniaxiale Druckversuche auf einer United Testing FRM60™-Maschine durchgeführt, die mit einer 27 Tonnen-Kraftmessdose an einem 12,7 mm Druckmesser ausgestattet war. Proben der stranggepressten Stäbe mit einer Länge von 37,4 mm und einem Durchmesser von 12,8 mm, die die ASTM E9-Versuchsprozedur erfüllen, welche ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 3:1 verlangt, wurden auf einen maximalen Wert von 10 % mit einer Dehnungsrate von 0,005 min^-1 zusammengedrückt. Die Streckgrenzen bei Druck der beiden Proben waren nahezu identisch, wobei die Festigkeit von reinem Mg mit 53,5 MPa gemessen wurde und die Festigkeit von Mg-0,2Ce mit 55,8 MPa gemessen wurde. Die Ähnlichkeit der Streckgrenzen bei Druck resultiert aus der Tatsache, dass die Schwellenverformung, die erforderlich ist, um die Ausdehnungszwillinge zu nukleieren, in jeder Probe äquivalent ist. Ein festgestellter Unterschied wurde jedoch in der Weise beobachtet, in der jede Probe von einem elastischen Verhalten zu einem plastischen Verhalten überging. Genauer ging die Probe aus reinem Mg abrupt von dem elastischen in den plastischen Modus über, was signalisiert, dass die Verformung beinahe ausschließlich durch Zwillingsbildung erfolgt. In der Mg-0,2Ce-Probe wurde ein allmählicher Übergang zwischen dem elastischen und dem plastischen Modus beobachtet, was nahe legt, dass die Verformung durch eine Kombination aus Zwillingsbildungs- und Gleitmechanismen erfolgt.
Um die Mikrostruktureigenschaften der stranggepressten Stäbe zu analysieren, wurden polierte Proben, die parallel und senkrecht zur Strangpressachse geschnitten waren, vorbereitet, indem zunächst 0,15 m des vorderen Endes des stranggepressten Stabes weggeworfen wurden, um sicherzustellen, dass das untersuchte Material einen Abschnitt des Stabes darstellt, der durch stetiges Strangpressen gebildet worden war. Als Nächstes wurden metallografische Proben von dem benötigten Typ durch Standardverfahren vorbereitet und poliert. Die Proben wurden anschließend in einer Lösung geätzt, die 20 mL Eisessig, 50 mL Picrinsäure, 10 mL Methanol und 10 mL voll entsalztes Wasser enthielt.
Polierte Proben, die parallel und senkrecht zur Strangpressachse geschnitten waren, wurden aus beiden stranggepressten Stäben angefertigt und mit einem optischen Mikroskop von Nikon™ untersucht, das mit einer Bildanalysevorrichtung von Leco™ verbunden war, um die Mikrostruktur in sowohl den Längs- als auch den Querrichtungen zu untersuchen. Die optischen Mikrofotografien zeigen keine Anisotropie in der Kornmorphologie entlang jeder Richtung und geben eine vollständig rekristallisierte, nahezu gleichachsige Kornstruktur mit einer durchschnittlichen Korngröße von ungefähr 60 µm für die Probe aus reinem Mg und 45 µm für die Mg-0,2Ce-Probe an. Es gab auch einen gewissen Beweis für eine Zwillingsbildung in der Mg-0,2Ce-Probe, die parallel zu der Strangpressachse geschnitten war, welche in der entsprechenden Probe aus reinem Mg nicht vorhanden war.
Darüber hinaus wurden, wie es oben angesprochen wurde, optische Mikrofotografien, die die Mikrostruktureigenschaften der Bruchflächen der Zugversuchsproben aus reinem Mg und Mg-0,2Ce zeigen, untersucht. In beiden Proben wurden nahezu gleiche Mengen an verzwillingten Körnern in optischen Mikrofotografien beobachtet, die von dem mittleren Schnitt der verformten Proben senkrecht zu der Bruchfläche genommen wurden. Es wurde auch herausgefunden, dass in beiden Prüflingen der Bruch intragranular war, d.h. die Rissausbreitung erfolgte entlang von Korngrenzen. Nichtsdestoweniger waren Mikrostrukturungleichheiten zwischen den Bruchflächen der beiden Proben offensichtlich. Zum Beispiel deckte eine Untersuchung der Probe aus reinem Mg das Vorhandensein von Spaltebenen, die vorwiegend innerhalb von Körnern zu finden waren, ein Beweis für Leerstellenbildung, und sehr wenig Einschnürung (im Vergleich mit Mg-0,2Ce) auf. Diese Beobachtungen legen nahe, dass eine Risseinleitung in der Probe aus reinem Mg an Zwillingsschnittpunkten auftreten kann und sich anschließend ausbreitet, um die beobachtete Bruchstruktur zu erzeugen. Im Gegensatz dazu wurde in der Mg-0,2Ce-Probe eine signifikante Einschnürung im Vergleich mit der Probe aus reinem Mg sowie ein Fehlen von Spaltebenen beobachtet. Die Vertiefungen an der Bruchfläche der Mg-0,2Ce-Probe war durch intensives Gleiten an dem Grenzbereich abgegrenzt, und kleine Partikel, die im Inneren der Leerstellen gelegen sind, legen einen durch Partikel eingeleiteten Bruch in der Legierung nahe. Die Untersuchung der Bruchfläche der Mg-0,2Ce-Probe identifizierte auch das Vorhandensein von Leerstellenbildung, die allein auf sich nicht schneidende Scherzeilen begrenzt war, die parallel zu der Zugachse gelegen sind. Diese Beobachtung ist ein Beweis für eine mögliche kontinuierliche Rekristallisierung in den Scherzeilen vor der Rissspitze, und befördert stark, dass Gleitaktivität und Verformung auf Bereiche von der Scherzeile weg umverteilt werden. Es wird angenommen, dass dieses Phänomen teilweise für die Steigerung der Duktilität und das Vorhandensein von Einschnürung in der Mg-0,2Ce-Strangpressprobe sowie die Fähigkeit der Probe, Risswachstum zu unterbinden, verantwortlich ist.
Die Proben wurden auch durch EBSD (electron backscattered diffraction) in einem Rasterelektronenmikroskop LEO™ 1450 untersucht, das 18 mm von den Proben entfernt platziert und mit einer TSL™ EBSD-Kamera ausgestattet war, die mit 20 kV arbeitete. Die EBSD-Datenkarten, die mit einer TSL-Datenanalysesoftware aus Proben erzeugt wurden, die parallel zur Strangpressachse geschnitten waren, geben an, dass sowohl das reine Mg-Metall als auch das Mg-0,2Ce-Metall eine völlige rekristallisierte Strangpressung durchliefen. Beispielsweise zeigen die Datenkarten, dass sowohl das reine Mg-Metall als auch das Mg-0,2Ce-Metall Körner mit gleichachsigen Formen und geraden Korngrenzen enthalten. Die Datenkarten liefern auch Korngrößenmessungen, die für eine Zwillingsbildung von ungefähr 34 µm für die Probe aus reinem Mg, die sehr wenig Zwillingsbildung zeigte, und ungefähr 26 µm für die Mg-0,2Ce-Probe, die eine Zwillingsbildung in etwa 2 % ihrer Körner zeigte, eingestellt sind.
Darüber hinaus wurden auch Unterschiede in den reinen Mg- und Mg-0,2Ce-Körnern mit Bezug auf die Orientierung der basalen Ebene beobachtet. In der Probe aus reinem Mg waren die basalen Ebenen nahezu aller Körner parallel zur Strangpressachse orientiert, um eine Umfangsringtextur um die Achse herum zu bilden. Diese Textur setzt sich zu einem Schmid-Faktor von über 0,4 in ungefähr 36 % der Körner und einem Taylor-Faktor von weniger als 1 für über 80 % der Körner für die Probe aus reinem Mg um. Die Körner in der Mg-0,2Ce-Probe besaßen andererseits Orientierungen der Basalebene unter einem Winkel von grob zwischen 40° und 50° zu der Strangpressachse. Wegen dieser Textur zeigen ungefähr 56 % der Körner in der Mg-0,2Ce-Probe einen Schmidt-Faktor von größer als 0,4, und über 80 % der Körner haben einen Taylor-Faktor von weniger als 1. Auf der Basis der obigen Ergebnisse umfasst die Mg-0,2Ce-Probe, und dementsprechend der stranggepresste Mg-0,2Ce-Stab, eine Kornstruktur mit einer basalen Gleitorientierung, die fügbarer für eine Umformbarkeit als der stranggepresste Stab aus reinem Mg ist. Der Zusatz von kleinen Mengen Cer ändert nachweisbar die Textur des Magnesiummaterials während der Rekristallisationsphase, die dem Warmstrangpressen folgt.
Zusätzlich zu der obigen Mikrostrukturanalyse wurde eine detaillierte chemische Karte von Cer, Sauerstoff und Magnesium aus der Oberfläche einer polierten Mg-0,2Ce-Probe unter Verwendung einer Elektronenstrahl-Mikroanalysevorrichtung Cameca™ SX100, die mit 20 kV arbeitet, erhalten. Die Elektronenstrahlmikrokarten zeigen Cer-Partikel, denen in vielen Fällen Sauerstoffpartikel zugeordnet sind, was nahe legt, dass Cer-Partikel eine Mischung von Mg-Ce-intermetallischen Partikeln und verteilten Oxidpartikeln in der Mikrostruktur der Legierung bilden. Die größeren intermetallischen Mg-Ce-Partikel machten etwa 1 Volumenprozent der Legierung aus und wurden regelmäßig in Körnern oder an Korngrenzen beobachtet.
Das Warmstrangpressen von gegossenen Presslingen aus reinem Magnesium, Magnesium-0,2Cer und 0,5Cer jeweils bei 400°C und mit einem Strangpressreduktionsverhältnis von 25:1 ist oben zusammen mit den resultierenden Zugversuchseigenschaften bei Raumtemperatur beschrieben. Presslinge aus Magnesium-0,2Cer-3Aluminium und Magnesium-0,2Cer-5Aluminium wurden auf die gleiche Weise warm stranggepresst. Die Zugdehnung bei Bruchlast für den stranggepressten Pressling aus Mg-0,2Ce-3Al betrug 18 % und für den Pressling aus Mg-0,2Ce-3Al betrug 16%.
Wenn Mg-0,2Ce-Presslinge bei 350°C (mit einem Strangpressverhältnis von 25:1) stranggepresst wurden, betrug ihre Zugdehnung entlang der Strangpressachse etwa 21 %. Und wenn Mg-0,2Ce-Presslinge bei 450°C (mit einem Strangpressverhältnis von 25:1) stranggepresst wurden, betrug ihre Zugdehnung entlang der Strangpressachse etwa 28 %.
Das Strangpressverhältnis kann auch eine Auswirkung auf die Duktilität der warm stranggepressten Presslinge mit Magnesium-Seltenerdenelementen haben. Wenn beispielsweise Mg-0,2Ce-Presslinge bei 400°C mit einem Strangpressverhältnis von 9:1 extrudiert wurden, betrug die Zugdehnung etwa 20 %, und wenn Mg-0,2Ce-Presslinge bei 400°C mit einem Strangpressverhältnis von 36:1 stranggepresst wurden, betrug die Zugdehnung etwa 23 %.
Somit ist die gesteigerte Duktilität von Magnesium-Seltenerden-Legierungen im Anschluss an eine geradlinig gerichtetes Warmverformung auf eine veränderte metallurgische Textur, die eine basale Gleitaktivität begünstigt, eine geänderte Gleitwinkelverteilung, eine stärkere Kaltverfestigung und eine kleinere Korngröße zurückzuführen. Ein Warmwalzen mit einer wesentlichen Verringerung des Querschnitts kann auch als die gerichtete Warmverformung verwendet werden. Der Effekt wird erhalten, indem eine geeignete bevorzugte Temperatur (von zumindest mehr als 350°C) für eine gerichtete Verformung eines geeignet ausgestalteten Presslings aus der Legierung gefunden wird. Wie beschrieben ist ein Warmstrangpressen mit einem experimentell erhaltenen, bevorzugten Strangpressverhältnis besonders wirksam. Die Verbesserung scheint in binären Magnesium-Cer-Legierungen am stärksten ausgeprägt, welche Cer oder ein Cer-Mischmetall als den legierenden Bestandteil verwenden.
Somit ist die praktische Ausführung der Erfindung nicht auf die spezifischen veranschaulichenden Ausführungsformen beschränkt, die dazu verwendet werden, ihre praktischen Ausführungen zu veranschaulichen.

Claims

Verfahren zum Verarbeiten einer Magnesium-Cer-Legierung, wobei das Verfahren umfasst, dass: i) ein Magnesiumlegierungspressling bereitgestellt wird, der, bezogen auf das Gewicht, aus 0,2 bis 0,5 Gewichtsprozent Cer und Rest im Wesentlichen Magnesium besteht, wobei der Pressling mit einer vorbestimmten geradlinigen Achse für eine Warmverformung geformt wird, ii) der Magnesiumlegierungspressling auf eine Temperatur zwischen mehr als 350 und 500 °C erwärmt wird, iii) der erwärmte Magnesiumlegierungspressling entlang der vorbestimmten Achse bei einer Temperatur von mehr als 350°C bis 475 °C durch ein Strangpresswerkzeug mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 10 mm/s bis 1000 mm/s des Materialstrangs stranggepresst wird, wobei das Strangpressverhältnis im Bereich von 10:1 bis 60:1 liegt, um ein stranggepresstes Werkstück zu bilden, das Körner mit Basalebenen aufweist, die für eine gesteigerte Duktilität unter einem Winkel von größer als vierzig Grad mit Bezug auf die Strangpressachse orientiert sind, und iv) das stranggepresste Werkstück einer weiteren Verformung bei Umgebungstemperatur unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Magnesiumlegierungspressling Cer enthaltendes Mischmetall umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Körner des stranggepressten Werkstücks kleiner als die Körner eines ähnlichen Presslings aus reinem Magnesium sind, der unter den gleichen Verarbeitungsparametern stranggepresst wird.