DE2558519A1

DE2558519A1 - Magnesiumlegierungen

Info

Publication number: DE2558519A1
Application number: DE19752558519
Authority: DE
Inventors: Stephen Lee Bradshaw; John Frederick King; William Unsworth
Original assignee: Magnesium Elektron Ltd
Current assignee: Magnesium Elektron Ltd
Priority date: 1974-12-30
Filing date: 1975-12-24
Publication date: 1976-07-08
Also published as: IL48762A; NL7515190A; CH608832A5; AU8781575A; DE2558519C2; NO142581B; NO754367L; NO142582C; DE2558915C2; CA1053484A; IL48763A; DE2558545C2; AU500182B2; JPS5192708A; GB1463608A; IT1052036B; JPS5192707A; BE837170A; FR2296698B1; CH611650A5

Description

EWALD OPPERMANN ? 5 5 P 5 1 9

PATENTANWALT

SS 27 21 OFFENBACH (MAIN) · KAISERSTRASSE 9 · TELEFON (0611) $33531 ■ KABEL EWOPAT

23. Dezember 1975

Op/ef

37/31

Magnesium Elektron Limited Lumn's Lane,
Clifton Junction,
Swinton, Manchester, England

Magnesiumlegierungen

Die Erfindung betrifft Magnesiumlegierungen und schließt auch ein Verfahren zur Herstellung von warmausgehärteten Metallformteilen aus derartigen Legierungen ein.

Magnesiumlegierungen haben im Vergleich zu den Legierungen anderer Metalle ein sehr niedriges Gewicht und finden demgemäß dort Verwendung, wo, wie in der Luft- und Raumfahrtindustrie, ein niedriges Gewicht eine bedeutende Rolle spielt. Derartige Legierungen mit vorteilhaften mechanischen Eigenschaften, insbesondere hoher Zugfestigkeit, werden in der GB-PS 875 929 beschrieben.

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ORIGINAL INSPECTED

In der zitierten Patentschrift offenbarte Legierungen sind für Bauteile der Luft- und Raumfahrt verwendet worden, die relativ großen Beanspruchungen ausgesetzt sind, ζ. B. Gehäuse von Flugzeugkompressoren, Getriebekasten von Hubschraubern und Fahrgestellteile. Damit man ausreichende mechanische Eigenschaften erhält, müssen die Legierungen einer zweifachen Wärmebehandlung unterworfen werden. Zunächst erfolgt ein Lösungsglühen bei hohen Temperaturen, wonach ein Abschrecken und ein Auslagern bei niedrigeren Temperaturen erfolgen, um die mechanischen Eigenschaften durch Ausscheidungshärtung zu verbessern.

Die so erzielten mechanischen Eigenschaften bleiben gut erhalten, wenn die Teile erhöhten Temperaturen bis zu 200 C ausgesetzt werden. Oberhalb 200 C fallen die mechanischen Eigenschäften jedoch beträchtlich ab, was dem Einsatz der herkömmlichen Mg-Legierungen im Flugzeugbau und in anderen Bereichen des Maschinenbaus, insbesondere für Getriebe und Motoren, die in diesem Temperaturbereich arbeiten, Grenzen setzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, Mangesiumlegierungen bereitzustellen, die befriedigende Zugfestigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur aufweisen und ihre vorteilhaften Eigenschaften, zumindest bis zu einem gew^rissen Grad, bei Temperaturen im Bereich um 250 ⁰C beibehalten.

Erfindungsgemäß wird eine Magnesiumlegierung bereitgestellt, die außer Eisen und anderen Verunreinigungen die folgenden Bestandteile (in Gew.%) enthält:

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Silber 1,25 - 3,0 %

Metalle der Seltenen Erden, davon mindestens 60 % Neodym	0,5	- 2,2
Thorium	0,2	- 1,9
Zink	0 -	0,5 I
Cadmium	0 -	1 %
Lithium	0 -	6 %
Calcium	0 -	0,8 I
Gallium	0 -	2 %
Indium	0 -	2 %
Thallium	0 -	5 %
Blei	0 -	1 %
Wismuth	0 -	1 %
Kupfer	0 -	0,15 %
Zirkon	0 -	1 %
Mangan	0 -	2 %
Rest	Magnesium,

wobei der maximale und zulässige Anteil an Zirkon und Mangan durch ihre gegenseitige Löslichkeit begrenzt wird und der Gesamtgehalt an Metallen der Seltenen Erden + Thorium zwischen 1,5 und 2,4 % liegt.

In einerbevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Anteil an Metallen der Seltenen Erden 0,5 - 2,1 % und der Thoriumanteil 0,3 - 1,9 %, der Gesamtgehalt an Thorium + Metallen der Seltenen Erden 1,5 - 2,4 %.

Die Legierungen können unter Verwendung von reinem Neodym als Vertreter der Metalle der Seltenen Erden hergestellt werden. Da reines Neodym jedoch sehr teuer ist, erfolgt die Zugabe vorzugsweise in Form eines Gemischs von Metallen der

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Seltenen Erden, in dem der Neodymanteil mindestens 60 % beträgt. In dem Mischmetall soll die Summe von Lanthan und Cer vorzugsweise 25 % nicht überschreiten. Es sollte beachtet werden, daß das Yttrium hier nicht zu den Metallen der Seltenen Erden gerechnet wird.

Um die Zugfestigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen voll zu entwickeln, ist es erforderlich, sie einer Wärmebehandlung zu unterwerfen. Dies erfolgt zunächst bei einer hohen Temperatur, wobei die Legierungsbestandteile in Lösung gehen, dann bei einer niedrigeren Temperatur, wobei im Verlauf der "Alterung"eine Ausscheidungshärtung stattfindet. Das Lösungsglühen sollte bei einer Temperatur zwischen 485 C und der Solidustemperatur der Legierung erfolgen. Die Behandlungsdauer* -mindestens 2 Stunden. Die Legierung kann dann auf Raumtemperatur abgeschreckt werden und für mindestens 1/2 Stunde bei einer Temperatur zwischen 100 und 275 C ausgehärtet werden. Innerhalb dieses Temperaturbereichs gilt, daß niedrigere Temperaturen längere Haltezeiten erfordern.

Im allgemeinen ist achtstündiges Lösungsglühen bei 525 ⁰C ausreichend. Die Anwesenheit von Kupfer in Mengen über 0,1 % beeinflußt jedoch den Soliduspunkt, so daß ein Vorglühen bei einer 485 C nicht überschreitenden Temperatur, beispielsweise für 8 Stunden bei 465 ⁰C, erforderlich ist, ehe bei höherer Temperatur geglüht wird.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, da ß die die vorstehend angegebenen Mengen an Metallen der Seltenen Erden und an Thorium enthaltenden erfindungsgemäßen Legierungen sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen, beispielsweise bei 250 C, vorteilhafte Eigenschaften aufweisen.

x) muß die Lösung aller Bestandteile ermöglichen, sie beträgt in der Regel

609828/067? .

Wenn der Gesamtgehalt an Metallen der Seltenen Erden und Thorium 2,4 % übersteigt, wird eine niedrige Bruchdehnung bei Raumtemperatur beobachtet, wenn er 1.5 % unterschreitet, resultiert eine schlechte Gießbarkeit. Sinkt der Gehalt an Metallen der Seltenen Erden unter 0,5 %, so ergibt sich eine niedrige 0,2 I-Grenze bei Raumtemperatur. Die mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen fallen ab, wenn der Thoriumgehalt unter 0,2 % absinkt.

Eine bevorzugte Legierung gemäß der Erfindung enthält 2 2,5 % Silber, 0,9 - 1,4 I Metalle der Seltenen Erden, 0,6 1,1 % Thorium und mindestens 0,4 % Zirkon, während der Rest aus Magnesium besteht.

Die gewünschte Menge an Thorium kann bequem in Form einer Magnesium-Thorium-Vorlegierung eingeführt werden.

Auch der Silbergehalt hat einen Einfluß auf die Eigenschaften der Legierung. Mit abnehmendem Silbergehalt nimmt die Zugfestigkeit ab und die Bruchdehnung zu. Die Legierung sollte mindestens 1,25 % Silber enthalten, vorzugsweise 1,5 bis 3,ο %.

Im allgemeinen ist die Anwesenheit von bis zu 1 % Zirkon in der Legierung erwünscht, damit eine befriedigende Kornverfeinerung erzielt wird. Zur Herstellung befriedigender Gußstücke ist es erwünscht, mindestens 0,4 % Zirkon einzulegieren. Es kann wünschenswert sein, Mangan einzulegieren, jedoch ist der Mangangehalt begrenzt durch die wechselseitige Löslichkeit von Mangan und Zirkon. Ein Teil des erwünschten Zirkon-Minimalgehalts von 0,4 I kann durch Mangan ersetzt werden.

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In den folgenden Beispielen werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Legierungen beschrieben.

Beispiele

Legierungen der unten angegebenen Zusammensetzungen wurden nach einem konventionellen Verfahren hergestellt. Silber wurde entweder als reines Metall oder in Form eines Gußblocks aus 2,5 % Ag, 1,88 °s Metallen der Seltenen Erden, 0,36 % Zr, Rest Magnesium, einlegiert. Die Metalle der Seltenen Erden wurden in Form einer Magnesium-Neodym-Vorlegierung eingeführt, Thorium wurde in Form einer Magnesium-Thorium-Vorlegierung einlegiert.

Zur Lösung der Legierungsbestandteile wurden die erhaltenen Legierungen zunächst bei einer hohen Temperatur geglüht, dann abgeschreckt und anschließend bei einer niedrigen Temperatur ausgehärtet. Das anfängliche Lösungsglühen wurde entweder 8 Stunden lang bei 525 ⁰C durchgeführt, oder, bei Legierungen mit bedeutsamen Kupfergehalten, 8 Stunden lang bei 465 C und anschließend weitere 8 Stunden bei 525 C. Die Proben wurden in heißem Kasser abgeschreckt und 16 Stunden lang bei 200 ⁰C ausgehärtet.

Die mechanischen Eigenschaften der so erhaltenen Proben (0,2%-Grenze, Zerreißfestigkeit und Dehnung) wurden bei Raumtemperatur nach British Standard 18, bei 250 °C nach British Standard 36 8 gemessen. Bei 250 ⁰C betrugen die Vorwärmzeiten 15 Minuten.

Zur Untersuchung des Widerstandsvermögens gegen Oberalterung wurden die gleichen mechanischen Prüfungen mit Variierung der Vorwärmzeiten zwischen 15 und 120 Minuten durchgeführt.

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Die Dauerfestigkeit der Proben wurde mit Hilfe von Standardprüfungen nach Wöhler an U-förmig gekerbten und ungekerbten Probestäben bestimmt. Das Kriechverhalten wurde durch Auftragen der Spannungs/Zeit-Beziehungen für 0,2 % Kriechspannung bei 200 und 250 ⁰C nach einer Methode gemäß British Standard 3600 ermittelt.

Das Ergebnis der Zugversuche an Legierungen mit 2,5 % Silber und 0,6 % Zirkon wird in der Abbildung 1 wiedergegeben. Der Gehalt an Metallen der Seltenen Erden ist als Ordinate, der Thoriumgehalt als Abszisse aufgetragen.

Die Legierungen gemäß der Erfindung liegen innerhalb der eingezeichneten trapezförmigen Bereiche. Es ist ersichtlich, daß die innerhalb der Trapeze liegenden Legierungen günstige mechanische Eigenschaften aufweisen, und daß die außerhalb liegenden im allgemeinen unterlegen sind. So weisen Legierungen mit höheren Gehalten an Metallen der Seltenen Erden + Thorium (Bereich A) niedrigere Dehnungen bei Raumtemperatur auf (Diagramm c), solche mit einem Gehalt an Metallen der Seltenen Erden unter 0,5 % zeigen niedrigere Werte für die 0,2 I-Grenze und die Zerreißfestigkeit (Diagramme a, b, d und e) . Legierungen mit weniger als 0,2 % Thorium haben schlechtere Eigenschaften bei hohen Temperaturen, während an Legierungen mit einem Gehalt an Metallen der Seltenen Erden + Thorium unter 1,5 % eine verschlechterte Gießharkeit (stärkere Porosität) festgestellt wurde.

Der Einfluß des Thoriumgehalts auf den Überalterungswiderstand wird in der Tabelle 1 demonstriert. Es ist ersichtlich, daß die Hochtemperatureigenschaften für einen gegebenen Aushär-

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tungsgrad durch die Gegenwart von Thorium verbessert werden, und daß diese Eigenschaften bei Überalterung im wesentlichen erhalten bleiben.

Die Ergebnisse der Dauerfestigkeitsprüfungen nach Wöhler
werden für ungekerbte und gekerbte Probestücke in den Abbildungen 2 bzw. 3 wiedergegeben. Folgende Legierungen werden
dort dargestellt:

Abgerundete Analysenergebnisse (%)

	Ag	Seltene Erden	Th	Zr	6	Kreise
2	,5	2,2	-	0,	6	' Quadrate j
2	,5	0,6	1,3	0,	6	! Dreiecke I
2	,5	1,0	1	0,

Es ist ersichtlich, daß die thoriumhaltigen Legierungen
Höchstspannungswerte zeigen, die insbesondere an ungekerbten Probestäben genau so gut oder besser sind als die der Legierung, die kein Thorium enthält.

Das Kriechverhalten von Probestäben wurde bei 200 und 250 ⁰C gemessen. Folgende Ergebnisse wurden erhalten:

609828/067 2.

2 5 5 P S 1

ZUSAMMENSETZUNG (%)	;	.⁷V^₉ (N/mm²) (100 Stunden) U, L

j Ag ' Seltene' Th , Erden

Zr

200 ⁰C

250 °C

2,5' 2,2

I 0,6

75

	I	o,	8	ί I	o,	6	96	39
2,	I 5¹ ι			: 1
	!

Es ist ersichtlich, daß das Kriechverhalten der thoriumhaltigen Legierung bei erhöhten Temperaturen wesentlich günstiger ist als das einer Legierung des Standes der Technik.

Der Zusatz von Mangan hat keinen nachteiligen Einfluß auf die Zugfestigkeits- und Kriecheigenschaften der Legierungen.

- Ansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1. Magnesiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie außer Eisen und anderen \^rerunreinigungen die folgenden Bestandteile in Gewichtsprozent enthält:

Silber 1 ,25 - 3,0 % Metalle der Seltenen
Erden, davon mindestens
60 Gew.% Neodym 0 ,5 - 2,2 % Thorium 0 ,2 bis 1,9 Zink
Cadmium 0
0 - 0,5 %
- 1 % Lithium 0 - 6 % Calcium 0 - 0,8 % Gallium 0 - 2 % Indium 0 - 2 % Thallium 0 - 5 % Blei O - 1 % Wismuth 0 - 1 % Kupfer 0 - 0,15 % Zirkon 0 - 1 % Mangan 0 - 2 % Rest Magnesium,

wobei der maximale und zulässige Gehalt an Zirkon durch den Mangangehalt und der Gehalt an Mangan durch den Zirkongehalt begrenzt wird, und die Summe der Anteile an Metallen der Seltenen Erden und an Thorium zwischen 1,5 und 2,4 % liegt.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens 0,3 Gew.i Thorium enthält»

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3. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens 0,4 Gew.% Zirkon enthält.

4. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtgehalt an Zirkon und Mangan mindestens 0,4 Gew.% beträgt.

S. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens 1,5 Gew.% Silber enthält

6. Legierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie 2 - 2,5 Gew.% Silber, 0,9 bis 1,4 Gew.% Metalle der SeI-tenen Erden, 0,6 bis 1,1 Gew.I Thorium und mindestens 0,4 Gew.% Zirkon enthält.

7. Verfahren zur Herstellung von warmausgehärteten Metallformteilen aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung verformt wird und die Formteile bei Temperaturen zwischen 485 C und dem Soliduspunkt der Legierung lösungsgeglüht, abgeschreckt und für mindestens 1/2 Stunde bei Temperaturen zwischen 100 und 275 ⁰C warmausgehärtet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil 8 Stundi
lösungsgeglüht wird.

das Formteil 8 Stunden lang bei einer Temperatur von 525 ⁰C

- 12 -

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255B 519

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dß die Legierung mindestens 0,1 Gew.% Kupfer enthält und das Formteil zunächst bei einer Temperatur lösungsgeglüht wird, die 485 ⁰C nicht übersch
Temperatur geglüht wird.

die 485 C nicht überschreitet, und danach bei einer höheren

10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung etwa 16 Stunden lang bei einer Temperatur von etwa 200 C warmausgehärtet wird.

11. Gußteil, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Legierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 besteht und nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10 hergestellt wurde.

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