EP1295957A2 - Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung durch Strangpressen und Verwendung der stranggepressten Halbzeuge und Bauteile - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung durch Strangpressen und Verwendung der stranggepressten Halbzeuge und Bauteile Download PDF

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EP1295957A2
EP1295957A2 EP02028600A EP02028600A EP1295957A2 EP 1295957 A2 EP1295957 A2 EP 1295957A2 EP 02028600 A EP02028600 A EP 02028600A EP 02028600 A EP02028600 A EP 02028600A EP 1295957 A2 EP1295957 A2 EP 1295957A2
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EP
European Patent Office
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extrusion
magnesium alloy
producing
weight
alloy according
Prior art date
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EP02028600A
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EP1295957A3 (de
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Wolfgang Dipl.-Ing. Sebastian
Heinz Haferkamp
Peter Juchmann
Karl-Ulrich Kainer
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP1295957A2 publication Critical patent/EP1295957A2/de
Publication of EP1295957A3 publication Critical patent/EP1295957A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/06—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of magnesium or alloys based thereon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C23/00—Alloys based on magnesium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C23/00—Alloys based on magnesium
    • C22C23/06—Alloys based on magnesium with a rare earth metal as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a magnesium alloy high Ductility etc. through extrusion and the use of extruded semi-finished products or components.
  • magnesium alloys are approximately in the range from 1.2 to 1.9 g / cm 3 , occasionally, especially in the case of particularly lithium-rich magnesium alloys, down to approximately 0.9 g / cm 3 as metallic construction materials of particular interest for vehicle and aircraft construction. In the future, they will be used more and more for the lightweight construction of motor vehicles and airplanes, in order to be able to compensate for the weight of additional elements due to increasing comfort and safety standards, especially in new low-emission automobiles. They are also of interest for transportable devices or systems that are particularly light-weight for other reasons.
  • the lightweight construction enables the construction of energy-saving vehicles and planes, such as the 3-liter motor vehicle, to a particular extent.
  • the cold formability of the commercially available magnesium alloys is due to the hexagonal crystal structure and the associated low ductility limited. Polycrystalline magnesium and most magnesium alloys behave becomes brittle at room temperature. For a number of applications or for certain Manufacturing process of semi-finished products from magnesium alloys is in addition to good ones mechanical properties such as high tensile strength require ductile behavior. On improved forming, energy absorption and deformation behavior requires a higher one Ductility and possibly also higher strength and toughness. For this are To develop magnesium alloys with these properties or their To further develop manufacturing processes because many material variants match the manufacturing condition have widely varying material properties.
  • Ductility is the ability of a material to undergo a permanent change in shape, which, in the uniaxial state according to the stress-strain diagram, is ideally without any elastic component. This property is limited by the occurrence of the break. In general, the permanent elongation achieved in the tensile test up to fracture is considered ductility. The degree of ductility can also be seen as the constriction of fracture, impact work and notched impact work, each with a slightly different statement. These properties can be determined in accordance with EN 10 002, Part 1, or in accordance with DIN 50115 and 50116.
  • a highly plastic material is called ductile.
  • the elasticity denotes the elastic part of the stress-strain diagram according to Hook's law, where with ideal linear-elastic relationships no permanent change in shape occurs.
  • the impact work is above all a measure of the energy consumption of a semi-finished product and for plastic behavior, i.e. for deformability and rate of deformation.
  • a high impact work is therefore essential for the use of deformation elements such as Crash elements, impact absorbers, impact shields and impact carriers.
  • the impact work-measured on notched specimens - is among other things due to higher absolute values for Magnesium alloys are more meaningful than the impact energy and affects one largely uniaxial load.
  • the impact work, which is always on notched samples is determined also indicates the susceptibility of a material to triaxial failure Burden. Their informative value is particularly low if the execution of the Notch significantly affects the values of the impact energy.
  • the values listed below measured on samples in a particular The state of manufacture therefore reflects the current material properties. she provide an indication of the forming behavior that previously occurred during the forming process was. In this state it is a conclusion about the characteristics and behavior of a person Semi-finished product or even a component with this semi-finished product, which may be further refined later use possible. Furthermore, there is a conclusion about the material properties formed alloys possible, e.g. by bending, pressing, pressure rolling, Stretch drawing, deep drawing, hydroforming or roll forming processed semi-finished products are to be shaped. Because the change in Material properties from cast to extruded condition similar to that Change in material properties from cast to forged, rolled or a similar reshaped state is therefore also an inference to one other forming condition possible.
  • the elastic is usually used Properties (rigidity) lifted, unless it is e.g. in the event of an accident
  • Properties rigidity
  • These properties are typically for use on the respective ambient temperature, in extreme cases in the range from -40 ° C to +90 ° C individual points in the vehicle or plane, however, to the locally lower or higher Turn off temperatures.
  • the load state is usually multi-axis. The Conclusion from uniaxial to multiaxial load conditions is all the more possible, ever more of an isotropic structure.
  • the manufacture is particularly suitable by die casting or extrusion, forging and / or rolling.
  • requirement for the use of semi-finished products made of magnesium alloys or of or from them Components manufactured in automobiles can meet certain property profiles depending after application such as for deformation elements, seat and door frames one Tensile strength of the light material of at least 100 MPa, preferably at least 130 MPa, together with an elongation at break measured at room temperature of at least 10%, preferably at least 15%.
  • higher strength values and higher ductility are also one Relief and partly also a prerequisite for the forming of cast blanks or for the further forming of already formed blanks or semi-finished products.
  • the higher these properties are in the cast state, the higher these are usually even in the deformed state.
  • a higher ductility can the forming or the renewed Forming, especially extrusion, easier. Therefore an elongation at break of at least 10% also for the subsequent manufacturing steps to form elements Magnesium alloys helpful. Therefore, a tensile strength of at least 150 MPa measured at room temperature, preferably at least 180 MPa, or an elongation at break of at least 18%, preferably of at least 20%, particularly preferred of at least 25%, recommended. Usually this is Elongation at break in the commercially available magnesium alloys measured at Room temperature less than 12%.
  • MgLi40at% Al6at% for example of 19% or about 260 MPa, and for MgLi40at% 42% or about 134 MPa are given. Due to the small laboratory extrusion press used for those experiments, however, the forming speed and the degree of forming were low.
  • Neite describes in Materials Science and Technology, Vol. 8, ED .: K. H. Matucha, 199 ?, in Chapter 4.3.2 Manufacturing processes and mechanical properties of typical Magnesium alloys.
  • Alloy M1 typically had a tensile strength in the extruded state 225 MPa and an elongation at break of 12%.
  • GB 2,296,256 A gives values of elongation at break of 17.2 and 18% for alloys MgA10.5-1.1Mn0.10-0.12, which, however, had a rather low flexural strength.
  • the object is achieved with a process in which the magnesium alloy contains a content of Zr in the range of 0.1 to 10% by weight and an elongation at break after extrusion of at least 18%, a compressive strength of at least 300 MPa and impact work measured at least 20 J on notched samples.
  • the Zr content is in particular 0.15 to 6% by weight, preferably 0.2 to 3% by weight, particularly preferably 0.3 to 1.5% by weight.
  • the task is also solved with a corresponding method, in which the Magnesium alloy including at least one rare earth element SE La and Y in the range of 0.1 to 10% by weight in total, and one after extrusion Elongation at break of at least 18%, a compressive strength of at least 300 MPa and has an impact energy measured on notched specimens of at least 50 J.
  • the total content of magnesium alloys without the addition of lithium is: Rare earth elements, in particular 0.15 to 8% by weight, preferably 0.2 to 6% by weight, particularly preferably 0.3 to 4% by weight, very particularly preferably 0.4 to 3% by weight.
  • That the alloy is dynamically recrystallized during extrusion, that it is additives or traces of Cd less than 1.8 wt% and traces of up to 0.1 wt% Cu, up to 0.05% by weight of Fe and up to 0.005% by weight of Ni may contain one Magnesium alloy based on AM, AS, EM, EZ, MA, ME, SA, ZA or ZE and that it is after extrusion, an elongation at break of at least 17.5%, a compressive strength of at least 300 MPa and impact work measured on unslotted samples of has at least 45 J.
  • the task is also solved with a corresponding method, in which the Magnesium alloy based on AZ with at least one addition of Ca, Sr, Li, SE or / and Zr is in each case at least 0.1% by weight and in which it is one after extrusion Elongation at break of at least 17.5%, a compressive strength of at least 350 MPa and has an impact energy measured on notched specimens of at least 50 J.
  • the proportion by weight of the respective additive can in particular be 0.15 to 6% by weight, preferably 0.2 to 4% by weight, particularly preferably 0.25 to 2% by weight.
  • other additions can occur, preferably those that are dynamic Recrystallization behavior and fine grain influence.
  • the task is also solved with a corresponding method, in which the Magnesium alloy based on MN with at least 1% by weight Mn and with the addition of SE or / and Zr of at least 0.1 wt .-% and in which they after Extrusion has an elongation at break of at least 15%, a compressive strength of at least 300 MPa, and impact work measured on unslotted samples of has at least 20 J.
  • the Mn content is preferably at least 1.3% by weight.
  • the proportion by weight of the respective additive can in particular be 0.15 to 6% by weight, preferably 0.2 to 4% by weight, particularly preferably 0.25 to 2% by weight.
  • other additions can occur, preferably those that are dynamic Influence recrystallization behavior.
  • the Magnesium alloy based on MZ or ZM which is an addition of SE and / or Zr by each can contain at least 0.1 wt .-%, and in which they after extrusion an elongation at break of at least 15%, a compressive strength of at least 300 MPa and has an impact work of at least 40 J measured on notched specimens.
  • the alloy preferably has a plastic component Stress determined in the tensile test according to the stress-strain diagram from the Difference of tensile stress and yield stress of at least 40 MPa.
  • the degree of deformation characterizes the degree of Reduction of cross-section during forming and is used as the natural logarithm of the Ratio of initial cross-section to cross-section specified after forming. He is therefore often correlated with the degree of dynamic recrystallization, where possible should not yet occur stronger growth of individual grains, but one if possible fine-grain structure is sought, which is high for some magnesium alloys Ductility conditional. The more stable the structure of a magnesium alloy, the more fine-grained the structure becomes or remains during forming.
  • the degree of deformation is advantageously at least 1.5, preferably at least 2, particularly preferably at least 2.5. If the degree of deformation is less than 1.5, the dynamic Recrystallization when forming is quite low. It would also have a grade of 3.5 or more can be selected in the tests.
  • the extrusion speed is advantageously at least 1.5 m / min, preferably at least 2.5 m / min, particularly preferably at least 5 m / min, very particularly preferably at least 7.5 m / min. It is above all due to the decreasing quality of the extruded profiles limited.
  • the magnesium alloy is selected from the group of Magnesium alloys due to dynamic recrystallization and fine grain get a higher ductility.
  • the dynamic recrystallization and structural change from the original or compacted molded body to the finished semi-finished product, component or Compounding is often not only achieved through extrusion and the associated processes thermal or mechanical influences, but they are preferred performed essentially or even mainly in extrusion.
  • the task is finally solved with a semi-finished product made of a magnesium alloy or with a component made of it or with it or with a composite with a such semifinished product or component that was produced according to the invention.
  • the semifinished product or component according to the invention preferably consists essentially of a magnesium alloy selected from the group of alloys based AM, AS, AZ, EZ, MA, SA, ZA or ZE, EM, EZ, ME, MN, MZ, ZE and ZM with a salary on at least one rare earth element AM, AS, AZ, MA, MN, MZ, SA, ZA or EZ, MN or ZE with zirconium addition.
  • semi-finished products are understood to be shaped articles which have not yet are completed and ready for use for their respective application.
  • the molded articles are suitable for the intended purpose designated.
  • both terms flow smoothly into one another, since it is the same shaped body for one purpose around a semi-finished product, but for the other can already be a component.
  • Simplification does not strictly differentiate between semi-finished products and components throughout the text or both mentioned at the same time or only spoken of magnesium alloy, although both can be meant.
  • the semifinished products made of magnesium alloys according to the invention or those thereof or therewith manufactured components or composites can be used as frame elements, Elements of the vehicle cell or vehicle outer skin, as a vehicle cell or Vehicle outer skin, cockpit support, cockpit skin, housing, floor element, floors, cover, Tank elements, tank flaps, brackets, supports, beams, angles, hollow profiles, pipes, Deformation elements, crash elements, crash absorbers, impact absorbers, impact shields, Impact beams, small parts, as a welded profile construction, for the vehicle body, for Seat, window or / and door frames, as semi-finished products, components or composites on or in Automobile or airplane.
  • high-purity alloys are alloyed with additives.
  • the high-purity alloys can absorb small amounts of contaminants from the crucible during the melting process.
  • the alloys can be melted, for example, in a nickel and chromium-free steel crucible under a protective gas atmosphere, for example Ar or / and SF 6 .
  • a protective gas atmosphere for example Ar or / and SF 6 .
  • the powder-metallurgical production of green compacts possibly with subsequent annealing, can also be used.
  • the process steps are known in principle, but require a different modification or optimization depending on the alloy.
  • a bolt with a very large diameter can be cast are then turned into round bolts using a high-performance extrusion press can be pressed with a diameter that corresponds to the recipient diameter.
  • the segregation is reduced by the thermomechanical treatment.
  • the cast bolts can first be subjected to heat treatment depending on the Alloy composition in e.g. 350 ° C homogenized in the range from 6 h to 12 h to eliminate segregations in the structure, some of which heterogeneous structure too improve and increase the pressability. Then the homogenized bolts machined to the required dimensions.
  • the extrusion of the magnesium alloys can be carried out in the same extrusion plants take place, which are used for the extrusion of aluminum alloys, both via direct as well as indirect extrusion. Only with the Tool design (die), the deformation behavior must be specifically taken into account. There are sharp-edged inlets, such as those used in aluminum alloys Avoid magnesium alloys, otherwise there is a risk of surface cracks. In many cases e.g. for matrices of round profiles an entry angle of approx. 50 ° for Magnesium alloys used. A round profile was used in the tests.
  • the most important parameter besides the extrusion temperature is the extrusion speed, because they have the properties and surface quality of the Extruded profiles significantly influenced.
  • a high pressure also means a high one Extrusion speed, which is aimed for economic reasons.
  • a high Extrusion speed is usually with an even better surface quality connected.
  • the extrusion speed is very different from the geometry of the strand dependent.
  • the pressability of the magnesium alloys is comparable to that heavy-duty aluminum alloys.
  • a high extrusion speed is true Desired from an economic point of view, but is not the case with magnesium alloys always feasible. It may also be used at particularly high extrusion speeds there are no cracks or burning of the magnesium alloy.
  • the Degree of deformation of great importance. It goes along with the change in the structure.
  • the extrusion can advantageously be followed by a heat treatment.
  • the Semi-finished products can be straightened if necessary, e.g. by bending, pressing, pressure rolling, stretch drawing, Deep drawing, hydroforming or roll forming further deformed, e.g. by Cutting, drilling, milling, grinding, lapping, polishing, machining, joining and / or e.g. by Etching, pickling, painting or other coating are surface treated.
  • Alloys according to the invention can be solid and extruded profiles in simple or complicated cross sections can be extruded without problems.
  • you can Semi-finished products are improved or components can be produced from them or, if necessary, from them.
  • the semi-finished product or the component made therefrom or with it can pass through at least one low-heat joining process such as Gluing, riveting, plugging, pressing, Pressing in, clinching, folding, shrinking or screwing and / or at least one heat-generating joining process such as Composite casting, composite forging, Composite extrusion, composite rolling, soldering or welding, in particular Beam welding or fusion welding, with a similar or different type Semi-finished product or component can be connected.
  • the different semi-finished product or component can likewise essentially of a magnesium alloy or of another alloy or also consist of a non-metallic material. It can be the same or one have a different geometry than the semi-finished product or component according to the invention.
  • the Joining methods can serve in particular to create a housing from several elements, to manufacture an apparatus, a system, a profile construction and / or a cladding.
  • a Al, E indicates at least one of the alloy designations used Rare earth element SE, whereby Y is also counted among the rare earth elements, M or MN Mn, S Si and Z Zn - usually with content in% by weight, unless otherwise is noted.
  • alloy information such as AZ31 are made by the numbers as usual for the respective alloy only in the order of magnitude specified, which can vary to a relatively wide extent as is customary in the industry.
  • modified alloys based on AZ have a low manganese content. All Examples showed traces of less than 0.1 wt% Cd, less than 0.05 wt% Cu, less than 0.04 wt% Fe and less than 0.003 wt% Ni.
  • the alloys were made as high-purity, commercially available alloys or usually from high-purity starting alloys such as, for example, AM, AS or AZ alloys or by adding high-purity magnesium HP-Mg, a rare earth element-containing master alloy with a ratio of Nd to other rare earths, including yttrium of 0.92, a zirconium-containing master alloy and / or of calcium or strontium.
  • the standard alloys contained an Mn content of up to about 0.2% by weight.
  • the alloys were melted in a steel crucible under the protective gas atmosphere of an Ar-SF 6 mixture.
  • the blanks required for the subsequent extrusion were cast in a cylindrical steel mold with machining allowance. The element contents achieved were checked spectroscopically.
  • the bolts were then turned to a diameter of 70 mm and to a length of 120 mm brought.
  • the bolts were then subjected to homogenization treatment in e.g. 350 ° C exposed for 4 h or 12 h to eliminate segregations in the structure and the Increase pressability. Segregations can lead to uneven deformation and critical extrusion conditions lead to cracks or local melting, which can cause poor surface qualities. With less well homogenized bolts an unnecessarily high pressing pressure is required during extrusion.
  • the homogenized bolts were then well prepared for extrusion.
  • the homogenized bolts were then brought up to the respective extrusion temperature heated, warmed up and directly in a 400 t horizontal press Extrusion process extruded.
  • the temperature of the bolt is the temperature which the bolt has when it enters the extrusion press.
  • the semifinished product or component according to the invention preferably consists essentially of a Magnesium alloy, which is selected from the group of alloys based on AM, AS, AZ, EZ, MA, SA, ZA or ZE, EM, EZ, ME, MN, MZ, ZE and ZM containing with at least one rare earth element AM, AZ, MA, MN, MZ, ZA or EZ, MN or ZE Zirkoniumzusatz.
  • the strength values determined on the cast and extruded samples were much higher than expected.
  • the deformability was also surprising of these alloys very high. It was also surprising that the material properties of the modified alloys surprisingly little depending on the Extrusion conditions varied, which is advantageous for production. Furthermore, it was Surprisingly, the impact energy of the ZE10 alloy was so high.
  • the measurement results of the Brinell hardness determinations did not allow any special ones Statement.
  • the Brinell hardness of the extruded samples was found to be 7 to 22% greater than the cast samples. The hardness increased with the aluminum content.
  • Casting the stud The melt was at a temperature in the range of 780 to 820 ° C, once also at 750 ° C, kept and cast.
  • the shape showed depending on the experiment a diameter of 90 or 110 mm and a mold temperature in the range of 80 to 320 ° C.
  • the element contents achieved were checked spectroscopically.
  • the castings were homogenized at 350 ° C. over 12 h.
  • By turning bolts usually made 70 mm in diameter and 120 mm in length; with 6 samples of Alloy AZ31Ca0.3, however, was chosen to have a diameter of 74 mm.
  • an extrusion temperature in the range of 200 to 450 ° C and a time to Heating and warming set in the range from 60 to 150 min.
  • the parameter spectrum showed good compressibility with a large scope with regard to pressing force and pressing speed.
  • the structure formation and the achieved Elongation at break correlated with the deformation parameters.
  • the extrusion pressures that occurred varied depending on the alloy used and set parameters in a wide range.
  • the final pressures reached were for Alloys without the addition of SE or Zr in the range around 10 ⁇ 2 MPa Extrusion temperatures greater than 300 ° C and for alloys containing SE or Zr up to 4 MPa higher.
  • Cause for the higher extrusion pressures and thus for the increased resistance to deformation of magnesium alloys with SE or Zr addition is a higher proportion of stable excretions than magnesium alloys without this addition.
  • the properties of the ZE10 alloy become essential from the rare earths influenced and can vary in the variation of rare earth elements including yttrium or their contents can be further optimized.
  • Medium occurred with the ZE10 alloy Grain sizes in the range from 6.5 to 13 ⁇ m, which again with the extrusion temperature rather increased; however, this alloy warmed with increasing Extrusion speed relatively strong, which at higher extrusion speed also led to somewhat larger average grain sizes.
  • nb nb nb 10.7 62.0 Mainly occurring grain sizes in the as-cast state after homogenization at 350 ° C for 4 h or after extrusion with the modified lithium-free magnesium alloys and their starting alloys.
  • sample alloy average grain sizes ⁇ m B 20a MN150Zr0.7 extr. 6.4 - 6.5 VB 21 ZE10 Molding 85 B 21 ZE10 extr. 6.7 - 13.3 VB 22 ZE10Zr0,7 Molding 94 B 22 ZE10Zr0,7 extr. 2.3 - 4.6 B 24 ZM21SE0.7 extr. 6.8 - 10.3 B 25 ZM21Zr0.7 extr.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung hoher Duktilität u.a. durch Strangpressen, wobei die Legierung mit einem Umformgrad von mindestens 1,5 stranggepreßt wird, und Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, wobei sie einen Gehalt an Zr im Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-% oder einen Gehalt an mindestens einem Seltenerdelement SE einschließlich La und Y im Bereich von insgesamt 0,1 bis 10 Gew.-% und nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 15 %, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 20 J aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung hoher Duktilität u.a. durch Strangpressen sowie die Verwendung der stranggepreßten Halbzeuge bzw. Bauteile.
Magnesiumlegierungen sind aufgrund ihrer sehr geringen Dichte etwa im Bereich von 1,2 bis 1,9 g/cm3, vereinzelt auch, vor allem bei besonders Lithium-reichen Magnesiumlegierungen, bis hinab zu etwa 0,9 g/cm3, als metallische Konstruktionsmaterialien vor allem für den Fahrzeug- und Flugzeugbau von hohem Interesse. Sie werden zukünftig für den Leichtbau von Kraftfahrzeugen und Flugzeugen immer mehr eingesetzt werden, um das Gewicht von zusätzlichen Elementen aufgrund steigender Komfort- und Sicherheitsstandards insbesondere bei neuen schadstoffärmeren Automobilen ausgleichen zu können. Sie sind auch für transportable oder aus anderem Grund besonders leicht gebaute Geräte und Anlagen von Interesse. Der Leichtbau ermöglicht dabei in besonderem Maße die Konstruktion von energiesparenden Fahr- und Flugzeugen wie z.B. des 3-Liter-Kraftfahrzeugs. Unter den Herstellungsverfahren kommt beim Urformen dem Druckgießen und beim Umformen dem Strangpressen, Schmieden, Walzen und ggf. nachfolgendem Umformen wie dem Streck- bzw. Tiefziehen zukünftig eine stark wachsende Bedeutung zu, da mit diesen Verfahren Leichtbaubauteile herstellbar sind, wie z.B. Sitz-, Fenster- und Türrahmen, Elemente von Fahrzeugzellen und Fahrzeugaußenhäuten, Gehäuse, Bodenelemente, Deckel, Tankelemente, Tankklappen, Halterungen, Stützen, Träger, Winkel, Crashelemente, Pralldämpfer, Prallschilde und Prallträger, Kleinteile bzw. entsprechende Bauteile für Flugzeuge, für die zusehends steigender Bedarf besteht.
Die Kaltverformbarkeit der kommerziell gebräuchlichen Magnesiumlegierungen ist aufgrund der hexagonalen Kristallstruktur und der damit zusammenhängenden geringen Duktilität begrenzt. Polykristallines Magnesium sowie die meisten Magnesiumlegierungen verhalten sich bei Raumtemperatur spröde. Für etliche Anwendungen bzw. für bestimmte Herstellverfahren von Halbzeugen aus Magnesiumlegierungen ist neben guten mechanischen Eigenschaften wie hoher Zugfestigkeit ein duktiles Verhalten notwendig. Ein verbessertes Umform-, Energieaufnahme- und Deformationsverhalten bedingt eine höhere Duktilität und ggf. auch eine höhere Festigkeit und Zähigkeit. Hierfür sind Magnesiumlegierungen mit diesen Eigenschaften zu entwickeln bzw. deren Herstellverfahren weiterzuentwickeln, weil viele Werkstoffvarianten mit dem Herstellzustand stark variierende Werkstoffeigenschaften aufweisen.
Als Duktilität wird das Vermögen eines Werkstoffes zu bleibender Formänderung bezeichnet, das beim einachsigen Zustand nach dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm im Idealfall völlig ohne elastischen Anteil ist. Dieses Vermögen wird durch den Eintritt des Bruches begrenzt. Im allgemeinen gilt die im Zugversuch bis zum Bruch erreichte bleibende Dehnung als Duktilität. Als Maß für die Duktilität können ferner auch die Brucheinschnürung, Schlagarbeit und Kerbschlagarbeit mit jeweils etwas anderer Aussage angesehen werden. Diese Eigenschaften lassen sich gemäß EN 10 002, Teil 1, bzw. gemäß DIN 50115 und 50116 ermitteln. Die Bruchdehnung A = Aplast kennzeichnet die Formänderung mit ihrem plastischen Anteil bei einer weitgehend einachsigen Belastung, zusätzlich kann entsprechend dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm der elastische Anteil der Dehnung Aelast sowie die Summe des elastischen und plastischen Anteils D = ΣA = Aelast + Aplast ermittelt werden. Ein hochplastischer Werkstoff wird als duktil bezeichnet.
Bei Angaben der Bruchdehnung und der Zugfestigkeit zu verschiedenen Magnesiumlegierungen wird deutlich, daß die Bruchdehnung oft umso höhere Werte einnehmen kann, wenn nur mittelhohe Werte der Zugfestigkeit erreicht werden und daß umgekehrt nur mittelhohe Werte der Bruchdehnung bei hohen Werten der Zugfestigkeit erzielt werden. Sehr hohe Werte der Zugfestigkeit lassen sich nur bei vergleichsweise geringen Werten der Bruchdehnung erreichen.
Die Elastizität bezeichnet den elastischen Anteil des Spannungs-Dehnungs-Diagrammes entsprechend dem Hook'schen Gesetz, wo bei idealen linear-elastischen Verhältnissen noch keine bleibende Formänderung auftritt.
Weiterhin kann das Streckgrenzen-Verhältnis V als Verhältnis der Fließspannung F = RP02 zur Zugspannung Z = Rm angegeben werden. Somit ergeben sich zwei die Elastizität, zwei die Plastizität sowie zwei deren Verhältnis zueinander kennzeichnende Werte für die weitgehend einachsige Belastung. Hierbei ergibt das Verhältnis des elastischen mit dem plastischen Anteil der Dehnung die beste Annäherung an die Realität.
Die Schlagarbeit ist vor allem ein Maß für die Energieaufnahme eines Halbzeuges und für plastisches Verhalten, also für die Verformbarkeit und Verformungsgeschwindigkeit. Eine hohe Schlagarbeit ist daher wesentlich für den Einsatz von Deformationselementen wie z.B. Crashelementen, Pralldämpfern, Prallschilden und Prallträgern. Die Schlagarbeit-gemessen an ungekerbten Proben - ist u.a. aufgrund höherer Absolutwerte für Magnesiumlegierungen aussagekräftiger als die Kerbschlagarbeit und betrifft eine weitgehend einachsige Belastung. Die Kerbschlagarbeit, die immer an gekerbten Proben bestimmt wird, kennzeichnet auch die Fehleranfälligkeit eines Werkstoffes bei dreiachsiger Belastung. Ihre Aussagekraft ist insbesondere dann geringer, wenn die Ausführung der Kerbe die Werte der Kerbschlagarbeit wesentlich beeinflußt. Die Schlagarbeit und die Kerbschlagarbeit werden bei dynamischer Belastung gemessen und können einen Hinweis auf die Energieaufnahme und Verformbarkeit geben. Zug- und Druckversuche erfolgen im Vergleich hierzu unter quasistatischen Belastungen. Ein Schluß von einachsigen auf mehrachsige Eigenschaften bzw. Verhältnisse ist nur teilweise möglich.
Die im folgenden aufgeführten Werte gemessen an Proben in einem bestimmten Herstellungszustand geben daher die aktuellen Werkstoffeigenschaften wieder. Sie gewähren einen Hinweis auf das Umformverhalten, das vorher beim Umformen aufgetreten war. Es ist in diesem Zustand ein Schluß auf die Eigenschaften und das Verhalten eines Halbzeuges oder sogar eines Bauteiles mit diesem ggf. weiter veredelten Halbzeug im späteren Einsatz gut möglich. Weiterhin ist ein Schluß von den Werkstoffeigenschaften umgeformter Legierungen möglich, die z.B. durch Biegen, Drücken, Drückwalzen, Streckziehen, Tiefziehen, Innenhochdruckumformen oder Walzprofilieren zu weiterverarbeiteten Halbzeugen geformt werden sollen. Da die Veränderung der Werkstoffeigenschaften vom gegossenen zum stranggepreßten Zustand ähnlich der Veränderung der Werkstoffeigenschaften vom gegossenen zum geschmiedeten, gewalzten oder einem ähnlichen umgeformten Zustand ist, ist daher auch ein Schluß auf einen anderen Umformzustand möglich.
Für den Einsatz von Leichtbauelementen wird üblicherweise auf die elastischen Eigenschaften (Steifigkeit) abgehoben, soweit es nicht wie z.B. bei einem Unfall auf die Verformungseigenschaften und damit auf die Energieaufnahme des Elementes und auf das plastische Verhalten ankommt. Daher spielen bezüglich der u.U. mehrfachen Umformung insbesondere die plastischen und für den Einsatz die plastischen oder/und elastischen Eigenschaften eine Rolle. Diese Eigenschaften sind für den Einsatz in der Regel auf die jeweilige Umgebungstemperatur, also im Extremfall im Bereich von -40 °C bis +90 °C, an einzelnen Stellen im Fahr- oder Flugzeug jedoch auf die örtlich noch tieferen oder höheren Temperaturen abzustellen. Der Belastungszustand ist jedoch meistens mehrachsig. Der Schluß von einachsigen auf mehrachsige Belastungszustände ist umso eher möglich, je mehr ein eher isotropes Gefüge vorliegt.
Für die Herstellung derartiger Automobilelemente bietet sich insbesondere die Herstellung durch Druckgießen bzw. Strangpressen, Schmieden oder/und Walzen an. Voraussetzung für den Einsatz von Halbzeugen aus Magnesiumlegierungen bzw. von daraus oder damit hergestellten Bauteilen im Automobil kann die Erfüllung bestimmter Eigenschaftsprofile je nach Anwendung sein wie z.B. bei Deformationselementen, Sitz- und Türrahmen eine Zugfestigkeit des Leichtwerkstoffs von mindestens 100 MPa, vorzugsweise von mindestens 130 MPa, zusammen mit einer Bruchdehnung gemessen bei Raumtemperatur von mindestens 10 %, vorzugsweise von mindestens 15 %. Je höher die Zugfestigkeit, Bruchdehnung und weitere Eigenschaften, die auf hohe Duktilität und Energieaufnahme hinweisen, sind, umso geeigneter sind diese Halbzeuge bzw. Bauteile in der Regel für den Einsatz. Ferner sind höhere Festigkeitswerte und eine höhere Duktilität auch eine Erleichterung und teilweise auch Voraussetzung für die Umformung gegossener Rohlinge bzw. für die weitere Umformung bereits umgeformter Rohlinge oder Halbzeuge. Je höher diese Eigenschaften im gegossenen Zustand sind, desto höher sind diese üblicherweise auch im umgeformten Zustand. Eine höhere Duktilität kann das Umformen bzw. das erneute Umformen, insbesondere das Strangpressen, erleichtern. Daher ist eine Bruchdehnung von mindestens 10 % auch für die nachfolgenden Herstellungsschritte zu Elementen aus Magnesiumlegierungen hilfreich. Daher wird aus mehreren Gründen eine Zugfestigkeit von mindestens 150 MPa gemessen bei Raumtemperatur, vorzugsweise von mindestens 180 MPa, bzw. eine Bruchdehnung von mindestens 18 %, vorzugsweise von mindestens 20 %, besonders bevorzugt von mindestens 25 %, empfohlen. Üblicherweise beträgt die Bruchdehnung bei den kommerziell gebräuchlichen Magnesiumlegierungen gemessen bei Raumtemperatur weniger als 12 %.
Bei stärkerer Substitution von anderen Legierungen durch Magnesiumlegierungen, um durch Gewichtsersparnis Treibstoff einzusparen bzw. den Einbau zusätzlicher Elemente ohne Gewichtszunahme zu ermöglichen, ist die Weiterentwicklung der Technologie der bekannten Magnesiumlegierungen und die Erforschung weiterer Magnesiumlegierungen notwendig, insbesondere bezüglich der Eigenschaftskombination Duktilität - Festigkeit.
Es ergeben sich grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten zur Steigerung der Duktilität und somit der Bruchdehnung bei Magnesiumlegierungen und verwandten Leichtwerkstoffen:
  • 1. Eine recht begrenzte Möglichkeit dieser Steigerung ergibt sich durch Optimierung des Herstellungsprozesses in Verbindung mit Wärmebehandlungsverfahren oder/und über optimierte Herstellparameter z.B. beim Strangpressen. Wichtig ist jedoch beim Umformen z.B. durch Strangpressen, daß die auftretende dynamische Rekristallisation nicht zur Grobkornbildung führt. Denn die Energieaufnahme und die mechanischen Eigenschaften einer Legierung sollten in der Regel umso größer sein, je kleiner die mittlere Korngröße ist. Ziel einer Legierungsentwicklung kann dabei eine Modifikation des Gefügeaufbaus durch Einformen von temperaturstabilen Ausscheidungen oder/und eine Stabilisierung des Gefüges durch Beeinflussung des Kornwachstums sein, um möglichst feines Korn und eine möglichst geringe Porosität zu erzeugen.
  • 2. Beim Übergang der Kristallstruktur der Mg-Hauptphase von der hexagonal dichtesten Kugelpackung auf die kubisch raumzentrierte Kristallstruktur z.B. aufgrund einer höheren Zugabe eines Dotierungselementes tritt eine verbesserte Bruchdehnung und eine bessere Umformbarkeit bei Raumtemperatur aufgrund einer erhöhten Anzahl von Gleitsystemen auf. Allerdings können sich dabei Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit verschlechtern.
  • 3. Da Korngrenzen und andere Gefügeinhomogenitäten bzw. Gefügefehler wie z.B. Einschlüsse, Poren, grobe Ausscheidungen, Oxidschlieren und Seigerungen bei der Bewegung von Versetzungen als Barrieren wirken, kann eine Verfeinerung des Gefüges, eine Verkleinerung von Gefügeinhomogenitäten/-fehlern bzw. eine Vermeidung bestimmter Gefügeinhomogenitäten/-fehler zu einer Steigerung der Festigkeit, der Bruchdehnung und der Energieaufnahme führen. Die Zusammenhänge sind jedoch im Einzelfall sehr komplex. Die Kornfeinung ist ein wichtiges Hilfsmittel, um weitere Verformungssysteme zu aktivieren, die ein Korngrenzengleiten und neue Fließprozesse bei Raumtemperatur erlauben und somit die Duktilität verbessern. Dies kann durch die Zugabe kornfeinender Zusätze oder/und durch heterogene Keimbildung beim Erstarren von Gußwerkstoffen aus Legierungen mit bestimmten Zusätzen erfolgen.
    • Selbst die handelsüblichen Mg-Gußlegierungen bzw. Mg-Knetlegierungen sind im gegossenen und ggf. danach umgeformten, insbesondere stranggepreßten, gepreßten, gewalzten oder/und geschmiedeten und ggf. danach wärmebehandelten Zustand üblicherweise bisher von relativ geringer Duktilität und geringem Energieaufnahmevermögen. Für die preiswerte Herstellung von Halbzeugen, insbesondere für Fahrzeuge und Flugzeuge, besteht Bedarf an geeigneten Legierungen und einfachen Verfahren zur Herstellung von Magnesiumlegierungen mit etwas erhöhter Festigkeit und stark erhöhter Duktilität.
    Da das Interesse an Mg-Knetlegierungen erst in den letzten Jahren etwas größer geworden ist, steht bisher nur eine begrenzte Anzahl an Legierungen für den großtechnischen Einsatz zur Verfügung. Das sind Legierungen auf Basis Mg-AI-Zn wie z.B. AZ31, AZ61, AZ80 und AZ81, auf Basis Mg-Zn-Zr wie z.B. ZK40 und ZK60 oder auf wird das Strangpressen von Magnesiumlegierungen kaum angewandt.
    Haferkamp, Bach, Bohling & Juchmann (Proc. 3rd Int. Magnesium Conf. Manchester April 10-12, 1996, The Institute of Materials, London 1997, ed.: G. W. Lorimer) bzw. Haferkamp, Bach & Juchmann ("Stand und Entwicklungstendenzen dichtereduzierter Magnesium-Werkstoffe", Vortrag bei der Fortbildungsveranstaltung "Magnesium - Eigenschaften, Anwendungen, Potentiale" der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde Clausthal-Zellerfeld 1997) beschreiben Lithium-haltige Magnesiumlegierungen auf Basis MgLi ohne und mit Al, AlZn, Ca, Si, SiCa, AlCa, CaAlZn bzw. SiAlZn. Hierbei werden für die Bruchdehnung bzw. Zugfestigkeit Werte für MgLi40at%Al6at% z.B. von 19 % bzw. etwa 260 MPa sowie für MgLi40at% 42 % bzw. etwa 134 MPa angegeben. Aufgrund der für jene Versuche verwendeten kleinen Laborstrangpresse sind jedoch die Umformgeschwindigkeit und der Umformgrad gering gewesen.
    Ferner wurden von Haferkamp, Bach, Bohling & Juchmann bei der Magnesium-Konferenz in Garmisch-Partenkirchen 1992 (Magnesium Alloys and Their Applications, Eds.: B. L. Mordike & F. Hehmann, Oberursel 1992, 243-250) Werte der Bruchdehnung und Zugfestigkeit vorgetragen, die bei MgLiAl, ggf. mit Zn, zu Werten bis 25 % und 239 MPa führten.
    Der NASA-Report N67-22072, SP-5068, Properties and current applications of magnesiumlithium alloys, 1967, deutet zwar Möglichkeiten zur Festigkeitssteigerung bei Lithium-haltigen Magnesiumlegierungen an und berichtet über singuläre Werte hoher Bruchdehnung bzw. hoher Zugfestigkeit, doch ist davon auszugehen, daß bei den damals üblichen Herstellverfahren und zur Verfügung stehenden Ausgangsmaterialien hohe Verunreinigungen auftraten, die das Ergebnis diesbezüglich stark beeinflußten und die Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu den heute herstellbaren hochreinen Legierungen wesentlich beeinträchtigten.
    Die Druckschrift der Dow Chemical Company "Magnesium Wrought Products" vom August 1994 gibt eine Übersicht über handelsübliche stranggepreßte Magnesiumlegierungen. Die größte Bruchdehnung wird hier für AZ61 angegeben mit typischerweise 17 %.
    Neite beschreibt in Materials Science and Technology, Vol. 8, ED.: K. H. Matucha, 199?, in Kapitel 4.3.2 Herstellverfahren und mechanische Eigenschaften von typischen Magnesiumlegierungen. Für stranggepreßte Magnesiumlegierungen auf Basis AZ in Form von Stäben werden - vor allem mit dem Aluminiumgehalt steigend - Zugfestigkeiten von 204 bis 340 MPa und Bruchdehnungen von 9 bis 17 % angegeben, die durch eine künstliche Alterung bis zu einer Zugfestigkeit von 380 MPa gesteigert werden konnten, wobei aber die Bruchdehnung auf 6 bis 8 % sank. Für AZ31 werden 250 MPa und 14 bis 15 % angeführt. Die Legierung M1 wies im stranggepreßten Zustand typischerweise eine Zugfestigkeit von 225 MPa und eine Bruchdehnung von 12 % auf.
    GB 2,296,256 A führt Werte der Bruchdehnung von 17,2 und 18 % für Legierungen MgA10.5-1.1Mn0.10-0.12 an, die jedoch eine recht geringe Biegefestigkeit aufwiesen.
    Kamado et al. beschreiben in Proc. 3rd Int. Magnesium Conference April 10-12 1996, Manchester/UK, Ed.: G.W. Lorimer, für die Legierung Al10Si1Ca0.5 Werte von etwa 170 MPa Zugfestigkeit und 2 % Bruchdehnung für den preßgeformten Zustand.
    Von J. Becker, G. Fischer und K. Schemme, Light weight construction using extruded and forged semi-finished products made of magnesium alloys, Vortrag Wolfsburg 1998, wurden für die Magnesiumlegierung AZ31 im stranggepreßten Zustand Werte von 250 MPa Zugfestigkeit und 14 % Bruchdehnung mitgeteilt, für die Legierung M2 von 250 MPa für die Zugfestigkeit, aber nur von 4 % für die Bruchdehnung. Die Proben waren daher nicht auf duktile Werkstoffeigenschaften optimiert.
    In US 3,419,385 wird die Zugfestigkeit für einzelne stranggepreßte Magnesiumlegierungen mit Gehalten an Y, Zn und Zr mit 248 bis 352 MPa und die Bruchdehnung mit 14 bis 26 % je nach Zusammensetzung angegeben. Die chemisch der Legierung ZE10Zr0.7 am nächsten kommende Legierung Zn2.1Y1.9Zr0.9 wies im gegossenen Zustand nur eine Bruchdehnung von 8 % auf. Es ist davon auszugehen, daß bei den damals üblichen Herstellverfahren und zur Verfügung stehenden Ausgangsmaterialien hohe Verunreinigungen auftraten, die das Ergebnis diesbezüglich stark beeinflußten und die Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu den heute herstellbaren hochreinen Legierungen wesentlich beeinträchtigten.
    Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zum Strangpressen von Magnesiumlegierungen erhöhter Duktilität und möglichst auch erhöhter Energieaufnahme, Druck- bzw. Zugfestigkeit und Zähigkeit unter Auswahl der für diese Einsatzzwecke am ehesten wirkenden Parameter vorzuschlagen, die eine möglichst geringe Dichte aufweisen und darüber hinaus auch möglichst einfach und kostengünstig hergestellt werden können.
    Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, bei dem die Magnesiumlegierung einen Gehalt an Zr im Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-% und nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 18 %, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 20 J aufweist. Der Gehalt an Zr beträgt insbesondere 0,15 bis 6 Gew.-%, bevorzugt 0,2 bis 3 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,3 bis 1,5 Gew.-%.
    Die Aufgabe wird auch mit einem entsprechenden Verfahren gelöst, bei dem die Magnesiumlegierung einen Gehalt an mindestens einem Seltenerdelement SE einschließlich La und Y im Bereich von insgesamt 0,1 bis 10 Gew.-%, und nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 18 %, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 50 J aufweist. Bei Magnesiumlegierungen ohne Lithium-Zusatz beträgt der Gesamtgehalt an Seltenerdelementen insbesondere 0,15 bis 8 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 bis 6 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,3 bis 4 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 0,4 bis 3 Gew.-%.
    Es hat sich gezeigt, dass die Modifizierung von Korngrößen und Phasenverteilungen über das Zulegieren von Begleitelementen wie Lithium, Zirkonium, Seltenerdelementen SE wie z.B. Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Gadolinium, Ytterbium, Yttrium und Lanthan bzw. deren Gemischen oder den Erdalkalimetallen - insbesondere Ca, Sr, Ba - hilfreich ist unter Erzeugung von deutlich festeren oder/und duktileren Magnesiumlegierungen. Vor allem ein Zusatz von Lithium, Calcium, Strontium, Zirkonium bzw. von mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Yttrium und Lanthan hat sich als günstig zur Weiterentwicklung von Magnesiumlegierungen erwiesen.
    Dass die Legierung beim Strangpressen dynamisch rekristallisiert wird, dass sie Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, dass sie eine Magnesiumlegierung auf Basis AM, AS, EM, EZ, MA, ME, SA, ZA oder ZE ist und dass sie nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 17,5 %, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 45 J aufweist.
    Die Aufgabe wird auch mit einem entsprechenden Verfahren gelöst, bei dem die Magnesiumlegierung auf Basis AZ mit mindestens einem Zusatz von Ca, Sr, Li, SE oder/und Zr von jeweils mindestens 0,1 Gew.-% ist und bei dem sie nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 17,5 %, eine Druckfestigkeit von mindestens 350 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 50 J aufweist. Der Gewichtsanteil des jeweiligen Zusatzes kann insbesondere 0,15 bis 6 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 bis 4 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,25 bis 2 Gew.-% betragen. Daneben können weitere Zusätze auftreten, vorzugsweise solche, die das dynamische Rekristallisationsverhalten und die Feinkörnigkeit beeinflussen.
    Die Aufgabe wird auch mit einem entsprechenden Verfahren gelöst, bei dem die Magnesiumlegierung auf Basis MN mit mindestens 1 Gew.-% Mn und mit einem Zusatz von SE oder/und Zr von jeweils mindestens 0,1 Gew.-% ist und bei dem sie nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 15 %, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa, und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 20 J aufweist. Der Gehalt an Mn beträgt vorzugsweise mindestens 1,3 Gew.-%. Der Gewichtsanteil des jeweiligen Zusatzes kann insbesondere 0,15 bis 6 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 bis 4 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,25 bis 2 Gew.-% betragen. Daneben können weitere Zusätze auftreten, vorzugsweise solche, die das dynamische Rekristallisationsverhalten beeinflussen.
    Die Aufgabe wird auch mit einem entsprechenden Verfahren gelöst, bei dem die Magnesiumlegierung auf Basis MZ oder ZM ist, die einen Zusatz von SE oder/und Zr von jeweils mindestens 0,1 Gew.-% enthalten kann, und bei dem sie nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 15 %, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 40 J aufweist. Vorzugsweise weist die Legierung nach dem Strangpressen einen plastischen Anteil der Spannung bestimmt im Zugversuch nach dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm aus der Differenz von Zugspannung und Fließspannung von mindestens 40 MPa auf.
    Die restlichen Gehalte der angeführten chemischen Zusammensetzung bestehen vorwiegend oder im wesentlichen aus Magnesium. Gehalte an Cadmium stören bei der Verarbeitung nur wegen ihrer Giftigkeit, sind sonst aber insbesondere bezüglich der Umformbarkeit eher von Vorteil. Spurengehalte an Kupfer, Eisen und Nickel sollen möglichst gering sein, da sie sich auf die Verarbeitung oder/und die Werkstoffeigenschaften negativ auswirken.
    Es hat sich gezeigt, daß üblicherweise mit den duktilen Magnesiumlegierungen hohe Strangpreßgeschwindigkeiten erzielt werden können. Dabei sind bei den Versuchen noch keine Anstrengungen gemacht worden, die höchsten Strangpreßgeschwindigkeiten zu erreichen, sondern vielmehr besteht ein deutliches Potential, noch deutlich höhere Geschwindigkeiten erreichen zu können. Der Umformgrad kennzeichnet den Grad der Querschnittsverringerung beim Umformen und wird als natürlicher Logarythmus des Verhältnisses von Ausgangsquerschnitt zu Querschnitt nach dem Umformen angegeben. Er ist daher auch oft mit dem Grad der dynamischen Rekristallisation korreliert, wobei möglichst noch kein stärkeres Wachstum einzelner Körner auftreten sollte, sondern ein möglichst feinkörniges Gefüge angestrebt wird, das bei manchen Magnesiumlegierungen eine hohe Duktilität bedingt. Je stabiler das Gefüge einer Magnesiumlegierung ist, desto feinkörniger wird bzw. bleibt das Gefüge beim Umformen. Ferner hat sich erwiesen, daß der Umformgrad vorteilhafterweise mindestens 1,5 beträgt, bevorzugt mindestens 2, besonders bevorzugt mindestens 2,5. Bei einem Umformgrad von weniger als 1,5 ist die dynamische Rekristallisation beim Umformen recht gering. Es hätte auch ein Umformgrad von 3,5 oder mehr bei den Versuchen gewählt werden können. Die Strangpreßgeschwindigkeit liegt vorteilhafterweise bei mindestens 1,5 m/min, vorzugsweise bei mindestens 2,5 m/min, besonders bevorzugt bei mindestens 5 m/min, ganz besonders bevorzugt bei mindestens 7,5 m/min. Sie wird nach oben vor allem durch die wieder abnehmende Qualität der stranggepreßten Profile begrenzt.
    Dabei ist es erforderlich, daß die Magnesiumlegierung ausgewählt ist aus der Gruppe von Magnesiumlegierungen, die aufgrund der dynamischen Rekristallisation und Feinkörnigkeit eine höhere Duktilität erhalten. Die dynamische Rekristallisation und Gefügeveränderung vom urgeformten oder kompaktierten Formkörper an bis zum fertigen Halbzeug, Bauteil oder Verbund wird oft nicht allein durch das Strangpressen und die hiermit verbundenen thermischen bzw. mechanischen Einflüsse bedingt sein, sie werden aber vorzugsweise wesentlich oder sogar hauptsächlich beim Strangpressen ausgeführt.
    Die Aufgabe wird schließlich gelöst mit einem Halbzeug aus einer Magnesiumlegierung oder mit einem daraus oder damit hergestellten Bauteil oder mit einem Verbund mit einem solchen Halbzeug oder Bauteil, das/der erfindungsgemäß hergestellt wurde.
    Das erfindungsgemäße Halbzeug oder Bauteil besteht vorzugsweise im wesentlichen aus einer Magnesiumlegierung, die ausgewählt ist aus der Gruppe von Legierungen auf Basis AM, AS, AZ, EZ, MA, SA, ZA oder ZE, EM, EZ, ME, MN, MZ, ZE und ZM mit einem Gehalt an mindestens einem Seltenerdelement AM, AS, AZ, MA, MN, MZ, SA, ZA oder EZ, MN oder ZE mit Zirkoniumzusatz.
    Als Halbzeuge im Sinne dieser Anmeldung werden Formkörper verstanden, die noch nicht für ihren jeweiligen Anwendungszweck fertiggestellt und einsatzfähig sind. Als Bauteile werden dagegen die für den beabsichtigten Einsatzzweck geeigneten Formkörper bezeichnet. Beide Begriffe gehen jedoch fließend ineinander über, da es sich bei dem gleichen Formkörper für den einen Einsatzzweck um ein Halbzeug, für den anderen aber bereits um ein Bauteil handeln kann. Ferner wird aus Gründen der sprachlichen Vereinfachung nicht überall im Text streng zwischen Halbzeug und Bauteil unterschieden bzw. beides gleichzeitig angeführt oder nur von Magnesiumlegierung gesprochen, obwohl beides gemeint sein kann.
    Die Halbzeuge aus erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungen bzw. die daraus oder damit hergestellten Bauteile bzw. Verbunde können verwendet werden als Rahmenelemente, Elemente von Fahrzeugzelle oder Fahrzeugaußenhaut, als Fahrzeugzelle oder Fahrzeugaußenhaut, Cockpitträger, Cockpithaut, Gehäuse, Bodenelement, Böden, Deckel, Tankelemente, Tankklappen, Halterungen, Stützen, Träger, Winkel, Hohlprofile, Rohre, Deformationselemente, Crashelemente, Crashabsorber, Pralldämpfer, Prallschilde, Prallträger, Kleinteile, als geschweißte Profilkonstruktion, für die Fahrzeugkarosserie, für Sitz-, Fenster- oder/und Türrahmen, als Halbzeuge, Bauteile oder Verbunde am oder im Automobil oder Flugzeug.
    Verfahren zur Herstellung von Strangpreßprofilen:
    Es wird vorzugsweise von hochreinen, kommerziell erhältlichen Legierungen ausgegangen. Ggf. werden diese Legierungen durch Zusätze auflegiert. Dabei können die hochreinen auflegierten Legierungen beim Schmelzprozeß geringe Mengen an Verunreinigungen aus dem Tiegel aufnehmen. Die Legierungen können beispielsweise in einem Nickel- und Chrom-freien Stahltiegel unter einer Schutzgasatmosphäre, z.B. Ar oder/und SF6, erschmolzen werden. Anstelle eines Gießverfahrens kann auch die pulvermetallurgische Herstellung von Grünlingen ggf. mit nachfolgender Glühung eingesetzt werden. Die Verfahrensschritte sind grundsätzlich bekannt, bedingen aber je nach Legierung eine unterschiedliche Abänderung bzw. Optimierung.
    Voraussetzung für die Weiterverarbeitung von Magnesiumlegierungen durch Strangpressen, Walzen oder/und Schmieden ist die Herstellung geeigneter Vormaterialien z.B. in Form von Blöcken, Bolzen oder Brammen. Für die Herstellung von Bolzen zum Strangpressen gibt es vor allem zwei Möglichkeiten:
    Beim ersten Verfahren kann ein Bolzen mit einem sehr großen Durchmesser gegossen werden, der dann anschließend mit Hilfe einer Hochleistungsstrangpresse zu Rundbolzen mit einem Durchmesser verpreßt werden kann, der dem Rezipientendurchmesser entspricht. Hierbei wird die Seigerung durch die thermomechanische Behandlung verringert.
    Ein weniger aufwendiges Verfahren als dieses Doppelstrangpressen ist die Herstellung der Bolzen durch Sand-, Kokillen- oder Strangguß mit einer ausreichend großen Bearbeitungszugabe. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, daß keine stärkere Seigerungen auftreten, die auch durch lange Homogenisierungszeiten nicht oder nur unzureichend ausgeglichen werden. Die Folgen könnten sonst eine schlechte Verpreßbarkeit und eine größere Streuung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Duktilität, sein.
    Die gegossenen Bolzen können zunächst durch Wärmebehandlung in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung bei z.B. 350 °C im Bereich von 6 h bis 12 h homogenisiert werden, um Seigerungen im Gefüge zu beseitigen, das z.T. heterogene Gefüge zu verbessern und die Preßbarkeit zu erhöhen. Danach können die homogenisierten Bolzen mechanisch auf die erforderlichen Abmessungen bearbeitet werden.
    Seigerungen können zu einer ungleichmäßigen Verformung und bei kritischen Strangpreßbedingungen zu Rissen bzw. zu lokalen Aufschmelzungen führen, was schlechte Oberflächenqualitäten bedingen kann. Bei weniger gut homogenisierten Bolzen ist ein unnötig hoher Preßdruck beim Strangpressen erforderlich. Die homogenisierten Bolzen sind dann für das Strangpressen vorbereitet.
    Das Strangpressen der Magnesiumlegierungen kann in den gleichen Strangpreßanlagen erfolgen, die für das Strangpressen von Aluminiumlegierungen eingesetzt werden, sowohl über das direkte, als auch über das indirekte Strangpressen. Nur bei der Werkzeuggestaltung (Matrize) ist das Verformungsverhalten spezifisch zu berücksichtigen. Scharfkantige Einläufe, wie sie bei Aluminiumlegierungen zum Einsatz kommen, sind bei Magnesiumlegierungen zu vermeiden, da sonst die Gefahr von Oberflächenrissen auftritt. In vielen Fällen wird z.B. für Matrizen von Rundprofilen ein Einlaufwinkel von ca. 50 ° für Magnesiumlegierungen verwendet. Bei den Versuchen wurde ein Rundprofil verwendet.
    Der wichtigste Parameter neben der Strangpreßtemperatur ist die Strangpreßgeschwindigkeit, weil sie die Eigenschaften und die Oberflächenqualität der Strangpreßprofile maßgeblich beeinflußt. Ein hoher Preßdruck bedingt dabei auch eine hohe Strangpreßgeschwindigkeit, die aus wirtschaftlichen Gründen angestrebt wird. Eine hohe Strangpreßgeschwindigkeit ist üblicherweise mit einer noch besseren Oberflächenqualität verbunden. Die Strangpreßgeschwindigkeit ist sehr von der Geometrie des Stranges abhängig. Die Preßbarkeit der Magnesiumlegierungen ist vergleichbar mit denen schwerpreßbarer Aluminiumlegierungen. Eine hohe Strangpreßgeschwindigkeit wird zwar aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten angestrebt, ist aber bei Magnesiumlegierungen nicht immer realisierbar. Es darf außerdem bei besonders hohen Strangpreßgeschwindigkeiten nicht zu Rissen und zum Brennen der Magnesiumlegierung kommen. Außerdem ist der Umformgrad von großer Bedeutung. Er geht mit der Veränderung des Gefüges einher. Von daher ist ein hoher Umformgrad von Vorteil. Es darf bei hohen Umformgraden jedoch nicht zu lokalen Aufschmelzungen kommen. Trotz gewisser Kenntnisse zum Strangpressen von Magnesiumlegierungen müssen üblicherweise die Parameter zum Strangpressen im Detail erarbeitet werden, da hier ein großes Optimierungspotential verborgen ist.
    Dem Strangpressen kann sich vorteilhafterweise eine Wärmebehandlung anschließen. Die Halbzeuge können ggf. gerichtet, z.B. durch Biegen, Drücken, Drückwalzen, Streckziehen, Tiefziehen, Innenhochdruckumformen oder Walzprofilieren weiter verformt, z.B. durch Trennen, Bohren, Fräsen, Schleifen, Läppen, Polieren bearbeitet, gefügt oder/und z.B. durch Ätzen, Beizen, Lackieren oder sonstiges Beschichten oberflächenbehandelt werden. Mit den erfindungsgemäßen Legierungen können Voll- und Strangprofile in einfachen oder komplizierten Querschnitten ohne Probleme stranggepreßt werden. Hierbei können Halbzeuge verbessert bzw. daraus oder damit ggf. auch Bauteile hergestellt werden.
    Beim Fügen kann das Halbzeug oder das daraus oder damit hergestellte Bauteil durch mindestens ein wärmearmes Fügeverfahren wie z.B. Kleben, Nieten, Stecken, Anpressen, Einpressen, Clinchen, Falzen, Schrumpfen oder Schrauben oder/und mindestens ein wärmeeinbringendes Fügeverfahren wie z.B. Verbundgießen, Verbundschmieden, Verbundstrangpressen, Verbundwalzen, Löten oder Schweißen, insbesondere Strahlschweißen oder Schmelzschweißen, mit einem gleichartigen oder andersartigen Halbzeug oder Bauteil verbunden werden. Das andersartige Halbzeug oder Bauteil kann ebenfalls im wesentlichen aus einer Magnesiumlegierung oder aus einer anderen Legierung oder auch aus einem nichtmetallischen Werkstoff bestehen. Es kann die gleiche oder eine andere Geometrie aufweisen wie das erfindungsgemäße Halbzeug oder Bauteil. Das Fügeverfahren kann insbesondere dazu dienen, aus mehreren Elementen ein Gehäuse, einen Apparat, eine Anlage, eine Profilkonstruktion oder/und eine Verkleidung herzustellen.
    Beispiele:
    Die folgenden erfindungsgemäßen Beispiele stellen ausgewählte Ausführungsformen dar, ohne die Erfindung einzuschränken.
    Bei den benutzten Legierungsbezeichnungen kennzeichnet A Al, E mindestens ein Seltenerdelement SE, wobei auch Y zu den Seltenerdelementen gerechnet wird, M oder MN Mn, S Si und Z Zn - üblicherweise mit Gehaltsangaben in Gew.-%, soweit nichts anderes vermerkt ist. Bei allgemein gebräuchlichen Legierungsangaben wie z.B. AZ31 werden durch die Zahlen wie für die jeweilige Legierung üblich nur größenordnungsmäßige Gehalte angegeben, die branchenüblich in relativ breitem Maß variieren können. Zusätzlich kann bei der in den Beispielen verwendeten Ausgangslegierung und den damit hergestellten modifizierten Legierungen auf Basis AZ ein geringer Mangangehalt vorhanden sein. Alle Beispiele wiesen Spuren von weniger als 0,1 Gew.-% Cd, von weniger als 0,05 Gew.-% Cu, von weniger als 0,04 Gew.-% Fe und von weniger als 0,003 Gew.-% Ni auf.
    Die Legierungen wurden als hochreine kommerziell erhältliche Legierungen oder üblicherweise aus hochreinen Ausgangslegierungen wie z.B. AM-, AS- oder AZ-Legierungen bzw. durch Zugabe von Reinstmagnesium HP-Mg, einer Seltenerdelement-haltigen Vorlegierung mit einem Verhältnis von Nd zu weiteren Seltenen Erden einschließlich Yttrium von 0,92, einer Zirkonium-haltigen Vorlegierung oder/und von Calcium bzw. Strontium auflegiert. Die Standardlegierungen enthielten einen Mn-Gehalt von bis zu etwa 0,2 Gew.-%. Die Legierungen wurden in einem Stahltiegel unter der Schutzgasatmosphäre eines Ar-SF6-Gemisches erschmolzen. Der Abguß der für das nachfolgende Strangpressen erforderlichen Rohlinge erfolgte in eine zylindrische Stahlkokille mit Bearbeitungszugabe. Die erzielten Elementgehalte wurden spektroskopisch überprüft. Bei allen Legierungen wurde darauf geachtet, daß das Gefüge der Gußkörper möglichst homogen und frei von Verunreinigungen ist, da dies die Duktilität empfindlich beeinflussen kann. Alle Legierungen ließen sich ohne Probleme erschmelzen, abgießen und zu Bolzen verarbeiten.
    Danach wurden die Bolzen auf 70 mm Durchmesser abgedreht und auf 120 mm Länge gebracht. Die Bolzen wurden anschließend einer Homogenisierungsbehandlung bei z.B. 350 °C über 4 h oder 12 h ausgesetzt, um Seigerungen im Gefüge zu beseitigen und die Preßbarkeit zu erhöhen. Seigerungen können zu einer ungleichmäßigen Verformung und bei kritischen Strangpreßbedingungen zu Rissen bzw. zu lokalen Aufschmelzungen führen, was schlechte Oberflächenqualitäten bedingen kann. Bei weniger gut homogenisierten Bolzen ist ein unnötig hoher Preßdruck beim Strangpressen erforderlich. Die homogenisierten Bolzen waren dann für das Strangpressen gut vorbereitet.
    Danach wurden die homogenisierten Bolzen auf die jeweilige Strangpreßtemperatur aufgeheizt, durchgewärmt und in einer 400 t-Horizontalpresse im direkten Strangpreßverfahren stranggepreßt. Die Temperatur des Bolzens ist dabei jene Temperatur, die der Bolzen bei Eintritt in die Strangpresse aufweist.
    In systematischen Vorversuchen an der Referenzlegierung AZ31 wurden die geeigneten Strangpreßparameter ausgewählt; an den stranggepreßten Proben wurden die mechanischen Eigenschaften und die mittleren Korngrößen bestimmt (Tabellen 1 und 2).
    Die Ergebnisse der Vorversuche bestimmten wesentlich die Versuchsparameter der nachfolgenden Versuche.
    Bei den eigentlichen Versuchen wurden etliche der Herstellparameter systematisch variiert (Tabellen 4a bis 4f). Einerseits wurde der Matrizendurchmesser variiert und wurden hierbei die Preßstempelgeschwindigkeit und Strangpreßtemperatur konstant gehalten, andererseits wurde die Matrizengeometrie konstant gehalten und wurde hierbei die Preßstempelgeschwindigkeit variiert und schließlich wurde die Strangpreßtemperatur legierungsabhängig variiert. Die Preßstempelgeschwindigkeit und das Strangpreßverhältnis ergaben dabei die Strangpreßgeschwindigkeit. Mit Hilfe einer derartigen Parametermatrix war eine Bewertung des Einflusses unterschiedlicher Umformbedingungen möglich.
    Alle Legierungen, sowohl die Ausgangslegierungen, als auch die durch Zusätze modifizierten Legierungen ließen sich problemlos in einem breiten Temperatur-, Strangpreßgeschwindigkeits- und Strangpreßverhältnisbereich umformen. Die Bolzen zeigten eine gute Verpreßbarkeit mit einem großen Spielraum bezüglich Preßkraft und Preßgeschwindigkeit. Die Strangpreßgeschwindigkeit wurde bei den Versuchen noch nicht bis zu den höchsten möglichen Geschwindigkeiten ausgereizt und kann daher generell noch deutlich gesteigert werden. Die untere Strangpreßtemperatur ist durch die unzureichende plastische Verformbarkeit unterhalb einer Temperatur im Bereich von etwa 200 bis 220 °C bedingt, die obere Strangpreßtemperatur findet ihre Grenzen durch die Nähe zur eutektischen Temperatur und möglicherweise durch die erste Ausbildung von Anteilen einer schmelzflüssigen Phase.
    Je nach den Strangpreßbedingungen ergaben sich trotz gleicher Legierungszusammensetzung Unterschiede im Gefüge der Proben. Die aufgetretenen Strangpreßdrücke variierten je nach verwendeter Legierung und eingestellten Strangpreßparametern. Generell trat während des Strangpressens eine dynamische Rekristallisation auf, die in Abhängigkeit von den Strangpreßparametern und der Legierungszusammensetzung zu unterschiedlichen mittleren Korngrößen führte. Die Zusammensetzung der Magnesiumlegierungen variierte nur geringfügig oder fast gar nicht von der Zusammensetzung der Schmelze zur Zusammensetzung vor bzw. nach dem Strangpressen bis zur Zusammensetzung des daraus hergestellten Halbzeugs. Das erfindungsgemäße Halbzeug oder Bauteil besteht vorzugsweise im wesentlichen aus einer Magnesiumlegierung, die ausgewählt ist aus der Gruppe von Legierungen auf Basis AM, AS, AZ, EZ, MA, SA, ZA oder ZE, EM, EZ, ME, MN, MZ, ZE und ZM mit einem Gehalt an mindestens einem Seltenerdelement AM, AZ, MA, MN, MZ, ZA oder EZ, MN oder ZE mit Zirkoniumzusatz.
    Die an den gegossenen und stranggepreßten Proben ermittelten Festigkeitswerte waren weitaus höher als erwartet. Überraschenderweise war auch das Verformungsvermögen dieser Legierungen sehr hoch. Ferner war es überraschend, daß die Werkstoffeigenschaften der modifizierten Legierungen erstaunlich wenig in Abhängigkeit von den Strangpreßbedingungen variierten, was für eine Fertigung vorteilhaft ist. Ferner war es überraschend, daß die Schlagarbeit der Legierung ZE10 derart hoch lag.
    Die stranggepreßten Rundprofile wurden durch Fräsen und Drehen bearbeitet zu Rundzugproben (d0 = 5 mm, I0 = 5 • d0, kleiner Proportionalitätsstab, nach DIN 50 125), Druckproben (d0 = 10 mm, I0 = 2 • d0, nach DIN 50 106), Schlagbiegeproben (10 x 10 x 55 mm, nach DIN 50 116) und Kerbschlagbiegeproben (nach DIN 50 115). Pro Legierung und Versuch wurden jeweils 5 dieser Proben hergestellt und getestet. Bei allen Proben wurde die Längsrichtung so gewählt, daß sie mit der Richtung des Strangpressens übereinstimmt.
    Beim Zugversuch wurden Zugfestigkeit Rm, Dehngrenze = Streckgrenze RP0,2 und Bruchdehnung A bzw. z.T. auch die Brucheinschnürung beim Zugversuch bei einer Zuggeschwindigkeit von 0,5 mm/min bestimmt. Beim Druckversuch wurden Werte der Druckfestigkeit RDm, Stauchgrenze RD0,2 und Stauchung AD bei einer Druckgeschwindigkeit von 0,5 mm/min gewonnen. Der Beginn der plastischen Verformung (Dehn- bzw. Stauchgrenze) wurde graphisch ermittelt. Außerdem wurden Brinellhärte-Messungen nach DIN 50351 durchgeführt. Alle Messungen fanden bei Raumtemperatur statt. Die Ergebnisse der mechanischen Bestimmungen sind in den Tabellen 4a-c und die der Gefügeuntersuchungen in der Tabelle 4d zusammengestellt.
    An ausgewählten Proben wurden Anschliffe hergestellt, die bezüglich mittlerer Korngröße, Gefügeinhomogenitäten sowie Art und Verteilung der enthaltenen ausgeschiedenen Phasen beurteilt wurden. Anhand dieser Bewertung erfolgte eine weitere Optimierung der Herstellungs- und Verarbeitungsparameter.
    Die Variation der Strangpreßparameter hatte einen unterschiedlichen Einfluß auf das Eigenschaftsprofil der stranggepreßten Magnesiumwerkstoffe. Tendenzen der Werkstoffeigenschaften der verschiedenen Legierungen je nach den Herstellparametern lassen sich aus den Tabellen 4e/f entnehmen.
    Die Meßergebnisse der Brinellhärte-Bestimmungen ermöglichten keine besonderen Aussagen. Die Brinellhärte der stranggepreßten Proben erwies sich um 7 bis 22 % größer als bei den Proben im Gußzustand. Die Härte nahm mit dem Aluminium-Gehalt zu.
    SE-, oder/und Zr-haltige Magnesiumlegierungen:
    Gießen der Bolzen: Die Schmelze wurde bei einer Temperatur im Bereich von 780 bis 820 °C, einmalig auch bei 750 °C, gehalten und vergossen. Die Form wies je nach Versuch einen Durchmesser von 90 bzw. 110 mm und eine Formtemperatur im Bereich von 80 bis 320 °C auf. Die erzielten Elementgehalte wurden spektroskopisch überprüft.
    Die Gießkörper wurden über 12 h bei 350 °C homogenisiert. Durch Drehen wurden Bolzen von in der Regel 70 mm Durchmesser und 120 mm Länge hergestellt; bei 6 Proben der Legierung AZ31Ca0,3 wurde jedoch ein Durchmesser von 74 mm gewählt. Je nach Probe wurde eine Strangpreßtemperatur im Bereich von 200 bis 450 °C und eine Zeit zum Aufheizen und Durchwärmen im Bereich von 60 bis 150 min eingestellt.
    Strangpressen: Vorversuche wurden mit der Legierung AZ31 in einer 400 t-Strangpresse bei direktem Strangpressen durchgeführt (Tabellen 1 und 2). Mit einem Rezipientendurchmesser von 74 mm konnte ein breites Parameterfeld erfolgreich untersucht werden. Die Vorversuche erlaubten die Festlegung der Versuchsparameter.
    Bei den spezifischen Strangpreßversuchen wurde in einer 400-t-Strangpresse bei direktem Strangpressen gearbeitet. Strangpreßtemperatur: 340 °C, 365 °C bzw. 390 °C jeweils nach 1 h Zeit des Aufheizens und Durchwärmens des Bolzens. Es wurden vorwiegend Preßmatrizen mit einem Durchmesser von 15, 16 bzw. 18 mm und entsprechend einem Verpressungsverhältnis von 1 : 24,3, 1 : 21,4 und 1 : 16,9 eingesetzt. Die Preßgeschwindigkeit betrug 3,8 - 4,5, 5,0 - 5,5, 5,8 - 6,5 bzw. 9,5 - 10 m/min. Nur ein kleiner Teil der Strangpreßversuche wird in Tabelle 4f wiedergegeben. Je nach Probe wurde bei einem Rezipientendurchmesser von 74 mm eine Rezipiententemperatur im Bereich von 250 bis 380 °C, ein Matrizendurchmesser im Bereich von 14 bis 18 mm, ein Preßverhältnis A/A0 im Bereich von 16,9 bis 27,9, ein Umformgrad ϕ = In(Ao/A) im Bereich von 2,8 bis 3,3, eine Stempelgeschwindigkeit im Bereich von 145 bis 508 mm/min, eine Strangpreßgeschwindigkeit im Bereich von 3,2 bis 10,8 m/min, ein Preßdruck zu Beginn des Strangpressens im Bereich von 8,7 bis 23,5 MPa und ein Preßdruck zum Ende des Strangpressens im Bereich von 7,2 bis 16,5 MPa und einmalig von 23,3 MPa eingestellt.
    Das Parameterspektrum zeigte eine gute Verpreßbarkeit mit einem großen Spielraum bezüglich Preßkraft und Preßgeschwindigkeit. Die Gefügeausbildung und die erreichte Bruchdehnung korrelierten mit den Verformungsparametern. Es wurden vergleichsweise hohe Festigkeitswerte erreicht.
    Die aufgetretenen Strangpreßdrücke variierten je nach verwendeter Legierung und eingestellten Parametern in einem breiten Spektrum. Die erreichten Enddrücke lagen für Legierungen ohne SE- oder Zr-Zusatz im Bereich um 10 ± 2 MPa bei Strangpreßtemperaturen größer 300 °C und bei SE- oder Zr-haltigen Legierungen um bis zu 4 MPa höher. Ursache für die höheren Strangpreßdrücke und somit für den erhöhten Formänderungswiderstand von Magnesiumlegierungen mit SE- oder Zr-Zusatz ist ein höherer Anteil an stabilen Ausscheidungen als bei Magnesiumlegierungen ohne diesen Zusatz. Für geringere Temperaturen wurden generell etwas höhere Strangpreßdrücke ermittelt.
    Bei der stranggepreßten Legierung ME10 lagen die höchsten Werte der Zugversuche mit der mittleren Zugfestigkeit bei Werten bis zu 336 MPa und der mittleren Streckgrenze bei Werten bis zu 327 MPa. Die gegossene Legierung ME10 zeigte einen sehr hohen plastischen Anteil der Spannung, während sich das Verhältnis des elastischen zum plastischen Anteils beim Strangpressen umkehrte und zu umgekehrten Extremwerten führte (Tabelle 4b). Es traten sehr kleine mittlere Korngrößen im Bereich von 3 bis 5 µm auf.
    Bei der stranggepreßten Legierung MN150Ca0.2 trat eine sehr starke Steigerung der meisten mechanischen Eigenschaften im Vergleich zur stranggepreßten Legierung MN150 auf. Ein Zusatz von Zr0.7 zur stranggepreßten Ausgangslegierung MN150 wirkte sich nur wenig aus.
    Bei der stranggepreßten Legierung ZE10 wurden zwar geringere mechanische Eigenschaften ermittelt, doch variierten diese sehr stark mit der Temperatur, so daß noch bessere mechanische Eigenschaften mit noch höherer Temperatur erzielt werden können: Die Eigenschaften der Legierung ZE10 werden wesentlich von den Seltenen Erden beeinflußt und können bei der Variation der Seltenerdelemente einschließlich Yttrium bzw. ihrer Gehalte noch weiter optimiert werden. Bei der Legierung ZE10 traten mittlere Korngrößen im Bereich von 6,5 bis 13 µm auf, die wieder mit der Strangpreßtemperatur eher zunahmen; diese Legierung erwärmte sich jedoch mit zunehmender Strangpreßgeschwindigkeit relativ stark, was bei höherer Strangpreßgeschwindigkeit ebenfalls zu etwas größeren mittleren Korngrößen führte. Bei der stranggepreßten modifizierten Legierung ZE10Zr0,7 ergaben sich aufgrund des Zirkonium-Zusatzes sehr viel höhere Festigkeiten als bei der stranggepreßten Ausgangslegierung ZE10. Sie wies wie die zusätzlich Zr0.7 enthaltende stranggepreßte Legierung sehr hohe Werte der Bruchdehnung und der Kerbschlagarbeit auf. So konnte beim Abkühlen von Aluminium-freien Zirkonium-haltigen Schmelzen eine heterogene Keimbildung einsetzen, die aufgrund eines Korngrenzen-Pinnings zu einem besonders feinen Gefüge führte. Die Schlagarbeit an ungekerbten Proben war jedoch aufgrund der inhomogenen Verteilung der Zirkonium-haltigen Phase im Vergleich zu den Proben der Legierung ZE10 teilweise geringfügig gesunken. Bei der stranggepreßten Legierung ZE10Zr0,7 stabilisierte der Zirkonium-Zusatz das Gefüge. Es entstanden beim Strangpressen Gefüge mit mittleren Korngrößen im Bereich von 2,2 bis 4,5 µm. Diese geringen Korngrößen entstanden über einen weiten Strangpreßparameterbereich. Bei dieser Legierung war die geringe Variation der Korngrößen in Abhängigkeit von den Strangpreßparametern auffällig.
    Ein Zusatz von RE0.7 zur stranggepreßten Legierung ZM21 wirkte sich nur wenig auf die mechanischen Eigenschaften aus.
    Es wurde gefunden, daß die Hall-Petch-Beziehung auch für die erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungen im Trend gültig ist, nach der die mechanischen Eigenschaften mit kleineren Korngrößen verbessert werden. Das gilt in vielen Fällen vor allem für die Zug- und Druckfestigkeit, aber auch grundsätzlich für die Bruchdehnung und Schlagarbeit.
    Ergebnisse der Vorversuche zur Ermittlung der Strangpreßparameter mit der Legierung AZ31 bei einer Strangpreßtemperatur von 400 °C, einem Matrizendurchmesser von 16 mm, einem Rezipientendurchmesser von 74 mm und einem Verpressungsverhältnis von 1 : 21
    Preßgeschwindigkeit Mittlerer Korndurchmesser Zugfestigkeit Rm Streckgrenze RP0,2 Bruchdehnung A Brucheinschnürung
    m/min µm MPa MPa % %
    4 8,8 277 134 12,5 29,2
    5 9,3 281 141 12,7 29,3
    8,4 9,0 282 137 15,6 35,2
    Einfluß des Verpressungsverhältnisses auf die mittleren Korngrößen und die mechanischen Eigenschaften aus dem Zugversuch bei einer Strangpreßtemperatur von 400 °C bei den Vorversuchen zum Ermitteln der Strangpreßparameter
    Matrizendurchmesser Preßverhältnis Preßgeschwindigkeit mittlerer Korndurch -messer Zugfestigkeit Rm Streckgrenze RP0,2 Bruchdehnung A Brucheinschnürung
    mm m/min µm MPa MPa % %
    16 1 :21 4 8,8 277 134 12,5 29,2
    12 1 :38 5 9,3 281 141 12,7 29,3
    Bei Tabelle 4 bedeutet "Guß" = Material im Gußzustand und "extr." = Gußmaterial, das anschließend durch Homogenisieren und Strangpressen (Extrudieren) umgeformt wurde, "B" = erfindungsgemäßes Beispiel und "VB" = Vergleichsbeispiel nach dem Stand der Technik.
    Mittelwerte der Meßergebnisse der mechanischen Versuche an verschiedenen Proben der SE- und Zr-haltigen Magnesiumlegierungen und deren Ausgangslegierungen:
    Probe Legierung Zugversuch Druckversuch Schlagvers.
    Rm MPa RP0,2 MPa A
    %    		 RDm MPa RStauch MPa AD
    %    		 CG
    J    		 CUG
    J
    B 20a MN150Zr0.7 extr. 225 180 19,0 n.b. n.b. n.b. 4,4 22
    VB 21 ZE10 Guß 88 22 11,0 172 20 11,0 7,8 13
    B 21 ZE10 extr. 239 175 21,6 321 86 9,7 10,8 56
    B 22 ZE10Zr0.7 extr. 281 250 22,7 382 170 11,6 13,2 55
    B/VB 23 ZM21 extr. 258 192 13,3 318 78 8,7 8,8 43
    B 24a ZM21SE0.7 extr. 264 206 20,4 n.b. n.b. n.b. 8,6 53
    B 25 ZM21Zr0.7 extr. 252 188 15,4 n.b. n.b. n.b. 9,6 56
    Mittelwerte der aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm der Zugversuche für modifizierte Lithium-freie Magnesiumlegierungen und deren Ausgangslegierungen bestimmbare Werte. F = RP02 = Fließspannung = elastischer Anteil der Spannung. V = Streckgrenzenverhältnis = F : Z. Rm = Zugspannung Z = elastischer + plastischer Anteil der Spannung.
    Nr. Legierung Spannungen Dehnung
    Fließ-F MPa Z - F MPa Zug-Z MPa V = F:Z Aplast =A
    %
    B 20a MN150Zr0.7 extr. 180 45 225 0,81 19,0
    VB 21 ZE10 Guß 22 66 88 0,25 11,0
    B 21 ZE10 extr. 175 64 239 0,73 21,6
    B 22 ZE10Zr0.7 extr. 250 31 281 0,89 22,7
    B/VB 23 ZM21 extr. 192 66 258 0,74 13,3
    B 24a ZM21SE0.7 extr. 206 58 264 0,78 20,4
    B 25 ZM21Zr0.7 extr. 188 64 252 0,75 15,4
    Höchste Mittelwerte der Meßergebnisse der mechanischen Eigenschaften ausgewählt aus verschiedenen Einzelproben der modifizierten Magnesiumlegierungen:
    Probe Legierung Zugversuch Druckversuch Schlagvers.
    Rm
    MPa    		 RP0,2
    MPa    		 A
    %    		 RDm
    MPa    		 RStauch
    MPa    		 AD
    %    		 CG
    J    		 CUG
    J
    B 20a MN150Zr0.7 extr. 227 180 19,0 n.b. n.b. n.b. 4,7 22,3
    B 21 ZE10 extr. 251 203 24,9 329 93 11,8 11,7 65,0
    B 22 ZE10Zr0.7 extr. 309 288 25,5 405 213 14,8 14,3 75,7
    B 23 ZM21 extr. 260 199 15,9 331 85 9,3 9,5 49,0
    B 24 ZM21SE0.7 extr. 281 241 23,8 n.b. n.b. n.b. 10,7 64,7
    B 25 ZM21Zr0.7 extr. 254 193 16,9 n.b. n.b. n.b. 10,7 62,0
    Vorwiegend auftretende Korngrößen im Gußzustand nach dem Homogenisieren bei 350 °C 4 h bzw. nach dem Strangpressen bei den modifizierten Lithium-freien Magnesiumlegierungen und deren Ausgangslegierungen.
    Probe Legierung mittlere Korngrößen, µm
    B 20a MN150Zr0.7 extr. 6,4 - 6,5
    VB 21 ZE10 Guß 85
    B 21 ZE10 extr. 6,7 - 13,3
    VB 22 ZE10Zr0,7 Guß 94
    B 22 ZE10Zr0,7 extr. 2,3 - 4,6
    B 24 ZM21SE0.7 extr. 6,8 - 10,3
    B 25 ZM21Zr0.7 extr. 17,5 - 23,2
    Verfahrensparameter zu verschiedenen Proben der modifizierten Lithium-freien Magnesiumlegierungen und deren Ausgangslegierungen.
    Probe Legierung Schmelztemperatur Temperatur des Bolzens Umformgrad ϕ= In(Ao/A) Anfangspreßdruck Preßgeschwindigkeit Probenzahl
    °C °C MPa m/min
    B 20a MN150Zr0.7 extr. 780 300 - 340 3,0 - 3,1 12,0 - 12,2 4,0 - 4,4 2
    VB 21 ZE10 Guß 780 340 1
    B 21 ZE10 extr. 780-790 340-390 2,8 - 3,2 11,3 - 14,2 4,2 - 10,5 8
    B 22 ZE10Zr0.7 extr. 780 - 820 250 - 400 2,8 - 3,1 15,5 - 21,6 3,3 - 8,2 9
    B 23 ZM21 extr. 780 - 800 340 - 390 2,8 - 3,2 10,5 - 15,0 4,1 - 10,6 8
    B 24 ZM21SE0.7 extr. 780 300 - 425 2,8 - 3,1 12,6 - 16,4 2,9 - 4,2 8
    B 25 ZM21Zr0.7 extr. 780 400 - 425 2,8 - 3,1 10,3 - 11,2 3,6 - 4,5 3
    Figure 00240001

    Claims (16)

    1. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung hoher Duktilität u.a. durch Strangpressen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung mit einem Umformgrad von mindestens 1,5 stranggepreßt wird, daß sie Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, daß sie einen Gehalt an Zr im Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-% oder einen Gehalt an mindestens einem Seltenerdelement SE einschließlich La und Y im Bereich von insgesamt 0,1 bis 10 Gew.-% und nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 15 %, eine Druckfestigkeit von mindestens 300 MPa und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 20 J aufweist.
    2. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach dem Strangpressen eine Bruchdehnung von mindestens 18 % und eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 50 J aufweist.
    3. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung beim Strangpressen dynamisch rekristallisiert wird, daß sie eine Magnesiumlegierung auf Basis ZE (Zink/Seltene Erden) ist und daß sie nach dem Strangpressen eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 45 J aufweist.
    4. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung beim Strangpressen dynamisch rekristallisiert wird, daß sie eine Magnesiumlegierung auf Basis MN (Mangan) mit mindestens 1 Gew.-% Mn und mit einem Zusatz von SE oder/und Zr von jeweils mindestens 0,1 Gew.-% ist.
    5. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung beim Strangpressen dynamisch rekristallisiert wird, daß sie eine Magnesiumlegierung auf Basis MZ (Mangan/Zink) oder ZM (Zink/Mangan) ist, die einen Zusatz insbesondere von SE oder/und Zr von jeweils mindestens 0,1 Gew.-% enthält, und daß sie nach dem Strangpressen eine Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben von mindestens 40 J aufweist.
    6. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach dem Strangpressen eine Zugfestigkeit von mindestens 200 MPa aufweist.
    7. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach dem Strangpressen einen plastischen Anteil der Spannung bestimmt im Zugversuch nach dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm aus der Differenz von Zugspannung und Fließspannung von mindestens 40 MPa aufweist.
    8. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die strangzupressenden Formkörper, insbesondere Bolzen, bei Temperaturen im Bereich von 330 bis 380 °C über 2 bis 24 h homogenisiert werden.
    9. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei einem Umformgrad von mindestens 2 stranggepreßt wird.
    10. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Strangpreßgeschwindigkeit im Bereich von 0,5 bis 20 m/min stranggepreßt wird, vorzugsweise bei 1 bis 18 m/min, besonders bevorzugt bei 3 bis 16 m/min, ganz besonders bevorzugt bei 5 bis 15 m/min.
    11. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach dem Strangpressen bei Temperaturen im Bereich von 80 bis 250 °C, vorzugsweise bei 100 bis 150 °C, wärmebehandelt bzw. ausgelagert wird.
    12. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie anschließend ein weiteres Mal umgeformt wird bzw. anschließend geformt wird.
    13. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das hergestellte Halbzeug bzw. das aus oder mit dem Halbzeug hergestellte Bauteil gerichtet, z.B. durch Biegen, Drücken, Drückwalzen, Streckziehen, Tiefziehen, Innenhochdruckumformen oder Walzprofilieren weiter verformt, bearbeitet, gefügt oder/und oberflächenbehandelt wird.
    14. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug oder das daraus oder damit hergestellte Bauteil durch mindestens ein wärmearmes Fügeverfahren wie z.B. Kleben, Nieten, Stecken, Anpressen, Einpressen, Clinchen, Falzen, Schrumpfen oder Schrauben oder/und mindestens ein wärmeeinbringendes Fügeverfahren wie z.B. Verbundgießen, Verbundschmieden, Verbundstrangpressen, Verbundwalzen, Löten oder Schweißen, insbesondere Strahlschweißen oder Schmelzschweißen, mit einem gleichartigen oder andersartigen Halbzeug oder Bauteil verbunden wird.
    15. Halbzeug aus einer Magnesiumlegierung oder daraus oder damit hergestelltes Bauteil oder Verbund mit einem solchen Halbzeug oder Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß es nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche hergestellt wurde.
    16. Verwendung einer Magnesiumlegierung, hergestellt nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15 als Rahmenelement, Element von Fahrzeugzelle oder Fahrzeugaußenhaut, Fahrzeugzelle oder Fahrzeugaußenhaut, Cockpitträger, Cockpithaut, Gehäuse, Bodenelement, Boden, Deckel, Tankelement, Tankklappe, Halterung, Stütze, Träger, Winkel, Hohlprofil, Rohr, Deformationselement, Crashelement, Crashabsorber, Pralldämpfer, Prallschild, Prallträger, Kleinteil, als geschweißte Profilkonstruktion, für die Fahrzeugkarosserie, für Sitz-, Fensteroder/und Türrahmen, als Halbzeug, Bauteil oder Verbund am oder im Automobil oder Flugzeug.
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