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Verfahren zur Herstellung von vergüteten Gußteilen aus einer Magnesium-Aluminium-Zink-Legierung
In einem in der Zeitschrift »Metal Industry« (1960) unter dem Titel »Magnesium
Casting Alloys« veröffentlichten Aufsatz geben die Verfasser eine übersicht über
die seit Beginn der Entwicklung der Magnesiumgußwerkstoffe bis zur Gegenwart verwendeten
Legierungen. Sie unterscheiden dabei vier Gruppen.
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In der Gruppe 1 sind die ältesten Magnesiumgußlegierungen mit
wesentlichen Gehalten an Aluminium und Zink aufgeführt, die bekannterweise auch
noch einige zehntel Prozente Mangan enthalten. Heute kommen von den Legierungen
dieser Gruppe besonders die unter der Bezeichnung AZ 91 (9,5 bis
10,5 11/o Aluminium, 0,2 bis 0,6 11/o Zink, 0,2 bis 0,5 % Mangan,
Rest Magnesium mit maximal 0,2 1/o Silicium und maximal 0,1511/o Kupfer) und AZ
92 (8,3 bis 9,7% Aluminium, 1,7 bis 2,3% Zink, 0,10% Mangan, Rest Magnesium
mit maximal 0,3% Silicium, 0,05 % Kupfer und 0,01 % Nickel) bekannten
Legierungen in Betracht.
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In der zweiten Gruppe sind die hochfesten Magnesium-Zirkonium-Legierungen
mit wesentlichen Gehalten an Zink genannt. Abgewandelte Legierungen dieses Typus
enthalten auch geringe Zusätze an Metallen der seltenen Erden oder Thorium.
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In der dritten Gruppe sind die auch bei erhöhten Temperaturen kriechfesten
Magnesium-Zirkonium-Legierungen mit wesentlichen Legierungszusätzen an Metallen
der seltenen Erden oder Thorium zusammengestellt.
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In der vierten Gruppe sind die erst in den letzten Jahren entwickelten
Magnesium-Zirkonium-Legierungen mit Zusätzen an Metallen der seltenen Erden und
Silber aufgeführt.
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Wenn man einmal von den Legierungen der Gruppe 3 absieht, so
läßt ein Vergleich in den Festigkeitswerten der vergüteten Legierungen Vorteile
der Legierungen der Gruppen 2 und 4 gegenüber den Legierungen der Gruppe
1 erkennen. Die zirkoniumhaltigen Legierungen sind jedoch schmelztechnisch
schwieriger zu handhaben, und sie sind insbesondere dann, wenn sie noch Gehalte
an Metallen der seltenen Erden und Silber aufweisen, wesentlich teurer als die Magnesium-Aluminium-Zink-Legierungen
und haben die letzteren aus diesem Grunde auf vielen Verwendungsgebieten daher auch
nicht verdrängen können.
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Eingehende Untersuchungen haben nun zu dem Ergebnis geführt, daß man
vergütete Gußteile aus einer Magnesium-Aluminium-Zink-Legierung herstellen kann,
deren Festigkeitseigenschaften, insbesondere deren Streckgrenzenwerte, sogar diejenigen
von Gußteilen aus den genannten Magnesium-Zirkonium-Legierungen mit Gehalten an
Zink oder Metallen der seltenen Erden und Silber nicht nur erreichen, sondern sogar
noch überschreiten, nämlich eine Zugfestigkeit (aB) von mindestens 30 kp/mM2
und bis 35 kp/MM2, eine Streckgrenze (a.,2) von mindestens 19 kp/MM2
und bis 25 kp/mM2 und eine Dehnung (ä.) von mindestens 3 %
und bis zu 7 1/o besitzen.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Gußteile aus einer Magnesiumlegierung
mit 8,3 bis 8,7% Aluminium, 1,4 bis 1,6% Zink, 0 bis 0,3% Mangan,
0 bis 0,7% Kupfer, Rest Magnesium einer Vergütung durch Homogenisieren, Abschrecken
und Anlassen in der Weise unterworfen, daß die Gußteile in bekannter Weise in Stufen,
und zwar erfindungsgemäß bei steigenden Temperaturen zwischen 380
und 420'
C erhitzt, in Wasser abgeschreckt und angelassen werden, versuchsweise bei
Temperaturen von 170 bis 1901 C, wobei die Erhitzung bei 420'
C so lange durchgeführt wird, daß die Gußausscheidungen einer aluminium-
und zinkhaltigen interinetallischen Verbindung möglichst vollständig in Lösung gebracht
sind und die Gußteile nach darauffolgender Ab-
schreckung und anschließendem
Anlassen eine Zugfestigkeit (aB) von mindestens 30 kp/mM2, eine Streckgrenze
(CF,'2) von mindestens 19 kp/MM2 und eine Dehnung (ö") von mindestens
3 % aufweisen.
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Zwecks Erzielung der genannten Festigkeitseigenschaften werden Schmelzen
wie bei anderen Magnesiumlegierungen des Typus MgAlZrt in bekannter Weise einer
Kornfeinungsbehandlung unterworfen, z. B. mit Hexachloräthan. Ein geringer Kupfergehalt
der Legierungen, z. B. von 0,511/o Kupfer, bewirkt zwar auch eine Feinung des Gußkomes,
die allerdings etwas geringer ist als diejenige kupferfreier Legierungen bei einer
Behandlung mit z. B. Hexachloräthan. Wesentlich ist aber die bei einem solchen
Kupfergehalt
der Legierungen erzielte Feinung der Gußausscheidungen der alunünium- und zinkhaltigen
interinetallischen Verbindung, wodurch die Homogenisierung der Gußteile beschleunigt
werden kann. Bei Gußteilen mit z.B. 0,5% Kupfer werden nach der gleichen Homogenisierungs-
und Anlaßbehandlung, wie oben beschrieben, mindestens die gleichen Festigkeitswerte
erzielt wie bei Gußteilen aus einer kupferfreien Legierung durch eine Komfeinungsbehandlung
mit z. B. Hexachloräthan.
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Da, wie gefunden wurde, Legierungsschmelzen mit etwa 0,5 Olo
Kupfer durch eine Behandlung mit z. B. Hexachloräthan zu Gußteilen mit merklich
gröberem Gußkorn führen als unbehandelte kupferhaltige Schmelzen, wird man entweder
kupferfreie Legierungen oder solche mit nur bis etwa 0,1% Kupfer einer Kornfeinungsbehandlung
mit z. B. Hexachloräthan unterwerfen oder aber Schmelzen mit etwa 0,3 bis 0,7% Kupfer
ohne eine solche Komfeinungsbehandlung vergießen.
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Die Daten der Homogenisierungsbehandlung können insbesondere in Abhängigkeit
von dem angewendeten Gießverfahren natürlich in einem gewissen Umfange variiert
werden, da es ja zur Erzielung der hohen Festigkeitswerte darauf ankommt, die
je nach der Gießmethode mehr oder weniger groben Ausscheidungen einer aluniinium-
und zinkhaltigen intennetallischen Verbindung möglichst vollständig in Lösung zu
bringen. Wesentlich ist, daß die Erhitzung der Gußteile zwischen Temperaturen von
etwa 380 bis 4201 C stufenweise und bei der höchsten Temperatur so
lange durchgeführt wird, daß die angegebenen Mindestwerte in den Festigkeitseigenschaften
durch die im Anschluß an die Abschreckung vorgenommene AnlaßbehandIung erreicht
werden. Diese wird im allgemeinen bei Temperaturen von 170 bis
1901 C, vorzugsweise 175 bis 185' C, durchgeführt, und zwar
während einer Dauer von etwa 5 bis 20 Stunden, vorzugsweise 10 bis
15 Stunden.
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Das erflndungsgemäße Verfahren wird weiter an Hand von Ausführungsbeispielen
näher beschrieben und erläutert. Beispiel 1
Eine Schmelze aus einer Magnesiumlegierung
mit 8,5% Aluminium, 1,5% Zink und 0,2,D/o Mangan wurde in bekannter Weise bei
750' C einer Kornfeinungsbehandlung mit Hexachloräthan (2 Gewichtsteile Hexaehloräthan
auf 1000 Gewichtsteile Schmelze) unterworfen und darauf zu Kokillengußteilen
vergossen.
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Die Gußteile wurden in einem Lufturnwälzofen zunächst 14 Stunden bei
380' C, dann unter Erhöhung der Temperatur 10 Stunden bei 4001
C und schließlich unter weiterer Erhöhung der Temperatur 16 Stunden
bei 420' C erhitzt, anschließend in Wasser von Raumtemperatur abgeschreckt
und darauf 10 Stunden bei 180' C angelassen. So behandelte Gußteile
weisen dann die folgenden Festigkeitswerte auf: Zugfestigkeit (aB) ...... 33,0
kp/MM2 Streckgrenze (CTO,2) ...... 24,0 kp/MM2 Dehnung (b. ,) ..........
3% Beispiel 2 Eine Schmelze aus einer Magnesiumlegierung mit 8,5% Aluminium, 1,5%
Zink, 0,511/o Kupfer und 0,2 1/o Mangan wurde ohne eine Kornfeinungsbehandlung bei
einer Temperatur von 750' C zu Kokillengußteilen vergossen.
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Die Gußteile wurden in einem Luftumwälzofen 14 Stunden bei
3801 C, 10 Stunden bei 400' C und 16 Stunden bei 4201
C erhitzt, dann in Wasser von Raumtemperatur abgeschreckt und im Anschluß
daran 10 Stunden bei 180' C angelassen. Die Gußteile weisen dann die
folgenden Festigkeitswerte auf: Zugfestigkeit (aB) ...... 33,5 kp/mm.2 Streckgrenze
(a.,2) ...... 24,5 kp/MM2 Dehnung (b.) .......... 4,5% Beispiel
3
Eine Schmelze aus einer Magnesiumlegierung mit 8,4% Aluminium, 1,45% Zink
und 0,1811/o Mangan wurde bei 7501 C der gleichen Komfeinungsbehandlung,
wie im Beispiel 1 beschrieben, unterworfen, darauf kurzfristig auf
8001 C erhitzt und dann bei 750' C
zu Sandgußteilen vergossen.
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Die Gußteile wurden in einem Luftumwälzofen zunächst 8 Stunden
bei 3801 C, dann 15 Stunden bei 4001 C und schließlich
8 Stunden bei 4201 C erhitzt und anschließend in Wasser von Raumtemperatur
abgeschreckt. Nach einer darauffolgenden Anlaßbehandlung während 12 Stunden bei
1801 C weisen die Gußteile die folgenden Festigkeitswerte auf: Zugfestigkeit
(aB) ...... 35,0 kp/MM2 Streckgrenze (a",) ...... 22,3 kp/MM2 Dehnung
(ö") .......... 4,51/o Die Festigkeitswerte von vergüteten Gußteilen aus
der erfindungsgemäß zusammengesetzten Magnesiumlegierung sind überraschend. Denn
noch in einem kürzlich in der Zeitschrift »Foundry« (Juni 1962)
veröffentlichten
Aufsatz über den »Abschreckeffekt bei einer Magnesiumgußlegierung« berichten amerikanische
Forscher über Versuche mit der Legierung AZ 91 (8,4 1/o Aluminium,
0,8 1/o Zink), bei denen an gesondert gegossenen, vergüteten Prüfstäben Streckgrenzenwerte
erhalten wurden, die denen gemäß der Erfindung deutlich unterlegen sind.
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Es ist bekannt, daß sich eine Magnesiumlegierung mit 8,5% Aluminium
und 1,5% Zink für die Herstellung von Formgußstücken als besonders günstig erwiesen
hat, da sie eine genügende Leichtflüssigkeit und gleichzeitig hohe Dehnungswerte
bei höheren Temperaturen besitzt, so daß das Auftreten von Schwundrissen in den
Formgußstücken wesentlich eingeschränkt oder überhaupt ausgeschaltet wird.
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Es ist weiter im Schrifttum darauf hingewiesen worden, daß es zweckmäßig
ist, das Mikrogefüge von Gußteilen aus aluminium- und zinkhaltigen Magnesiumlegierungen
nach erfolgter Homogenisierungsglühung an Hand von Schliffbildem auf Vollständigkeit
der Homogenisierung zu kontrollieren. Die am Beispiel von Schliffbildem von Gußteilen
der Legierung A9V (7,8 bis 8,811/o Al, 0,1 bis 0,8% Zu, 0,1 bis
0,5 1/o Mn, < 0,3 1/o Si, Rest Mg) erläuterte Kontrolle
wird aber im Zusammenhang mit einer Wärinebehandlung empfohlen, die lediglich in
einer Homogenisierungsglühung mit anschließendem Ab-
kühlen besteht. über
eine Anlaßbehandlung bei 150
bis 2001 C im Anschluß an die Homogenisierungsglühung
wird in der gleichen Schrifttumsstelle nur bei aluminium- und zinkhaltigen Magnesiumgußlegierungen,
deren
Zinkgehalt entweder weniger als 1 % oder mehr als 2 % beträgt, berichtet.
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Bei der Herstellung von nach bekannten Warmbehandlungsverfahren vergüteten
Gußteilen aus Magnesiumlegierungen, die ähnlich wie die nach dem erfindungsgemäßenVerfahrenbehandeltenzusammengesetzt
waren, wurde übersehen, daß es bei einer vollständigen, auch eine Anlaßbehandlung
einschließenden Warmbehandlung darauf ankommt, die Homogenisierungsbehandlung in
der Weise durchzuführen, daß die Gußausscheidungen einer aluminium- und zinkhaltigen
intennetallischen Verbindung möglichst vollständig in Lösung gebracht sind. Es wurde
nicht erkannt, daß erst das Inlösungbringen der letzten prozentualen Anteile an
den Gußausscheidungen einer aluminium- und zinkhaltigen intermetallischen Verbindung
den nach der Erfindung ganz erheblichen Anstieg der Festigkeitswerte zur Folge hat.
Das geht auch aus eigenen Versuchen hervor, bei denen Sandgußteile aus den Schmelzen
nach Beispiel 3 nach folgenden bekannten Verfahren vergütet wurden.
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Nach einer USA.-Nonn (»Metals Handbook«, 8. Auflage,
1961, Bd. I, S. 1099, Tafel 4) werden Gußteile aus der Magnesiumlegierung
AZ 92 mit 8,3 bis 9,7% Aluminium, 1,6 bis 2,4% Zink und mindestens 0,101/o
Mangan einer Warinbehandlung unterworfen, die darin besteht, daß die Gußteile 20
Stunden bei 404' C erhitzt, dann in Luft abgeschreckt und schließlich 14
Stunden bei 2161 C angelassen werden. In dieser Weise vergütete Sandgußteile
aus Schmelzen nach Beispiel 3 besitzen, wie durch eigene Versuche gefunden
wurde, folgende Festigkeitswerte: Zugfestigkeit (aB) ...... 22,3 kp/MM2 Streckgrenze
...... 17,9 kp/MM2 Dehnung (b.) .......... 115010 Selbst wenn man
die genannte USA.-Norm in der Weise modifiziert, daß man im Anschluß an die Erhitzung
bei 4041 C nicht in Luft, sondern in Wasser von 201 C abschreckt,
erhält man, wie eigene Versuche ergaben, bei Sandgußteilen aus Schmelzen nach Beispiel
3 die nicht wesentlich verbesserten Festigkeitswerte: Zugfestigkeit (aB)
...... 25,0 kp/mm2 Streckgrenze (a",) ...... 18,4 kp/mm2 Dehnung (b.,)
.......... 2,704
Nach einer weiter bekannten älteren Vorschrift
(A series of five Educational Lectures on Magnesium Presented to Members
of the A. S. M. during the Twenty-Seventh National Metal Congress and Exposition,
Cleveland, February 4 to 8, 1946, Page 7e", Copyright 1946 by American Society
for Metals, Cleveland, Ohio) wird die ähnlich zusammengesetzte Magnesiumlegierung
»Downietal C« mit 8,3 bis 9,7 % Aluminium, 1,7 bis
2,3 % Zink und mindestens 0,100/e Mangan in der Weise vergütet, daß
die Gußteile in 2 Stunden von 2600 C auf 40411 C erhitzt, weiter
18 Stunden bei dieser Temperatur gehalten, dann in Luft abgeschreckt und
schließlich 10 Stunden bei 216' C angelassen werden. Sandgußteile
aus Schmelzen nach Beispiel 3, die in dieser Weise behandelt wurden, weisen
die folgenden Festigkeitswerte auf: Zugfestigkeit (aB) ...... 25,8 kp/mm2
Streckgrenze (o.,2) ...... 18,9 kp/mM2 Dehnung (b.) .......... 2,0% Diese
Werte werden, wie weitere eigene Versuche ergaben, praktisch ebenfalls kaum verändert,
wenn man diese Vorsürift in der Weise modifiziert, daß statt in Luft in Wasser abgeschreckt
wird.
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Erhitzt man Sandgußteile aus den Schmelzen nach Beispiel
3 aber im Anschluß an die genannte Homogenisierungsbehandlung bei Temperaturen
zwischen 260 und 4041 C noch erfindungsgemäß weitere 16 Stunden
bei 4201 C, schreckt darauf in Wasser ab und läßt schließlich 13 Stunden
bei 1800 C an, dann werden die folgenden Festigkeitswerte erhalten: Zugfestigkeit
(aB) ...... 34,2 kp/MM2 Streckgrenze (a",) ...... 23,3 kp/MM2 Dehnung
(b..) .......... 3,3%