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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Verfahren zum Erzeugen
von magnesiumbasierten Legierungen, welche in der Automobilindustrie
weit verbreitet verwendet werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Es
gibt verschiedene Legierungen, welche für spezielle Anwendungen entwickelt
sind, welche beispielsweise das Druckgießen von Automobilteilen enthalten.
Unter diesen Legierungen können
Magnesium-Aluminium-Legierungen als kostenwirksam und weit verbreitet
zur Herstellung von Automobilteilen bezeichnet werden, beispielsweise
eine AM50A-Legierung (wobei AM bedeutet, dass Aluminium und Mangan
zu den Bauteilen von der Legierung gehören), welche ungefähr 5 bis
6% Gew.-Einheit von Aluminium- und Manganspuren enthält, und
Magnesium-Aluminium-Zink-Legierungen,
beispielsweise AZ91D (wobei AZ bedeutet, dass Aluminium und Zink
in den Bauteilen von der Legierung sind), welche ungefähr 9% Gew.-Einheit
Aluminium und 1% Gew.-Einheit Zink enthalten.
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Der
Nachteil dieser Legierungen liegt in ihrer geringen Festigkeit und
geringen Dauerfestigkeit bei erhöhten
Betriebstemperaturen. Daraus folgend sind die oben erwähnten Magnesiumlegierungen
weniger für Motormaschinen
geeignet, bei welchen einige Bauteile, wie beispielsweise Getriebegehäuse, Temperaturen von
bis zu 150°C
ausgesetzt sind. Eine geringe Dauerfestigkeit dieser Bautei le kann
zu einer Abnahme einer Befestigungshalterungslast bei Schraubverbindungen
und somit zu einer Ölleckage
führen.
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Die
WO 99/49089 offenbart ein
Verfahren zum Erzeugen einer Mg-Al-Legierung in einem Legierungsbehälter, welche
geschmolzenes Mg oder eine geschmolzene Mg-Legierung enthält. Das
Verfahren enthält
die Schritte eines Erstellens der Temperatur des geschmolzenen Mg
oder der Mg-Legierung
im Bereich von 650–750°C und danach
eines Hinzufügens
einer Hauptfeststofflegierung, welche Al und Mn enthält, in den
Legierungsbehälter,
wobei Mn zur Reaktion mit Fe im Legierungsbehälter freigesetzt wird.
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Die
WO 01/02614 A1 bezieht
sich auf eine Magnesiumlegierung mit einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit,
welche Magnesium, 1,5 bis 5% Gew.-Einheit Al, 0,6–1,4% Gew.-Einheit
Si, 0,01–0,6%
Gew.-Einheit Mn und 0,01–0,4%
Gew.-Einheit Seltenerde-Elemente enthält. Es ist ebenfalls ein Verfahren
zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von Magnesium-, Aluminium-,
Silizium-Legierungen offenbart, wobei Mn hinzugefügt wird,
um Fe-Beimengungen zu reduzieren, indem sowohl Mn als auch Fe auf
einem niedrigen Pegel gehalten werden, indem geringe Mengen von
Seltenerde-Elementen hinzugefügt
werden.
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Es
ist eine magnesiumbasierte Legierung bekannt (
PCT/CA96/00091 ), welche Aluminium
und Calcium als Legierungsbestandteile in den folgenden Inhalten
enthält:
Aluminium – 2–6% Gew.-Einheit
Calcium – 0,1–0,8% Gew.-Einheit
Magnesium – Rest
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Es
kann als ein Nachteil der obigen Legierung erkannt werden, dass
Legierungen, welche einen höheren
Calciumgehalt haben, zu einem Wärmeriss
beim Druckgießen
neigen.
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Es
ist derzeit eine weitere Magnesium-Druckgusslegierung bekannt (
US-Patent No. 5855697 ),
welche als Analog-Prototyp herangezogen wird, und Magnesium, Aluminium,
Zink und Calcium als grundlegende Legierungsbestandteile in den
folgenden Inhalten enthält:
Aluminium – 2–9% Gew.-Einheit
Zink – 6–12% Gew.-Einheit
Calcium – 0,1–2,0% Gew.-Einheit.
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Die
Legierung kann weitere Bestandteile enthalten, wie beispielsweise
Mangan in der Menge von 0,2 bis 0,5%, Silizium bis zu 0,05% und
Beimengungen, beispielsweise Eisen, in der Menge von 0,01 bis 0,008% Gew.-Einheit.
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Tabelle
1 des Prototyp-Patents offenbart die Zusammensetzungen der Legierungen
ZAC8502, ZAC8506 und ZAC8512, welche die Bestandteile in den folgenden
Inhalten in % Gew.-Einheit enthalten: 4,57–4,67 Aluminium, 8,12–8,15 Zink,
0,23–1,17
Calcium und 0,25–0,27
Mangan. Die Legierung der obigen Zusammensetzung wurde mechanischen
Tests unterworfen und mit herkömmlichen
Legierungen AZ91 und AE42 in Relation zu ihren mechanischen Eigenschaften
verglichen. Diese Legierung enthält
Magnesium, Aluminium, Zink und Calcium als die grundlegenden Legierungsbestandteile,
wobei Silizium in der Legierung als eine Beimengung in der Menge
von bis zu 0,05% enthalten ist, welches daher als eine Schwäche der
Legierung in Betracht gezogen wird. Die Hinzufügung von Aluminium, Zink und
Calcium führt
zu der Ausbildung von intermetallischen Ausfällungen Mg-Al-Zn-Ca entlang
von Kornrändern,
hauptsächlich
bei Magnesium. Die bei dieser Legierung erlangte Mikrostruktur ist
durch eine größere Korngröße gekennzeichnet
und führt
zu einem Mangel an Strukturhomogenität, welches diametral zu mechanischen
Eigenschaften der Legierung bei Druckgussprozessen ist.
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Es
ist derzeit das Verfahren (PCT Patent No. 94/09168) zum Erzeugen
einer magnesiumbasierten Legierung bekannt, welches ein Einführen von
Legierungsbestandteilen in einem geschmolzenen Zustand in geschmolzenes
Magnesium bereitstellt. Es werden daher primär Magnesium- und Legierungsbestandteile
erwärmt
und in getrennten Schmelztiegeln geschmolzen. Elementares Mangen
wird hier mit weiteren Legierungsmetallen legiert, bevor sie zu
geschmolzenem Magnesium hinzugefügt
werden, um eine Wirksamkeit der Schmelzveredelung von Eiseneinschlüssen zu
erhöhen.
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Ein
Nachteil dieses Verfahrens liegt in der Notwendigkeit darin, Mangan
und weitere Legierungselemente vorzuschmelzen (bei der Schmelztemperatur
von 1 250°C),
welches die Legierungserzeugung und die Prozessinstrumentierung
verkompliziert.
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Es
gibt weitere bekannte Verfahren (B. I. Bondarev "Melting and Casting of Wrought Magnesium
Alloys", herausgegeben
von Metallurgy Publishing House, Moskau, Russland 1973, S. 119–122), um
Legierungselemente unter Verwendung einer Hauptlegierung, beispielsweise
eine Magnesium-Mangan-Hauptlegierung
(bei der Legierungstemperatur von 740–760°C), einzuführen.
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Dieses
Verfahren ist deshalb nachteilhaft, weil die Legierungstemperatur
hoch genug beibehalten werden sollte, welches zu einem extrem hohen
elektrischen Energieverbrauch zur Metallerwärmung und zu einem wesentlichen
Schmelzverlust führt.
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Es
ist ebenfalls ein weiteres Verfahren zum Erzeugen einer Magnesium-Aluminium-Zink-Mangan-Legierung bekannt
(I. P. Vyatkin, V. A. Kechin, S. V. Mushkov in "Primary magnesium refining and melting", herausgegeben von
Metallurgy Publishing House, Moskau, Russland 1974, S. 53–56, S.
82–93),
welches als ein Analog-Prototyp herangezogen wird. Dieses Verfahren
legt verschiedene Wege fest, wie geschmolzenes Magnesium, Legierungsbestandteile,
wie beispielsweise Aluminium, Zink, Mangan, hinzuzufügen sind.
Einer dieser Ansätze
enthält
ein gleichzeitiges Beschicken von festem Aluminium und Zink in einen
Schmelztiegel, dann ein Erwärmen
von oberhalb 100°C,
ein Einrühren
von geschmolzenem Magnesium und abermals ein Erwärmen von bis zu 700–710°C, und dann
ein Einführen
eines titanhaltigen Schmelzstücks
zusammen mit Manganmetall unter kontinuierlichem Umrühren.
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Der
hauptsächliche
Nachteil dieses Verfahrens liegt im beträchtlichen Verlust von Legierungsbestandteilen,
welches zu einer niedrigeren Ausbeute von Legierungsbestandteilen
in Magnesium führt,
und eine Erzeugung von Legierungen der spezifizierten Qualität verhindert.
Die quantitative Zusammensetzung der magnesiumbasierten Legierung
ist dazu in der Lage, mechanische Eigenschaften zu verbessern.
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Umriss der Erfindung
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Angesichts
des vorhergehenden ist es eine Aufgabe, eine Legierung vorzubereiten,
welche eine feinere Korngröße hat,
welches zu einer Homogenität
von der Legierungsstruktur führt
und die mechanischen Eigenschaften von der Legierung verbessert.
Es ist ferner eine Aufgabe von der Erfindung, Verluste der Legierungsbestandteile
aufgrund von einer spezifischen Konsequenz bei der Einführung der
Legierungsbestandteile zu verringern.
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Die
Erfindung ermöglicht
es, die Legierung zu erzeugen, welche mit mechanischen Eigenschaften
bereitgestellt ist, welche zu einem Hochdruck-Gießen geeignet
sind.
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Um
die oben dargelegten Aufgaben zu lösen, ist das Verfahren zum
Erzeugen der magnesiumbasierten Legierung, wie in Anspruch 1 angegeben,
dargelegt.
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Ferner
beträgt
das Verhältnis
von Calcium zu Magnesium in %-Gewichtseinheit gleich 1: (500–700).
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Ferner
wird das Magnesium auf die Temperatur von 700–710°C heruntergekühlt.
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Das
dem Magnesium hinzugefügte
Aluminium trägt
zu dessen Zugwiderstand bei der Umgebungstemperatur und zur Legierungs-Gießbarkeit
bei. Es ist jedoch bekannt, dass Aluminium diametral zur Dauerfestigkeit
und Festigkeit von Magnesiumlegierungen bei erhöhten Temperaturen ist. Dies
resultiert aus dem Fall, dass Aluminium, wenn es vom höheren Gehalt
ist, dazu neigt, sich mit Magnesium zu kombinieren, um größere Mengen
von intermetallischem Mg17Al12 auszubilden,
welches eine niedrige Schmelztemperatur (437°C) hat, welches die Hochtemperatureigenschaften
von aluminiumbasierten Legierungen beeinflusst. Ein Aluminiumgehalt
von 2,6–3,6%
Gew.-Einheit, welcher für
die vorgeschlagene magnesiumbasierte Legierung gewählt ist, stellt
bessere Eigenschaften der magnesiumbasierten Legierung, wie beispielsweise
Dauerfestigkeit, bereit.
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Um
eine Dienstfunktion und Funktionalität zu erhöhen und den Anwendungsumfang
bei höheren
Temperaturen (bis zu 150–200°C) zu erweitern,
liegt Silizium in der Legierung als ein Legierungselement, nicht
als Beimengung, mit einer spezifizierten Konzentration von 0,8–1,1% Gew.-Einheit vor. Bei
einer Reaktion mit Magnesium bildet Silizium eine metallurgisch
stabile Phase Mg2Si aus, welches bei Kornrändern leicht
ausfällt, und
somit die mechanischen Eigenschaften von der Legierung verbessert
(siehe 1).
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Calcium
ist das ökonomischste
Element und erlaubt die Verbesserung der Hochtemperatur-Festigkeit und Dauerfestigkeit
von Magnesiumlegierungen. Wenn jedoch Calcium in einer Magnesium-Aluminium-basierten
Legierung enthalten ist, wird die Gießbarkeit der Legierung ernsthaft
auf das Ausmaß verschlechtert,
dass die Legierung nicht länger
durch den herkömmlichen
Druckgussprozess gießbar
ist. Ein höherer
Gehalt von Calcium führt
zu einer Rissigkeit während
des Gießens.
Die Konzentration des Calciums, welche für die Legierung in der Menge
von 0,05–0,10%
Gew.-Einheit ausgewählt
ist, ist daher dazu in der Lage, Mg2Si-Ausfällungen
bei der Ausbildung von großen
Komplexen zu verhindern, welches die Legierungs-Formbarkeit verschlechtern
kann und nachteilig die erforderlichen mechanischen Eigenschaften
von der Legierung beeinflusst, so dass diese nicht erlangt werden
können.
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Die
Eigenschaften von der Legierung werden ferner durch den Zinkgehalt
beeinflusst, und die Eigenschaft der Legierungs-Fließeigenschaft
der Magnesium-Aluminium-Calcium-Legierung kann bei einer hohen Zinkkonzentration
auftreten. Daher ist der vorgeschlagene Zinkgehalt innerhalb von
0,11–0,25%
Gew.-Einheit, um für
die magnesiumbasierte Legierung optimal zu sein.
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Die
Legierung wird mit Mangan im Gehalt von 0,24–0,34% Gew.-Einheit beschickt,
um eine Korrosionsfestigkeit sicherzustellen.
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Die
Legierungsbestandteile werden in der Form einer vorgefertigten festen
Hauptlegierung von Aluminium-Zink-Mangan-Silizium eingeführt, welche
im bestimmten Verhältnis
zu Magnesium, d. h. 1: (18–20),
hinzugefügt
wird und daher wesentlich die Ausbeute der Additive in Magnesium
erhöht,
wodurch somit Verluste von teuren Chemikalien verringert werden.
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Wenn
die Prozesstemperatur bei 720–740°C beibehalten
wird, kann der Ausbeutepegel von Legierungsbestandteilen in Magnesium
98,8–100%
im Falle von Aluminium, 68,2–71,1%
im Falle von Mangan, 89,3–97,4%
im Falle von Silizium, 85,9–94,4%
im Falle von Zink betragen.
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Wenn
das Magnesium auf 700–710°C herabgekühlt wird,
wird Calcium am Boden des Schmelztiegels unterhalb der Schicht aus
Magnesium hinzugefügt,
wobei dies eine Ausbeute von Calcium in Magnesium auf dem Pegel
von 70% ermöglicht.
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Ein
neuer quantitativer Gehalt der Bestandteile von der magnesiumbasierten
Legierung ermöglicht eine
Reduktion von Granalien in der Legierungs-Mikrostruktur, welches
zu einer Verbesserung der Druckguss-Mechanikeigenschaften führt.
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Eine
spezifizierte Praxis der Einführung
von Legierungsbestandteilen hilft bei der Reduktion von Verlusten
von den Legierungsbestandteilen und daraus resultierend zur Reduktion
der Kosten von der Legierung.
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Genaue Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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Vorbereitung einer Al-Mn-Si-Zn-Hauptlegierung
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Zusammensetzung:
Aluminium-Matrix, Mangan – 6,0–9,0% Gew.-Einheit,
Silizium – 24,0–28,0% Gew.-Einheit,
Zink (GOST 3640) – 2,5–3,5% Gew.-Einheit,
Einschlüsse
in %-Gew.-Einheit:
Eisen – 0,4,
Nickel – 0,005,
Kupfer – 0,1,
Titan – 0,1.
Die Hauptlegierung wird in Gussblöcken erzeugt.
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Die
Hauptlegierung wird in einem "AIAX"-Typ-Induktionsofen
hergestellt. Es wird A97-Klasse Aluminium (gemäß zu GOST 11069) in den Ofen
beschickt, auf bis zu 910–950°C erwärmt, wobei
die Hauptlegierung unter Cryolit-Fluss in der Menge von 1–1,5% der
vorgewichteten Menge, welche für
den Prozess erforderlich ist, geschmolzen wird. Ein Kp1 (Kr1)-Klasse
Kristallin-Silizium
wird in Abschnitten in der Form von gebrochenen Stücken zugeführt, wobei
es ein mögliches
Mittel ist, dass die Stücke
aus Silizium in Aluminiumfolie eingehüllt werden oder mit einer Zinkchloridlösung befeuchtet
werden, um sie vor einer Oxidation zu schützen. Es wird Silizium in kleinen
Abschnitten, welche ausgiebig gerührt werden, aufgelöst. Die
erlangte Zusammensetzung wird danach mit Manganmetall der MH95-Klasse
(Mn95 gemäß GOST 6008)
in der Form von 100 mm Stücken
hinzugesetzt, abermals umgerührt
und auf eine Temperatur innerhalb von 800–850°C erwärmt, wobei sie schließlich mit
II1-Klasse Zink (Z1 gemäß GOST 3640)
zugesetzt wird. Es werden 16 kg Gussblöcke in Gießformen gegossen.
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Beispiel 1
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Die
feste Hauptlegierung aus Al-Mn-Si-Zn in der Form von Gussblöcken im
Verhältnis
der Hauptlegierung zu Magnesium von 1: (18–20) wird in einen zuvor erwärmten Schmelztiegel
des Ofens SMT-2 beschickt, in den gleichen Schmelztiegel wird Rohmagnesium
MT90 (MG90 gemäß GOST 804–93) in
der Menge von 1,8 Tonnen von einem Vakuum-Gießtiegel eingegossen und danach
erwärmt.
Wenn die Metalltemperatur 730–740°C erreicht,
wird ein erwärmter
Rührapparat
in den Schmelztiegel platziert, wobei die Legierung 1–1,5 Stunden
vor einem Mischen im Schmelztiegel ungestört belassen wird, und dann
maximal 40–50
min gemischt wird, es wird ein titanhaltiges Schmelzstück (TU 39-008),
welches mit einer Bariumschmelze im Verhältnis von 1:1 im Gemisch ist,
hinzugefügt,
abermals gemischt, wobei die Temperatur von der Legierung dann auf 700–710°C reduziert
wird. Danach wird Calcium in der Form von gebrochenen Stücken im
Verhältnis
zu einer 1 Tonne geschmolzenem Magnesium von 1: (500–700) beschickt.
Es werden daher Calciumstücke
in einem Legierungskorb platziert und auf den Boden des Schmelztiegels
bei der Temperatur des geschmolzenen Magnesiums von 700°C herabgesenkt.
Die erzeugte Legierung wird für
60 min in dem Schmelztiegel belassen und danach wird die Legierung
für die
vollständige
chemische Analyse abgetastet, um Al, Mn, Zn, Si-Gehalte und Beimengungen
zu bestimmen. Die Legie rungszusammensetzung beträgt in %-Gew.-Einheit: Al – 3,07,
Mn – 0,22,
Si – 1,03,
Ca – 0,05,
Be – 0,0008–0,0012,
Zn – mind.
0,18, Fe – mind.
0,003.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Tabelle 1. Ausbeutepegel der Legierungsbestandteile
in Magnesium
| Bestandteile | Ausbeutepegel
in % |
| Aluminium | 100 |
| Mangan | 73,5–96,3; bei
720– 740°C und einer
Rührzeit
von 40–50
min. beträgt der
Ausbeutepegel von Mangan gleich 80–96% |
| Silizium | 80,8–92,5 |
| Zink | 84,8 |
| Calcium | 70,0 |
Tabelle 2. Mechanische Eigenschaften der
magnesiumbasierten Legierung bei 150°C
| Legierungstyp | Reißfestigkeit | Dehnung δ,
% |
| σB,
MPa | σ0,2,
% |
| AZ91 | 159 | 150 | 6,7 |
| ZAC8512 – Stand
der Technik | 149 | 151 | 5,1 |
| Die
beanspruchte Legierung | 131 | 80 | 9,4 |
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Wie
anhand der obigen Tabelle zu erkennen, sind die Dehnungseigenschaften
der beanspruchten Legierung bei 150°C im Allgemeinen identisch,
jedoch zeigt die Legierung gemäß der vorliegenden
Erfindung eine bessere Dehnung als die Legierung aus dem Stand der
Technik und die Standard-Legierung.