DE2558519C2

DE2558519C2 - Verfahren zur Herstellung einer Magnesiumlegierung

Info

Publication number: DE2558519C2
Application number: DE2558519A
Authority: DE
Inventors: Stephen Lee Bolton Lancashire Bradshaw; John Frederick Bury Lancashire King; William Swinton Manchester Unsworth
Original assignee: MAGNESIUM ELEKTRON Ltd SWINTON MANCHESTER GB
Current assignee: MAGNESIUM ELEKTRON Ltd SWINTON MANCHESTER GB
Priority date: 1974-12-30
Filing date: 1975-12-24
Publication date: 1986-03-20
Also published as: CA1053484A; JPS5918457B2; SE7514709L; IL48762A0; IT1052035B; FR2296698A1; SE7514711L; FR2296696B1; NO142582B; NL7515191A; IT1052036B; BE837169A; DE2558545A1; SE448241B; IN155906B; CA1066923A; AU507250B2; FR2296697A1; NL7515192A; NL7515190A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Magnesiumlegierung aus

1,25 bis 3,0%	Silber,
0,5 bis 2,2%	Metallen der Seltenen Erden, davon mindestens 60% Neodym,
0,2 bis 1,9%	Thorium,
0 bis 0,5%	Zink,
0 bis 1 %	Cadmium,
0 bis 6%	Lithium,
0 bis 0,8%	Calcium,
0 bis 2%	Gallium
0 bis 2%	Indium,
0 bis 5%	Thallium,
0 bis I %	Blei,
Obis 1%	Wismuth,
0 bis 0.15%	Kupfer,
0 bis I %	Zirkonium,
0 bis 2%	Mangan,
Rest	Magnesium mit Verunreinigungen,

wobei der maximale und zulässige Gehalt an Zirkonium und an Mangan durch ihre gegenseitige Lösbarkeit begrenzt ist, durch eine Wärmebehandlung, bestehend aus Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern. Die Erfindung schließt auch ein Verfahren zur Herstellung von warmausgehärteten Metallformteilen aus derartigen Legierungen sowie die Anwendung des Verfahrens zur Herstellung einer Magnesiumlegierung auf bevorzugte Legierungszusammensetzungen 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 8 75 929 beschrieben. Die darin offenbarten Legierungen sind für Bauteile der Luft- und Raumfahrt verwendet worden, die relativ großen Beanspruchungen ausgesetzt sind, ζ. Β. ίο 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 Eigenschaften 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

Eine Magnesiumlegierung der eingangs angegebenen Zusammensetzung, die der ebenfalls eingangs angegebenen Wärmebehandlung unterworfen wird, ist bekannt (DE-AS 12 43 398). jedoch war für diese Magnesiumlegierung nicht bekannt, die mechanischen Eigenschaften durch bestimmte Bemessung von Legierungsbestandteilen zu verbessern.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Magnesiumlegierung bereitzustellen, die befriedigende Zugfestigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur aufweist und ihre vorteilhaften Eigenschaften, zumindest bis zu einem gewissen Grad, bei Temperaturen im Bereich um 250° C beibehält

Die gestellte Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs bezeichneten Verfahren dadurch gelöst daß die Summe der Anteile an Metallen der Seltenen Erden (mindestens 60% Neodym) und an Thorium zwischen 1,5 und 2,4% eingestellt wird und die Legierung eine 0,2%-Streckgrenze bei 250⁰C von mindestens 148 N/mm² besitzt

Im Rahmen dieser erfindungsgemäßen Bemessungsregel kann der Anteil an Metallen der Seltenen Erden 03 bis 2,1 % und der Thoriumanteil 03 bis 13% betragen.

Vorteilhafte Verfahren zur Herstellung von wannausgehärteten Metallformteilen aus einer erfindungsgemäß hergestellten Legierung gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 5 hervor, während die Unteransprüche 6 bis 10 vorteilhafte Anwendungen des Verfahrens auf bevorzugte Legierungszusammensetzungen betreffen.

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 Seltenen Erden, in dem der Neodymanteil mindestens 60% beträfet In «Jem Mischmetal! 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 erfindungsgemäß hergestellten 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, wubei im Verlauf der Auslagerung eine Ausscheidungshärtung stattfindet Das Lösungsglühen sollte bei einer Temperatur zwischen 485° C und der Solidustemperatur der Legierung erfolgen. Die Behandlungsdauer muß die Lösung aller Bestandteile ermöglichen, sie beträgt in der Regel mindestens 2 Stunden. Die Legierung wird dann auf Raumtemperatur abgeschreckt und für mindestens V₂ Stunde bei einer Temperatur zwischen 100 und 275° C ausgehärtet Innerhalb dieses Temperaturbereichs gilt, daß niedrigere Temperaturen längere Haltezeiten erfordern.

Im allgemeinen ist achtstündiges Lösungsglühen bei 525°C 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° C, erforderlich ist, ehe bei höherer Temperatur geglüht wird.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß die die verstehend angegebenen Mengen an Metallen der Seltenen Erden und an Thorium enthaltenden erfindungsgemäß hergestellten Legierungen sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen, beispielsweise bei 250° C, vorteilhafte Eigenschaften aufweisen.

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%-Grenze bei Raumtemperatur. Die mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen fallen ab, wenn der Thoriumgehalt unter 0,2% absinkt.

Eine für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugte Legierung enthält 2 bis 2£% Silber, 0,9 bis 1,4% Metalle der Seltenen Erden, 0,6 bis 1,1% Thorium und mindestens 0,4% Zirkonium, während der Rest aus Magnesium besteht.

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

Auch der Silbergeln.lt 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, vorzuesweise 1.5 bis 3,0%.

Im allgemeinen ist die Anwesenheit von bis zu 1% Zirkonium in der Legierung erwünscht, damit eine

befriedigende Kornverfeinerung erzielt wird. Zur Herstellung befriedigender Gußstücke ist es erwünscht, mindestens 0,4% Zirkonium einzulegieren. Es kann wünschenswert sein, Mangan einzulegieren, jedoch ist der Mangangehalt begrenzt durch die wechselseitige Löslichkeit von Mangan und Zirkonium. Ein Teil des er· wünschten Zirkonium-Minimalgehalts von 0,4% kann durch Mangan ersetzt werden.

In den folgenden Beispielen werden für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugte 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% 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. Da anfängliche Lösungsglühen wurde entweder 3 Stünden lang bei 525°C durchgeführt, oder, bei Legierungen mit bedeutsamen Kupfergehalten,8 Stunden lang bei 46S°C und anschließend weitere 8 Stunden bei 525°C. Die Proben wurden in heißem Wasser abgeschreckt und 16 Stunden lang bei 200° C ausgehärtet.

Die mechanischen Eigenschaften der so erhaltenen Proben (0,2%-Grenze, Zugfestigkeit und Dehnung) wurden bei Raumtemperatur nach British Standard 18, bei 250°C nach British Standard 3688 gemessen. Bei 250⁰C betrugen die Vorwärmzeiten 15 Minuten.
Zur Untersuchung des Widerstandsvermögens gegen Überalterung wurden die gleichen mechanischen Prüfungen mit Variierung der Vorwärmzeiten zwischen 15 und 120 Minuten durchgeführt.

Die Dauerfestigkeit der Proben wurde mit Hilfe von Standardprüfungen nach Wöhler an U-förmig gekerbten und ungekerbten Probestäben bestimmt. Das Kriechverhalten wir de durch Auftragen der Spannungs/Zeit-Beziehungen für 0,2%-Kriechspannung bei 200 und 25O⁰C nach einer Methode gemäß British Standard 3600 ermittelt.

Das Ergebnis der Zugversuche an Legierungen mit 2,5% Silber und 0,6% Zirkonium >vird in der A b b. 1 wiedergegeben. Der Gehalt an Metallen der Seltenen Erden ist als Ordinate, der Thoriumgehalt als Abszisse aufgetragen.

Die erfindungsgemäß hergestellten Legierungen 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%-Grenze und die Zugfestigkeit (Diagramme a, b, </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 Gießbarkeit (stärkere Porosität) festgestellt wurde.

Es ist ersichtlich, daß die Hochtemperatureigenschaften für einen gegebenen Aushärtungsgrad 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 Probestükke in den A b b. 2 bzw. 3 wiedergegeben. Folgende Legierungen werden dort dargestellt:

Abgerundete Analysenergebnisse (%)
Ag Seltene Erden Th Zr

25	22	—	0,6	Kreise
25	0,6	U	0,6	Quadrate
25	1,0	1	0,6	Dreiecke

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 K riech verhalten von Probestäben wurde bei 200 und 250⁰C gemessen. Folgende Ergebnisse wurden erhalten:

Zusammensetzung (%)

Ag Seltene Erden TTi Zr 200⁰C 250⁰C

2,5 22 0 0,6 75 28

25 0,8 1 0,6 96 39

Es ist ersichtlich, daß das Kriechverhalten der thoriumhaltigen Legierung bei erhöhten Temperaturen wesent- j|

lieh günstiger ist als das einer Legierung des Standes der Technik. U

Der Zusatz von Mangan hat keinen nachteiligen Einfluß auf die Zugfestigkeits- und Kriecheigenschaften der i|

Legierungen. g

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer Magnesiumlegierung aus

1,25 bis 3,0% Silber, 0,5 bis 2^% Metallen der Seltenen Erden, davon mindestens 60% Neodym, 0,2 bis 1,9% Thorium, 0 bis 0,5% Zink, 0bisl% Cadmium, 0bis6% Lithium, 0 bis 0,8% Calcium, 0 bis 2% Gallium, 0 bis 2% Indium, 0 bis 5% Thallium, 0bisl% Blei, 0 bis 1% Wismuth, 0 bis 0,15% Kupfer, 0bisl% Zirkonium, 0bis2<fo Mangan, Rest Magnesium mit Verunreinigungen,

wobei der maximale und zulässige Gehalt an Zirkonium und an Mangan durch ihre gegenseitige Lösbarkeit begrenzt ist, durch eine Wärmebehandlung, bestehend aus Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Anteile an Metallen der Seltenen Erden (mindestens 60% Neodym) und an Thorium zwischen 14 und 2,4% eingestellt wird und die Legierung eine 0,2%-Streckgrenze bei 250⁰C von mindestens 148 N/mm² besitzt

2. Verfahren zur Herstellung von warmausgehärteten Metallformteilen aus einer Legierung nach Anspruch 1, 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 12 Stunde bei Temperaturen zwischen 100 und 275° C warmausgehärtet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil 8 Stunden lang bei einer Temperatur von 525° C lösungsgeglüht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung mindestens 0,1 % Kupfer enthält und das Formteil zunächst bei einer Temperatur lösungsgeglüht wird, die 485° C nicht überschreitet, und danach bei einer höheren Temperatur geglüht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung etwa 16 Stunden lang bei einer Temperatur von etwa 200° C warmausgehärtet wird.
6. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf eine Legierung, die mindestens 0,3% Thorium enthält
7. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf eine Legierung, die mindestens 0,4% Zirkonium enthält.
8. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf eine Legierung, deren Gesamtgehalt an Zirkonium und Mangan mindestens 0,4% beträgt
9. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf eine Legierung, die mindestens 1,5% Silber enthält
10. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf eine Legierung, die 2 bis 23% Silber, 0,9 bis 1,4% Metalle der Seltenen Erden, 0,6 bis 1,1 % Thorium und mindestens 0,4% Zirkonium enthält.