DE60011470T2

DE60011470T2 - Magnesiumgusslegierungen mit hohen hochtemperatureigenschaften

Info

Publication number: DE60011470T2
Application number: DE60011470T
Authority: DE
Inventors: Mihriban O. Pekguleryuz; Pierre Labelle
Original assignee: Noranda Inc
Current assignee: Noranda Inc
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2020-12-15
Also published as: ES2221864T3; EP1242644A1; AU2137701A; US6322644B1; CA2394122A1; DE60011470D1; ATE268823T1; DK1242644T3; JP5209162B2; JP2003517098A; TW593693B; WO2001044529A1; EP1242644B1; CA2394122C

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gusslegierungen auf Magnesiumbasis mit verbesserten Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen und sie betrifft insbesondere Magnesium-Aluminium-Strontium-Legierungen mit guter Salzsprühkorrosionsbeständigkeit und guter Kriechbeständigkeit, Streckgrenze und Schraubenlastbeibehaltung, insbesondere bei erhöhten Temperaturen von mindestens 150 °C.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Legierungen auf Magnesiumbasis werden in weitem Umfang als Gussteile in der Luftfahrt- und Kraftfahrzeugindustrie verwendet und sie beruhen hauptsächlich auf den folgenden vier Systemen:

Mg-Al-System (d.h. AM20, AM50, AM60);
Mg-Al-Zn-System (d.h. AZ91D);
Mg-Al-Si-System (d.h. AS21, SA41); und
Mg-Al-Seltenerdmetalle-System (d.h. AE41, AE42).

Gussteile einer Legierung auf Magnesiumbasis können durch herkömmliche Gießverfahren hergestellt werden, die Druckgießen, Sandgießen, Dauerformgießen und Semi-Permanent Mold Casting, Gipsformgießen und Investmentgießen umfassen.
Diese Materialien zeigen eine Zahl besonders vorteilhafter Eigenschaften, die einen erhöhten Bedarf an Gussteilen einer Legierung auf Magnesiumbasis in der Kraftfahrzeugindustrie hervorriefen. Diese Eigenschaften umfassen eine niedrige Dichte, ein hohes Festigkeit/Gewicht-Verhältnis, gute Gießbarkeit, problemlose Spanbarkeit und gute Dämpfungs eigenschaften.
AM- und AZ-Legierungen sind jedoch auf Anwendungen bei niedriger Temperatur beschränkt, wobei bekannt ist, dass sie ihre Kriechbeständigkeit bei Temperaturen über 140 °C verlieren. AS- und AE-Legierungen wurden zwar für Anwendungen bei höherer Temperatur entwickelt, bieten jedoch nur eine kleine Verbesserung der Kriechbeständigkeit und/oder sind teuer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung von Legierungen auf Magnesiumbasis mit relativ niedrigen Kosten und mit verbesserten Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen.
Eine speziellere Aufgabe ist die Bereitstellung von Magnesium-Aluminium-Strontium-Legierungen mit relativ niedrigen Kosten und mit guter Kriechbeständigkeit, Streckgrenze und Schraubenlastbeibehaltung, insbesondere bei erhöhten Temperaturen von mindestens 150 °C, und guter Salzsprühkorrosionsbeständigkeit.
Die US-A-5 340 416 offenbart eine Legierung auf Magnesiumbasis hoher Festigkeit, die eine mikrokristalline Zusammensetzung der allgemeinen Formel: Mg_aAl_bM_c oder Mg_a'Al_bM_cX_d (wobei M für mindestens ein Element, das aus der aus Ga, Sr und Ba bestehenden Gruppe ausgewählt ist, steht, X für mindestens ein Element, das aus der aus Zn, Ce, Zr und Ca bestehenden Gruppe ausgewählt ist, steht, und a, a', b, c und d für jeweils Atomprozent in den Bereichen von 78 ≤ a ≤ 94, 75 ≤ a' ≤ 94, 2 ≤ b ≤ 12, 1 ≤ c ≤ 10 und 0,1 ≤ d ≤ 3 stehen) besitzt. Diese Legierung kann in vorteilhafter Weise durch rasches Verfestigen der Schmelze einer Legierung der oben angegebenen Zusammensetzung durch das Flüssigkeitsabschreckverfahren hergestellt werden.
Die EP-A-0 065 299 offenbart ein Magnesiumlegierungsgussmaterial, das die Herstellung eines Rades, eines geschmiedeten Teils einer großen Abmessung, beispielsweise ein Rad, mit Eigenschaften, die denen eines geschmiedeten Elements aus geschmolzenem Aluminium äquivalent sind, direkt aus dem Zustand des kontinuierlich gegossenen Materials ermöglicht.
Das Magnesiumlegierunggussmaterial ist eine nahezu intermediäre Legierungszusammensetzung zwischen einer herkömmlichen AZ61-Legierung und AZ80-Legierung, die 6,2 bis 7,6 Gew.-% Al, 0,15 bis 0,5 Gew.-% Mn, 0,4 bis 0,8 Gew.-% Zn und zum Rest Mg umfasst und unter Festlegung der mittleren Kristallkorngröße auf unter 200 μm gegossen wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Durch die vorliegende Erfindung erfolgt daher die Bereitstellung einer Gusslegierung auf Magnesiumbasis mit verbesserten Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen, die in Gewichtsprozent 2 bis 9 % Aluminium, 0,5 bis 7 % Strontium, 0 bis 0,60 % Mangan und 0 bis 0,35 % Zink und zum Rest Magnesium mit Ausnahme von Verunreinigungen, die üblicherweise in Magnesiumlegierungen gefunden werden, umfasst, und wobei die Legierung eine Struktur aufweist, die eine Matrix aus Magnesiumkörnern mit einer mittleren Teilchengröße von 10 bis 200 μm, die durch intermetallische Verbindungen mit einer mittleren Teilchengröße von 2 bis 100 μm verstärkt ist, umfasst.
Die im vorhergehenden genannten und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen deutlicher.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Spezielle Merkmale der offenbarten Erfindung werden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei:
1 eine Photomikrographie ist, die die Mikrostruktur einer Druckgusslegierung der vorliegenden Erfindung, die im folgenden als Legierung A1 bezeichnet wird, zeigt;
2 eine Photomikrographie ist, die die Mikrostruktur einer weiteren Druckgusslegierung der vorliegenden Erfindung, die im folgenden als Legierung A2 bezeichnet wird, zeigt;
3 eine Photomikrographie ist, die die Mikrostruktur der Dauerformgusslegierung AD9 zeigt; und
4 eine Photomikrographie ist, die die Mikrostruktur der Dauerformgusslegierung AD10 zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die Gusslegierungen auf Magnesiumbasis gemäß der vorliegenden Erfindung sind Legierungen mit relativ niedrigen Kosten, die verbesserte Kriechbeständigkeit, eine verbesserte Streckgrenze und Schraubenlastbeibehaltung bei 150 °C zeigen. Die erfindungsgemäßen Legierungen zeigen auch gute Salzsprühkorrosionsbeständigkeit.
Infolge der im vorhergehenden bezeichneten Eigenschaften sind die erfindungsgemäßen Legierungen zur Verwendung in einer breiten Vielzahl von Anwendungen geeignet, die verschiedene Kraftfahrzeuganwendungen bei erhöhten Temperaturen, wie Kraftfahrzeugmotorkomponenten und Gehäuse für Kraftfahrzeugautomatikgetriebe, umfassen.
Die erfindungsgemäßen Legierungen weisen allgemein eine bevorzugte durchschnittliche prozentuale Kriechverformung bei 150 °C von ≤ 0,06 % für Druckgusslegierungen und ≤ 0,03 für Dauerformgusslegierungen auf. Außerdem weisen die Legierungen allgemein eine durchschnittliche Schraubenlastabnahme (die als zusätzlicher Rückstellwinkel gemessen wird) bei 150 °C von ≤ 6,3° für Legierungen im Druckgusszustand und ≤ 3,75° für Legierungen im Dauerformgusszustand auf.
Im Hinblick auf die Zugeigenschaften weisen die erfindungsgemäßen Legierungen allgemein eine durchschnittliche Streckgrenze (ASTM E8-99 und E21-92 bei 150 °C) von > 100 Megapascal (MPa) für Druckgusslegierungen und > 57 MPa für Dauerformgusslegierungen auf.
Die durchschnittliche Beständigkeit der erfindungsgemäßen Legierungen gegenüber Salzsprühkorrosion beträgt bei einer Messung gemäß ASTM B117 vorzugsweise ≤ 0,155 Milligramm pro Quadratzentimeter pro Tag (mg/cm²/Tag) für Legierungen im Druckgusszustand.
Im allgemeinen sind die Legierungen auf Magnesiumbasis gemäß der vorliegenden Erfindung zu 100 % kristalline Legierungen, die in Gewichtsprozent 2 bis 9 % Aluminium, 0,5 bis 7 % Strontium, 0 bis 0,60 % Mangan und 0 bis 0,35 % Zink und zum Rest Magnesium mit Ausnahme von Verunreinigungen, die üblicherweise in Magnesiumlegierungen gefunden werden, enthalten. Hauptverunreinigungen, die üblicherweise in Magnesiumlegierungen gefunden werden, d.h. Eisen (Fe), Kupfer (Cu) und Nickel (Ni) werden vorzugsweise unter den folgenden Mengen (bezogen auf das Gewicht) gehalten: Fe ≤ 0,004 %, Cu ≤ 0,03 % und Ni ≤ 0,001 %, um eine gute Salzsprühkorrosionsbeständigkeit sicherzustellen.
Zusätzlich zu den obigen Komponenten enthalten die Legierungen der vorliegenden Erfindung die Elemente Mangan (Mn) und/oder Zink (Zn) in den folgenden Anteilen (bezogen auf das Gewicht): 0–0,60 % Mn und 0-0,35 % Zn.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die erfindungsgemäßen Legierungen auf Magnesiumbasis in Gewichtsprozent 4 bis 6 % Aluminium, 1 bis 5 % Strontium (vorzugsweise 1 bis 3 %), 0,25 bis 0,35 % Mangan und 0 bis 0,1 % Zink und zum Rest Magnesium. In einer noch stärker bevorzugten Ausführungsform enthalten die erfindungsgemäßen Legierungen in Gewichtsprozent 4,5 bis 5,5 % Aluminium, 1,2 bis 2,2 Strontium, 0,28 bis 0,35 % Mangan und 0 bis 0,05 % Zink und zum Rest Magnesium.
Die erfindungsgemäßen Legierungen können vorteilhafterweise andere Zusatzstoffe enthalten, vorausgesetzt, alle derartigen Zusatzstoffe beeinflussen die Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen und die Salzsprühkorrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Legierungen nicht nachteilig.
Die erfindungsgemäße Legierung kann durch herkömmliche Gießverfahren hergestellt werden, die Druckgießen, Dauerformgießen und Semi-Permanent Mold Casting, Sandgießen, Squeeze Casting und Semi-solid-Casting und Formen umfassen. Es ist anzumerken, dass derartige Verfahren Verfestigungsraten von < 10² K/s umfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Legierung der vorliegenden Erfindung durch Schmelzen einer Magnesiumlegierung (beispielsweise AM50), Stabilisieren der Temperatur der Schmelze zwischen 675 und 700 °C, Zugabe einer Strontium-Aluminium-Vorlegierung (beispielsweise 90-10-Sr-Al-Masterlegierung) zu der Schmelze und dann Gießen der Schmelze in einen Formhohlraum unter Verwendung von entweder Druckgieß- oder Dauerformgießverfahren hergestellt.
Die Mikrostruktur der erhaltenen Legierungen wird wie folgt beschrieben. Die Matrix besteht aus Magnesiumkörnern mit einer mittleren Teilchengröße von 10 bis 200 Mikrometern (μm) (vorzugsweise 10 bis 30 μm für Legierungen im Druckgusszustand und größer als 30 μm für Legierungen im Dauerformgusszustand). Die Matrix wird durch darin homogen verteilte Ausscheidungen von intermetallischen Verbindungen, vorzugsweise an den Korngrenzen, die eine mittlere Teilchengröße von 2 bis 100 μm aufweisen (vorzugsweise 5 bis 60 μm für Druckgusslegierungen und etwas größer für Dauerformgusslegierungen), verstärkt.
Rasterelektronenmikroskopie der erfindungsgemäßen Legierungen zeigt, dass die Druckgusslegierungen Al-Sr-Mg enthaltende zweite Phasen einer Länge von 2 bis 30 μm und einer Dicke von 1 bis 3 μm enthalten, während die Dauerformgusslegierungen Al-Sr-Mg enthaltende, zweite Phasen einer Länge von 10 bis 30 μm und einer Dicke von 2 bis 10 μm enthalten.
Wie dies am besten durch die Rasterelektronenmikrographien von 1 und 2 gezeigt wird, enthalten die Mikrostrukturen der erfindungsgemäßen Druckgusslegierungen A1 und A2, die eine chemische Zusammensetzung gemäß der Beschreibung in der folgenden Tabelle 1 besitzen, A1-Sr-Mg enthaltende zweite Phasen einer Länge von 25 μm und einer Dicke von 2 μm.
Wie dies am besten durch die Rasterelektronenmikrographien von 3 und 4 gezeigt wird, enthalten die Mikrostrukturen der erfindungsgemäßen Dauerformgusslegierungen AD9 und AD10, die eine chemische Zusammensetzung gemäß der Be schreibung in der folgenden Tabelle 1 besitzen, Al-Sr-Mg enthaltende zweite Phasen einer Länge von 30 μm und einer Dicke von 5 μm.

Die vorliegende Erfindung wird detaillierter unter Bezug auf die folgenden Beispiele beschrieben, die nur der Erläuterung dienen und nicht so verstanden werden sollen, dass sie eine Beschränkung der hier beschriebenen breiten Erfindung angeben oder implizieren. ARBEITSBEISPIELE Verwendete Komponenten

AM50	Magnesiumlegierung, die 4,17 Gew.-% Aluminium und 0,32 Gew.-% Mangan enthält, die von Norsk-Hydro, Becancour, Quebec, Kanada, erhalten wurde.
90–10 Sr-Al	Strontium-Aluminium-Vorlegierung, die 90 Gew.% Strontium und 10 Gew.-% Aluminium enthält, die von Timminco Metals, einer Abteilung von Timminco Ltd., Haley, Ontario, Kanada, erhalten wurde.
AZ91D	Magnesiumlegierung, die 8,9 (8,3–9,7) Gew.-% Aluminium, 0,7 (0,35–1,0) Gew.-% Zink und 0,18 (0,15–0,5) Gew.-% Mangan enthält, die von Norsk-Hydro erhalten wurde.
AM50	Magnesiumlegierung, die 4,7 (4,4–5,5) Gew.-% Aluminium und 0,34 (0,26–0,60) Gew.-% Mangan enthält, die von Norsk-Hydro erhalten wurde.
AS41	Magnesiumlegierung, die 4,2–4,8 (3,5–5,0) Gew.-% Aluminium und 0,21 (0,1–0,7) Gew.-% Mangan enthält, die von The Dow Chemical Company, Midland, MI erhalten wurde.
AM60B	Magnesiumlegierung, die 5,7 (5,5–6,5) Gew.-% Aluminium und 0,24 (0,24–0,60) Gew.-% Mangan enthält, die von Norsk-Hydro erhalten wurde.

AE42	Magnesiumlegierung, die 3,95 (3,4–4,6) Gew.-% Aluminium und 2,2 (2,0–3,0) Gew.-% Seltenerdelemente und ein Minimum von 0,1 Gew.-% Mangan enthält, die von Magnesium Electron, Inc., Flemington, NJ, erhalten wurde.
A380	Aluminiumlegierung, die 7,9 Gew.-% Silicium und 2,1 Gew.-% Zink enthält, die von Roth Bros. Smelting Corp., East Syracuse, NY, erhalten wurde.

Probenherstellung
Legierungen A1 und A2
Zwei verschiedene Legierungen wurden durch: Eintragen von AM50-Rohblöcken in einen 800-Kilogramm (kg)-Tiegel, der in einem Elektrowiderstandsofen Dynarad MS-600 positioniert ist; Schmelzen der Charge; Stabilisieren der Temperatur der Schmelze bei 670 °C und Zugabe von 90-10 Sr-Al-Vorlegierung zu der Schmelze hergestellt.
Die Temperatur der Schmelze wurde 30 min bei 670 °C gehalten, gerührt und dann wurden Proben für eine chemische Analyse durch Gießen von gleichen Mengen der Schmelze in Kupferspektrometerformen entnommen.
Die Proben für eine chemische Analyse wurden unter Verwendung von ICP-Massenspektrometrie analysiert. Die chemische Zusammensetzung der hergestellten Legierungen, d.h. A1 und A2, sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben. Die Rückgewinnungsrate von Strontium wurde als etwa 90 % bestimmt.
Die Temperatur der Schmelze wurde auf 500 °C gekühlt, während die chemische ICP-Analyse an den Schmelzproben durchgeführt wurde. Die Schmelztemperatur wurde durch sowohl eine Ofenkontrollvorrichtung als auch durch ein mit einem Digitalthermometer Fluke-51 verbundenes Thermoelement des K-Typs per Hand überwacht.
Während des Schmelzens und Haltens wurde die Schmelze unter einem Gasgemisch von 0,5 % SF₆-25 % CO₂, Rest Luft, geschützt.
Das geschmolzene Metall wurde unter Verwendung einer 600-Tonnen-Prince (Prince-629) Cold-Chamber Diecasting Machine druckgegossen, wobei durch Druckguss hergestellte flache Zugprüflinge der Abmessung 8,3 × 2,5 × 0,3 cm (Maß 1,5 × 0,6 cm), runde Zugprüflinge der Abmessung 10 × 1,3 cm (Maß 2,54 × 0,6 cm), zylindrische Testprüflinge der Abmessung 4 × 2,5 cm und Korrosionstestplatten der Abmessung 10 x 15 x 0,5 cm hergestellt wurden.
Die für die Cold-Chamber Diecasting Machine verwendeten Arbeitsparameter sind im folgenden angegeben.
Legierungen AD9–AD14
Sechs verschiedene Legierungen wurden durch Eintragen von 250-g-AM50-Rohblöcken in einen 2-kg-Stahltiegel, der in einem Elektrowiderstandsofen Lindberg-Blue-M positioniert war; Schmelzen der Charge; Stabilisieren der Temperatur der Schmelze zwischen 675 und 700 °C und Zugabe kleiner Stücke einer 90-10 Sr-Al-Vorlegierung zu der Schmelze hergestellt.
Die Temperatur der Schmelze wurde entweder 30 min bei 675 °C oder 10 min bei 700 °C gehalten, es wurde gerührt und dann wurden Proben für eine chemische Analyse durch Gießen gleicher Mengen der Schmelze in Kupferspektrometerformen entnommen.
Die Proben für eine chemische Analyse wurden unter Verwendung von ICP-Massenspektrometrie analysiert. Die chemische Zusammensetzung der hergestellten Legierungen, d.h. AD9 bis AD14, ist in der folgenden Tabelle 1 angegeben. Die Rückgewinnungsrate von Strontium wurde als 87–92 % bestimmt.
Die Temperatur der Schmelze wurde durch ein in die Schmelze getauchtes Chromel-Alumel-Thermoelement des K-Typs ermittelt.
Während des Schmelzens und Haltens wurde die Schmelze unter einem Gasgemisch von 0,5 % SF6, Rest CO₂, geschützt.
Das geschmolzene Metall wurde unter Verwendung von Kupferdauerformen mit Formhohlräumen der Abmessung einer Höhe von 3 cm mit jeweils einem Formhohlraum mit einem oberen Durchmesser von 5,5 cm und einem unteren Durchmesser von 5 cm dauerformgegossen.
Legierungen AC2, AC4, AC6, AC9 und AC10
Fünf unterschiedliche Legierungen wurden gemäß dem Testverfahren, das oben für die Legierungen AD9–AD14 detailliert angegeben wurde, hergestellt.
Proben für eine chemische Analyse wurden aus der Schmelze entnommen und unter Verwendung von ICP-Massenspektrometrie analiysiert. Die chemische Zusammensetzung der hergestellten Legierungen, d.h. AC2, AC4, AC6, AC9 und AC10 ist in der folgenden Tabelle 1 angegeben. Die Rückgewinnungsrate von Strontium wurde als 87–92 % bestimmt.
Das geschmolzene Metall wurde unter Verwendung einer Dauerform aus H-13 (weichem) Stahl dauerformgegossen. Die Form enthielt Hohlräume für zwei ASTM-Standard-Teststäbe, die jeweils Abmessungen einer Länge von 14,2 cm und einer Tiefe oder Dicke von 0,7 cm aufweisen. Die Griffbreite betrug 1,9 cm, während die Maßlänge und Maßbreite 5,08 cm bzw. 1,27 cm betrugen. Die Form war mit einer Einfüllöffnung, einem Steigrohr und Einlasssystem zum Füllen der zwei Zugstabhohlräume von unten ausgestattet.
TABELLE 1
Verschiedene Eigenschaften der Legierungen wurden dann wie im folgenden angegeben getestet und mit anderen Magnesiumlegierungen und der Aluminiumlegierung A380 verglichen.
Testverfahren
Die Druckguss- und Dauerformguss-Testprüflinge wurden den folgenden Tests unterzogen:
Kriechbeständigkeit oder Kriechdehnung
Die Kriechbeständigkeit der Druckguss- und Dauerformguss-Testprüflinge wurde gemäß ASTM E139-83 ermittelt. Insbesondere wurden Testprüflinge über einen Zeitraum von 60 min Luft ausgesetzt und dann über einen Zeitraum von 200 h einem konstanten Druck von 35 MPa über eine Kriechtestmaschine Lever Arm Tester-2320 von Applied Test Systems, Inc. (ATS) ausgesetzt, während sie bei einer Temperatur von 150 °C gehalten wurden. Die Maßlänge jedes Testprüflings wurde dann ermittelt, und die Differenz zwischen der ursprünglichen Maßlänge (d.h. 1,27 cm) und der Maßlänge jedes Prüflings am Ende des Testzeitraums von 200 h wurde bestimmt. Die für jeden Testprüfling bestimmte Differenz der Maßlänge wurde dann durch 1,27 cm dividiert, und das Ergebnis als Prozent (%) angegeben.
Schraubenlastbeibehaltung oder Schraubenlastabnahme
Die Schraubenlastbeibehaltung der Druckgusstestprüflinge wurde gemäß dem folgenden Verfahren ermittelt: Druckgusszylinder der Legierungen wurden zur maschinellen Herstellung von Scheibenprüflingen der Abmessung 25,4 × 9 mm verwendet. Ein Loch mit einem Durchmesser von 8,4 mm wurde dann in die Mitte jedes Prüflings gebohrt. Eine Schraube und Mutter aus M8-Stahl (Steigung 1,25) wurden dann mit einem Drehmomentschraubenschlüssel in jeden Scheibenprüfling unter Verwendung einer Unterlegscheibe von 15,75 mm Außendurchmesser und 8,55 mm Innendurchmesser geschraubt und auf 265 lbs.in (30 Nm) eingedreht. Eine spezielle Einrichtung wurde verwendet, um den Anfangswinkel zu ermitteln, um den die Schraube gedreht werden musste, um das vorgeschriebene Drehmoment zu erreichen.
Die spezielle Einrichtung bestand aus einem 360°-Winkelmesser aus weichem Stahl, der von dem Machine Shop am Noranda Inc. Technology Center gefertigt wurde. Der Winkelmesser besaß ein zentrales Loch in der Form einer M10-Mutter, das so bearbeitet war, dass es den Testprüfling aufnehmen und an Ort und Stelle befestigen konnte. Ein geschnittener M8-Sockel wurde verwendet, um das Loch an eine M8-Schraube anzupassen. Der Winkelmesser war an einem Tisch festgeschraubt, um der Rotationskraft, die während des Aufbringens eines Drehmoments mit einem Digitaldrehmomentschraubenschlüssel (Modell Computorq II-64-566, hergestellt von Armstrong Tool, USA) angelegt wurde, entgegenzuwirken.
Die verschraubten Prüflinge wurden dann in ein Ölbad mit einer Temperatur von 150 °C getaucht und 48 h in dem Ölbad gehalten, wobei die Schrauben aufgrund der Belastungsrela xation Drehmoment verloren. Die Prüflinge wurden dann aus dem Ölbad entfernt, auf Raumtemperatur gekühlt, und die Schrauben wurden erneut zu dem Anfangsdrehmoment von 265 lbs.in (30 Nm) festgezogen. Der zusätzliche Winkel, der zum Erreichen des Anfangsdrehmoments erforderlich war, wurde dann ermittelt, und dieser Wert wurde als Maß der Schraubenlockerung verwendet. Die Ergebnisse werden in Grad (°) angegeben.
Die Schraubenlastbeibehaltung der Dauerformguss-Testprüflinge wurde gemäß dem folgenden Verfahren ermittelt: Dauerformguss-Scheibenprüflinge der Legierungen wurden zu Scheiben der Abmessung 35 × 11 mm verarbeitet. Ein Loch mit einem Durchmesser von 10,25 wurde dann in die Mitte jeder Probe gebohrt. Eine Schraube und Mutter aus M10-Stahl (Steigung 1,5) wurden dann mit einem Drehmomentschraubenschlüssel in jeden Scheibenprüfling unter Verwendung einer Unterlegscheibe von 19,75 mm Außendurchmesser und 10,75 mm Innendurchmesser geschraubt und auf 440 lbs.in (50 Nm) eingedreht. Eine spezielle Einrichtung wurde zur Ermittlung des Anfangswinkels, um den die Schraube gedreht werden musste, um das vorgeschriebene Drehmoment zu erreichen, verwendet. Die Einrichtung war zu der oben angegebenen identisch, wobei jedoch keine bearbeitete M8-Schraube zur Anpassung des zentralen Lochs an die M8-Schraube verwendet wurde. Die verschraubten Prüflinge wurden dann in ein Ölbad mit einer Temperatur von 150 °C getaucht und 48 h in dem Ölbad gehalten, wobei die Schrauben aufgrund von Belastungsrelaxation Drehmoment verloren. Die Prüflinge wurden dann aus dem Ölbad entfernt, auf Raumtemperatur gekühlt, und die Schrauben wurden auf das Anfangsdrehmoment von 440 lbs.in (50 Nm) erneut festgezogen. Der zusätzliche Winkel, der zum Erreichen des Anfangsdrehmoments erforderlich war, wurde dann ermittelt, und dieser Wert wurde als Maß der Schraubenlockerung verwendet.
Die Ergebnisse werden in Grad (°) angegeben.
Zugeigenschaften
Die Zugeigenschaften (d.h. Streckgrenze, Reißfestigkeit und Dehnung) bei einer erhöhten Temperatur von 150 °C und bei Raumtemperatur wurden gemäß ASTM E8-99 und E21-92 ermittelt. Eine Instron Servovalve Hydraulic Universal Testing Machine (Modellnummer 8502–1988), die mit einem Instron-Ofen (Modellnummer 3116) und einem Instron Extensiometer (Modellnummer 2630–052) ausgestattet war, wurde in Verbindung mit den obigen Testverfahren verwendet.
Für Zugtests bei 150 °C wurden Testprüflinge in der Testanordnung eingespannt und auf eine Temperatur von 150 °C erhitzt und dann über einen Zeitraum von 30 min bei dieser Temperatur gehalten. Die Prüflinge wurden dann mit 0,13 cm/min an die Fließgrenze und mit 1,9 cm/min bis zum Versagen getestet.
Für Raumtemperaturzugtests wurden die Prüflinge mit 0,7 MPa/min an die Fließgrenze und mit 1,9 cm/min bis zum Versagen getestet.
Die Streckgrenze wurde durch Anlegen einer Tangente an den Teil der Last-Streckungs-Kurve zwischen 20,5 und 34,5, MPa und durch Anlegen einer zweiten parallelen Gerade, die die Y-Achse bei einer Dehnung von 0,2 % schneidet, bestimmt. Die Ergebnisse sind in Megapascal (MPa) angegeben.
Die Reißfestigkeit wurde als die Last beim Reißen oder die maximale Last in der Last-Streckungs-Kurve bestimmt. Die Ergebnisse sind in MPa angegeben.
Die Längsstreckung wurde durch Ermitteln der Maßlänge jedes Testprüflings vor und nach dem Testen bestimmt. Die Ergebnisse sind in Prozent (%) angegeben.
Salzsprühkorrosionsbeständigkeit
Die Beständigkeit der Druckgusskorrosionstestplattentestprüflinge gegenüber Korrosion wurde gemäß ASTM B117 ermittelt. Genauer gesagt wurden Prüflinge unter Verwendung einer 4%-igen NaOH-Lösung bei 80 °C gereinigt, in kaltem Wasser gespült und mit Aceton getrocknet. Die Prüflinge wurden dann gewogen und dann senkrecht mit 20° zur vertikalen Achse geneigt in einem Singleton Salt-Spray Test Cabinet (Modellnummer SCCH Nr. 22) montiert. Die vertikal montierten Prüflinge wurden dann über einen Zeitraum von 200 h einem Nebel von 5 % NaOH/destilliertem Wasser ausgesetzt. Während des Testzeitraums wurden der Nebelturm auf eine Sammelrate von 1 cm³/h eingestellt und die Parameter des Kabinetts alle zwei Tage überprüft. Am Ende des Testzeitraums von 200 h wurden die Prüflinge entfernt, in kaltem Wasser gewaschen und in einer Chromsäurelösung (d.h. Chromsäure, die Silbernitrat und Bariumnitrat enthielt, gereinigt, gemäß ASTM B117. Die Prüflinge wurden dann erneut gewogen und die Gewichtsänderung pro Prüfling wurde bestimmt. Die Ergebnisse sind in Milligramm pro Quadratzentimeter pro Tag (mg/cm²/Tag) angegeben.
BEISPIELE 1 UND 2 UND VERGLEICHSBEISPIELE C1 BIS C5
In diesen Beispielen wurden gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung hergestellte Druckgussprüflinge und die Druckgussmagnesiumlegierungen AZ91D, AE42, AS41 und AM60B und die Aluminiumlegierung A380 auf Kriechbeständigkeit, Schraubenlastbeibehaltung, verschiedene Zugeigenschaften bei sowohl Raumtemperatur als auch 150 °C und Salzsprühkorrosionsbeständigkeit getestet. Die Ergebnisse sind als Tabelle in Tabelle 2 angegeben.
TABELLE 2 Zusammenfassung der Beispiele 1 und 2 und Vergleichsbeispiele C1 bis C5
Ein Überblick der Mittelwerte von Kriechdehnung, Schraubenlastabnahme, Zugeigenschaften und Salzsprühkorrosionsrate in Tabelle 2 zeigt, dass die Gusslegierungen auf Magnesiumbasis der vorliegenden Erfindung insgesamt verbesserte Eigenschaften bei erhöhter Temperatur im Vergleich zu den Magnesiumlegierungen AZ91D, AE42, AS41 und AM60B und der Aluminiumlegierung A380 aufweisen.
Insbesondere zeigten die Beispiele 1 und 2 verbesserte Kriechbeständigkeit gegenüber den Vergleichsbeispielen C1 (AZ91D), C2 (AE42) und C5 (A380) und eine bessere Schraubenlastbeibehaltung (kleinerer Winkel der Abnahme) als die Vergleichsbeispiele C1 bis C3 (AZ91D, AE42 und AS41).
In Form der Zugeigenschaften zeigten die Beispiele 1 und 2 eine verbesserte Streckgrenze (bei Raumtemperatur und bei 150 °C) gegenüber den Vergleichsbeispielen C2 (AE42) und C3 (AS41) und eine verbesserte Dehnung (bei Raumtemperatur und bei 150 °C) gegenüber dem Vergleichsbeispiel C5 (A380).
Die Beispiele 1 und 2 zeigten ferner verbesserte Salzsprühkorrosionsbeständigkeit gegenüber den Vergleichsbeispielen C2 (AE42), C3 (AS41), C4 (AM60B) und C5 (A380) und eine vergleichbare Salzsprühkorrosionsbeständigkeit wie die von Vergleichsbeispiel C1 (AZ91D) gezeigte.
BEISPIELE 3 BIS 8 UND VERGLEICHSBEISPIELE C6 BIS C10
In diesen Beispielen wurden gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Dauerformgussscheibenprüflinge und die Dauerformguss-Magnesiumlegierungen AZ91D, AM50, AS41 und AE42 und -Aluminiumlegierung A380 auf die Schraubenlastbeibehaltung getestet. Die Ergebnisse sind als Tabelle in Tabelle 3 angegeben.
TABELLE 3 Zusammenfassung der Beispiele 3 bis 8 und Vergleichsbeispiele C6 bis C10
Mittels der in Tabelle 3 gezeigten Mittelwerte der Schraubenlastabnahme ist ersichtlich, dass die Dauerformgusslegierungen der vorliegenden Erfindung (d.h. die Beispiele 3 bis 8) eine verbesserte Schraubenlastbeibehaltung (kleinerer Winkel der Abnahme) bei einem Vergleich mit den Magnesiumlegierungen AZ91D, AM50, AS41 und AE42 (d.h. C6 bis C9) und eine vergleichbare Schraubenlastbeibehaltung mit der von der Aluminiumlegierung A380 (d.h. C10) gezeigten zeigen.
BEISPIELE 9 BIS 12 UND VERGLEICHSBEISPIELE C11 BIS C13
In diesen Beispielen wurden gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte flache Dauerformguss-ASTM-Standard-Zugprüflinge und die Dauerformgussmagnesiumlegierungen AZ91D und AE42 und die Aluminiumlegierung A380 auf Kriechbeständigkeit getestet. Die Ergebnisse sind als Tabelle in Tabelle 4 angegeben.
TABELLE 4 Zusammenfassung der Beispiele 9 bis 12 und Vergleichsbeispiele C11 bis C13
Mittels der in Tabelle 4 angegebenen Mittelwerte der Kriechdehnung ist ersichtlich, dass die Dauerformgusslegierungen der vorliegenden Erfindung (d.h. die Beispiele 9 bis 12) eine verbesserte Kriechbeständigkeit bei 150 °C bei Vergleich mit den Magnesiumlegierungen AZ91D und A380 (d.h. C11 und C13) und eine vergleichbare Kriechbeständigkeit mit der von der Magnesiumlegierung AE42 (d.h. C12) gezeigten zeigen.
BEISPIELE 13 BIS 16 UND VERGLEICHSBEISPIELE C14 BIS C16
In diesen Beispielen wurden gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte flache Dauerformguss-ASTM-Standard-Zugprüflinge und die Dauerformgussmagnesiumlegierungen AZ91D und AE42 und die Aluminiumlegierung A380 auf Zugeigenschaften bei 150 °C getestet. Die Ergebnisse sind als Tabelle in Tabelle 5 angegeben.
TABELLE 5 Zusammenfassung der Beispiele 13 bis 16 und Vergleichsbeispiele C14 bis C16
Mittels der in Tabelle 5 angegebenen Mittelwerte der Zugeigenschaften ist ersichtlich, dass die Dauerformgusslegierungen der vorliegenden Erfindung (d.h. die Beispiele 13 bis 16) eine verbesserte Streckgrenze bei 150 °C bei einem Vergleich mit der Magnesiumlegierung AE42 (d.h. C15) zeigen.

Claims

Gusslegierung auf Magnesiumbasis mit verbesserten Eigenschaften bei erhöhter Temperatur, die – in Gewichtsprozent – 2 bis 9 % Aluminium, 0,5 bis 7 Strontium, 0 bis 0,60 % Mangan und 0 bis 0,35 % Zink aufweist, wobei der Rest Magnesium mit Ausnahme von Verunreinigungen, die sich üblicherweise in Magnesiumlegierungen finden, ist, und wobei die Legierung eine Struktur aufweist, die eine Matrix aus Magnesiumkörnern mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 10 bis 200 μm, die durch intermetallische Verbindungen mit einer mittleren Teilchengröße von 2 bis 100 μm verstärkt ist, umfasst.
Legierung nach Anspruch 1, wobei die Legierung eine Spritzgusslegierung ist.
Spritzgusslegierung nach Anspruch 2, wobei die Legierung eine Erstarrungsgeschwindigkeit von < 10² K/s aufweist und – in Gewichtsprozent – aus 2 bis 9 % Aluminium, 0,5 bis 7 % Strontium, 0 bis 0,60 % Mangan und 0 bis 0,35 % Zink besteht, und wobei die Verunreinigungen in den folgenden Mengen – in Gewichtsprozent – vorhanden sind: Fe ≤ 0,004 %, Cu ≤ 0,03 % und Ni ≤ 0,001 %.
Legierung nach Anspruch 3, wobei die Legierung eine Erstarrungsgeschwindigkeit von < 10² K/s aufweist und – in Gewichtsprozent – aus 4,5 bis 5,5 % Aluminium, 1,2 bis 2,2 % Strontium, 0,28 bis 0,35 % Mangan und 0 bis 0,05 % Zink besteht, und wobei die Verunreinigungen in den folgenden Mengen – in Gewichtsprozent – vorhanden sind: Fe ≤ 0,004 %, Cu ≤ 0,03 % und Ni ≤ 0, 001 %.
Legierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Legierung 4 bis 6 % Aluminium umfasst.
Legierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Legierung 4,5 bis 5,5 % Aluminium umfasst.
Legierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Legierung 1 bis 5 % Strontium umfasst.
Legierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Legierung 1 bis 3 % Strontium umfasst.
Legierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Legierung 1,2 bis 2,2 % Strontium umfasst.
Legierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Legierung 0,25 bis 0,35 % Mangan umfasst.
Legierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Legierung 0,28 bis 0,35 % Mangan umfasst.
Legierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Legierung 0 bis 0,1 % Zink umfasst.
Legierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Legierung 0 bis 0,05 % Zink umfasst.
Legierung nach Anspruch 2, wobei die Legierung 4 bis 6 Aluminium, 1 bis 5 % Strontium, 0,25 bis 0,35 % Man gan und 0 bis 0,1 % Zink umfasst.
Legierung nach Anspruch 1, 2 oder 14, wobei die Legierung eine durchschnittliche prozentuale Kriechverformung bei 150 °C von weniger als oder gleich 0,06 %, eine durchschnittliche Schraubenbelastungsabnahme bei 150 °C von weniger als oder gleich 6,3° und eine durchschnittliche Streckgrenze bei 150 °C von größer als 57 MPa aufweist.
Legierung nach Anspruch 2, die – in Gewichtsprozent – 4 bis 6 % Aluminium, 1 bis 3 % Strontium, 0,25 bis 0,35 % Mangan und 0 bis 0,1 % Zink umfasst.
Legierung nach Anspruch 2, die – in Gewichtsprozent – 4,5 bis 5,5 % Aluminium, 1,2 bis 2,2 % Strontium, 0,28 bis 0,35 % Mangan und 0 bis 0,05 % Zink umfasst.