DE19915276A1 - Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung durch Strangpressen und Verwendung der stranggepreßten Halbzeuge und Bauteile - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung durch Strangpressen und Verwendung der stranggepreßten Halbzeuge und Bauteile

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DE19915276A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung hoher Duktilität u. a. durch Strangpressen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Magnesiumlegierung mit einem Umformgrad von mindestens 1,5 stranggepreßt wird, daß sie Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, daß sie einen Gehalt an Li im Bereich von 0,5 bis 20 Gew.-% enthält, daß sie neben den Gehalten an Mg und Li sowie ggf. Al oder/und Si einen Gehalt an mindestens einem weiteren chemischen Element von mindestens 0,1 Gew.-% enthält und daß sie nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 20%, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 70 J aufweist. DOLLAR A Sie betrifft ferner auch entsprechende Verfahren zur Herstellung von Magnesiumlegierungen bestimmter Zusammensetzungen und Werkstoffeigenschaften.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung hoher Duktilität u. a. durch Strangpressen sowie die Verwendung der stranggepreßten Halbzeuge bzw. Bauteile.
Magnesiumlegierungen sind aufgrund ihrer sehr geringen Dichte etwa im Bereich von 1, 2 bis 1,9 g/cm3, vereinzelt auch, vor allem bei besonders Lithium-reichen Magnesiumlegierungen, bis hinab zu etwa 0,9 g/cm3, als metallische Konstruktionsmaterialien vor allem für den Fahrzeug- und Flugzeugbau von hohem Interesse. Sie werden zukünftig für den Leichtbau von Kraftfahrzeugen und Flugzeugen immer mehr eingesetzt werden, um das Gewicht von zusätzlichen Elementen aufgrund steigender Komfort- und Sicherheitsstandards insbesondere bei neuen schadstoffärmeren Automobilen ausgleichen zu können. Sie sind auch für transportable oder aus anderem Grund besonders leicht gebaute Geräte und Anlagen von Interesse. Der Leichtbau ermöglicht dabei in besonderem Maße die Konstruktion von energiesparenden Fahr- und Flugzeugen wie z. B. des 3-Liter- Kraftfahrzeugs. Unter den Herstellungsverfahren kommt beim Urformen dem Druckgießen und beim Umformen dem Strangpressen, Schmieden, Walzen und ggf. nachfolgendem Umformen wie dem Streck- bzw. Tiefziehen zukünftig eine stark wachsende Bedeutung zu, da mit diesen Verfahren Leichtbauteile herstellbar sind, wie z. B. Sitz-, Fenster- und Türrahmen, Elemente von Fahrzeugzellen und Fahrzeugaußenhäuten, Gehäuse, Bodenelemente, Deckel, Tankelemente, Tankklappen, Halterungen, Stützen, Träger, Winkel, Crashelemente, Pralldämpfer, Prallschilde und Prallträger, Kleinteile bzw. entsprechende Bauteile für Flugzeuge, für die zusehends steigender Bedarf besteht.
Die Kaltverformbarkeit der kommerziell gebräuchlichen Magnesiumlegierungen ist aufgrund der hexagonalen Kristallstruktur und der damit zusammenhängenden geringen Duktilität begrenzt. Polykristallines Magnesium sowie die meisten Magnesiumlegierungen verhalten sich bei Raumtemperatur spröde. Für etliche Anwendungen bzw. für bestimmte Herstellverfahren von Halbzeugen aus Magnesiumlegierungen ist neben guten mechanischen Eigenschaften wie hoher Zugfestigkeit ein duktiles Verhalten notwendig. Ein verbessertes Umform-, Energieaufnahme- und Deformationsverhalten bedingt eine höhere Duktilität und ggf. auch eine höhere Festigkeit und Zähigkeit. Hierfür sind Magnesiumlegierungen mit diesen Eigenschaften zu entwickeln bzw. deren Herstellverfahren weiterzuentwickeln, weil viele Werkstoffvarianten mit dem Herstellzustand stark variierende Werkstoffeigenschaften aufweisen.
Als Duktilität wird das Vermögen eines Werkstoffes zu bleibender Formänderung bezeichnet, das beim einachsigen Zustand nach dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm im Idealfall völlig ohne elastischen Anteil ist. Dieses Vermögen wird durch den Eintritt des Bruches begrenzt. Im allgemeinen gilt die im Zugversuch bis zum Bruch erreichte bleibende Dehnung als Duktilität. Als Maß für die Duktilität können ferner auch die Brucheinschnürung, Schlagarbeit und Kerbschlagarbeit mit jeweils etwas anderer Aussage angesehen werden. Diese Eigenschaften lassen sich gemäß EN 10 002, Teil 1, bzw. gemäß DIN 50115 und 50116 ermitteln. Die Bruchdehnung A = Aplast kennzeichnet die Formänderung mit ihrem plastischen Anteil bei einer weitgehend einachsigen Belastung, zusätzlich kann entsprechend dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm der elastische Anteil der Dehnung Aelast sowie die Summe des elastischen und plastischen Anteils D = ΣA = Aelast + Aplast ermittelt werden. Ein hochplastischer Werkstoff wird als duktil bezeichnet.
Bei Angaben der Bruchdehnung und der Zugfestigkeit zu verschiedenen Magnesiumlegierungen wird deutlich, daß die Bruchdehnung oft umso höhere Werte einnehmen kann, wenn nur mittelhohe Werte der Zugfestigkeit erreicht werden und daß umgekehrt nur mittelhohe Werte der Bruchdehnung bei hohen Werten der Zugfestigkeit erzielt werden. Sehr hohe Werte der Zugfestigkeit lassen sich nur bei vergleichsweise geringen Werten der Bruchdehnung erreichen.
Die Elastizität bezeichnet den elastischen Anteil des Spannungs-Dehnungs-Diagrammes entsprechend dem Hook'schen Gesetz, wo bei idealen linear-elastischen Verhältnissen noch keine bleibende Formänderung auftritt.
Weiterhin kann das Streckgrenzen-Verhältnis V als Verhältnis der Fließspannung F = RP02 zur Zugslpannung Z = Rm angegeben werden. Somit ergeben sich zwei die Elastizität, zwei die Plastizität sowie zwei deren Verhältnis zueinander kennzeichnende Werte für die weitgehend einachsige Belastung. Hierbei ergibt das Verhältnis des elastischen mit dem plastischen Anteil der Dehnung die beste Annäherung an die Realität.
Die Schlagarbeit ist vor allem ein Maß für die Energieaufnahme eines Halbzeuges und für plastisches Verhalten, also für die Verformbarkeit und Verformungsgeschwindigkeit. Eine hohe Schlagarbeit ist daher wesentlich für den Einsatz von Deformationselementen wie z. B. Crashelementen, Pralldämpfern, Prallschilden und Prallträgern. Die Schlagarbeit - gemessen an ungekerbten Proben - ist u. a. aufgrund höherer Absolutwerte für Magnesiumlegierungen aussagekräftiger als die Kerbschlagarbeit und betrifft eine weitgehend einachsige Belastung. Die Kerbschlagarbeit, die immer an gekerbten Proben bestimmt wird, kennzeichnet auch die Fehleranfälligkeit eines Werkstoffes bei dreiachsiger Belastung. Ihre Aussagekraft ist insbesondere dann geringer, wenn die Ausführung der Kerbe die Werte der Kerbschlagarbeit wesentlich beeinflußt. Die Schlagarbeit und die Kerbschlagarbeit werden bei dynamischer Belastung gemessen und können einen Hinweis auf die Energieaufnahme und Verformbarkeit geben. Zug- und Druckversuche erfolgen im Vergleich hierzu unter quasistatischen Belastungen. Ein Schluß von einachsigen auf mehrachsige Eigenschaften bzw. Verhältnisse ist nur teilweise möglich.
Die im folgenden aufgeführten Werte gemessen an Proben in einem bestimmten Herstellungszustand geben daher die aktuellen Werkstoffeigenschaften wieder. Sie gewähren einen Hinweis auf das Umformverhalten, das vorher beim Umformen aufgetreten war. Es ist in diesem Zustand ein Schluß auf die Eigenschaften und das Verhalten eines Halbzeuges oder sogar eines Bauteiles mit diesem ggf. weiter veredelten Halbzeug im späteren Einsatz gut möglich. Weiterhin ist ein Schluß von den Werkstoffeigenschaften umgeformter Legierungen möglich, die z. B. durch Biegen, Drücken, Drückwalzen, Streckziehen, Tiefziehen, Innenhochdruckumformen oder Walzprofilieren zu weiterverarbeiteten Halbzeugen geformt werden sollen. Da die Veränderung der Werkstoffeigenschaften vom gegossenen zum stranggepreßten Zustand ähnlich der Veränderung der Werkstoffeigenschaften vom gegossenen zum geschmiedeten, gewalzten oder einem ähnlichen umgeformten Zustand ist, ist daher auch ein Schluß auf einen anderen Umformzustand möglich.
Für der Einsatz von Leichtbauelementen wird üblicherweise auf die elastischen Eigenschaften (Steifigkeit) abgehoben, soweit es nicht wie z. B. bei einem Unfall auf die Verformungseigenschaften und damit auf die Energieaufnahme des Elementes und auf das plastische Verhalten ankommt. Daher spielen bezüglich der u. U. mehrfachen Umformung insbesondere die plastischen und für den Einsatz die plastischen oder/und elastischen Eigenschaften eine Rolle. Diese Eigenschaften sind für den Einsatz in der Regel auf die jeweilige Umgebungstemperatur, also im Extremfall im Bereich von -40°C bis +90°C, an einzelner Stellen im Fahr- oder Flugzeug jedoch auf die örtlich noch tieferen oder höheren Temperaturen abzustellen. Der Belastungszustand ist jedoch meistens mehrachsig. Der Schluß von einachsigen auf mehrachsige Belastungszustände ist umso eher möglich, je mehr ein eher isotropes Gefüge vorliegt.
Für die Herstellung derartiger Automobilelemente bietet sich insbesondere die Herstellung durch Druckgießen bzw. Strangpressen, Schmieden oder/und Walzen an. Voraussetzung für den Einsatz von Halbzeugen aus Magnesiumlegierungen bzw. von daraus oder damit hergestellten Bauteilen im Automobil kann die Erfüllung bestimmter Eigenschaftsprofile je nach Anwendung sein wie z. B. bei Deformationselementen, Sitz- und. Türrahmen eine Zugfestigkeit des Leichtwerkstoffs von mindestens 100 MPa, vorzugsweise von mindestens 130 MPa, zusammen mit einer Bruchdehnung gemessen bei Raumtemperatur von mindestens 10%, vorzugsweise von mindestens 15%. Je höher die Zugfestigkeit, Bruchdehnung und weitere Eigenschaften, die auf hohe Duktilität und Energieaufnahme hinweisen, sind, umso geeigneter sind diese Halbzeuge bzw. Bauteile in der Regel für den Einsatz. Ferner sind höhere Festigkeitswerte und eine höhere Duktilität auch eine Erleichterung und teilweise auch Voraussetzung für die Umformung gegossener Rohlinge bzw. für die weitere Umformung bereits umgeformter Rohlinge oder Halbzeuge. Je höher diese Eigenschaften im gegossenen Zustand sind, desto höher sind diese üblicherweise auch im umgeformten Zustand. Eine höhere Duktilität kann das Umformen bzw. das erneute Umformen, insbesondere das Strangpressen, erleichtern. Daher ist eine Bruchdehnung von mindestens 10% auch für die nachfolgenden Herstellungsschritte zu Elementen aus Magnesiumlegierungen hilfreich. Daher wird aus mehreren Gründen eine Zugfestigkeit von mindestens 150 MPa gemessen bei Raumtemperatur, vorzugsweise von mindestens 180 MPa, bzw. eine Bruchdehnung von mindestens 18%, vorzugsweise von mindestens 20%, besonders bevorzugt von mindestens 25%, empfohlen. Üblicherweise beträgt die Bruchdehnung bei den kommerziell gebräuchlichen Magnesiumlegierungen gemessen bei Raumtemperatur weniger als 12%.
Bei stärkerer Substitution von anderen Legierungen durch Magnesiumlegierungen, um durch Gewichtsersparnis Treibstoff einzusparen bzw. den Einbau zusätzlicher Elemente ohne Gewichtszunahme zu ermöglichen, ist die Weiterentwicklung der Technologie der bekannten Magnesiumlegierungen und die Erforschung weiterer Magnesiumlegierungen notwendig, insbesondere bezüglich der Eigenschaftskombination Duktilität-Festigkeit.
Es ergeben sich grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten zur Steigerung der Duktilität und somit der Bruchdehnung bei Magnesiumlegierungen und verwandten Leichtwerkstoffen:
  • 1. Eine recht begrenzte Möglichkeit dieser Steigerung ergibt sich durch Optimierung des Herstellungsprozesses in Verbindung mit Wärmebehandlungsverfahren oder/und über optimierte Herstellparameter z. B. beim Strangpressen. Wichtig ist jedoch beim Umformen z. B. durch Strangpressen, daß die auftretende dynamische Rekristallisation nicht zur Grobkornbildung führt. Denn die Energieaufnahme und die mechanischen Eigenschaften einer Legierung sollten in der Regel umso größer sein, je kleiner die mittlere Korngröße ist. Ziel einer Legierungsentwicklung kann dabei eine Modifikation des Gefügeaufbaus durch Einformen von temperaturstabilen Ausscheidungen oder/und eine Stabilisierung des Gefüges durch Beeinflussung des Kornwachstums sein, um möglichst feines Korn und eine möglichst geringe Porosität zu erzeugen.
  • 2. Beim Übergang der Kristallstruktur der Mg-Hauptphase von der hexagonal dichtesten Kugelpackung auf die kubisch raumzentrierte Kristallstruktur z. B. aufgrund einer höheren Zugabe eines Dotierungselementes wie z. B. mindestens 10,8 Gew.-% Li, um ohne weitere Dotierungselemente einen homogenen β-Lithium-Magnesium-Mischkristall zu erzeugen, tritt eine verbesserte Bruchdehnung und eine bessere Umformbarkeit bei Raumtemperatur aufgrund einer erhöhten Anzahl von Gleitsystemen auf. Allerdings können sich dabei Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit verschlechtern.
  • 3. Da Korngrenzen und andere Gefügeinhomogenitäten bzw. Gefügefehler wie z. B. Einschlüsse, Poren, grobe Ausscheidungen, Oxidschlieren und Seigerungen bei der Bewegung von Versetzungen als Barrieren wirken, kann eine Verfeinerung des Gefüges, eine Verkleinerung von Gefügeinhomogenitäten/-fehlern bzw. eine Vermeidung bestimmter Gefügeinhomogenitäten/-fehler zu einer Steigerung der Festigkeit, der Bruchdehnung und der Energieaufnahme führen. Die Zusammenhänge sind jedoch im Einzelfall sehr komplex. Die Kornfeinung ist ein wichtiges Hilfsmittel, um weitere Verformungssysteme zu aktivieren, die ein Korngrenzengleiten und neue Fließprozesse bei Raumtemperatur erlauben und somit die Duktilität verbessern. Dies kann durch die Zugabe kornfeinender Zusätze oder/und durch heterogene Keimbildung beim Erstarren von Gußwerkstoffen aus Legierungen mit bestimmten Zusätzen erfolgen.
Selbst die handelsüblichen Mg-Gußlegierungen bzw. Mg-Knetlegierungen sind im gegossenen und ggf. danach umgeformten, insbesondere stranggepreßten, gepreßten, gewalzten oder/und geschmiedeten und ggf. danach wärmebehandelten Zustand üblicherweise bisher von relativ geringer Duktilität und geringem Energieaufnahmevermögen. Für die preiswerte Herstellung von Halbzeugen, insbesondere für Fahrzeuge und Flugzeuge, besteht Bedarf an geeigneten Legierungen und einfachen Verfahren zur Herstellung von Magnesiumlegierungen mit etwas erhöhter Festigkeit und stark erhöhter Duktilität.
Da das Interesse an Mg-Knetlegierungen erst in den letzten Jahren etwas größer geworden ist, steht bisher nur eine begrenzte Anzahl an Legierungen für den großtechnischen Einsatz zur Verfügung. Das sind Legierungen auf Basis Mg-Al-Zn wie z. B. AZ31, AZ61, AZ80 und AZ81, auf Basis Mg-Zn-Zr wie z. B. ZK40 und ZK60 oder auf wird das Strangpressen von Magnesiumlegierungen kaum angewandt.
Haferkamp, Bach, Bohling & Juchmann (Proc. 3rd Int. Magnesium Conf. Manchester April 10-12, 1996, The Institute of Materials, London 1997, ed.: G.W. Lorimer) bzw. Haferkamp, Bach & Juchmann ("Stand und Entwicklungstendenzen dichtereduzierter Magnesium- Werkstoffe", Vortrag bei der Fortbildungsveranstaltung Magnesium - Eigenschaften, Anwendungen, Potentiale" der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde Clausthal- Zellerfeld 1997) beschreiben Lithium-haltige Magnesiumlegierungen auf Basis MgLi ohne und mit Al, AlZn, Ca, Si, SiCa, AlCa, CaAlZn bzw. SiAlZn. Hierbei werden für die Bruchdehnung bzw. Zugfestigkeit Werte für MgLi40at%Al6at% z. B. von 19% bzw. etwa 260 MPa sowie für MgLi40at% 42% bzw. etwa 134 MPa angegeben. Aufgrund der für jene Versuche verwendeten kleinen Laborstrangpresse sind jedoch die Umformgeschwindigkeit und der Umformgrad gering gewesen.
Ferner wurden von Haferkamp, Bach, Bohling & Juchmann bei der Magnesium-Konferenz in Garmisch-Partenkirchen 1992 (Magnesium Alloys and Their Applications, Eds.: B. L. Mordike & F. Hehmann, Oberursel 1992, 243-250) Werte der Bruchdehnung und Zugfestigkeit vorgetragen, die bei MgLiAl, ggf. mit Zn, zu Werten bis 25% und 239 MPa führten.
Der NASA-Report N67-22072, SP-5068, Properties and current applications of magnesium­ lithium alloys, 1967, deutet zwar Möglichkeiten zur Festigkeitssteigerung bei Lithium-haltigen Magnesiumlegierungen an und berichtet über singuläre Werte hoher Bruchdehnung bzw. hoher Zugfestigkeit, doch ist davon auszugehen, daß bei den damals üblichen Herstellverfahren und zur Verfügung stehenden Ausgangsmaterialien hohe Verunreinigungen auftraten, die das Ergebnis diesbezüglich stark beeinflußten und die Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu den heute herstellbaren hochreinen Legierungen wesentlich beeinträchtigten.
Die Druckschrift der Dow Chemical Company Magnesium Wrought Products vom August 1994 gibt eine Übersicht über handelsübliche stranggepreßte Magnesiumlegierungen. Die größte Bruchdehnung wird hier für AZ61 angegeben mit typischerweise 17%.
Neite beschreibt in Materials Science and Technology, Vol. 8, ED.: K. H. Matucha, 199?, in Kapitel 4.3.2 Herstellverfahren und mechanische Eigenschaften von typischen Magnesiuimlegierungen. Für stranggepreßte Magnesiumlegierungen auf Basis AZ in Form von Stäben werden - vor allem mit dem Aluminiumgehalt steigend - Zugfestigkeiten von 204 bis 340 MPa und Bruchdehnungen von 9 bis 17% angegeben, die durch eine künstliche Alterung bis zu einer Zugfestigkeit von 380 MPa gesteigert werden konnten, wobei aber die Bruchdehnung auf 6 bis 8% sank. Für AZ31 werden 250 MPa und 14 bis 15% angeführt. Die Legierung M1 wies im stranggepreßten Zustand typischerweise eine Zugfestigkeit von 225 MPa und eine Bruchdehnung von 12% auf.
GB 2,296,256 A führt Werte der Bruchdehnung von 17,2 und 18% für Legierungen MgAl0.5-1.1MnO.10-0.12 an, die jedoch eine recht geringe Biegefestigkeit aufwiesen.
Kamado et al. beschreiben in Proc. 3rd Int. Magnesium Conference April 10-12 1996, Manchester/UK, Ed.: G. W. Lorimer, für die Legierung Al10Si1Ca0.5 Werte von etwa 170 MPa Zugfestigkeit und 2% Bruchdehnung für den preßgeformten Zustand.
Von J. Becker, G. Fischer und K. Schemme, Ught weight construction using extruded and forged somi-finished products made of magnesium alloys, Vortrag Wolfsburg 1998, wurden für die Magnesiumlegierung AZ31 im stranggepreßten Zustand Werte von 250 MPa Zugfestigkeit und 14% Bruchdehnung mitgeteilt, für die Legierung M2 von 250 MPa für die Zugfestigkeit, aber nur von 4% für die Bruchdehnung. Die Proben waren daher nicht auf duktile Werkstoffeigenschaften optimiert.
In US 3,419,385 wird die Zugfestigkeit für einzelne stranggepreßte Magnesiumlegierungen mit Gehalten an Y, Zn und Zr mit 248 bis 352 MPa und die Bruchdehnung mit 14 bis 26% je nach Zusammensetzung angegeben. Die chemisch der Legierung ZE10Zr0.7 am nächsten kommende Legierung Zn2.1Y1.9Zr0.9 wies im gegossenen Zustand nur eine Bruchdehnung von 8% auf. Es ist davon auszugehen, daß bei den damals üblichen Herstellverfahren und zur Verfügung stehenden Ausgangsmaterialien hohe Verunreinigungen auftraten, die das Ergebnis diesbezüglich stark beeinflußten und die Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu den heute herstellbaren hochreinen Legierungen wesentlich beeinträchtigten.
Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zum Strangpressen von Magnesiumlegierungen erhöhter Duktilität und möglichst auch erhöhter Energieaufnahme, Druck- bzw. Zugfestigkeit und Zähigkeit unter Auswahl der für diese Einsatzzwecke am ehesten wirkenden Parameter vorzuschlagen, die eine möglichst geringe Dichte aufweisen und darüber hinaus auch möglichst einfach und kostengünstig hergestellt werden können.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung hoher Duktilität u. a. durch Strangpressen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Legierung mit einem Umformgrad von mindestens 1,5 stranggepreßt wird, daß sie Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, daß sie einen Gehalt an Li im Bereich von 0,5 bis 20 Gew.-% enthält, daß sie neben den Gehalten an Mg und Li sowie ggf. Al oder/Lind Si einen Gehalt an mindestens einem weiteren chemischen Element von mindestens 0,1 Gew.-% enthält und daß sie nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 20%, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 70 J aufweist. Dieses weitere chemische Element ist vorzugsweise Mn, Zn oder/und mindestens ein Seltenerdelement SE einschließlich La und Y. Die Magnesiumlegierung weist bevorzugt einen Li-Gehalt im Bereich von 3 bis 18 Gew.-% Li auf, vorzugsweise von 6 bis 14 Gew.-% Li. Dieser breite Bereich des Lithium-Gehalts deckt sowohl den bezüglich der Werkstoffeigenschaften interessanten 2-Phasen-Bereich mit der hexagonalen und kubischen Phase, als auch den krz-Phase-Bereich ab, indem im wesentlichen nur die kubische Phase als U-haltige Phase auftritt. Eine Zugfestigkeit von mindestens 150 MPa ist besonders vorteilhaft.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einer Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung hoher Duktilität u. a. durch Strangpressen, bei dem die Legierung mit einem Umformgrad von mindestens 1,5 stranggepreßt wird, wobei sie Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, wobei sie einen Gehalt an Ca im Bereich von 0,1 bis 6 Gew.-% und nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 16%, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 50 J aufweist. Bei einer Variante vorteilhafter Ausführungsformen ist der Gewichtsanteil des enthaltenen Ca im Bereich von 2 bis 30%, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 20% des Gewichtsanteils an enthaltenem Aluminium oder wenn kein Aluminium auftritt an Mangan. Der Gehalt an Ca beträgt insbesondere 0,15 bis 4 Gew.-%, bevorzugt 0,2 bis 1,5 Gew.-%. Der Anteil an Ca kann teilweise durch Sr ersetzt sein, auch wenn sich Sr üblicherweise anders verhält als Ca.
Die Aufgabe wird auch mit einem entsprechenden Verfahren gelöst, bei dem die Magnesiumlegierung einen Gehalt an Sr im Bereich von 0,1 bis 6 Gew.-% und nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 17,5% und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 50 J aufweist. Bei einer Variante vorteilhafter Ausführungsformen ist der Gewichtsanteil des enthaltenen Sr im Bereich von 2 bis 30%, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 20% des Gewichtsanteils an enthaltenem Aluminium oder wenn kein Aluminium auftritt an Mangan. Der Gehalt an Sr beträgt insbesondere 0,15 bis 4 Gew.-%, bevorzugt 0,2 bis 1,5 Gew.-%. Der Anteil an Sr kann teilweise durch Ca ersetzt sein.
Die Aufgabe wird auch mit einem entsprechenden Verfahren gelöst, bei dem die Magnesiumlegierung einen Gehalt an Zr im Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-% und nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 18%, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 20 J aufweist. Der Gehalt an Zr beträgt insbesondere 0,15 bis 6 Gew.-%, bevorzugt 0,2 bis 3 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,3 bis 1,5 Gew.-%.
Die Aufgabe wird auch mit einem entsprechenden Verfahren gelöst, bei dem die Magnesiumlegierung einen Gehalt an mindestens einem Seltenerdelement SE einschließlich La und Y im Bereich von insgesamt 0,1 bis 10 Gew.-% und nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 18%, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 50 J aufweist, wobei der Gesamtgehalt an Seltenerdelementen bei mit Lithium versetzten Legierungen nur bis zu 1 Gew.-% beträgt. Der Gesamtgehalt an SE beträgt bei mit Lithium versetzten Legierungen insbesondere 0,15 bis 0,9 Gew.-%, bevorzugt 0,2 bis 0,8 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,3 bis 0,75 Gew.-%. Bei Magnesiumlegierungen ohne Lithium-Zusatz beträgt der Gesamtgehalt an Seltenerdelementen insbesondere 0,15 bis 8 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 bis 6 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,3 bis 4 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 0,4 bis 3 Gew.-%.
Es hat sich gezeigt, daß die Modifizierung von Korngrößen und Phasenverteilungen über das Zulegieren von Begleitelementen wie Lithium, Zirkonium, Seltenerdelementen SE wie z. B. Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Gadolinium, Ytterbium, Yttrium und Lanthan bzw. deren Gemischen oder den Erdalkalimetallen - insbesondere Ca, Sr, Ba - hilfreich ist unter Erzeugung von deutlich festeren oder/und duktileren Magnesiumlegierungen. Vor allem ein Zusatz von Lithium, Calcium, Strontium, Zirkonium bzw. von mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Yttrium und Lanthan hat sich als günstig zur Weiterentwicklung von Magnesiumlegierungen erwiesen.
Die Aufgabe wird ferner gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung hoher Duktilität u. a. durch Strangpressen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Legierung beim Strangpressen dynamisch rekristallisiert wird, daß sie Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, daß sie eine Magnesiumlegierung auf Basis AM, AS, EM, EZ, MA, ME, SA, ZA oder ZE ist und daß sie nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 17,5%, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 45 J aufweist.
Die Aufgabe wird auch mit einem entsprechenden Verfahren gelöst, bei dem die Magnesiumlegierung auf Basis AZ mit mindestens einem Zusatz von Ca, Sr, Li, SE oder/und Zr von jeweils mindestens 0,1 Gew.-% ist und bei dem sie nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 17,5%, eine Druckfestigkeit von mindestens 350 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 50 J aufweist. Der Gewichtsanteil des jeweiligen Zusatzes kann insbesondere 0,15 bis 6 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 bis 4 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,25 bis 2 Gew.-% betragen. Daneben können weitere Zusätze auftreten, vorzugsweise solche, die das dynamische Rekristallisationsverhalten und die Feinkörnigkeit beeinflussen.
Die Aufgabe wird auch mit einem entsprechenden Verfahren gelöst, bei dem die Magnesiumlegierung auf Basis MN mit mindestens 1 Gew.-% Mn und mit einem Zusatz von Ca, Sr, Li, SE oder/und Zr von jeweils mindestens 0,1 Gew.-% ist und bei dem sie nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 15%, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 20 J aufweist. Der Gehalt an Mn beträgt vorzugsweise mindestens 1,3 Gew.-%. Der Gewichtsanteil des jeweiligen Zusatzes kann insbesondere 0,15 bis 6 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 bis 4 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,25 bis 2 Gew.-% betragen. Daneben können weitere Zusätze auftreten, vorzugsweise solche, die das dynamische Rekristallisationsverhalten beeinflussen.
Die Aufgabe wird auch mit einem entsprechenden Verfahren gelöst, bei dem die Magnesiumlegierung auf Basis MZ oder ZM ist, die einen Zusatz insbesondere von Ca, Sr, Li, SE oder/und Zr von jeweils mindestens 0,1 Gew.-% enthalten kann, und bei dem sie nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 15%, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 40 J aufweist. Vorzugsweise weist die Legierung nach dem Strangpressen einen plastischen Anteil der Spannung bestimmt im Zugversuch nach dem Spannungs-Dehnungs- Diagramm aus der Differenz von Zugspannung und Fließspannung von mindestens 40 MPa auf.
Die restlichen Gehalte der angeführten chemischen Zusammensetzung bestehen vorwiegend oder im wesentlichen aus Magnesium. Gehalte an Cadmium stören bei der Verarbeitung nur wegen ihrer Giftigkeit, sind sonst aber insbesondere bezüglich der Umformbarkeit eher von Vorteil. Spurengehalte an Kupfer, Eisen und Nickel sollen möglichst gering sein, da sie sich auf die Verarbeitung oder/und die Werkstoffeigenschaften negativ auswirken.
Es hat sich gezeigt, daß üblicherweise mit den duktilen Magnesiumlegierungen hohe Strangpreßgeschwindigkeiten erzielt werden können. Dabei sind bei den Versuchen noch keine Anstrengungen gemacht worden, die höchsten Strangpreßgeschwindigkeiten zu erreichen, sondern vielmehr besteht ein deutliches Potential, noch deutlich höhere Geschwindigkeiten erreichen zu können. Der Umformgrad kennzeichnet den Grad der Querschnittsverringerung beim Umformen und wird als natürlicher Logarythmus des Verhältnisses von Ausgangsquerschnitt zu Querschnitt nach dem Umformen angegeben. Er ist daher auch oft mit dem Grad der dynamischen Rekristallisation korreliert, wobei möglichst noch kein stärkeres Wachstum einzelner Körner auftreten sollte, sondern ein möglichst feinkörniges Gefüge angestrebt wird, das bei manchen Magnesiumlegierungen eine hohe Duktilität bedingt. Je stabiler das Gefüge einer Magnesiumlegierung ist, desto feinkörniger wird bzw. bleibt das Gefüge beim Umformen. Ferner hat sich erwiesen, daß der Umformgrad vorteilhafterweise mindestens 1,5 beträgt, bevorzugt mindestens 2, besonders bevorzugt mindestens 2,5. Bei einem Umformgrad von weniger als 1,5 ist die dynamische Rekristallisation beim Umformen recht gering. Es hätte auch ein Umformgrad von 3,5 oder mehr bei den Versuchen gewählt werden können. Die Strangpreßgeschwindigkeit liegt vorteilhafterweise bei mindestens 1,5 m/min. vorzugsweise bei mindestens 2,5 m/min. besonders bevorzugt bei mindestens 5 m/min. ganz besonders bevorzugt bei mindestens 7,5 m/min. Sie wird nach oben vor allem durch die wieder abnehmende Qualität der stranggepreßten Profile begrenzt.
Dabei ist es erforderlich, daß die Magnesiumlegierung ausgewählt ist aus der Gruppe von Magnesiumlegierungen, die aufgrund der dynamischen Rekristallisation und Feinkörnigkeit eine höhere Duktilität erhalten. Die dynamische Rekristallisation und Gefügeveränderung vom urgeformten oder kompaktierten Formkörper an bis zum fertigen Halbzeug, Bauteil oder Verbund wird oft nicht allein durch das Strangpressen und die hiermit verbundenen thermischen bzw. mechanischen Einflüsse bedingt sein, sie werden aber vorzugsweise wesentlich oder sogar hauptsächlich beim Strangpressen ausgeführt.
Die Aufgabe wird schließlich gelöst mit einem Halbzeug aus einer Magnesiumlegierung oder mit einem daraus oder damit hergestellten Bauteil oder mit einem Verbund mit einem solchen Halbzeug oder Bauteil, das/der erfindungsgemäß hergestellt wurde.
Das erfindungsgemäße Halbzeug oder Bauteil besteht vorzugsweise im wesentlichen aus einer Magnesiumlegierung, die ausgewählt ist aus der Gruppe von Legierungen auf Basis AM, AS, AZ, EZ, MA, SA, ZA oder ZE mit Lithiumzusatz, EM, EZ, ME, MN, MZ, ZE und ZM mit einem Gehalt an mindestens einem Seltenerdelement AM, AS, AZ, MA, MN, MZ, SA, ZA oder ZM mit Calcium- oder/und Strontiumzusatz oder EZ, MN oder ZE mit Zirkoniumzusatz.
Als Halbzeuge im Sinne dieser Anmeldung werden Formkörper verstanden, die noch nicht für ihren jeweiligen Anwendungszweck fertiggestellt und einsatzfähig sind. Als Bauteile werden dagegen die für den beabsichtigten Einsatzzweck geeigneten Formkörper bezeichnet. Beide Begriffe gehen jedoch fließend ineinander über, da es sich bei dem gleichen Formkörper für den einen Einsatzzweck um ein Halbzeug, für den anderen aber bereits um ein Bauteil handeln kann. Ferner wird aus Gründen der sprachlichen Vereinfachung nicht überall im Text streng zwischen Halbzeug und Bauteil unterschieden bzw. beides gleichzeitig angeführt oder nur von Magnesiumlegierung gesprochen, obwohl beides gemeint sein kann.
Die Halbzeuge aus erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungen bzw. die daraus oder damit hergestellten Bauteile bzw. Verbunde können verwendet werden als Rahmenelemente, Elemente von Fahrzeugzelle oder Fahrzeugaußenhaut, als Fahrzeugzelle oder Fahrzeugaußenhaut, Cockpitträger, Cockpithaut, Gehäuse, Bodenelement, Böden, Deckel, Tankelemente, Tankklappen, Halterungen, Stützen, Träger, Winkel, Hohlprofile, Rohre, Deformationselemente, Crashelemente, Crashabsorber, Pralldämpfer, Prallschilde, Prallträger, Kleinteile, als geschweißte Profilkonstruktion, für die Fahrzeugkarosserie, für Sitz-, Fenster- oder/und Türrahmen, als Halbzeuge, Bauteile oder Verbunde am oder im Automobil oder Flugzeug.
Verfahren zur Herstellung von Strangpreßprofilen
Die Magnesiumlegierungen, insbesondere die Lithium- bzw. die Calcium-, Strontium-, Zirkonium oder/und mindestens ein Seltenerdelement enthaltenden Magnesiumlegierungen, die durch Strangpressen erfindungsgemäß umgeformt werden können, werden in zwei am gleichen Tag vom gleichen Anmelder eingereichten Patentanmeldungen im Detail beschrieben; jene Anmeldungen gelten durch ihre Benennung als in vollem Umfang in diese Anmeldung einbezogen.
Es wird vorzugsweise von hochreinen, kommerziell erhältlichen Legierungen ausgegangen. Ggf. werden diese Legierungen durch Zusätze auflegiert. Dabei können die hochreinen auflegierten Legierungen beim Schmelzprozeß geringe Mengen an Verunreinigungen aus dem Tiegel aufnehmen. Die Legierungen können beispielsweise in einem Nickel- und Chromfreien Stahltiegel unter einer Schutzgasatmosphäre, z. B. Ar oder/und SF6, erschmolzen werden. Anstelle eines Gießverfahrens kann auch die pulvermetallurgische Herstellung von Grünlingen ggf. mit nachfolgender Glühung eingesetzt werden. Die Verfahrensschritte sind grundsätzlich bekannt, bedingen aber je nach Legierung eine unterschiedliche Abänderung bzw. Optimierung.
Voraussetzung für die Weiterverarbeitung von Magnesiumlegierungen durch Strangpressen, Walzen oder/und Schmieden ist die Herstellung geeigneter Vormaterialien z. B. in Form von Blöcken, Bolzen oder Brammen. Für die Herstellung von Bolzen zum Strangpressen gibt es vor allem zwei Möglichkeiten:
Beim ersten Verfahren kann ein Bolzen mit einem sehr großen Durchmesser gegossen werden, der dann anschließend mit Hilfe einer Hochleistungsstrangpresse zu Rundbolzen mit einem Durchmesser verpreßt werden kann, der dem Rezipientendurchmesser entspricht. Hierbei wird die Seigerung durch die thermomechanische Behandlung verringert.
Ein weniger aufwendiges Verfahren als dieses Doppelstrangpressen ist die Herstellung der Bolzen durch Sand-, Kokillen- oder Strangguß mit einer ausreichend großen Bearbeitungszugabe. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, daß keine stärkere Seigerungen auftreten, die auch durch lange Homogenisierungszeiten nicht oder nur unzureichend ausgeglichen werden. Die Folgen könnten sonst eine schlechte Verpreßbarkeit und eine größere Streuung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Duktilität, sein.
Die gegossenen Bolzen können zunächst durch Wärmebehandlung in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung bei z. B. 350°C im Bereich von 6 h bis 12 h homogenisiert werden, um Seigerungen im Gefüge zu beseitigen, das z. T. heterogene Gefüge zu verbessern und die Preßbarkeit zu erhöhen. Danach können die homogenisierten Bolzen mechanisch auf die erforderlichen Abmessungen bearbeitet werden.
Seigerungen können zu einer ungleichmäßigen Verformung und bei kritischen Strangpreßbedingungen zu Rissen bzw. zu lokalen Aufschmelzungen führen, was schlechte Oberflächenqualitäten bedingen kann. Bei weniger gut homogenisierten Bolzen ist ein unnötig hoher Preßdruck beim Strangpressen erforderlich. Die homogenisierten Bolzen sind dann für das Strangpressen vorbereitet.
Das Strangpressen der Magnesiumlegierungen kann in den gleichen Strangpreßanlagen erfolgen, die für das Strangpressen von Aluminiumlegierungen eingesetzt werden, sowohl über das direkte, als auch über das indirekte Strangpressen. Nur bei der Werkzeuggestaltung (Matrize) ist das Verformungsverhalten spezifisch zu berücksichtigen. Scharfkantige Einläufe, wie sie bei Aluminiumlegierungen zum Einsatz kommen, sind bei Magnesiumlegierungen zu vermeiden, da sonst die Gefahr von Oberflächenrissen auftritt. In vielen Fällen wird z. B. für Matrizen von Rundprofilen ein Einlaufwinkel von ca. 50° für Magnesiumlegierungen verwendet. Bei den Versuchen wurde ein Rundprofil verwendet.
Der wichtigste Parameter neben der Strangpreßtemperatur ist die Strangpreß­ geschwindigkeit, weil sie die Eigenschaften und die Oberflächenqualität der Strangpreßprofile maßgeblich beeinflußt. Ein hoher Preßdruck bedingt dabei auch eine hohe Strangpreßgeschwindigkeit, die aus wirtschaftlichen Gründen angestrebt wird. Eine hohe Strangpreßgeschwindigkeit ist üblicherweise mit einer noch besseren Oberflächenqualität verbunden. Die Strangpreßgeschwindigkeit ist sehr von der Geometrie des Stranges abhängig. Die Preßbarkeit der Magnesiumlegierungen ist vergleichbar mit denen schwerpreßbarer Aluminiumlegierungen. Eine hohe Strangpreßgeschwindigkeit wird zwar aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten angestrebt, ist aber bei Magnesiumlegierungen nicht immer realisierbar. Es darf außerdem bei besonders hohen Strangpreßgeschwindigkeiten nicht zu Rissen und zum Brennen der Magnesiumlegierung kommen. Außerdem ist der Umformgrad von großer Bedeutung. Er geht mit der Veränderung des Gefüges einher. Von daher ist ein hoher Umformgrad von Vorteil. Es darf bei hohen Umformgraden jedoch nicht zu lokalen Aufschmelzungen kommen. Trotz gewisser Kenntnisse zum Strangpressen von Magnesiumlegierungen müssen üblicherweise die Parameter zum Strangpressen im Detail erarbeitet werden, da hier ein großes Optimierungspotential verborgen ist.
Dem Strangpressen kann sich vorteilhafterweise eine Wärmebehandlung anschließen. Diese Wärmebehandlung ist insbesondere für die Lithium-haltigen Legierungen von Interesse, während die übrigen erfindungsgemäßen stranggepreßten modifizierten Legierungen durch diese Wärmebehandlung nicht stark verbessert werden. Die Halbzeuge können ggf. gerichtet, z. B. durch Biegen, Drücken, Drückwalzen, Streckziehen, Tiefziehen, Innenhochdruckumformen oder Walzprofilieren weiter verformt, z. B. durch Trennen, Bohren, Fräsen, Schleifen, Läppen, Polieren bearbeitet, gefügt oder/und z. B. durch Ätzen, Beizen, Lackieren oder sonstiges Beschichten oberflächenbehandelt werden. Mit den erfindungsgemäßen Legierungen können Voll- und Strangprofile in einfachen oder komplizierten Querschnitten ohne Probleme stranggepreßt werden. Hierbei können Halbzeuge verbessert bzw. daraus oder damit ggf. auch Bauteile hergestellt werden.
Beim Fügen kann das Halbzeug oder das daraus oder damit hergestellte Bauteil durch mindestens ein wärmearmes Fügeverfahren wie z. B. Kleben, Nieten, Stecken, Anpressen, Einpressen, Clinchen, Falzen, Schrumpfen oder Schrauben oder/und mindestens ein wärmeeinbringendes Fügeverfahren wie z. B. Verbundgießen, Verbundschmieden, Verbundstrangpressen, Verbundwalzen, Löten oder Schweißen, insbesondere Strahlschweißen oder Schmelzschweißen, mit einem gleichartigen oder andersartigen Halbzeug oder Bauteil verbunden werden. Das andersartige Halbzeug oder Bauteil kann ebenfalls im wesentlichen aus einer Magnesiumlegierung oder aus einer anderen Legierung oder auch aus einem nichtmetallischen Werkstoff bestehen. Es kann die gleiche oder eine andere Geometrie aufweisen wie das erfindungsgemäße Halbzeug oder Bauteil. Das Fügeverfahren kann insbesondere dazu dienen, aus mehreren Elementen ein Gehäuse, einen Apparat, eine Anlage, eine Profilkonstruktion oder/und eine Verkleidung herzustellen.
Beispiele
Die folgenden erfindungsgemäßen Beispiele steilen ausgewählte Ausführungsformen dar, ohne die Erfindung einzuschränken.
Bei den benutzten Legierungsbezeichnungen kennzeichnet A Al, E mindestens ein Seltenerdelement SE, wobei auch Y zu den Seltenerdelementen gerechnet wird, M oder MN Mn, S Si und Z Zn - üblicherweise mit Gehaltsangaben in Gew.-%, soweit nichts anderes vermerkt ist. Bei allgemein gebräuchlichen Legierungsangaben wie z. B. AZ31 werden durch die Zahlen wie für die jeweilige Legierung üblich nur größenordnungsmäßige Gehalte angegeben, die branchenüblich in relativ breitem Maß variieren können. Zusätzlich kann bei der in den Beispielen verwendeten Ausgangslegierung und den damit hergestellten modifizierten Legierungen auf Basis AZ ein geringer Mangangehalt vorhanden sein. Alle Beispiele wiesen Spuren von weniger als 0,1 Gew.-% Cd, von weniger als 0,05 Gew.-% Cu, von weniger als 0,04 Gew.-% Fe und von weniger als 0,003 Gew.-% Ni auf.
Die Legierungen wurden als hochreine kommerziell erhältliche Legierungen oder üblicherweise aus hochreinen Ausgangslegierungen wie z. B. AM-, AS- oder AZ-Legierungen bzw. durch Zugabe von Reinstmagnesium HP-Mg, einer Seltenerdelement-haltigen Vorlegierung mit einem Verhältnis von Nd zu weiteren Seltenen Erden einschließlich Yttrium von 0,92, einer Zirkoniumhaltigen Vorlegierung oder/und von Calcium bzw. Strontium auflegiert. Die Standardlegierungen enthielten einen Mn-Gehalt von bis zu etwa 0,2 Gew.-%. Die Legierungen wurden in einem Stahltiegel unter der Schutzgasatmosphäre eines Ar-SF6- Gemisches erschmolzen. Der Abguß der für das nachfolgende Strangpressen erforderlichen Rohlinge erfolgte in eine zylindrische Stahlkokille mit Bearbeitungszugabe. Die erzielten Elementgehalte wurden spektroskopisch überprüft. Bei allen Legierungen wurde darauf geachtet, daß das Gefüge der Gußkörper möglichst homogen und frei von Verunreinigungen ist, da dies die Duktilität empfindlich beeinflussen kann. Alle Legierungen ließen sich ohne Probleme erschmelzen, abgießen und zu Bolzen verarbeiten.
Danach wurden die Bolzen auf 70 mm Durchmesser abgedreht und auf 120 mm Länge gebracht. Die Bolzen wurden anschließend einer Homogenisierungsbehandlung bei z. B. 350°C über 4 h oder 12 h ausgesetzt, um Seigerungen im Gefüge zu beseitigen und die Preßbarkeit zu erhöhen. Seigerungen können zu einer ungleichmäßigen Verformung und bei kritischen Strangpreßbedingungen zu Rissen bzw. zu lokalen Aufschmelzungen führen, was schlechte Oberflächenqualitäten bedingen kann. Bei weniger gut homogenisierten Bolzen ist ein unnötig hoher Preßdruck beim Strangpressen erforderlich. Die homogenisierten Bolzen waren dann für das Strangpressen gut vorbereitet.
Danach wurden die homogenisierten Bolzen auf die jeweilige Strangpreßtemperatur aufgeheizt, durchgewärmt und in einer 400 t-Horizontalpresse im direkten Strangpreßverfahren stranggepreßt. Die Temperatur des Bolzens ist dabei jene Temperatur, die der Bolzen bei Eintritt in die Strangpresse aufweist.
In systematischen Vorversuchen an der Referenzlegierung AZ31 wurden die geeigneten Strangpreßparameter ausgewählt; an den stranggepreßten Proben wurden die mechanischen Eigenschaften und die mittleren Korngrößen bestimmt (Tabellen 1 und 2). Die Ergebnisse der Vorversuche bestimmten wesentlich die Versuchsparameter der nachfolgenden Versuche.
Bei den eigentlichen Versuchen wurden etliche der Herstellparameter systematisch variiert (Tabellen 3e/f und 4e/f). Einerseits wurde der Matrizendurchmesser variiert und wurden hierbei die Preßstempelgeschwindigkeit und Strangpreßtemperatur konstant gehalten, andererseits wurde die Matrizengeometrie konstant gehalten und wurde hierbei die Preßstempelgeschwindigkeit variiert und schließlich wurde die Strangpreßtemperatur legierungsabhängig variiert. Die Preßstempelgeschwindigkeit und das Strangpreßverhältnis ergaben dabei die Strangpreßgeschwindigkeit. Mit Hilfe einer derartigen Parametermatrix war eine Bewertung des Einflusses unterschiedlicher Umformbedingungen möglich.
Alle Legierungen, sowohl die Ausgangslegierungen, als auch die durch Zusätze modifizierten Legierungen ließen sich problemlos in einem breiten Temperatur-, Strangpreßgeschwindigkeits- und Strangpreßverhältnisbereich umformen. Die Bolzen zeigten eine gute Verpreßbarkeit mit einem großen Spielraum bezüglich Preßkraft und Preßgeschwindigkeit. Die Strangpreßgeschwindigkeit wurde bei den Versuchen noch nicht bis zu den höchsten möglichen Geschwindigkeiten ausgereizt und kann daher generell noch deutlich gesteigert werden. Die untere Strangpreßtemperatur ist durch die unzureichende plastische Verformbarkeit unterhalb einer Temperatur im Bereich von etwa 200 bis 220°C bedingt, die obere Strangpreßtemperatur findet ihre Grenzen durch die Nähe zur eutektischen Temperatur und möglicherweise durch die erste Ausbildung von Anteilen einer schmelzflüssigen Phase.
Je nach den Strangpreßbedingungen ergaben sich trotz gleicher Legierungszusammensetzung Unterschiede im Gefüge der Proben. Die aufgetretenen Strangpreßdrücke variierten je nach verwendeter Legierung und eingestellten Strangpreßparametern. Generell trat während des Strangpressens eine dynamische Rekristallisation auf, die in Abhängigkeit von den Strangpreßparametern und der Legierungszusammensetzung zu unterschiedlichen mittleren Korngrößen führte. Die Zusammensetzung der Magnesiumlegierungen variierte nur geringfügig oder fast gar nicht von der Zusammensetzung der Schmelze zur Zusammensetzung vor bzw. nach dem Strangpressen bis zur Zusammensetzung des daraus hergestellten Halbzeugs. Das erfindungsgemäße Halbzeug oder Bauteil besteht vorzugsweise im wesentlichen aus einer Magnesiumlegierung, die ausgewählt ist aus der Gruppe von Legierungen auf Basis AM, AS, AZ, EZ, MA, SA, ZA oder ZE mit Lithiumzusatz, EM, EZ, ME, MN, MZ, ZE und ZM mit einem Gehalt an mindestens einem Seltenerdelement AM, AZ, MA, MN, MZ, ZA oder ZM mit Calcium- oder/und Strontiumzusatz oder EZ, MN oder ZE mit Zirkoniumzusatz.
Die an den gegossenen und stranggepreßten Proben ermittelten Festigkeitswerte waren weitaus höher als erwartet. Überraschenderweise war auch das Verformungsvermögen dieser Legierungen sehr hoch. Ferner war es überraschend, daß die Werkstoffeigenschaften der modifizierten Legierungen erstaunlich wenig in Abhängigkeit von den Strangpreßbedingungen variierten, was für eine Fertigung vorteilhaft ist. Ferner war es überraschend, daß die Schlagarbeit der Legierung ZE10 derart hoch lag.
Schließlich variierte der Strangpreßverlauf, der den Ablauf des Strangpressens im Kraft- Weg-Diagramm charakterisiert, bei den Legierungen AZ, AZLi3.6 und AZLi6.8 mit zunehmendem Lithium-Gehalt anders als erwartet: Es zeigte sich bei geringem Lithium- Zusatz ein schlechteres Verhalten als ohne oder mit höherem Lithium-Gehalt. Manche der Lithium-haltigen Legierungen ergaben bei hohem Lithium-Gehalt eine unerwartet starke Abhängigkeit der Werkstoffeigenschaften von der Art der Wärmebehandlung.
Die stranggepreßten Rundprofile wurden durch Fräsen und Drehen bearbeitet zu Rundzugproben (d0 = 5 mm, I0 = 5.d0, kleiner Proportionalitätsstab, nach DIN 50 125), Druckproben (d0 = 10 mm, I0 = 2.d0, nach DIN 50 106), Schlagbiegeproben (10 × 10 × 55 mm, nach DIN 50 116) und Kerbschlagbiegeproben (nach DIN 50 l f 5). Pro Legierung und Versuch wurden jeweils 5 dieser Proben hergestellt und getestet. Bei allen Proben wurde die Längsrichtung so gewählt, daß sie mit der Richtung des Strangpressens übereinstimmt.
Beim Zugversuch wurden Zugfestigkeit Rm, Dehngrenze = Streckgrenze RP0,2 und Bruchdehnung A bzw. z. T. auch die Brucheinschnürung beim Zugversuch bei einer Zuggeschwindigkeit von 0,5 mm/min bestimmt. Beim Druckversuch wurden Werte der Druckfestigkeit RDm, Stauchgrenze RD0,2 und Stauchung AD bei einer Druckgeschwindigkeit von 0,5 mm/min gewonnen. Der Beginn der plastischen Verformung (Dehn- bzw. Stauchgrenze) wurde graphisch ermittelt. Außerdem wurden Brinellhärte-Messungen nach DIN 50351 durchgeführt. Alle Messungen fanden bei Raumtemperatur statt. Die Ergebnisse der mechanischen Bestimmungen sind in den Tabellen 3a-c und 4a-c und die der Gefügeuntersuchungen in den Tabellen 3d und 4d zusammengestellt.
An ausgewählten Proben wurden Anschliffe hergestellt, die bezüglich mittlerer Korngröße, Gefügeinhomogenitäten sowie Art und Verteilung der enthaltenen ausgeschiedenen Phasen beurteilt wurden. Anhand dieser Bewertung erfolgte eine weitere Optimierung der Herstellungs- und Verarbeitungsparameter.
Die Variation der Strangpreßparameter hatte einen unterschiedlichen Einfluß auf das Eigenschaftsprofil der stranggepreßten Magnesiumwerkstoffe. Tendenzen der Werkstoffeigenschaften der verschiedenen Legierungen je nach den Herstellparametern lassen sich aus den Tabellen 3e/f und 4e/f entnehmen.
Die Meßergebnisse der Brinellhärte-Bestimmungen ermöglichten keine besonderen Aussagen. Die Brinellhärte der stranggepreßten Proben erwies sich um 7 bis 22% größer als bei den Proben im Gußzustand. Die Härte nahm mit dem Aluminium-Gehalt zu.
A) Li-haltige Magnesiumlegierungen
Herstellung der Bolzen: Gießen in Rohrkokillen bei einer Gußtemperatur von 680 bis 720°C auf größeren Durchmesser und Abdrehen auf in der Regel 70 mm Durchmesser. Die abgedrehten Bolzen wurden bei 350°C 4 h wärmebehandelt (= homogenisiert).
Strangpressen: Je nach Probe wurde eine Strangpreßtemperatur im Bereich von 150 bis 300°C und für das Aufheizen und Durchwärmen des Bolzens eine Zeit im Bereich von 50 bis 110 min eingestellt. Vorversuche wurden mit der Referenzlegierung AZ31 ausgeführt (Tabellen 1 und 2). Die Vorversuche erlaubten die Vorauswahl der Versuchsparameter. Bei den spezifischen Strangpreßversuchen wurde in einer 400-t-Strangpresse bei direktem Strangpressen gearbeitet. Je nach Probe wurde bei einem Rezipientendurchmesser von 74 mm eine Rezipiententemperatur im Bereich von 180 bis 259°C, ein Matrizendurchmesser im Bereich von 15 bis 18 mm, ein Preßverhältnis A/A0 im Bereich von 16,9 bis 24,3, ein Umformgrad ϕ = In(A0/A) im Bereich von 2,8 bis 3,2, eine Stempelgeschwindigkeit im Bereich von 191 bis 419 mm/min. eine Strangpreßgeschwindigkeit im Bereich von 3,2 bis 9,0 m/min. ein Preßdruck zu Beginn des Strangpressens im Bereich von 15,2 bis 24,3 MPa und ein Preßdruck zum Ende des Strangpressens im Bereich von 10,0 bis 14,8 MPa gewählt. Stur ein kleiner Teil der Versuche wird in Tabelle 3f wiedergegeben.
Der Einfluß der Strangpreßparameter auf die Werkstoffeigenschaften der Lithium-haltigen Legierungen und deren undotierten Ausgangslegierungen war begrenzt. Er war bei der Zugfestigkeit besonders gering und nahm über die Bruchdehnung und Druckfestigkeit bis zur Schlagarbeit etwas zu.
Die stranggepreßte Legierung AM20Li3.6 wies im Vergleich zur stranggepreßten Legierung AM20 teilweise höhere mechanische Eigenschaften auf (Tabellen 3a/c). Wie bei den anderen stranggepreßten Legierungen führte der Lithium-Zusatz zu einem sehr starken Anstieg der Schlagarbeit. Die stranggepreßte Legierung AM20 wies einen sehr hohen elastischen und einen vergleichsweise sehr geringen plastischen Anteil der Spannung im stranggezogenen Zustand auf (Tabelle 3b). Durch den Lithium-Zusatz verdoppelte sich der entsprechende plastische Anteil.
Die Legierung AZ31Li3.6 wurde im gegossenen Zustand nicht im Zugversuch charakterisiert, da die Porosität der Proben noch etwas zu hoch war, um charakteristische Aussagen zu gewähren. Im stranggepreßten Zustand wies diese Legierung die höchsten Werte der Druckfestigkeit auf. Bei dem mit Lithium auflegierten Werkstoff AZ31 wurden deutlich höhere Zähigkeiten an ungekerbten Schlagproben sowie deutlich höhere Bruchdehnungen ermittelt als an den zugehörigen nicht mit Lithium auflegierten Proben, wobei die höchsten Werte bei der im wesentlichen zweiphasigen Legierung AZ31Li12.3 auftraten. Dagegen fiel die Zugfestigkeit mit dem Lithium-Gehalt ab. Die Druckfestigkeit war bei den Proben im Gußzustand proportional zum Lithium-Gehalt, bei stranggepreßten Proben jedoch bei mittleren Lithium-Gehalten am höchsten. Unter den Legierungen im Gußzustand wies die Legierung AZ31Li6.8 einen mit 122 MPa erstaunlich hohen Mittelwert der Dehngrenze auf. Die Verformbarkeit des Basisgitters der AZ31 wurde durch den Lithium- Zusatz und die möglicherweise modifizierte Ausscheidungsphase erhöht. Die Legierung AZ31Li6.8 wies im Vergleich zur Legierung AZ31 Li3.6 zwar eine verringerte Zug- und Druckfestigkeit auf, aber dafür eine hohe Stauchgrenze und hohe Bruchdehnung. Der Lithium-Zusatz verbesserte die Verformbarkeit.
Bei den Lithium-haltigen Legierungen und ihren Ausgangslegierungen wirkte sich die Beanspruchung unter Druck anders aus als die unter Zug: Anders als bei der Zugfestigkeit nahm die Druckfestigkeit und teilweise auch die Stauchgrenze ausgehend von AZ31 mit dem Lithium-Gehalt zur Legierung AZ31Li3.6 zu. Die Legierung AZ31Li6.8 wies aufgrund ihres hohen Lithium-Gehalts die unter allen Proben dieser Serie bezogen auf gemittelte Mittelwerte (Tabelle 3a) die höchste Stauchgrenze und Bruchstauchung und eine sehr hohe Druckfestigkeit auf. Bei dieser Serie war die Bruchstauchung der Proben im gegossenen Zustand höher als die der stranggepreßten Proben.
Die gegossene Legierung ZE10 wies einen sehr geringen elastischen Anteil, aber fast durchschnittlich hohen plastischen Anteil der Spannung auf. Durch einen Lithium-Zusatz ließ sich der elastische Anteil deutlich steigern. Andererseits gewann die Legierung ZE10 beim Strangpressen einen außerordentlich hohen elastischen Anteil der Spannung, während der plastische Anteil etwa konstant erhalten blieb. Bei den Legierungen ZE10 und ZE10Li3.7 stiegen alle mechanischen Eigenschaften bei Proben im Gußzustand mit dem Lithium- Gehalt drastisch an. Bei den entsprechenden stranggepreßten Proben nahmen die mechanischen Eigenschaften mit Ausnahme von Zugfestigkeit und Streckgrenze deutlich mit dem Lithium-Gehalt zu. Die Legierung ZE10Li3.7 zeigte unter den untersuchten Lithium­ haltigen Magnesiumlegierungen die höchsten Werte der Schlagarbeit, wobei aufgrund von Crashversuchen an Deformationselementen aus erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungen davon ausgegangen wird, daß die Legierung MgLi15.5Al2.5Zn0.8 noch höhere Werte der Schlagarbeit und Kerbschlagarbeit aufweisen sollte als die Legierung ZE10Li3.7. An einzelnen Proben der Legierung ZE10Li3.7 wurden bis zu 140 J gemessen; andere Proben wurden durch das Widerlager der Prüfmaschine gezogen, ohne komplett zu brechen, so daß dann kein Meßwert der Schlagarbeit ermittelt werden konnte. Die maximal anwendbare Schlagenergie betrug 150 J.
Der Umformgrad hatte einen erheblichen Einfluß auf die Schlagarbeit der Lithium-haltigen Proben. Die Schlagarbeit war bei den Lithium-haltigen Magnesiumlegierungen bei einem Umformgrad ϕ von 2,83 oft um etwa 30 bis 65% höher als bei ϕ = 3,06 (Tabelle 3f). Bei geringeren Umformgraden und somit bei kleineren Verpressungsverhältnissen ergaben sich viel höhere Werte der Schlagarbeit. Diese Tendenz trat bei den Proben aus unmodifizierten Ausgangslegierungen und bei den mit Ca oder Zr auflegierten Proben nicht oder nur schwach auf. Bei den Lithium-haltigen Proben wurden die besten Schlagarbeiten bei Umformtemperaturen von 200 bis 250°C erzielt. Die Umformgeschwindigkeit (= Strangpreßgeschwindigkeit) wirkte sich nur wenig auf Zugfestigkeit und Bruchdehnung aus.
Die Preßdruck-Weg-Verläufe beim Strangpressen der Lithium-haltigen Legierungen bei 200 °C zeigten, daß bei der Legierung AZ31+12at%Li ebenso wie AZ31 erst bei einem höheren Preßdruck, etwa bei 16 MPa, ein Fließen des Materials des Bolzens eintrat im Vergleich zu den Legierungen AM20+12at%Li, AZ31+21at%Li und ZE10+12at%Li, bei denen das Fließen bereits bei etwa 12,5 MPa eintrat, aber auch ein günstigerer, niedrigerer Preßdruck nach einem längeren Wegverlauf ermittelt wurde.
B) Ca-, Sr-, SE- oder/und Zr-haltige Magnesiumlegierungen
Gießen der Bolzen: Die Schmelze wurde bei einer Temperatur im Bereich von 780 bis 820°C, einmalig auch bei 750°C, gehalten und vergossen. Die Form wies je nach Versuch einen Durchmesser von 90 bzw. 110 mm und eine Formtemperatur im Bereich von 80 bis 320°C auf. Die erzielten Elementgehalte wurden spektroskopisch überprüft.
Die Gießkörper wurden über 12 h bei 350°C homogenisiert. Durch Drehen wurden Bolzen von in der Regel 70 mm Durchmesser und 120 mm Länge hergestellt; bei 6 Proben der Legierung AZ31Ca0,3 wurde jedoch ein Durchmesser von 74 mm gewählt. Je nach Probe wurde eine Strangpreßtemperatur im Bereich von 200 bis 450°C und eine Zeit zum Aufheizen und Durchwärmen im Bereich von 60 bis 150 min eingestellt.
Strangpressen: Vorversuche wurden mit der Legierung AZ31 in einer 400-t-Strangpresse bei direktem Strangpressen durchgeführt (Tabellen 1 und 2). Mit einem Rezipientendurchmesser von 74 mm konnte ein breites Parameterfeld erfolgreich untersucht werden. Die Vorversuche erlaubten die Festlegung der Versuchsparameter.
Bei den spezifischen Strangpreßversuchen wurde in einer 400-t-Strangpresse bei direktem Strangpressen gearbeitet. Strangpreßtemperatur: 340°C, 365°C bzw. 390°C jeweils nach 1 h Zeit des Aufheizens und Durchwärmens des Bolzens. Es wurden vorwiegend Preßmatrizen mit einem Durchmesser von 15, 16 bzw. 18 mm und entsprechend einem Verpressungsverhältnis von 1 : 24,3, 1 : 21,4 und 1 : 16,9 eingesetzt. Die Preßgeschwindigkeit betrug 3,8-4, 5, 5,0-5, 5, 5,8-6,5 bzw. 9,5-10 m/min. Nur ein kleiner Teil der Strangpreßversuche wird in Tabelle 4f wiedergegeben. Je nach Probe wurde bei einem Rezipientendurchmesser von 74 mm eine Rezipiententemperatur im Bereich von 250 bis 380°C, ein Matrizendurchmesser im Bereich von 14 bis 18 mm, ein Preßverhältnis A/A0 im Bereich von 16,9 bis 27,9, ein Umformgrad ϕ = In(A0/A) im Bereich von 2,8 bis 3,3, eine Stempelgeschwindigkeit im Bereich von 145 bis 508 mm/min. eine Strangpreßgeschwindigkeit im Bereich von 3,2 bis 10,8 m/min. ein Preßdruck zu Beginn des Strangpressens im Bereich von 8,7 bis 23,5 MPa und ein Preßdruck zum Ende des Strangpressens im Bereich von 7,2 bis 16,5 MPa und einmalig von 23,3 MPa eingestellt.
Das Parameterspektrum zeigte eine gute Verpreßbarkeit mit einem großen Spielraum bezüglich Preßkraft und Preßgeschwindigkeit. Die Gefügeausbildung und die erreichte Bruchdehnung korrelierten mit den Verformungsparametern. Es wurden vergleichsweise hohe Festigkeitswerte erreicht.
Die aufgetretenen Strangpreßdrücke variierten je nach verwendeter Legierung und eingestellten Parametern in einem breiten Spektrum. Die erreichten Enddrücke lagen für Legierungen ohne Ca-, Sr-, SE- oder Zr-Zusatz im Bereich um 10 ± 2 MPa bei Strangpreßtemperaturen größer 300°C und bei Ca-, Sr-, SE- oder Zr-haltigen Legierungen um bis zu 4 MPa höher. Ursache für die höheren Strangpreßdrücke und somit für den erhöhten Formänderungswiderstand von Magnesiumlegierungen mit Ca-, Sr-, SE- oder Zr- Zusatz ist ein höherer Anteil an stabilen Ausscheidungen als bei Magnesiumlegierungen ohne diesen Zusatz. Für geringere Temperaturen wurden generell etwas höhere Strangpreßdrücke ermittelt.
Bei der stranggepreßten (= extrudierten) Legierung AM50 lag die Zugfestigkeit bei Werten bis zu 287 MPa, die Druckfestigkeit bei Werten bis zu 365 MPa, die Bruchdehnung bei Werten bis zu 21,6% und die Schlagarbeit ungekerbter Proben bei Werten bis zu 85 J (Tabellen 4a/c). Alle diese Werkstoffeigenschaften lagen daher signifikant über denen, die an Proben im gegossenen Zustand ermittelt wurden.
Bei der stranggepreßten Legierung AM20Ca0.2 bzw. AM50Ca0,5 traten im Vergleich zur stranggepreßten Legierung AM20 bzw. AM50 bei den Druck- und Schlagversuchen höhere mechanische Eigenschaften bei einer vergleichbar hohen Duktilität auf, bei den geringer Aluminium-haltigen Legierungen auch bei den Zugversuchen. Da die untersuchten stranggepreßten Proben noch nicht die beste Gefügehomogenität aufwiesen, können hier noch deutlich bessere Eigenschaften erzielt werden. Bei der stranggepreßten Legierung AZ31Ca0.3 bzw. AS41Ca0.4 lagen die Ergebnisse der Druckfestigkeit höher als bei der stranggepreßten Legierung AZ31 bzw. AS41. Bei diesen Ca-modifizierten Legierungen traten die höchsten ermittelten Druckfestigkeiten auf. Bei den stranggepreßten Legierungen AM50 bzw. AZ31 nahmen die mittleren Korngrößen im Trend mit der Strangpreßtemperatur z. B. im Bereich von 6 bis 12 µm bzw. 3,5 bis 10 µm zu. Bei der Legierung AM50Ca0,5 lag die mittlere Korngröße im Bereich von 4, 5 bis 9 µm und somit aufgrund des Ca-Zusatzes geringer, wobei die mittleren Korngrößen proportional zur Strangpreßtemperatur ebenfalls etwas zunahmen.
Bei der stranggepreßten Legierung ME10 lagen die höchsten Werte der Zugversuche mit der mittleren Zugfestigkeit bei Werten bis zu 336 MPa und der mittleren Streckgrenze bei Werten bis zu 327 MPa. Die gegossene Legierung ME10 zeigte einen sehr hohen plastischen Anteil der Spannung, während sich das Verhältnis des elastischen zum plastischen Anteils beim Strangpressen umkehrte und zu umgekehrten Extremwerten führte (Tabelle 4b). Es traten sehr kleine mittlere Korngrößen im Bereich von 3 bis 5 µm auf.
Bei der stranggepreßten Legierung MN150Ca0.2 trat eine sehr starke Steigerung der meisten mechanischen Eigenschaften im Vergleich zur stranggepreßten Legierung MN150 auf. Ein Zusatz von Zr0.7 zur stranggepreßten Ausgangslegierung MN150 wirkte sich nur wenig aus.
Bei der stranggepreßten Legierung ZE10 wurden zwar geringere mechanische Eigenschaften ermittelt, doch variierten diese sehr stark mit der Temperatur, so daß noch bessere mechanische Eigenschaften mit noch höherer Temperatur erzielt werden können: Die Eigenschaften der Legierung ZE10 werden wesentlich von den Seltenen Erden beeinflußt und können bei der Variation der Seltenerdelemente einschließlich Yttrium bzw. ihrer Gehalte noch weiter optimiert werden. Bei der Legierung ZE10 traten mittlere Korngrößen im Bereich von 6,5 bis 13 µm auf, die wieder mit der Strangpreßtemperatur eher zunahmen; diese Legierung erwärmte sich jedoch mit zunehmender Strangpreßgeschwindigkeit relativ stark, was bei höherer Strangpreßgeschwindigkeit ebenfalls zu etwas größeren mittleren Korngrößen führte. Bei der stranggepreßten modifizierten Legierung ZE10Zr0,7 ergaben sich aufgrund des Zirkonium-Zusatzes sehr viel höhere Festigkeiten als bei der stranggepreßten Ausgangslegierung ZE10. Sie wies wie die zusätzlich Zr0.7 enthaltende stranggepreßte Legierung sehr hohe Werte der Bruchdehnung und der Kerbschlagarbeit auf. So konnte beim Abkühlen von Aluminiumfreien Zirkonium­ haltigen Schmelzen eine heterogene Keimbildung einsetzen, die aufgrund eines Korngrenzen-Pinnings zu einem besonders feinen Gefüge führte. Die Schlagarbeit an ungekerbten Proben war jedoch aufgrund der inhomogenen Verteilung der Zirkonium­ haltigen Phase im Vergleich zu den Proben der Legierung ZE10 teilweise geringfügig gesunken. Bei der stranggepreßten Legierung ZE10Zr0,7 stabilisierte der Zirkonium-Zusatz das Gefüge. Es entstanden beim Strangpressen Gefüge mit mittleren Korngrößen im Bereich von 2,2 bis 4,5 µm. Diese geringen Korngrößen entstanden über einen weiten Strangpreßparameterbereich. Bei dieser Legierung war die geringe Variation der Korngrößen in Abhängigkeit von den Strangpreßparametern auffällig.
Ein Zusatz von RE0.7 zur stranggepreßten Legierung ZM21 wirkte sich nur wenig auf die mechanischen Eigenschaften aus.
Es wurde gefunden, daß die Hall-Petch-Beziehung auch für die erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungen im Trend gültig ist, nach der die mechanischen Eigenschaften mit kleineren Korngrößen verbessert werden. Das gilt in vielen Fällen vor allem für die Zug- und Druckfestigkeit, aber auch grundsätzlich für die Bruchdehnung und Schlagarbeit.
Hierbei wurden insbesondere Magnesiumlegierungen als geeignet ermittelt, bei denen je vorhandenem 1 Gew.-% Al ein Gehalt an Ca im Bereich von etwa 0,05 bis 0,2 Gew.-% Ca zugesetzt wurde, um eine Ausscheidung der Al2Ca-Phase zu ermöglichen. Die Phase Al2Ca erwies sich als temperaturstabiler als die Phase Mg17Al12 und konnte daher das Kornwachstum beim Strangpressen besser behindern als die Phase Mg17Al12. Auch die Ausscheidungsphase Mg2Si behinderte das Kornwachstum beim Strangpressen besser als die Phase Mg17Al12. Eine Zugabe von Ca zu Al-freien Legierungen führte zur Bildung von Mg2Ca- bzw. Ca5Zn2-Ausscheidungen. Es zeigte sich, daß die normalerweise bei Al-haltigen Magnesiumlegierungen erscheinende Phase Mg17Al12 zwar eine etwas erhöhte Festigkeit verursacht, aber auch für eine geringere Bruchdehnung verantwortlich ist. Da diese Phase noch spröder ist als als die reine hexagonale Mg-Phase, sollten größere Gehalte von Mg17Al12 vermieden werden.
Tabelle 1
Ergebnisse der Vorversuche zur Ermittlung der Strangpreßparameter mit der Legierung AZ31 bei einer Strangpreßtemperatur von 400°C, einem Matrizendurchmesser von 16 mm, einem Rezipientendurchmesser von 74 mm und einem Verpressungsverhältnis von 1 : 21
Tabelle 2
Einfluß des Verpressungsverhältnisses auf die mittleren Korngrößen und die mechanischen Eigenschaften aus dem Zugversuch bei einer Strangpreßtemperatur von 400°C bei den Vorversuchen zum Ermitteln der Strangpreßparameter
Bei den Tabellen 3 und 4 bedeuten "Guß" = Material im Gußzustand und "extr." = Gußmaterial, das anschließend durch Homogenisieren und Strangpressen (Extrudieren) umgeformt wurde, "B" = erfindungsgemäßes Beispiel und "VB" = Vergleichsbeispiel nach dem Stand der Technik.
Tabelle 3a
Mittelwerte der Meßergebnisse der mechanischen Versuche gemittelt über die verschiedenen Proben der Lithium-haltigen Magnesiumlegierungen und deren Ausgangslegierungen
Tabelle 3b
Mittelwerte der aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm der Zugversuche für Lithium-haltige Magnesiumlegierungen und deren Ausgangslegierungen bestimmbare Werte. F = RP02 = Fließspannung = elastischer Anteil der Spannung. V = Streckgrenzenverhältnis = F: Z, Rm = Zugspannung Z = elastischer + plastischer Anteil der Spannung
Tabelle 3c
Höchste Mittelwerte der Meßergebnisse der mechanischen Eigenschaften ausgewählt aus verschiedenen Einzelproben der Lithium-haltigen Magnesiumlegierungen
Tabelle 3d
Gefügebestandteile im Gußzustand nach dem Homogenisieren bei 350°C 4 h bzw. nach dem Strangpressen sowie vorwiegend auftretende Korngrößen (* = vor dem Warmauslagern)
Tabelle 3e
Verfahrensparameter und mittlere Korngröße bei den Lithium-haltigen Magnesiumlegierungen und deren Ausgangslegierungen
Tabelle 4a
Mittelwerte der Meßergebnisse der mechanischen Versuche an verschiedenen Proben der Ca-, Sr-, SE- und Zr-haltigen Magnesiumlegierungen und deren Ausgangslegierungen
Tabelle 4b
Mittelwerte der aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm der Zugversuche für modifizierte Lithium-freie Magnesiumlegierungen und deren Ausgangslegierungen bestimmbare Werte. F = RP02 = Fließspannung = elastischer Anteil der Spannung. V = Streckgrenzenverhältnis = F: Z. Rm = Zugspannung Z = elastischer + plastischer Anteil der Spannung
Tabelle 4c
Höchste Mittelwerte der Meßergebnisse der mechanischen Eigenschaften ausgewählt aus verschiedenen Einzelproben der modifizierten Magnesiumlegierungen
Tabelle 4d
Vorwiegend auftretende Korngrößen im Gußzustand nach dem Homogenisieren bei 350°C 4 h bzw. nach dem Strangpressen bei den modifizierten Lithium-freien Magnesiumlegierungen und deren Ausgangslegierungen
Tabelle 4e
Verfahrensparameter zu verschiedenen Proben der modifizierten Lithium-freien Magnesiuimlegierungen und deren Ausgangslegierungen

Claims (22)

1. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung hoher Duktilität u. a. durch Strangpressen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung mit einem Umformgrad von mindestens 1,5 stranggepreßt wird, daß sie Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, daß sie einen Gehalt an Li im Bereich von 0,5 bis 20 Gew.-% enthält, daß sie neben den Gehalten an Mg und Li sowie ggf. Al oder/und Si einen Gehalt an mindestens einem weiteren chemischen Element von mindestens 0,1 Gew.-% enthält und daß sie nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 20%, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 70 J aufweist.
2. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung hoher Duktilität u. a. durch Strangpressen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung mit einem Umformgrad von mindestens 1,5 stranggepreßt wird, daß sie Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, daß sie einen Gehalt an Ca im Bereich von 0,1 bis 6 Gew.-% und nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 16%, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 50 J aufweist.
3. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung hoher Duktilität u. a. durch Strangpressen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung mit einem Unformgrad von mindestens 1,5 stranggepreßt wird, daß sie Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, daß sie einen Gehalt an Sr im Bereich von 0,1 bis 6 Gew.-% und nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 17,5% und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 50 J aufweist.
4. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung hoher Duktilität u. a. durch Strangpressen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung mit einem Umformgrad von mindestens 1, 5 stranggepreßt wird, daß sie Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, daß sie einen Gehalt an Zr im Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-% und nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 18%, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 20 J aufweist.
5. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung hoher Duktilität u. a. durch Strangpressen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung mit einem Umformgrad von mindestens 1,5 stranggepreßt wird, daß sie Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, daß sie einen Gehalt an mindestens einem Seltenerdelement SE einschließlich La und Y im Bereich von insgesamt 0,1 bis 10 Gew.-% und nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 18%, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 50 J aufweist, wobei der Gesamtgehalt an Seltenerdelementen bei Lithium-haltigen Legierungen nur bis zu 1 Gew.-% beträgt.
6. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung hoher Duktilität u. a. durch Strangpressen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung beim Strangpressen dynamisch rekristallisiert wird, daß sie Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, daß sie eine Magnesiumlegierung auf Basis AM, AS, EM, EZ, MA, ME, SA, ZA oder ZE ist und daß sie nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 17,5%, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 45 J aufweist.
7. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung hoher Duktilität u. a. durch Strangpressen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung beim Strangpressen dynamisch rekristallisiert wird, daß sie Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, daß sie eine Magnesiumlegierung auf Basis AZ mit mindestens einem Zusatz von Ca, Sr, Li, SE oder/und Zr von jeweils mindestens 0,1 Gew.-% ist, und daß sie nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 17,5%, eine Druckfestigkeit von mindestens 350 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 50 J aufweist.
8. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung hoher Duktilität u. a. durch Strangpressen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung beim Strangpressen dynamisch rekristallisiert wird, daß sie Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, daß sie eine Magnesiumlegierung auf Basis MN mit mindestens 1 Gew.-% Mn und mit einem Zusatz von Ca, Sr, Li, SE oder/und Zr von jeweils mindestens 0,1 Gew.-% ist und daß sie nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 15%, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa, und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 20 J aufweist.
9. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung hoher Duktilität u. a. durch Strangpressen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung beim Strangpressen dynamisch rekristallisiert wird, daß sie Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und Spuren von bis zu 0,1 Gew-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, daß sie eine Magnesiumlegierung auf Basis MZ oder ZM ist, die einen Zusatz insbesondere von Ca, Sr, Li, SE oder/und Zr von jeweils mindestens 0,1 Gew.-% enthalten kann, und daß sie nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 15%, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 40 J aufweist.
10. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach dem Strangpressen eine Zugfestigkeit von mindestens 200 MPa aufweist.
11. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach dem Strangpressen eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa aufweist.
12. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach dem Strangpressen einen plastischen Anteil der Spannung bestimmt im Zugversuch nach dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm aus der Differenz von Zugspannung und Fließspannung von mindestens 40 MPa aufweist.
13. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die strangzupressenden Formkörper, insbesondere Bolzen, bei Temperaturen im Bereich von 330 bis 380°C über 2 bis 24 h homogenisiert werden.
14. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei einem Umformgrad von mindestens 2 stranggepreßt wird.
15. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Strangpreßgeschwindigkeit im Bereich von 0,5 bis 20 m/min stranggepreßt wird, vorzugsweise bei 1 bis 18 m/min. besonders bevorzugt bei 3 bis 16 m/min. ganz besonders bevorzugt bei 5 bis 15 m/min.
16. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach dem Strangpressen bei Temperaturen im Bereich von 80 bis 250°C, vorzugsweise bei 100 bis 150°C, wärmebehandelt bzw. ausgelagert wird.
17. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie anschließend ein weiteres Mal umgeformt wird bzw. anschließend geformt wird.
18. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das hergestellte Halbzeug bzw. das aus oder mit dem Halbzeug hergestellte Bauteil gerichtet, z. B. durch Biegen, Drücken, Drückwalzen, Streckziehen, Tiefziehen, Innenhochdruckumformen oder Walzprofilieren weiter verformt, bearbeitet, gefügt oder/und oberflächenbehandelt wird.
19. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug oder das daraus oder damit hergestellte Bauteil durch mindestens ein wärmearmes Fügeverfahren wie z. B. Kleben, Nieten, Stecken, Anpressen, Einpressen, Clinchen, Falzen, Schrumpfen oder Schrauben oder/und mindestens ein wärmeeinbringendes Fügeverfahren wie z. B. Verbundgießen, Verbundschmieden, Verbundstrangpressen, Verbundwalzen, Löten oder Schweißen, insbesondere Strahlschweißen oder Schmelzschweißen, mit einem gleichartigen oder andersartigen Halbzeug oder Bauteil verbunden wird.
20. Halbzeug aus einer Magnesiumlegierung oder daraus oder damit hergestelltes Bauteil oder Verbund mit einem solchen Halbzeug oder Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß es nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche hergestellt wurde.
21. Verwendung einer Magnesiumlegierung, hergestellt nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19 als Rahmenelement, Element von Fahrzeugzelle oder Fahrzeugaußenhaut, Fahrzeugzelle oder Fahrzeugaußenhaut, Cockpitträger, Cockpithaut, Gehäuse, Bodenelement, Boden, Deckel, Tankelement, Tankklappe, Halterung, Stütze, Träger, Winkel, Hohlprofil, Rohr, Deformationselement, Crashelement, Crashabsorber, Pralldämpfer, Prallschild, Prallträger, Kleinteil, als geschweißte Profilkonstruktion, für die Fahrzeugkarosserie, für Sitz-, Fenster- oder/und Türrahmen, als Halbzeug, Bauteil oder Verbund am oder im Automobil oder Flugzeug.
22. Verwendung eines Halbzeuges aus einer Magnesiumlegierung, eines daraus oder damit hergestellten Bauteiles oder/und eines Verbundes mit mindestens einem derartigen Halbzeug oder/und Bauteil als Rahmenelement, Element von Fahrzeugzelle oder Fahrzeugaußenhaut, als Fahrzeugzelle oder Fahrzeugaußenhaut, Cockpitträger, Cockpithaut, Gehäuse, Bodenelement, Boden, Deckel, Tankelement, Tankklappe, Halterung, Stütze, Träger, Winkel, Hohlprofil, Rohr, Deformationselement, Crashelement, Crashabsorber, Pralldämpfer, Prallschild, Prallträger, Kleinteil, als geschweißte Profilkonstruktion, für die Fahrzeugkarosserie, für Sitz-, Fenster- oder/und Türrahmen, als Halbzeug, Bauteil oder Verbund am oder im Automobil oder Flugzeug.
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