DE2558545A1 - Magnesiumlegierungen - Google Patents
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- DE2558545A1 DE2558545A1 DE19752558545 DE2558545A DE2558545A1 DE 2558545 A1 DE2558545 A1 DE 2558545A1 DE 19752558545 DE19752558545 DE 19752558545 DE 2558545 A DE2558545 A DE 2558545A DE 2558545 A1 DE2558545 A1 DE 2558545A1
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Description
Die Erfindung betrifft Magnesiumlegierungen und schließt auch ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus diesen
Magnesiumlegierungen 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 bedeutsame Rolle spielt.
Zum Stande der Technik gehörende Legierungen mit vorteilhaften mechanischen Eigenschaften, insbesondere hoher Zugfestigkeit,
werden in der GB-PS 875 929 beschrieben.
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25 5 Q"4 5
Die mechanischen Eigenschaften dieser Legierungen sind weitgehend
von der Gegenwart eines beträchtlichen Anteils an Silber abhängig, dessen Gehalt in der Regel 2 bis 3 Gew.% beträgt.
Dadurch werden die Legierungen sehr teuer. Darüber hinaus ist der Marktpreis des Silbers wegen dessen Verwendung
in Münzen sehr starken Schwankungen ausgesetzt. Da die Silberpreise einen wesentlichen Anteil an den Preisen
der Legierungen haben, unterliegen deren Preise den gleichen Schwankungen.
In den erwähnten Legierungen werden die mechanischen Eigenschaften
mit steigenden Silbergehalten besser. Die Erfindung hat zur Aufgabe, den Gehalt an kostenaufwendigem Silber
zu senken, ohne daß eine Verschlechterung der Eigenschaften der Legierung in Kauf genommen werden muß. Wie nun überraschenderweise
gefunden wurde, kann ein Teil des Silbers ohne eine wesentliche Verschlechterung der Eigenschaften durch
Kupfer ersetzt werden.
Erfindungsgemäß wird eine Magnesiumlegierung bereitgestellt,
die außer Eisen und anderen Verunreinigungen die folgenden Bestandteile enthält:
Magnesium mindestens 88 Gew.%
Silber 1 bis 3 Gew.%
Kupfer 0,05 bis 0,15 Gew.%
Metalle der Seltenen
Erden, davon mindestens
60 Gew.% Neodym 0,5 bis 3,0 Gew.%
Zirkon 0 bis 1 Gew.%
Mangan 0 bis 2 Gew.%
Zink 0 bis 0,5 Gew.%
Cadmium 0 bis 1,0 Gew.%
Lithium 0 bis 6,0 Gew.%
Calcium 0 bis 0,8 Gew.%
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25 5^545
Gallium O bis 2,0 Gew.t
Indium 0 bis 2,0 Gew.%
Thallium 0 bis 5,0 Gew.I
Blei 0 bis 1,0 Gew.I
Wismuth 0 bis 1,0 Gew.I ,
wobei die maximalen Anteile an Zirkon und Mangan durch den jeweiligen Anteil des anderen Metalls begrenzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Silbergehalt 1 bis 2, vorteilhaft 1 bis 1,75 Gew.I.
Neodym, ein Metall aus der Gruppe der Seltenen Erden, kann als reines Metall, bequemer aber in Form eines auch andere Metalle
der Seltenen Erden enthaltenden Mischmetalls einlegiert werden. Das Mischmetall enthält vorzugsweise mindestens 60 Gew.%
Neodym und nicht mehr als 25 Gew.I Lanthan und Cer. Derartige Mischmetalle sind kommerziell erhältlich. Es sollte beachtet
werden, daß das Yttrium hier nicht zu den Metallen der Seltenen Erden gerechnet wird.
Zur Kornverfeinerung kann die Legierung bis zu 1 Gew.% Zirkon
enthalten. Zur Herstellung befriedigender Gußteile ist es erwünscht, mindestens 0,4 Gew.% Zirkon einzulegieren. Es ist
möglich, einen Teil des Zirkons durch Mangan zu ersetzen, jedoch wird der Mangangehalt durch die gegenseitige Löslichkeit
von Mangan und Zirkon begrenzt.
Die Legierungen können weitere in Magnesium lösliche Elemente enthalten, vorausgesetzt, daß diese nicht die günstigen Wirkungen
der anderen Legierungsbestandteile durch Bildung intermetallischer Verbindungen negativ beeinflussen. So können
Zink, Cadmium, Lithium, Calcium, Gallium, Indium, Thallium, Blei und Wismuth in den oben angegebenen Anteilen enthalten
sein.
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Um die optimalen mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen zu entwickeln, ist eine Wärmebehandlung
erforderlich. Diese besteht normalerweise aus einem Lösungsglühen bei erhöhter Temperatur, dem Abschrecken und einer
Warmauslagerung bei einer niedrigeren Temperatur. Das Lösungsglühen bei höherer Temperatur ermöglicht das Inlösunggehen
solcher Legierungselemente wie Silber, Neodym und Kupfer; durch das rasche Abschrecken verbleiben diese Elemente in
Lösung; durch die Warmauslagerung erfolgt eine Ausscheidungshärtung in eIAv1UnScIitem Ausmaß. Es wurde gefunden, daß für das
en
Lösungsglühen bei höheren Temperatur-' eine Temperatur von mindestens
520 0C erforderlich ist, während die obere Grenze für diese Behandlung durch den Soliduspunkt der Legierung gegeben
ist. Im allgemeinen ist eine Glühzeit von mindestens 2 Stunden erforderlich.
Die Ausscheidungshärtung kann durch mindestens 1/2-stündiges
Auslagern auf eine Temperatur im Bereich 100 bis 275 0C erfolgen,
wobei für Temperaturen an der unteren Grenze des Bereichs längere Auslagerungszeiten erforderlich sind. Für
die Wärmebehandlung typische Bedingungen sind: 8-stündiges Lösungsglühen bei 520 bis 525 C, Abschrecken und anschließendes
Ausscheidungshärten durch 16-stündiges Auslagern bei 200 0C.
Die vorstehend aufgeführten Bedingungen eignen sich für Legierungen,
die bis zu 0,1 Gew.% Kupfer enthalten. Wenn der Kupfergehalt diesen Wert überschreitet, kann sich ein kupferreiches
Eutektikum mit einem niedrigeren Schmelzpunkt bilden. Das Aufschmelzen dieser Phase während des Lösungsglühens
kann zur Bildung von Rissen beim nachfolgenden Abschrecken führen. Um das anfängliche Schmelzen der kupferreichen Phase
- 5 609828/0679
ο c £ ρ ς iς
/. vj ^J Ü ^ H U
~ J —
zu verhindern, kann das Lösungsglühen zunächst bei einer tieferen Temperatur erfolgen, vorzugsweise zwischen 400 und
485 °C, woran sich das eigentliche Lösungsglühen bei 485 C oder darüber anschließt. Das Vorglühen bei der niedrigeren
Temperatur kann für mindestens eine Stunde erfolgen. Für eine Legierung mit 0,1 bis 0,15 Gew.i Kupfer besteht ein
typischer Wärmebehandlungszyklus aus 16-stündigem Vorglühen bei 470 °C, 8-stündigem Lösungsglühen bei 520 0C, Abschrekken
und 16-stündigem Ausscheidungshärten bei 200 C.
Einige beispielhafte Ausführungsformen für Legierungen gemäß
der Erfindung werden nachstehend beschrieben.
Legierungen der weiter unten angegebenen Zusammensetzungen wurden hergestellt durch Aufschmelzen des Magnesiums unter
einem konventionellen Abdeckmittel, Steigern der Temperatur auf 800 C, Zugabe sämtlicher Legierungselemente, Durchrühren
der Schmelze und Vergießen der Schmelze zu Probekörpern geeigneter Form und Abmessungen bei 780 C. Die Proben
wurden den in der Tabelle 1 angegebenen Wärmebehandlungsbedingungen unterworfen.
Die mechanischen Eigenschaften der Legierungsproben wurden bei Raumtemperatur nach British Standard 18, bei erhöhten Temperaturen
nach British Standard 3688 gemessen. Die Vorwärmzeiten bei 200 und 250 C betrugen 15 Minuten oder 1 Stunde.
Die Korrosionsbeständigkeit der Proben wurde mit Hilfe des Meerwassersprühtests des Royal Aircraft Establishment geprüft,
in dem die Proben der Atmosphäre ausgesetzt, vor Niederschlagen jedoch geschützt, über eine Periode von 3 Monaten
an jedem Arbeitstag dreimal mit natürlichem Meerwasser be-
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25δο5Α5
sprüht werden. Die Gewichtsverluste wurden ermittelt, die mittlere Korrosionsgeschwindigkeit wurde errechnet.
Die Gießbarkeit der Legierungen wurde ermittelt durch Gießen von 18 mm dicken Platten mit oder ohne Abschrecken entlang
der äußeren Kante, beideitiges Bearbeiten der Platten und röntgenographische Untersuchung.
Die Ergebnisse der bei Raumtemperatur durchgeführten Festigkeitsprüfungen
werden in der Abbildung 1 wiedergegeben, in der die Werte für die Zerreißfestigkeit und die 0,2 I-Grenze,
gemessen bei Raumtemperatur, gegen den Silbergehalt von Magnesiumlegierungen mit 2 bzw. 2,5 Gew.! Neodym und 0,6 Gew.!
Zirkon aufgetragen sind. Die durch verschiedenartige Symbole gekennzeichneten Meßpunkte beziehen sich auf Legierungen
mit unterschiedlichen Kupfergehalten, die durch leere Quadrate gekennzeichneten Meßpunkte beziehen sich auf Vergleichsproben
aus Legierungen ohne Kupfer.
Es ist ersichtlich, daß die Anwesenheit von Kupfer einen geringen Effekt auf die mechanischen Eigenschaften aller Legierungen
hat, die mehr als 2,0 Gew.% Silber enthalten. Bei Silbergehalten zwischen 1,0 und 2,0 Gew.% übt einlegiertes
Kupfer jedoch einen derartigen Einfluß aus, daß sowohl die Zerreißfestigkeit als auch die 0,2 !-Grenze von Legierungen
mit 1,5 bis 1,75 Gew.% Silber im großen und ganzen die Werte von Legierungen mit bis zu 3 Gew.% Silber erreichen. Für
Legierungen dieses Typs liegt der geforderte untere Wert für
2
die 0,2 !-Grenze bei 175 N/mm . Wie der Abbildung 1 entnommen werden kann, liegt der Wert einer kupferfreien Legierung, die 1 Gew.! Silber enthält, weit unter diesem Minimalwert, während durch Zugabe von Kupfer Werte erreicht werden, die den Minimalwert übertreffen. Die kupferhaltigen Legierungen zeigen
die 0,2 !-Grenze bei 175 N/mm . Wie der Abbildung 1 entnommen werden kann, liegt der Wert einer kupferfreien Legierung, die 1 Gew.! Silber enthält, weit unter diesem Minimalwert, während durch Zugabe von Kupfer Werte erreicht werden, die den Minimalwert übertreffen. Die kupferhaltigen Legierungen zeigen
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Zerreißfestigkeiten, die über dem für derartige Legierungen
2 erforderlichen MinimalAvert von 240 N/nun liegen.
Der Effekt von einlegiertem Kupfer auf die mechanischen
Eigenschaften bei einer höheren Temperatur (250 0C) wird in
der Tabelle 1 zusammen mit den bei Raumtemperatur erhaltenen Ergebnissen wiedergegeben. Wie man sieht, führt die Einlegierung
von Kupfer in Legierungen mit niedrigen Silbergehalten sowohl bei der hohen als auch bei der niedrigen Prüftemperatur
zu Eigenschaften, die ebenso gut oder sogar noch besser sind als die von Legierungen mit hohen Silbergehalten.
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ANALYSENWERTE | Seit. | Zr | {%) | 09 | WÄRMEBEHANDLUNG | h | 525 | ühen | Ausscheic | h | 200 | Jungs- | ZUGVERSUCH, | RAUMTEMPERATUR | Dehnung | 4 | ZUGVERSUCH, 250 °C | Zerreiß- | Dehnung | |
Ag | Erden | Cu | Lösungsgi | h | 470 | harten | 0,2%-Grenze | Zerreißfestig- | (*) | 4 | 0,2-%Grenze | f.(Nmm"2) | (*) | |||||||
2,2 | 0,53 | 0C | 16 | 0C | (Nmm~ ) | keit (Nmm~2) | 4 | (Nmm-2) | 164 | 19 | ||||||||||
2,7 | 1,9 | 0,59 | - | 08 | 8 | °C ) | h | 200 | 213 | 278 | 3 | 134 | 171 | 13 | ||||||
CD | 2,6 | 0, | 16 | h | 520 | 209 | 267 | 139 | ||||||||||||
O | h | 520 | j | 16 | h | 200 | °C | |||||||||||||
CD
CO |
1,77 | 0,57 | 07 | h | 520 | °c ) | h | 200 | 4 | 161 | 13 | |||||||||
28/ | 1,04 | 1,75 | 0,51 | 0, | 8 | h | 520 | °c | 16 | h | 200 | °c | 177 | 247 | 2 | 137 | 151 | 15 | ||
0G7 | 2,53 | 1,84 | 0,55 | - | 8 | °c | 16 | °c | 195 | 247 | 130 i |
154 | 15 | |||||||
1,69 | 1,62l 1,71 | 0,58 | - | 8 | 0C | 16 | 0C | 190 | 261 | 144 l |
162 | 13 | ||||||||
0, | 8 | 195 | 260 | 1 148 | ||||||||||||||||
Die Ergebnisse der Porositätsprüfungen werden in der nachstehenden
Tabelle 2 wiedergegeben:
ANALYSENWERTE (I) | RÖNTGENOGRAPHISCHE BESTIMMUNG DER POROSITÄT |
abgeschr. |
Ag Seit. 'Erden |
Zr Cu nicht abgeschreckt |
2,7 1,9 0,55
porös auf 10,2 cm Note 7
shr gering; Note 0 !
2,6 1,9 0,59 0,09
keine
keine
1,69 1,84 0,55
porös auf 8,9 cm Note 5
keine
1,62' 1,71 j 0,58 0,07 porös auf 6,4 cm Note 3
keine
Wie diese Ergebnisse zeigen, bewirkt die Zugabe von 0,1 Gew.% Cu
eine deutliche Verbesserung in der Porosität nicht abgeschreckter und eine gewisse Verbesserung in der Porosität abgeschreckter Proben.
Die Porositäten sind nach einer willkürlich festgelegten Skala bewertet worden, höhere Noten bedeuten größere Porositäten.
- 10 -
2 5 5 p> B Λ 5
Die Ergebnisse der Korrosionsprüfung werden in Tabelle 3 wiedergegeben. Sie zeigen, daß die Legierungen mit niedrigen
Silbergehalten, die Kupfer enthalten, verminderte Korrosionsgeschwindigkeiten aufweisen. Mit der Erfindung werden
demgemäß Legierungen bereitgestellt, deren mechanische Eigenschaften so gut sind wie die bekannter Legierungen mit höheren
Silbergehalten, die jedoch eine verminderte Korrosionsanfälligkeit aufweisen.
ANALYSENWERTE (%) | Seit. Erden |
Zr | Cu | KORROSIONSGESCHWIN DIGKEIT (Mg/cm^/Tag) |
MITTLERE KORRO SIONSGESCHWIND. (mg/cm2/Tag) |
4,54 | 2,83 |
Ag | 2,2 | 0,53 | - | 4,41 | 4,47 | 2,75 | |
2,7 | 2,91 | 3,95 | |||||
1,77 | 0,57 | 0,08 | 3,94 | ||||
1,04 | 3,96 | ||||||
1,9 | 0,59 | 0,09 | |||||
2,6 | |||||||
- Ansprüche -
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Claims (7)
1. Magnesiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie
außer Eisen und anderen Verunreinigungen die folgenden Bestandteile enthält:
außer Eisen und anderen Verunreinigungen die folgenden Bestandteile enthält:
Magnesium mindestens 88 Gew.%
Silber 1 bis 3 Gew.%
Kupfer 0,05 bis 0,15 Gew.I
Metalle der Seltenen
Erden, davon mindestens
60 Gew.% Neodym 0,5 bis 3,0 Gew.%
Zirkon 0 bis 1 Gew.I
Mangan 0 bis 2 Gew.%
Zink 0 bis 0,5 Gew.%
Cadmium 0 bis 1,0 Gew.%
Lithium 0 bis 6,0 Gew.I
Calcium 0 bis 0,8 Gew.%
Gallium 0 bis 2,0 Gew.%
Indium 0 bis 2,0 Gew.%
Thallium 0 bis 5,0 Gew.%
Blei 0 bis 1,0 Gew.%
Wismuth 0 bis 1,0 Gew.% ,
wobei die maximalen Anteile an Zirkon und Mangan durch den
jeweiligen Anteil des anderen Metalls begrenzt werden.
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 1,0 bis 1,75 Gew.% Silber enthält.
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3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens 0,4 Gew.% Zirkon enthält.
4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß Neodym in Form eines Gemischs von Metallen der Seltenen Erden eingeführt wird, das mindestens 60 Gew.%
Neodym enthält, und in dem die Summe des Lanthan- und Cer-Gehalts nicht mehr als 25 Gew.0* beträgt.
5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß sie bis zu 0,1 Gew.9 o Kupfer enthält.
6. Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einer
Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das aus der Legierung bestehende
Werkstück mindestens eine Stunde lang bei einer Temperatur zwischen 400 und 485 0C und anschließend mindestens 2 Stunden
lang bei einer Temperatur zwischen 485 C und dem Soliduspunkt der Legierung hält, abschreckt und dann mindestens eine
halbe Stunde lang bei einer Temperatur zwischen 100 und 275 C
ausscheidungshärtet.
7. Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einer Magnesiumlegierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß man das aus der Legierung bestehende Werkstück mindestens 8 Stunden lang bei einer Temperatur zwischen 485 C und dem
Soliduspunkt der Legierung hält, abschreckt und mindestens eine halbe Stunde lang bei einer Temperatur zwischen 100 und
275 C ausscheüingshärtet.
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