DE60211830T2

DE60211830T2 - Kriechbeständige Magnesiumlegierungen mit guter Giessbarkeit

Info

Publication number: DE60211830T2
Application number: DE60211830T
Authority: DE
Inventors: Boris Bronfin; Elyiahu Aghion; Frank Von Buch; Soenke Schumann
Original assignee: Volkswagen AG; Dead Sea Magnesium Ltd
Current assignee: Volkswagen AG; Dead Sea Magnesium Ltd
Priority date: 2001-11-05
Filing date: 2002-01-03
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2022-01-04
Also published as: EP1308530B1; ATE328132T1; IL146335A0; EP1308530A1; US20030086811A1; US7169240B2; DE60211830D1; CA2366924A1; CA2366924C

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Legierungen auf Basis von Magnesium mit guter Kriechfestigkeit und verbesserter Gießbarkeit, welche für Anwendungen bei erhöhten Temperaturen geeignet sind und eine gute Korrosionsbeständigkeit besitzen.
Technischer Hintergrund der Erfindung
Magnesiumverbindungen, die ein Drittel leichter sind als das gleiche Volumen aus Aluminiumlegierungen, bieten eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Gewichtsreduzierung und sind daher für Anwendungen wie beispielsweise in der Automobil- und Luftfahrzeugindustrie sehr attraktiv. Nach CAFÉ und anderen Umweltgesetzen hat sich die Mehrzahl der Automobilhersteller das Ziel gesetzt, in naher Zukunft 40-100 kg Magnesiumlegierungen pro Kraftfahrzeug zu verwenden. Bauteile aus Magnesiumlegierungen werden durch verschiedene Gussverfahren hergestellt, einschließlich Hochdruckguss, Sandguss und Dauerformguss. Andere Herstellungsverfahren von Bedeutung sind Squeeze-Casting, Semi-Solid-Casting, Thixocasting und Thixomolding. Gemäß Vorhersage der International Magnesium Association (IMA) wird die Verwendung von Hochdruckguss-Magnesium weiterhin zunehmen. Eine ideale Magnesiumlegierung für die Herstellung von Automobilbauteilen sollte nicht nur kosteneffektiv sein sondern auch verschiedene Anforderungen in Bezug auf ihr Verhalten während des Gießprozesses und im Betrieb unter Dauerbeanspruchung erfüllen. Zu einer guten Gießbarkeit gehört, dass die geschmolzene Legierung gut in enge Gussformquerschnitte hineinfließt, sowie ein geringes Anhaften der geschmolzenen Legierung an der Form und die Beständigkeit gegen Oxidation während des Gießprozesses. Eine gute Legierung sollte wäh rend der Abkühlungs- und der Erstarrungsphase des Gussverfahrens keine Risse entwickeln. Die aus der Legierung gegossenen Teile sollten eine hohe Zugfestigkeit (tensile yield strength) und Druckfestigkeit (compressive yield strength) aufweisen und im Betrieb eine geringe fortgesetzte Dehnung unter Beanspruchung bei erhöhter Temperatur (Kriechfestigkeit) zeigen. Die guten mechanischen Eigenschaften sollten vorzugsweise auch bei Temperaturen von über 120 °C erhalten bleiben, wenn die Bauteile als Teile des Getriebes oder eines Kurbelgehäuses Verwendung finden sollen. Die Legierung sollte außerdem gegen Korrosion beständig sein. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Legierung hängen wesentlich von dem Vorhandensein anderer metallischer Elemente ab, welche eine Vielfalt an intermetallischen Verbindungen ausbilden können. Diese intermetallischen Verbindungen behindern die Kornverschiebung (grain sliding) unter Beanspruchung bei erhöhten Temperaturen.
Alle herkömmlichen Druckguss-Magnesiumlegierungen basieren auf Mg-Al-Systemen. Die Legierungen des Mg-Al-Zn-Systems (z.B. die kommerziell erhältliche Legierung AZ91D) oder des Mg-Al-Mn-Systems verfügen über gute Gießbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und eine Kombination von guter Festigkeit und Duktilität bei Umgebungstemperatur, sie zeigen jedoch eine nur geringe Kriechfestigkeit und eine nur geringe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen. Andererseits besitzen Mg-Al-Si-Legierungen und Mg-Al-RE-Legierungen eine bessere Kriechfestigkeit jedoch auch eine nicht ausreichende Korrosionsbeständigkeit (AS41- und AS21-Legierungen) sowie schlechte Gießbarkeit (AS21- und AE42-Legierungen). Beide Legierungsarten zeigen weiterhin eine relativ niedrige Zugfestigkeit bei Raumtemperatur. Zusätzlich erhöht ein hoher Gehalt an Seltenerdmetallen (RE), z.B. 2,4 % in AE42, die Kosten. Es wurde gezeigt, dass durch Einschluss von Ca oder Sr in der Legierung einige der erwähnten Nachteile überwun den werden konnten. Die deutsche Patentschrift Nr. 847,992 beschreibt auf Magnesium basierende Legierungen, die 2 bis 10 Gew.-% Aluminium, 0 bis 4 Gew.-% Zink, 0,001 bis 0,5 Gew.-% Mangan, 0,5 bis 3 Gew.-% Calcium sowie bis zu 0,005 Gew.-% Beryllium enthalten. Zusätzlich enthalten diese Legierungen relativ hohe Konzentrationen an Eisen (bis zu 0,3 Gew.-%) zur Unterdrückung des Problems der Heißrissbildung. Die veröffentlichte GB 2,296,256 offenbart eine auf Magnesium basierende, bis zu 2 Gew.-% RE und bis zu 5,5 Gew.-% Ca enthaltende Legierung. WO 9625529 offenbart eine auf Magnesium basierende Legierung, die bis zu 0,8 Gew.-% Calcium enthält und eine Kriechdehnung von weniger als 0,5 % zeigt, unter einer für einen Zeitraum von 200 Stunden aufgebrachten Beanspruchung von 35 MPa bei 150 °C. EP 799901 beschreibt eine auf Magnesium basierende Legierung für den Semi-Solid-Guss, welche bis zu 4 Gew.-% Calcium und bis zu 0,15 Gew.-% Strontium enthält, wobei das Ca/Al-Verältnis weniger als 0,8 betragen sollte. EP 1127950 offenbart eine Druckguss-Magnesiumlegierung, die aus 2 bis 6 % Al, 0,3 bis 2 % Ca, 0,01 bis 1 % Sr, 0,1 bis 1 % Mn besteht.
EP 791662 offenbart eine auf Magnesium basierende Legierung, die bis zu 3 Gew.-% Ca und bis zu 3 Gew.-% RE-Elemente umfasst, wobei die Legierungen nur bei bestimmten Verhältnissen der Elemente zueinander druckgießbar sind.
EP 1048743 lehrt ein Verfahren zur Herstellung einer bis zu 3,3 % Ca und bis zu 0,2 % Sr enthaltenden Magnesiumlegierung für den Guss. Das US-Patent Nr. 6,139,651 offenbart eine magnesiumbasierte Legierung, die bis zu 1,2 Gew.-% Ca und bis zu 0,2 Gew.-% Sr umfasst, während Zn entweder im Bereich von 0,01 bis 1 oder 5 bis 10 Gew.-% vorliegt.
WO 0144529 beschreibt eine Gusslegierung auf Basis von Magnesium, die bis zu 2,2 Gew.-% Sr enthält.
Ein Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung von Legierungen mit verbesserter Festigkeit bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen wie auch verbesserter Kriechfestigkeit bei erhöhten Temperaturen bis zu wenigstens 150 °C.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung von Legierungen, die besonders gut für das Hochdruckguss-Verfahren angepasst sind, wobei sie eine reduzierte Anfälligkeit für das Anhaften an der Form, für Oxidation und für Heißrissbildung zeigen, und die eine gute Fließfähigkeit besitzen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung von Legierungen auf Basis von Magnesium, welche für Anwendungen bei erhöhter Temperatur geeignet sind und eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung von Legierungen, die auch für andere Anwendungen geeignet sind, wie z.B. Sandguss, Dauerformguss, Squeeze-Casting, Semi-Solid-Casting, Thixocasting und Thixomolding.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung von Legierungen, die mit Erfolg gegossen werden können, obwohl sie kein Beryllium enthalten.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung von Legierungen, welche das vorgenannte Verhalten und die vorgenannten Eigenschaften besitzen und mit relativ geringen Kosten verbunden sind.
Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Legierungen auf Basis von Magnesium mit guter Kriechfestigkeit und verbesserter Gießbarkeit, welche für Anwendungen bei erhöhten Temperaturen geeignet sind und eine gute Korrosionsbeständigkeit besitzen.
Die auf Magnesium basierenden Legierungen der vorliegenden Erfindung bestehen aus:

a) mindestens 86 Gew.-% Mg,
b) 6,1 bis 9,2 Gew.-% Aluminium,
c) 0,08 bis 0,38 Gew.-% Mangan
d) 0,0 bis 0,9 Gew.-% Zink
e) 0,2 bis 1,2 Gew.-% Calcium
f) 0,2 bis 1,4 Gew.-% Strontium
g) 0,00 bis 0,8 Gew.-% Seltenerdmetalle und wahlweise
h) bis zu 0,02 Gew.-% Zirkonium, bis zu 0,0004 Gew.-% Beryllium, bis zu 0,004 Gew.-% Eisen, bis zu 0,001 Gew.-% Nickel, bis zu 0,003 Gew.-% Kupfer, bis zu 0,03 Gew.-% Silicium und
i) unwesentlichen Verunreinigungen,

Die Mikrostruktur einer erfindungsgemäßen Legierung umfasst eine feste Mg-Al-Lösung als Matrix und die intermetallischen Verbindungen Mg₁₇Al₉Ca₂Sr oder Al₂(Sr, Ca, RE)₁, die sich an den Korngrenzen der festen Mg-Al-Lösung befinden.
Die Legierungen der vorliegenden Erfindung weisen eine gute Festigkeit und gute Kriecheigenschaften, sowohl bei Raumtemperaturen als auch bei 150 °C, auf und besitzen eine gute Korrosionsbeständigkeit. Während des Gießprozesses zeigen sie eine gute Fließfähigkeit, geringes Anhaften an der Form und eine geringe Anfälligkeit für Oxidation und Heißrissbildung. Die Legierungen sind außerdem mit nur relativ geringem Kostenaufwand verbunden.
Die Erfindung betrifft außerdem Legierungen, die in verschiedenen Verfahren, umfassend Hochdruckguss, Sandguss, Dauerformguss, Squeeze-Casting, Semi-Solid-Casting, Thixocasting und Thixomolding, verwendet werden können.
Die Erfindung betrifft weiterhin durch Giessen einer auf Magnesium basierenden Legierung der oben definierten Zusammensetzung hergestellte Produkte, wobei die Legierung eine gute Kriechfestigkeit und Gießbarkeit aufweist. Die besagten Produkte sind für Anwendungen bei erhöhter Temperatur geeignet und besitzen eine gute Korrosionsbeständigkeit.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben beschriebenen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nun anhand der nachfolgenden Beispiele und unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen verdeutlicht; diese Zeichnungen zeigen:
1: Tabelle 1, in der chemische Zusammensetzungen von Legierungen dargestellt sind;
2: Tabelle 2, in der in den neuen Legierungen enthaltene intermetallische Phasen dargestellt sind;
3: Tabelle 3, in der die Gießbarkeitseigenschaften neuer Legierungen dargestellt sind;
4: Tabelle 4, in der die mechanischen Eigenschaften neuer Legierungen dargestellt sind;
5, A und B: die Mikrostrukturen einer druckgegossenen Legierung gemäß Beispiel 4 bzw. Beispiel 8;
6, A und B: die Mikrostrukturen einer druckgegossenen Legierung gemäß Vergleichsbeispiel 1 bzw. Vergleichsbeispiel 2.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wurde festgestellt, dass bestimmte Kombinationen von Elementen in auf Magnesium basierenden Legierungen, welche Aluminium, Mangan, Zink, Calcium, Strontium, Zirkonium und Seltenerdmetalle umfassen, zu Eigenschaften führen, die den Eigenschaften von Legierungen des Standes der Technik überlegen sind. Zu diesen Eigenschaften gehört ein hervorragendes Verhalten des geschmolzenen Metalls sowie hervorragende Gießbarkeit, verbesserte Kriechbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie hohe Zugfestigkeit und Druckfestigkeit bei Raum- und erhöhten Temperaturen.
Eine erfindungsgemäße Legierung auf Magnesiumbasis umfasst 6,1 bis 9,2 Gew.-% Aluminium. Eine Aluminiumkonzentration von mehr als 9,2 Gew.-% führt zu Versprödung und Verschlechterung der Kriechfestigkeit. Die erfindungsgemäßen Legierungen enthalten 0,08 bis 0,38 Gew.-% Mangan und können bis zu 0,9 % Zink enthalten. Eine erfindungsgemäße Legierung enthält sowohl Calcium als auch Strontium. Der Gehalt an Calcium liegt im Bereich von 0,2 bis 1,2 Gew.-%, und der Gehalt an Strontium liegt im Bereich von 0,2 bis 1,4 Gew.-%. Durch das Vorhandensein beider Elemente wird die Kriechfestigkeit durch die Bildung stabiler intermetallischer Verbindungen, welche die Kornverschiebung behindern, signifikant verbessert. Der Gesamtgehalt an Calcium und Strontium sollte mehr als 0,9 Gew.-% betragen, um die Bildung von β-Phase, intermetallischen Mg₁₇(Al, Zn)₁₂-Verbindungen zu unterdrücken und eine verbesserte Kriechfestigkeit bereitzustellen. Andererseits sollte der Gesamtgehalt an Calcium und Strontium nicht über 1,6 % liegen, um eine Versprödung sowie das Anhaften der Gussteile an der Gussform, mit anschließender Heißrissbildung, zu vermeiden. Das Vorhandensein von Calcium fördert weiterhin die Oxidationsbeständigkeit der Legierungen. Es wurde festgestellt, dass die meisten der erfindungsgemäßen Legierungen in Blockform hergestellt und anschließend berylliumfrei druckgegossen werden können. Die Legierungen der vorliegenden Erfindung können bis zu 0,8 Gew.-% Seltenerdmetalle enthal ten. Seltenerdmetalle bewirken eine Modifizierung der ausgefällten intermetallischen Verbindungen und erhöhen deren Stabilität. Zusätzlich wird durch das Vorhandensein von RE-Elementen die Korrosionsbeständigkeit verbessert. Allerdings führt das Legieren mit mehr als 0,8 Gew.-% RE-Elementen zu einer Abnahme der Festigkeitseigenschaften und einer verminderten Gießbarkeit, ganz zu schweigen von den erhöhten Kosten.
Die Legierungen der vorliegenden Erfindung enthalten minimale Mengen an Eisen, Kupfer und Nickel, um eine niedrige Korrosionsgeschwindigkeit zu erhalten. Der Gehalt an Eisen in der Legierung beträgt weniger als 0,004 Gew.-% und vorzugsweise weniger als 0,003 Gew.-%. Der Eisengehalt kann durch Zugabe von Mangan reduziert werden. Der Eisenghalt von weniger als 0,003 Gew.-% kann bei einem minimalen Mangan-Restgehalt von 0,17 Gew.-% erzielt werden, das gleiche Ergebnis lässt sich jedoch auch mit nur 0,08 Gew.-% Mangan erzielen, wenn außerdem noch eine geringe Menge an Zirkonium, bis zu 0,02 Gew.-%, vorhanden ist.
Die erfindungsgemäßen Legierungen enthalten nicht mehr als 0,001 Gew.-% Nickel, nicht mehr als 0,003 Gew.-% Kupfer und nicht mehr als 0,03 Gew.-% Silicium.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält eine Legierung auf Magnesiumbasis 7,8 bis 8,8 Gew.-% Aluminium, 0,00 bis 0,3 Gew.-% Zink, 0,65 bis 1,05 Gew.-% Calcium, 0,2 bis 0,65 Gew.-% Strontium, 0,00 bis 0,2 Gew.-% Seltenerdmetalle und 0,08 bis 0,28 Gew.-% Mangan, wobei die Seltenerdmetalle als Mischmetall auf Basis von Cer hinzugegeben werden. Die Legierung gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform Umfasst eine feste Mg-Al-Lösung als Matrix und die intermetallischen Verbindungen Mg₁₇A₁₉Ca₂Sr, Al₂Ca_0,5Sr_0,5 und Al₈(Mn, RE)₅, wobei sich diese intermetalli schen Verbindungen an den Korngrenzen der festen Mg-Al-Lösung befinden.
Es wurde festgestellt, dass in einer erfindungsgemäßen Legierung abgesehen von den oben erwähnten auch einige andere intermetallische Verbindungen bei Vorhandensein von Calcium, Strontium, Seltenerdmetallen, Zink und Mangan, in den oben angegebenen Gewichtsprozenten, ausfallen; diese Verbindungen umfassen Mg₁₇(Al, Ca, Sr)₁₂, Mg₁₇(Al, Ca, Sr, Zn)₁₂ und (Al, Zn)₂(Ca, Sr). Diese intermetallischen Phasen wurden an den Korngrenzen der festen Lösung der Mg-Al-Matrix gefunden.
Die Magnesiumlegierungen der vorliegenden Erfindung wurden getestet und mit Vergleichsproben verglichen; hierzu gehörten die weit verbreiteten, kommerziell erhältlichen Magnesiumlegierungen AZ91D und AE42. Die metallographische Untersuchung durch Rasterelektronenmikroskopie und Röntgendiffraktionsanalyse der Präzipitate zeigte deutliche Unterschiede zwischen den Vergleichsproben und den erfindungsgemäßen Legierungen, z.B. in Form von Bildung neuer intermetallischer Präzipitate. Beispielsweise bestand die Mikrostruktur der neuen Legierungen aus feinen Körnern aus fester Mg-Al-Lösung und aus eutektischen Phasen, die sich an Korngrenzen befanden.
Die Gießbarkeit wurde durch Kombinieren dreier Parameter bewertet, welche das Verhalten der Legierung während des Gießprozesses charakterisieren: Fließfähigkeit, Anhaften an der Form und Oxidationsbeständigkeit. Unter allen Vergleichsbeispielen wies nur die AZ91D-Legierung eine ähnliche Gießbarkeit auf wie die Legierungen der vorliegenden Erfindung, deren Gießverhalten erheblich besser war als das Gießverhalten der AE42-Legierung.
Zug- und Druckversuche zeigten, dass die erfindungsgemäßen Legierungen eine bedeutend höhere Zugfestigkeit (TYS) und Druckfestigkeit (CYS) aufweisen als die AZ91D- und AE42-Legierung, und zwar sowohl bei Raumtemperatur als auch bei 175 °C.
Die Korrosionsbeständigkeit der neuen Legierungen, gemessen durch Tauchen in NaCl-Lösung, war gleich oder besser als die der AZ91D-Legierung und bedeutend besser als die der AE42-Legierung.
Das Kriechverhalten wurde bei 135 °C und 150 °C über einen Zeitraum von 200 h unter einer Beanspruchung von 85 MPa bzw. 50 MPa gemessen. Die Wahl der Bedingungen basiert auf den Erfordernissen für Motor/Antriebssatzkomponenten wie Getriebegehäuse, Ansaugleitungen usw. Die Kriechfähigkeit wurde durch den Wert der minimalen Kriechrate charakterisiert, welcher als der wichtigste Konstruktionsparameter für Motor/Antriebssatzbauteile angesehen wird. Die Legierungen der vorliegenden Erfindung wiesen eine bessere Kriechfestigkeit auf als die Legierung AE42 und eine viel bessere Kriechfestigkeit als die Legierung AZ91D.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein aus einer erfindungsgemäßen Legierung hergestelltes Produkt im Hochdruckverfahren gegossen.
Gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung wird ein aus einer erfindungsgemäßen Legierung hergestelltes Produkt in einem Verfahren gegossen, welches aus den Verfahren Sandguss, Dauerformguss, Squeeze-Casting, Semi-Solid-Casting, Thixocasting und Thixomolding ausgewählt ist.
Basierend auf den oben genannten Erkenntnissen betrifft die vorliegende Erfindung ebenfalls die Produkte, welche aus den aus den Magnesiumlegierungen bestehenden Bauteilen her gestellt werden, wobei diese Produkte eine verbesserte Festigkeit, Kriechfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei Raumtemperaturen und bei erhöhten Temperaturen aufweisen und als Bauteile von Kraftfahrzeug- oder Flugzeug-Bausystemen verwendet werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele näher beschrieben und erläutert.
Beispiele Allgemeine Verfahrensvorschrift
Die Legierungen der vorliegenden Erfindung wurden in einem aus kohlenstoffarmem Stahl bestehenden, 100-Liter-Schmelztiegel hergestellt. Eine Mischung aus CO₂ + 0,5 % SF₆ wurde als Schutzgasatmosphäre verwendet. Es wurden die folgenden Rohstoffe verwendet:
Magnesium – reines Magnesium, Grad 9980A, mit einem Gehalt von wenigstens 99,8 % Mg.
Mangan – eine Al-60 % Mn-Vorlegierung, die in das geschmolzene Magnesium bei einer Schmelztemperatur von 700 °C bis 720 °C, abhängig von der Mangankonzentration, eingebracht wurde. Eine besondere Aufbereitung der zugeführten Teile und intensives Rühren der Schmelze über einen Zeitraum von 15-30 min erfolgten, um die Auflösung des Mangans in dem geschmolzenen Magnesium zu beschleunigen.
Aluminium – technisch reines Al (weniger als 0,2 % Verunreinigungen).
Seltenerdmetalle – ein Mischmetall auf Basis von Cer, enthaltend 50 % Ce + 25 % La + 20 % Nd + 5 % Pr.
Calcium – eine Vorlegierung Al-75 % Ca.
Strontium – eine Vorlegierung Al-90 % Sr.
Zink – technisch reines Zn (weniger als 0,1 % Verunreinigungen).
In der Regel betrugen die für das Einführen von Al, Ca, Sr, Sn und Zn verwendeten Temperaturen von 690 °C bis 710 °C. Zwei- bis fünfzehnminütiges intensives Rühren war ausreichend, um diese Elemente in dem geschmolzenen Magnesium aufzulösen.
Beryllium – bis zu 4 ppm Beryllium wurden zu einigen der neuen Legierungen in Form einer Vorlegierung Al-1 % Be hinzugegeben, und zwar nach dem Tempern der Schmelze bei Temperaturen von 660-690 °C vor dem Gießen. Jedoch wurde die Mehrzahl der neuen Legierungen ohne Beryllium hergestellt und gegossen.
Nach der Herstellung der erforderlichen Zusammensetzungen wurden die Legierungen in 8-kg-Gussblöcke gegossen. Der Guss erfolgte ohne jeglichen Schutz des geschmolzenen Metalls während des Erstarrens in den Formen. Auf keiner der Oberflächen der Versuchsblöcke wurde Verbrennen oder Oxidation beobachtet. Die chemische Analyse erfolgte mit einem Funkenemissionsspektrometer. Die Druckgießversuche erfolgten unter Verwendung einer IDRA OL-320-Druckgießanlage mit Kältekammer und einer Zuhaltekraft von 345 Tonnen. Bei der zur Herstellung der Versuchsproben verwendeten Druckgießform handelte es sich um ein Werkzeug mit sechs Formhöhlungen, mit welchem

– zwei runde Probekörper für den Zugversuch gemäß ASTM-Norm B557M-94
– ein Probestück, das für den Kriechversuch geeignet ist
– ein Probestück, das für den Dauerfestigkeitsversuch geeignet ist
– ein Probestück für den Schlagversuch gemäß der ASTM-E23-Norm
– ein rundes Probestück mit einem Durchmesser von 10 mm für den Immersions-Korrosionsversuch gemäß der ASTM-G31-Norm

Die Druckgießbarkeit wurde in Druckgießversuchen durch Beobachtung der Fließfähigkeit (F), der Oxidationsbeständigkeit (OR) und des Anhaftens an der Form (D) bewertet. Jede Legierung wurde bezüglich dieser drei Eigenschaften nach zunehmender Qualität mit 1 bis 10 bewertet. Der kombinierte "Gießbarkeitsfaktor" (CF) wurde durch Gewichten der drei Parameter berechnet, wobei das Anhaften an der Form den Gewichtungsfaktor 4 und die Fließfähigkeit und Oxidation jeweils den Gewichtungsfaktor 1 erhielten:
wobei T die tatsächliche Gießtemperatur und 670 die Gießtemperatur für die AZ91D-Legierung ist [°C].
Die metallographische Prüfung erfolgte unter Verwendung eines optischen Mikroskops und eines Rasterelektronenmikroskops (REM), das mit einem energiedispersiven Spektrometer (EDS) ausgerüstet war. Die Phasenzusammensetzungen wurden durch Röntgendiffraktionsanalyse, kombiniert mit EDS-Analyse, bestimmt.
Die Zug- und Druckprüfungen bei Raum- und erhöhten Temperaturen erfolgten unter Anwendung einer Instron 4483-Anlage, die mit einer Hochtemperaturkammer ausgestattet war. Es wurde die Zugfestigkeit (TYS), die Zerreißfestigkeit (UTS) und die prozentuale Dehnung (%E) und die Druckfestigkeit (CYS) bestimmt.
Die SATEC-Modell-M-3-Anlage wurde für die Kriechprüfung verwendet. Die Kriechversuche wurden über einen Zeitraum von 200 h bei 135 °C und 150 °C bei einer Beanspruchung von 85 MPa bzw. 50 MPa durchgeführt. Die Wahl der Bedingungen basierte auf den Anforderungen an das Kriechverhalten bei Motor/Antriebssatz-Komponenten wie Getriebegehäuse, Ansaugleitungen usw. Die Kriechfähigkeit wurde durch den wert der minimalen Kriechrate (MCR) charakterisiert, welcher als der wichtigste Konstruktionsparameter für Motor/Antriebssatz-Komponenten erachtet wird.
Das Korrosionsverhalten wurde durch einen Immersions-Korrosionsversuch gemäß ASTM-Standard G31-87 bewertet. Die getesteten Probestücke, zylinderförmige Stangen von 100 mm Länge und 10 mm Durchmesser, wurden in Aceton entfettet und anschließend in 5%iger NaCl-Lösung bei Raumtemperatur, 23±1 °C, 72 Stunden lang getaucht. Fünf Replikate jeder Legierung wurden geprüft. Die Probekörper wurden dann in einer Chromsäurelösung (180 g CrO₃ pro Liter Lösung) bei 80 °C etwa drei Minuten lang von den Korrosionsprodukten befreit. Es wurde der Gewichtsverlust bestimmt und zur Berechnung der durchschnittlichen Korrosionsgeschwindigkeit in mg/cm²/Tag verwendet.
Beispiele für Legierungen
In den Tabellen 1 bis 4 sind die chemischen Zusammensetzungen und Eigenschaften von erfindungsgemäßen Legierungen sowie von Legierungen von Vergleichsbeispielen dargestellt. Tabelle 1 zeigt die chemischen Zusammensetzungen von 14 neuen Legierungen zusammen mit fünf Vergleichsbeispielen. Bei den Vergleichsbeispielen 1 und 2 handelt es sich um die kommerziellen Magnesiumlegierungen AZ91D bzw. AE42.
Die Ergebnisse der metallographischen Untersuchung der neuen Legierungen und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 sind in den 5-8 dargestellt. Die Mikrostrukturen der neuen Legierungen bestanden aus feinen Körnern aus fester Mg-Al-Lösung und eutektischen Phasen, die sich an den Korngrenzen befanden. Diese Präzipitate wurden durch Röntgendiffraktionsanalyse und EDS-Analyse identifiziert. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst, zusammen mit den für die Vergleichslegierungen erhaltenen Daten.
Wie Tabelle 2 zeigt, führt das Legieren mit Aluminium, Calcium, Strontium, Seltenerdmetallen, Mangan und Zink zur Bildung neuer Phasen, die sich von den intermetallischen Verbindungen, die in AZ91D und AE42-Legierungen gebildet werden, unterscheiden.
EP 1048743 offenbart die intermetallischen Verbindungen Mg₂Ca und (Mg, Al)₂Ca.
Die Gießbarkeitseigenschaften neuer Legierungen sind in Tabelle 3 angegeben. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die neuen Legierungen der vorliegenden Erfindung eine ähnliche Gießbarkeit aufweisen wie die AZ91D-Legierung und eine erheblich bessere Gießbarkeit als die AE42-Legierung (Vergleichsbeispiel 1) oder als andere Vergleichsbeispiele.
So liegt beispielsweise die chemische Zusammensetzung des Versuchsbeispiels 3 innerhalb des Bereichs der Zusammensetzungen gemäß EP 1127950 . Wie aus Tabelle 3 deutlich hervorgeht, weisen die oben erwähnten Legierungen eine sehr schlechte Gießbarkeit auf.
Die Zug-, Druck- und Korrosionseigenschaften neuer Legierungen sind in Tabelle 4 angegeben. Die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen bei Raumtemperatur und bei 150 °C eine höhere Zugfestigkeit (TYS) und höhere Druckfestigkeit (CYS) als die Legierung AZ91D und eine signifikant höhere CYS und TYS als die AE42-Legierung.
Auch die Korrosionsbeständigkeit der neuen Legierungen ist ähnlich oder besser als die von AZ91D-Legierungen und wesentlich besser als die Korrosionsbeständigkeit der AE42-Legierung.
Wie aus Tabelle 4 zu ersehen, sind die erfindungsgemäßen Legierungen der AZ91D-Legierung in Bezug auf die Kriechfestigkeit sowohl bei 135 °C als auch bei 150 °C überlegen. Der Unterschied in den minimalen Kriechraten (MCR) erreicht in einigen Fällen ein Ausmaß von zwei Größenordnungen. Bei 135 °C und unter einer Belastung von 85 Mpa übertreffen die erfindungsgemäßen Legierungen auch die Kriechfestigkeit der AE42-Legierung.
Zwar wurde die vorliegende Erfindung anhand einiger spezifischer Beispiele beschrieben, doch ist auch eine Vielzahl von Modifikationen und Varianten möglich. Es wird deshalb darauf hingewiesen, dass die Erfindung innerhalb des Umfanges der beigefügten Ansprüche auch in einer anderen als der hier ausdrücklich beschriebenen Weise verwirklicht werden kann.

Claims

Legierung auf Basis von Magnesium, bestehend aus a) wenigstens 86 Gew.-% Mg, b) 6,1 bis 9,2 Gew.-% Aluminium, c) 0,08 bis 0,38 Gew.-% Mangan, d) 0,0 bis 0,9 Gew.-% Zink, e) 0,2 bis 1,2 Gew.-% Calcium, f) 0,2 bis 1,4 Gew.-% Strontium, g) 0,00 bis 0,8 Gew.-% Seltenerdmetalle und wahlweise h) bis zu 0,02 Gew.-% Zirkonium, bis zu 0,0004 Gew.-% Beryllium, bis zu 0,004 Gew.-% Eisen, bis zu 0,001 Gew.-% Nickel, bis zu 0,003 Gew.-% Kupfer, bis zu 0,03 Gew.-% Silicium und i) unwesentlichen Verunreinigungen, wobei die Gesamtmenge an Calcium und Strontium mehr als 0,9 Gew.-% und nicht mehr als 1,6 Gew.-% beträgt.
Legierung nach Anspruch 1, deren Aufbau eine feste Mg-Al-Lösung als Matrix und intermetallische Verbindungen, Mg₁₇A₁₉Ca₂Sr oder Al₂(Sr, Ca, RE)₁, umfasst, wobei sich die intermetallischen Verbindungen an Korngrenzen der festen Mg-Al-Lösung befinden.
Legierung nach Anspruch 1 oder 2, in der die Seltenerdmetalle ein Mischmetall umfassen.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die kein Beryllium enthält.
Produkt, das ein Guss einer Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ist.
Produkt nach Anspruch 5, bei dem der Guss ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Hochdruckguss, Sandguss, Dauerformguss, Squeeze-Casting, Semi-Solid-Casting, Thixocasting und Thixomolding.