DE2558915C2

DE2558915C2 - Magnesiumlegierung und Verfahren zu ihrer Wärmebehandlung

Info

Publication number: DE2558915C2
Application number: DE2558915A
Authority: DE
Inventors: Stephen Lee Bolton Lancashire Bradshaw; John Frederick Bury Lancashire King; William Swinton Machester Unsworth
Original assignee: MAGNESIUM ELEKTRON Ltd SWINTON MANCHESTER GB
Current assignee: MAGNESIUM ELEKTRON Ltd SWINTON MANCHESTER GB
Priority date: 1974-12-30
Filing date: 1975-12-29
Publication date: 1984-06-14
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 eine Magnesiumlegierung und ein Verfahren zu ihrer Wärmebehandlung.

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.

In der zitierten Patentschrift offenbarte Legierungen sind für Bauteile der Luft- und Raumfahrt verwendet worden, die relativ großen Beanspruchungen ausgesetzt sind, wie z. 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 Temperatüren 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, eine Grenze setzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Magnesiumlegierungen bereitzustellen, die befriedigende Zugfestigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur aufweisen, ihre vorteilhaften Eigenschaften, zumindest bis zu einem gewissen Grad, bei Temperaturen im Bereich um 250° C beibehalten und einen verbesserten Widerstand gegen Kriechen bei diesen Temperaturen zeigen.
Erfindungsgemäß wird eine Magnesiumlegierung bereitgestellt, die außer Magnesium mit Verunreinigungen

so die folgenden Bestandteile (in Gew.-%) enthält:

Silber	1,25-3,
Metalle der Seltenen Erden,
davon mindestens 60% Neodym	0,5-3,0
Yttrium	2,5-7,0
Thorium	0-1,0
Zirkonium	0-1,0
Zink	0-0,5
Cadmium	0-1,0
Lithium	0-6,0
Calcium	0-0,8
Gallium	0-2,0
Indium	0-2,0
Thallium	0-5,0
Blei	0-1,0
Wismuth	0-1.0
Kupfer	0-0,5
Mangan	0-2,0

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Legierung 3—5 Gew.-°/o Yttrium und 1 —2£ Gew.-°/o an Metallen der Seltenen Erden. Es sollte beachtet werden, daß das Yttrium nicht selbst als ein Metall der Seltenen Erden angesehen wird.

Die Metalle der Seltenen Erden können zu 100% aus Neodym bestehen, da jedoch reines Neodym sehr teuer ist, erfolgt die Zugabe vorzugsweise in Form eines Gemisches von Metallen, gelegentlich als Didymium bekannt, welches mindestens 60 Gew.-% Neodym enthält, während der Rest im wesentlichen aus den anderen schweren Metallen der Seltenen Erden besteht, wie z. B. Gadolinium.

Es ist wünschenswert, daß Cer und Lanthan abwesend oder mindestens in nur sehr geringen Mengen anwesend sind. Dementsprechend sollte in dem Mischmetal! der Seltenen Erden der Gehalt an Lanthan und Cer 25 Gew.-% nicht überschreiten. Es wurde gefunden, daß die Gegenwart von Cer schlechte Ausbeuten und Zugfestigkeiten sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen verursacht

Ein zunehmender Silbergehalt verteuert die Legierung, andererseits führt jedoch eine Verkleinerung des Silbergehalts unterhalb 2% zu einer Verringerung der Fließfestigkeit 2—3% Silber enthaltende Legierungen werden daher bevorzugt

Das Yttrium kann als reines Yttrium einlegiert werden, es wird jedoch bevorzugt dieses als Mischung aus Yttrium und Metallen der Seltenen Erden zuzusetzen, welche mindestens 60%, vorzugsweise mindestens 65 Gew.-% an Yttrium enthält

In der provisorischen britischen Patentanmeldung 56 021/74 sind verbesserte Magnesiumlegierungen offenbart, die 0,5—2,1% Neodym und 03—1,9% Thorium enthalten, wobei die Gesamtmenge dieser beiden Elemente zwischen 1,5 und 2,4% liegt Es wurde gefunden, daß innerhalb der vorstehend definierten Gesamtzusammensetzungsgrenzen das Thorium in den erwähnten verbesserten Legierungen ganz oder teilweise durch eine geeignete Menge an Yttrium ersetzt werden kann, um gleiche oder bessere Zugfestigkeitseigenschaften bei erhöhten Temperaturen zu erzielen. Die Gegenwart von Yttrium besitzt den weiteren Vorteil, daß der Kriechwiderstand bei erhöhten Temperaturen verbessert wird.

Es ist im allgemeinen wünschenswert daß die Legierung bis zu 1% Zirkonium als Korn verfeinerer enthält. Vorzugsweise sollte der Zirkoniumgehalt mindestens 0,4% betragen. Ein Teil des Zirkons kann durch bis zu 0,2% Mangan ersetzt sein, in diesem Fall sind die Anteile an Zirkon und Mangan jedoch durch ihre gegenseitige Löslichkeit begrenzt

Die vorstehend erwähnten verbleibenden Elemente (Zink, Cadmium, Lithium, Calcium, Gallium, Indium, Thallium, Blei und Wismuth) können in den vorstehend angegebenen Mengen zugegen sein; sie greifen in die Wirkung der anderen Bestandteile nicht ein.

Um die optimalen mechanischen Eigenschaften für diese Legierungen zu erzielen, wird im allgemeinen eine Wärmebehandlung benötigt Diese besteht aus einem Hochtemperatur-Lösungsglühen bei einer Temperatur zwischen 450° C und der Solidustemperatur der Legierung für eine zur Erzielung einer Lösung ausreichenden Zeit, im allgemeinen mindestens 2 Stunden, dem sich ein Abschreckvorgang und Aushärten bei einer niedrigeren Temperatur, wie z. B. zwischen 100 und 350° C, für mindestens eine halbe Stunde anschließt Typische Wärmebehandlungsbedingungen sind 8 Stunden bei 520° C mit anschließendem 16-stündigem Aushärten bei 200° C.

Die Solidustemperatur der Legierung verändert sich entsprechend ihrer Zusammensetzung und sinkt merklich bei Yttriumgehalten oberhalb 6%. Die Lösungsglühtemperatur kann dann entsprechend herunterzusetzen sein.

In den nachfolgenden Beispielen werden erfindungsgemäße Legierungen beschrieben.

Beispiele

Legierungen der in der Tabelle unten angegebenen Zusammensetzungen wurden hergestellt und gegossen, um Probestücke nach einem konventionellen Verfahren bereitzustellen.

Die Probestücke wurden dann für 8 Stunden bei 520 oder 525⁰C lösungsgeglüht und anschließend abge- $f schreckt und für 16 Stunden bei 200° C ausgehärtet.

$! Die Dehngrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung der Probestücke wurden bei Raumtemperatur und bei

^ 250°C nach British Standard 3688 gemessen. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle wiedergegeben.

','

Tabelle

Analysenwerte (%)
5 Ag Nd Y

Zr

Th

Zugfestigkeitseigenschaften
(N/mm²) bei 20° C

Zugfestigkeitseigenschaften (N/mm²) bei 250⁰C

Dehngrenze

Zugfestig
keit

Bruch- Dehndehnung grenze

Zugfestig keit

Bruchdehnung

2,05	2,10	2,70	0,53
¹⁰ 2,05	1,72	4,06	0,56
2,03	2,10	4,70	0,52
1,07	2,10	3,40	0,55
2,08	0,52	3,20	0,53
2,06	1,55	3,40	0,54
¹⁵ 2,66	2,16	—	0,58
2,72	2,22		0,53

0,50 -

206 202 204 173 175 208 217 213

281 284 230 281 264 290 282 278

3 4

Null 3

160 164 170 141 130 169 148 134

202 249 170 231 201 227 163 164

18

Null 14

6 16 19

Wie diese Ergebnisse zeigen, waren die Hochtemperatureigenschaften der Yttrium enthaltenden Legierungen wesentlich besser als diejenigen ähnlicher Legierungen ohne Yttrium.

Demselben Verfahren wurde eine Magnesiumlegierung, enthaltend 2,09% Ag, 3,04% Y und 0,52% Zr jedoch ohne Neodymbestandteil, unterworfen. Die Fließfestigkeit betrug 107 N/mm², die Zerreißfestigkeit betrug 134 N/mm² und die Dehnung lag bei 1%. Diese Zahlen liegen viel niedriger als diejenigen der Neodym enthaltenen Legierungen.

Zur Bestimmung der Kriecheigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen wurden Legierungen mit den nachfolgenden ungefähren Zusammensetzungen bei 250⁰C auf Kriechverhalten nach British Standard 3500 untersucht. Die Ergebnisse sind nachstehend wiedergegeben.

Ag(o/o)

Nd(%)

Zr(o/o)

Y(o/o)

(7oy 100 (Spannung in N/mm²)

0,5 0,5

(Vergleichslegierung) 55

Claims

Patentansprüche:

1. Magnesiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 23 bis 7% Yttrium, 1,25 bis 3% Silber, 0,5 bis 3% Metallen der Seltenen Erden mit mindestens 60% Neodym, 0 bis 6% Lithium, 0 bis 5% Thallium, 0 bis 2% Gallium, 0 bis 2% Indium, 0 bis 2% Mangan, 0 bis 1 % Thorium, 0 bis 1 % Zirkonium, 0 bis 1% Cadmium, 0 bis 1% Blei, 0 bis 1% Wismut, 0 bis 0,8% Calcium, 0 bis 0,5% Zink, 0 bis 04% Kupfer und Magnesium als Rest mit Verunreinigungen besteht.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 3 bis 5% Yttrium und 1—2,5Gew.-% Metalle der Seltenen Erden enthält

ίο 3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens 0,4% Zirkonium enthält

4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen 2 und 3% Silber enthält

5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalle der Sehenen Erden nicht mehr als zusammengenommen 25% Cer und Lanthan enthalten.

6. Verfahren zur Wärmebehandlung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß sie bei einer Temperatur zwischen 450° C und ihrer Solidustemperatur lösungsgeglüht anschließend abgeschreckt und danach bei einer Temperatur zwischen 100° C und 350° C ausgehärtet wird

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß diese Legierung für eine Zeitspanne von mindestens 2 Stunden lösungsgeglüht und für eine Zeitspanne von mindestens einer halben Stunde ausgehärtet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung bei einer Temperatur um etwa 520° C für eine Zeitspanne von 8 Stunden lösungsgeglüht und bei einer Temperatur um etwa 200° C für eine Zeitspanne von 16 Stunden ausgehärtet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die Legierung zunächst bei 480° C für 8 Stunden und danach bei 520° C für 4 Stunden lösungsgeglüht und anschließend bei 250° C für 8 Stunden ausgehärtet wird.