WO2000060131A2 - Magnesiumlegierungen hoher duktilität, verfahren zu deren herstellung und deren verwendung - Google Patents

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WO2000060131A2
WO2000060131A2 PCT/EP2000/002944 EP0002944W WO0060131A2 WO 2000060131 A2 WO2000060131 A2 WO 2000060131A2 EP 0002944 W EP0002944 W EP 0002944W WO 0060131 A2 WO0060131 A2 WO 0060131A2
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magnesium alloy
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traces
composite
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Wolfgang Sebastian
Heinz Haferkamp
Peter Juchmann
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • 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
    • C22C23/02—Alloys based on magnesium with aluminium as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to magnesium alloys of high ductility, processes for their production and their use, in particular lithium-containing magnesium alloys.
  • 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 about 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, particularly 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 limited due to the hexagonal crystal structure and the associated low ductility. Polycrystalline magnesium and most magnesium alloys behave brittle at room temperature. In addition to good mechanical properties such as high tensile strength, ductile behavior is necessary for numerous applications or for certain manufacturing processes for semi-finished products made of magnesium alloys. An improved forming, energy absorption and deformation behavior requires a higher ductility and possibly also a higher strength and toughness. For this are To develop magnesium alloys with these properties or to further develop their manufacturing processes, because many material variants have material properties that vary widely with the manufacturing state.
  • Ductility is the ability of a material to undergo a permanent change in shape, which in the uniaxial state is ideally without any elastic component according to the stress-strain diagram. This property is limited by the occurrence of the break.
  • the permanent elongation achieved in the tensile test up to fracture is considered ductility.
  • the constriction of the fracture, impact work and notch impact work can also be viewed, 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.
  • the elongation at break A A p ⁇ ast characterizes the change in shape with its plastic component under a largely uniaxial load.
  • a highly plastic material is called ductile.
  • the elongation at break can often have higher values if only medium-high values of the tensile strength are achieved and that conversely only medium-high values of the elongation at break are achieved with high values of the tensile strength. Very high tensile strength values can only be achieved with comparatively low elongation at break values.
  • the elasticity denotes the elastic part of the stress-strain diagram according to Hook's law, where under ideal linear-elastic conditions there is no permanent change in shape.
  • the ratio of the elastic to the plastic part of the stretch gives the best approximation to reality.
  • the impact work is above all a measure of the energy consumption of a semi-finished product and of plastic behavior, i.e. of the deformability and rate of deformation.
  • a high impact work is therefore essential for the use of deformation elements such as crash elements, impact dampers, impact shields and impact carriers.
  • the impact work - measured on notched specimens - is more meaningful than the notched impact work due to higher absolute values for magnesium alloys and affects a largely uniaxial load.
  • the impact energy which is always determined on notched specimens, also characterizes the susceptibility of a material to failure under three-axis loading. Their significance is particularly low if the execution of the notch significantly influences the values of the impact energy.
  • the impact work and the notch impact work are measured under dynamic load and can give an indication of the energy absorption and deformability. In comparison, tensile and compression tests are carried out under quasi-static loads. A conclusion from uniaxial to multiaxial properties or relationships is only partially possible.
  • the values listed below measured on samples in a certain manufacturing condition therefore reflect the current material properties. They provide an indication of the forming behavior that previously occurred during the forming process. In this state, it is possible to draw a conclusion about the properties and behavior of a semi-finished product or even a component with this semi-finished product, which may be further refined, in later use. Furthermore, a conclusion can be drawn about the material properties of formed alloys, e.g. by bending, pressing, pressure rolling, stretch drawing, deep drawing, hydroforming or rolling professionals to be shaped into further processed semi-finished products. Since the change in the material properties from the cast to the extruded state is similar to the change in the material properties from the cast to the forged, rolled or a similar formed state, it is therefore also possible to draw a conclusion about another formed state.
  • the elastic properties are usually emphasized, as long as the deformation properties and thus the energy absorption of the element and the plastic behavior are not important, as in an accident.
  • the plastic and, in particular, the plastic and / or elastic properties play a role with regard to the multiple reshaping.
  • These properties are typically for use on the the respective ambient temperature, in extreme cases in the range from -40 ° C to +90 ° C, but at individual points in the vehicle or plane to the locally lower or higher temperatures.
  • the load state is usually multi-axis. The conclusion from uniaxial to multiaxial load states is all the more possible the more isotropic the structure.
  • the production by die casting or extrusion, forging and / or rolling is particularly suitable.
  • the production by die casting or extrusion, forging and / or rolling is particularly suitable.
  • Prerequisite for the use of semi-finished products made of magnesium alloys or of components or parts made from them in automobiles may be the fulfillment of certain property profiles depending on the application, e.g. in the case of deformation elements, seat and door frames, a tensile strength of the light material of at least 100 MPa, preferably of at least 130 MPa, together with an elongation at break measured at room temperature of at least 10%, preferably of at least 15%.
  • higher strength values and a higher ductility are also a relief and in some cases also a prerequisite for the shaping of cast blanks or for the further shaping of already shaped blanks or semi-finished products.
  • the higher these properties are in the cast state, the higher these are usually also in the formed state.
  • a higher ductility can facilitate the forming or the re-forming, in particular the extrusion. Therefore, an elongation at break of at least 10% is also helpful for the subsequent manufacturing steps for elements made of magnesium alloys.
  • a tensile strength of at least 150 MPa measured at room temperature, preferably of at least 180 MPa, or an elongation at break of at least 18%, preferably of at least 20%, particularly preferably of at least 25%, is therefore recommended for several reasons.
  • the elongation at break in commercially available magnesium alloys, measured at room temperature is usually less than 12%.
  • alloys based on Mg-Al-Zn such as AZ31, AZ61 and AZ80, based on Mg-Zn-Zr such as ZK40 and ZK60 or based on Mg-Mn such as M1.
  • MgLi40at% Al6at% for example of 19% or about 260 MPa, for MgLi40at% Si3at% 29% or about 152 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.
  • the object is achieved with a magnesium alloy, the additions or traces of Cd less than 1.8% by weight and the traces of up to 0.1% by weight of Cu, up to 0.05% by weight of Fe and bis can contain to 0.005% by weight Ni, the content of Li 0.5 to 20% by weight, the tensile strength at least 227 MPa, the impact energy measured at least 72 J and the elongation at break measured at tensile specimens at least 26%.
  • the remaining contents of the chemical composition mentioned consist predominantly or essentially of magnesium. Contents of cadmium interfere with processing only because of their toxicity, but are otherwise of particular advantage in terms of formability. Trace levels of copper, iron and nickel should be as low as possible, since they have a negative effect on processing and / or material properties.
  • composition of the magnesium alloys varied only slightly or almost not at all from the composition of the melt to the composition before or after the extrusion to the composition of the semi-finished product made therefrom.
  • the problem is solved with the same chemical compositions with a magnesium alloy, whose Li content is 0.5 to 20% by weight, whose tensile strength is at least 250 MPa, whose impact energy measured on non-notched samples is at least 72 J and their elongation at break measured on tensile samples at least 21 %, preferably at least 30% or whose Li content is 0.5 to 20% by weight, whose tensile strength is at least 276 MPa, the impact energy measured on non-notched samples is at least 70 J and the elongation at break measured on tensile samples is at least 18%, preferably at least 25%.
  • the object is also achieved with a magnesium alloy, the additions or traces of Cd less than 1.8% by weight and the traces of up to 0.1% by weight of Cu, up to 0.05% by weight of Fe and can contain up to 0.005% by weight of Ni, which, in addition to Mg, contains 0.5 to 10% by weight of Al and 0.1 to 3% by weight of Mn, the tensile strength of which is at least 200 MPa, the elongation at break measured on tensile samples at least 12%, the compressive strength of which is at least 240 MPa and the impact energy measured on unslotted samples is at least 25 J.
  • the object is also achieved with a magnesium alloy, the additions or traces of Cd less than 1.8% by weight and the traces of up to 0.1% by weight of Cu, up to 0.05% by weight of Fe and can contain up to 0.005% by weight of Ni, which contains 0.5 to 10% by weight of Al, 0.1 to 3% by weight of Mn and 0.5 to 20% by weight of Li in addition to Mg, and the elongation at break measured on Tensile tests is at least 12%.
  • the object is also achieved with a magnesium alloy, the additives or traces of Cd less than 1.8% by weight and the traces of up to 0.1% by weight of Cu, up to 0.05% by weight of Fe and may contain up to 0.005% by weight of Ni, which contains 0.5 to 10% by weight of Al, 0.1 to 3% by weight of Zn and 0.5 to 20% by weight of Li, the tensile strength of which is at least 210 MPa, the elongation at break of which, measured on tensile specimens, is at least 20% and the impact energy, measured on unskilled specimens, of at least 90 J.
  • Their compressive strength can be at least 350 MPa, preferably at least 365 MPa, particularly preferably at least 380 MPa.
  • the magnesium alloy preferably has a content of at least one rare earth element SE including Y of at least 0.1% by weight of SE in each case, particularly preferably of at least 0.5% by weight, very particularly preferably of at least 0.6% by weight. , or / and a content of at least one element from the group of cerium, praseodymium, neodymium, samarium, gadolinium, ytterbium, lanthanum and yttrium. In any case, the total content of all rare earth elements is up to 1% by weight.
  • the object is also achieved with a magnesium alloy, the additives or traces of Cd less than 1.8% by weight and the traces of up to 0.1% by weight of Cu, up to 0.05% by weight of Fe and can contain up to 0.005% by weight of Ni, which in addition to Mg contains 0.1 to 3% by weight of Zn and in each case 0.1 to 1% by weight of at least one rare earth element and / or Y, their Tensile strength at least 230 MPa, the impact energy of which is at least 50 J measured on unskilled specimens and whose elongation at break measured on tensile specimens is at least 20%. It preferably has a yield strength, measured on tensile samples, of at least 170 MPa.
  • the object is also achieved with a magnesium alloy, the additions or traces of Cd less than 1.8% by weight and the traces of up to 0.1% by weight of Cu, up to 0.05% by weight of Fe and can contain up to 0.005% by weight of Ni, which in addition to Mg contains 0.1 to 3% by weight of Zn each contains 0.1 to 1% by weight of at least one rare earth element including Y and 0.5 to 20% by weight of Li and their elongation at break measured at least 20% on tensile samples.
  • a magnesium alloy which essentially consists of an alloy which is selected from the group of alloys based on AM, AZ or ZE and which contains an addition of lithium, manganese, aluminum, calcium, strontium, zinc, zirconium or may contain at least one rare earth element including yttrium.
  • the term “essentially” means that contents of further elements not specifically mentioned can occur up to 8% by weight, preferably up to 4% by weight.
  • the object is also achieved with a magnesium alloy modified by at least one addition from the group of lithium, calcium, strontium, zirconium and at least one rare earth element SE including yttrium, the additions or traces of Cd less than 1.8% by weight and the traces of up to 0.1% by weight of Cu, up to 0.05% by weight of Fe and up to 0.005% by weight of Ni, the compressive strength of which is at least 260 MPa, preferably at least 300 MPa, particularly preferably at least 340 MPa, very particularly preferably at least 380 MPa, the impact energy measured on non-notched samples of at least 72 J, preferably at least 90 J, and whose elongation at break measured on tensile samples is at least 18%, preferably at least 20%, particularly preferably at least 22%, very particularly preferably at least 24%.
  • Their tensile strength can be at least 260 MPa, preferably at least 290 MPa, particularly preferably at least 320 MPa.
  • These magnesium alloys preferably have a base of AM, AZ or ZE.
  • 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 with added lithium.
  • the total content of rare earth elements is in any case only up to 1% by weight.
  • the magnesium alloy can have a plastic portion of the stress determined in tensile tests according to the stress-strain diagram from the difference between tensile stress and yield stress of at least 50 MPa.
  • the above material properties according to the invention apply in particular to formed magnesium alloys. It can have a structure with an average grain size of at most 50 ⁇ m, preferably of at most 25 ⁇ m, particularly preferably of at most 15 ⁇ m, very particularly preferably of at most 8 ⁇ m.
  • the structure can be determined on the bevels using the usual stereometric methods.
  • It can be extruded, rolled or / and forged and have a dynamically recrystallized, fine-grained structure, in particular with an average grain size of not more than 20 ⁇ m, and a precipitation phase content of not more than 5% by volume, preferably not more than 3.5 or even no more than 2% by volume.
  • the object is also achieved with a method for producing a semifinished product from a magnesium alloy according to the invention or a component or / and composite produced therefrom or / and composite with at least one such semifinished product or component, which is characterized in that the alloy at temperatures in the range from 550 to 900 ° C melted and one or more moldings are produced by casting without or with additional pressure and, if necessary, also heat-treated afterwards.
  • Sand casting, gravity die casting, continuous casting, squeeze casting or die casting are preferred.
  • the molded body to be formed - in particular a block, a bolt or a slab - is preferably homogenized at temperatures in the range from 300 to 420 ° C. for 0.5 to 48 hours, particularly preferably in the range from 330 to 380 ° C. over 2 to 24 hours .
  • the molded body to be shaped can be extruded at extrusion temperatures in the range from 100 to 450 ° C., preferably in the range from 180 to 320 ° C. become.
  • extrusion can be carried out at a pressing speed in the range from 0.5 to 20 m / min, preferably at 1 to 18 m / min, particularly preferably at 5 to 16 m / min, very particularly preferably at 10 to 15 m / min.
  • the shaped body, the semifinished product or the component can be stored after forming at temperatures in the range from 50 to 200 ° C., preferably in the range from 80 to 150 ° C.
  • the shaped body or the shaped semi-finished product can be deformed further, for example by stretch drawing, deep drawing, bending, pressing, pressure rolling, hydroforming, roll profiling, and / or straightening.
  • the molded body, the semifinished product or component can be processed after the original shaping, shaping or after further shaping, for example by turning, milling, drilling, separating, tumbling, punching, deburring, shaping, grinding, lapping and / or polishing, for example by degreasing or de-oiling and / or surface treatment, for example by pickling and / or coating, in particular also by painting.
  • the molded body, the semifinished product and / or component can be made by at least one low-heat joining process such as gluing, riveting, inserting, pressing, pressing, clinching, folding, shrinking or screwing and / or at least one heat-introducing joining process such as composite casting, composite forging, composite extrusion, Composite rolling, soldering or welding, in particular beam welding or fusion welding, are connected to at least one similar or different type of shaped body, semi-finished product or component.
  • the different types of elements can consist, for example, of a low or no magnesium alloy, for example of an aluminum alloy or a steel.
  • the object is further achieved with a semifinished product made of a magnesium alloy according to the invention or with a component or composite produced therewith or from it with at least one such semifinished product or component or can be produced by the method according to the invention.
  • alloying elements such as lithium or rare earth elements SE including yttrium and lanthanum and their mixtures
  • lithium or at least one rare earth element such as cerium, praseodymium, neodymium, samarium, gadolinium, ytterbium, lanthanum and yttrium has proven to be favorable for the further development of magnesium alloys.
  • semi-finished products are to be understood as shaped bodies which have not yet been completed and are ready for use in their respective application.
  • components are the shaped articles suitable for the intended purpose.
  • both terms flow smoothly into one another, since the same molded body can be a semifinished product for one purpose, but can already be a component for the other. Furthermore, for reasons of linguistic simplification, the text does not make a strict distinction between semifinished product and component, or both are mentioned at the same time or only spoken of magnesium alloy, although both may be meant.
  • the semi-finished products made of magnesium alloys according to the invention or the components made therefrom or components made therefrom can be used as gear housings, steering wheel skeletons, wishbones, frame elements, elements of vehicle cells or vehicle outer skins, cockpit supports, housings, floor elements, covers, tank elements, tank flaps, holders, supports, brackets, angles , Hollow profiles, pipes, deformation elements, crash elements, crash absorbers, impact absorbers, impact shields, impact carriers, small parts such as gears, as wheels and other types of wheels, as welded profile constructions, for the vehicle body, for seat, window or / and door frames, as semi-finished products or Component in the automobile or airplane.
  • high-purity, commercially available 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 .
  • the process steps are known in principle, but require a different modification or optimization depending on the alloy.
  • the prerequisite for the further processing of magnesium alloys by extrusion, rolling and / or forging is the production of suitable materials, for example in the form of blocks, bolts or slabs. There are two main options for the production of bolts for extrusion:
  • a bolt with a very large diameter can be cast, which can then be pressed with a high-performance extrusion press into round bolts 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 are homogenized in the range from 6 h to 12 h in order to eliminate segregations in the structure, which in some cases to improve heterogeneous structure and to increase the pressability. Then the homogenized bolts can be machined to the required dimensions.
  • Segregations can lead to uneven deformation and, in the case of critical extrusion conditions, to cracks or local melting, which can result in poor surface quality. If the bolts are not homogenized well, an unnecessarily high compression pressure is required during extrusion. The homogenized bolts are then prepared for extrusion.
  • the extrusion of the magnesium alloys can be carried out in the same extrusion plants that are used for the extrusion of aluminum alloys, both via direct and indirect extrusion.
  • the deformation behavior must only be specifically taken into account when designing the tool (die).
  • Sharp-edged inlets, such as those used with aluminum alloys, should be avoided with magnesium alloys, otherwise there is a risk of surface cracks.
  • an entry angle of approx. 50 ° is used for magnesium alloys, for example, for the matrices of round profiles.
  • the most important parameter besides the extrusion temperature is the extrusion speed, because it significantly influences the properties and the surface quality of the extrusion profiles.
  • a high pressure also requires a high extrusion speed, which is sought for economic reasons.
  • a high extrusion speed is usually associated with an even better surface quality.
  • the pressability of the magnesium alloys is comparable to that of hard-pressed aluminum alloys.
  • a high extrusion speed is desirable from an economic point of view, but is not always feasible with magnesium alloys.
  • the parameters for the extrusion usually have to be worked out in detail, since there is a great potential for optimization.
  • the extrusion is advantageously followed by a heat treatment.
  • This heat treatment is of particular interest for the lithium-containing alloys, while the other extruded modified alloys according to the invention are not greatly improved by this heat treatment.
  • the semi-finished products can be straightened if necessary, zJ3. further deformed by bending, pressing, pressure rolling, stretch drawing, deep drawing, hydroforming or roll profiling, e.g. processed, joined and / or e.g. by cutting, drilling, milling, grinding, lapping, polishing can be surface-treated by etching, painting or other coating.
  • solid and extruded profiles in simple or complicated cross sections can be extruded without problems. In this case, semi-finished products can be 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 be produced using at least one low-heat joining process such as gluing, riveting, plugging, pressing, pressing, 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, are connected to a similar or different type of semi-finished product or component.
  • the different type of semifinished product or component can also essentially consist of a magnesium alloy or of another alloy or also consist of a non-metallic material. It can have the same or a different geometry as the semi-finished product or component according to the invention.
  • the joining process can be used in particular to produce a housing, an apparatus, a system, a profile construction and / or a cladding from several elements.
  • a AI, E denotes at least one rare earth element SE, with Y also being counted among the rare earth elements, M or MN Mn, S Si and Z Zn - usually with content in% by weight, unless stated otherwise.
  • alloy information such as AZ31 are indicated by the numbers, as usual for the respective alloy, only in the order of magnitude, which can vary to a relatively wide extent, as is customary in the industry.
  • a low manganese content may be present in the starting alloy used in the examples and the modified AZ-based alloys produced therewith. 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, AZ or ZE 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 lithium.
  • 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 poured into a cylindrical steel mold with machining allowance. The element contents obtained were checked spectroscopically.
  • the homogenized bolts were then heated to the respective extrusion temperature, warmed through and extruded in a 400 t horizontal press.
  • the temperature of the pin is therefore the temperature that the pin has when it enters the extrusion press.
  • the degree of deformation characterizes the degree of cross-sectional reduction during forming and is the natural logarithm of the Ratio of initial cross-section to cross-section specified after forming. It is therefore often correlated with the degree of dynamic recrystallization, whereby if possible no stronger growth of individual grains should occur, but rather a structure which is as fine-grained as possible and which requires high ductility in some magnesium alloys. The more stable the structure of a magnesium alloy, the more fine-grained the structure will remain 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 forming is less than 1.5, the dynamic recrystallization during forming is quite low. A degree of deformation of 3.5 or more could also have been selected in the tests.
  • All alloys both the starting alloys and the alloys modified by additives, could easily be formed in a wide range of temperatures, extrusion speeds and extrusion ratios.
  • the bolts showed good compressibility with a large scope in terms of pressing force and pressing speed.
  • the lower extrusion temperature is due to the insufficient plastic deformability below a temperature in the range of about 200 to 220 ° C, the upper extrusion temperature is limited by the proximity to the eutectic temperature and possibly by the first formation of parts of a molten phase.
  • the strength values determined on the cast and extruded samples were far higher than expected. Surprisingly, the deformability of these alloys was also very high. It was also surprising that the material properties of the modified alloys varied surprisingly little depending on the extrusion conditions, which is advantageous for production. It was also surprising that the impact energy of the ZE10 alloy was so high. Finally, the extrusion process, which characterizes the extrusion process in the force-displacement diagram, varied with the alloys AZ, AZU3.6 and AZU6.8 differently than expected with increasing lithium content: worse behavior was shown with a small addition of lithium than without or with a higher lithium content. Some of the lithium-containing alloys showed an unexpectedly strong dependence of the material properties on the type of heat treatment when the lithium content was high.
  • the variation of the extrusion parameters had a different influence on the property profile of the extruded magnesium materials.
  • Trends in the material properties of the different alloys depending on the manufacturing parameters can be seen in Tables 3e and 3f.
  • the measurement results of the Brineli hardness determinations made no special statements possible.
  • the Brinell hardness of the extruded samples was found to be 7 to 22% greater than that of the cast samples. The hardness increased with the aluminum content.
  • Extrusion Depending on the sample, an extrusion temperature in the range of 150 to 300 ° C and a time in the range of 50 to 110 min was set for heating and heating the bolt. Preliminary tests were carried out with the reference alloy AZ31 (Tables 1 and 2). The preliminary tests allowed the preselection of the test parameters.
  • the extruded AM20U3.6 alloy sometimes had higher mechanical properties than the extruded AM20 alloy (Tables 3a / c). As with the other extruded alloys, the addition of lithium led to a very strong increase in impact work.
  • the extruded AM20 alloy had a very high elastic and a comparatively very low plastic part of the tension in the extruded state (Table 3b). The corresponding plastic portion doubled due to the addition of lithium.
  • the alloy AZ31U3.6 was not characterized in the cast state in the tensile test, since the porosity of the samples was still somewhat too high to allow characteristic statements. In the extruded state, this alloy had the highest compressive strength values. In the case of AZ31 alloyed with lithium, significantly higher toughness values were determined on notched impact specimens and significantly higher elongations at break than on the associated samples not alloyed with lithium, the highest values occurring with the essentially two-phase AZ31U12.3 alloy. In contrast, the tensile strength decreased with the lithium content. The compressive strength was in the cast state proportional to the lithium content, but the highest in extruded samples at medium lithium contents.
  • the AZ31U6.8 alloy had an astonishingly high mean yield strength of 122 MPa.
  • the deformability of the base grid of the AZ31 was increased by the addition of lithium and the possibly modified excretion phase.
  • the AZ31U6.8 alloy showed a lower tensile and compressive strength than the AZ31U3.6 alloy, but a high compression limit and high elongation at break. The addition of lithium improved the formability.
  • the stress under pressure had a different effect than that under tension: unlike tensile strength, the compressive strength and, in some cases, the compression limit increased from AZ31 with the lithium content to AZ31U3.6. Due to its high lithium content, the AZ31U6.8 alloy had the highest compression limit and fracture compression and a very high compressive strength based on average values (Table 3a) among all samples in this series. In this series, the fracture compression of the samples in the cast state was higher than that of the extruded samples.
  • the cast ZE10 alloy had a very low elastic component, but an almost average high plastic component of the stress.
  • the elastic content could be increased significantly by adding lithium.
  • the ZE10 alloy gained an extraordinarily high elastic part of the tension during extrusion, while the plastic part remained approximately constant.
  • all mechanical properties of cast samples increased with the lithium Content drastically.
  • the mechanical properties with the exception of tensile strength and yield strength, increased significantly with the lithium content.
  • the alloy ZE10U3.7 showed the highest values of the impact work among the examined lithium-containing magnesium alloys, whereby due to crash tests on deformation elements from the invention
  • Magnesium alloys are assumed that the alloy MgU15.5AI2.5Zn0.8 should have even higher values of impact energy and notched impact energy than the alloy ZE10U3.7. Up to 140 J were measured on individual samples of the ZE10U3.7 alloy; other samples were taken through the abutment of the testing machine without breaking completely, so that no measured value of the impact work could then be determined. The maximum applicable impact energy was 150 J.
  • the degree of deformation had a considerable influence on the impact work of the lithium-containing samples.
  • the best impact work was achieved at forming temperatures of 200 to 250 ° C.
  • magnesium alloys according to the invention are suitable for extrusion, but also in principle, in addition or as an alternative to extrusion, they are also suitable for other types of shaping and further shaping on account of their material properties.
  • Table 1 Results of the preliminary tests to determine the extrusion parameters with the AZ31 alloy at an extrusion temperature of 400 ° C, a die diameter of 16 mm, recipient diameter of 74 mm and compression ratio of 1:21:
  • Table 2 Influence of the compression ratio on the average grain sizes and the mechanical properties from the tensile test at an extrusion temperature of 400 ° C. in the preliminary tests to determine the extrusion parameters
  • Table 3a Average values of the measurement results of the mechanical tests averaged over the various samples of the lithium-containing magnesium alloys and their starting alloys
  • Table 3b Average values of the values that can be determined from the stress-strain diagram of the tensile tests for lithium-containing magnesium alloys and their initial alloys.
  • R m tensile stress.
  • Z elastic + plastic part of the tension:
  • Table 3f Manufacturing parameters and material properties of individually selected extruded samples of the lithium-containing alloys and their starting alloys: bolts - length 120 mm, diameter 70 mm; Mold diameter usually 90 mm

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, deren Gehalt an Li 0,5 bis 20 Gew.-%, deren Zugfestigkeit mindestens 227 MPa, deren Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 72 J und deren Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 26 % beträgt oder deren Zugfestigkeit mindestens 250 MPa, deren Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 72 J und deren Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 21 % beträgt oder deren Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 72 J und deren Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 18 % beträgt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Magnesiumlegierung, die ausgewählt ist aus der Gruppe von Legierungen auf Basis AM, AZ oder ZE und die einen Zusatz von Lithium, Mangan, Aluminium, Calcium, Strontium, Zink, Zirkonium oder mindestens ein Seltenerdelement einschliesslich Yttrium enthalten kann. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus einer Magnesiumlegierung oder eines damit oder daraus hergestellten Bauteiles oder/und Verbundes mit mindestens einem solchen Halbzeug oder Bauteil, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Legierung bei Temperaturen im Bereich von 550 bis 900 DEG C erschmolzen wird und ein oder mehrere Formkörper durch Giessen ohne oder mit zusätzlichem Druck hergestellt und ggf. auch danach wärmebehandelt werden.

Description

Magnesiumlegierungen hoher Duktilität, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung
Die Erfindung betrifft Magnesiumlegierungen hoher Duktilität, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung, insbesondere Lithium-haltige Magnesiumlegierungen.
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 = Apιast kennzeichnet die Formänderung mit ihrem plastischen Anteil bei einer weitgehend einachsigen Belastung, zusätzlich kann entsprechend dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm der elastische Anteil der Dehnung Aeιast sowie die Summe des elastischen und plastischen Anteils D = ΣA = Aeiast + Apιast 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 Prallträgem. 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 Fehleranfäliigkeit 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 Walzprofiiieren 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 wie z.B. mindestens 10,8 Gew.-% Li, um ohne weitere Dotierungselemente einen homogenen ß-Lithium-Magnesium-Mischkristall zu erzeugen, 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 GefügeinhomogenitätenAfehlem bzw. eine Vermeidung bestimmter GefügeinhomogenitätenAfehler zu einer Steigerung der Festigkeit, der Bruchdehnung und der Energieaufnahme führen. Die Zusammenhänge sind jedoch im Einzelfall sehr komplex. Die Komfeinung 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-Al-Zn wie z.B. AZ31 , AZ61 und AZ80, auf Basis Mg-Zn-Zr wie z.B. ZK40 und ZK60 oder auf Basis Mg-Mn wie z.B. M1.
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 AI, AlZn, Ca, Si, SiCa, AICa, CaAlZn bzw. SiAIZn. Hierbei werden für die Bruchdehnung bzw. Zugfestigkeit Werte für MgLi40at%AI6at% z.B. von 19 % bzw. etwa 260 MPa, für MgLi40at%Si3at% 29 % bzw. etwa 152 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 magnesium- lithium 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.
Es bestand daher die Aufgabe, Magnesiumlegierungen erhöhter Duktilität und möglichst auch erhöhter Energieaufnahme, Festigkeit 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 gelöst mit einer Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1 ,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, deren Gehalt an Li 0,5 bis 20 Gew.-%, deren Zugfestigkeit mindestens 227 MPa, deren Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 72 J und deren Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 26 % beträgt.
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.
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.
Die Aufgabe wird unter den gleichen chemischen Zusammensetzungen gelöst mit einer Magnesiumlegierung, deren Gehalt an Li 0,5 bis 20 Gew.-%, deren Zugfestigkeit mindestens 250 MPa, deren Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 72 J und deren Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 21 %, vorzugsweise mindestens 30 % beträgt oder deren Gehalt an Li 0,5 bis 20 Gew.-%, deren Zugfestigkeit mindestens 276 MPa, deren Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 70 J und deren Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 18 %, vorzugsweise mindestens 25 % beträgt.
Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst mit einer Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1 ,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, die neben Mg 0,5 bis 10 Gew.-% AI und 0.1 bis 3 Gew.-% Mn enthält, deren Zugfestigkeit mindestens 200 MPa, deren Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 12 %, deren Druckfestigkeit mindestens 240 MPa und deren Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 25 J beträgt.
Die Aufgabe wird auch gelöst mit einer Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1 ,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, die neben Mg 0,5 bis 10 Gew.-% AI, 0.1 bis 3 Gew.-% Mn und 0,5 bis 20 Gew.-% Li enthält und deren Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 12 %beträgt.
Die Aufgabe wird auch gelöst mit einer Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, die neben Mg 0,5 bis 10 Gew.-% AI, 0.1 bis 3 Gew.-% Zn und 0,5 bis 20 Gew.-% Li enthält, deren Zugfestigkeit mindestens 210 MPa, deren Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 20 % und deren Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 90 J beträgt. Ihre Druckfestigkeit kann mindestens 350 MPa, vorzugsweise mindestens 365 MPa, besonders bevorzugt mindestens 380 MPa betragen. Vorzugsweise weist die Magnesiumlegierung einen Gehalt an mindestens einem Seltenerdelement SE einschließlich Y von mindestens jeweils 0,1 Gew.-% SE auf, besonders bevorzugt von mindestens 0,5 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt von mindestens 0,6 Gew.-%, oder/und einen Gehalt an mindestens einem Element aus der Gruppe von Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Gadolinium, Ytterbium, Lanthan und Yttrium. In jedem Fall beträgt der Gesamtgehalt aller Seltenerdelemente bis zu 1 Gew.-%.
Die Aufgabe wird auch gelöst mit einer Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, die neben Mg 0.1 bis 3 Gew.-% Zn und jeweils 0.1 bis 1 Gew.-% mindestens eines Seltenerdelementes oder/und Y enthält, deren Zugfestigkeit mindestens 230 MPa, deren Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 50 J und deren Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 20 % beträgt. Vorzugsweise weist sie eine Streckgrenze gemessen an Zugproben von mindestens 170 MPa auf.
Die Aufgabe wird auch gelöst mit einer Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1 ,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, die neben Mg 0.1 bis 3 Gew.-% Zn jeweils 0.1 bis 1 Gew.-% mindestens eines Seltenerdelementes einschließlich Y sowie 0,5 bis 20 Gew.-% Li enthält und deren Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 20 % beträgt.
Die Aufgabe wird auch gelöst mit einer Magnesiumlegierung, die im wesentlichen aus einer Legierung besteht, die ausgewählt ist aus der Gruppe von Legierungen auf Basis AM, AZ oder ZE und die einen Zusatz von Lithium, Mangan, Aluminium, Calcium, Strontium, Zink, Zirkonium oder mindestens ein Seltenerdelement einschließlich Yttrium enthalten kann. Hierbei bedeutet der Begriff „im wesentlichen", daß Gehalte an weiteren nicht spezifisch genannten Elementen von bis zu 8 Gew.-% auftreten können, vorzugsweise von bis zu 4 Gew.-%.
Die Aufgabe wird auch gelöst mit einer durch mindestens einen Zusatz aus der Gruppe von Lithium, Calcium, Strontium, Zirkonium und mindestens einem Seltenerdelement SE einschließlich Yttrium modifizierten Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1 ,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, deren Druckfestigkeit mindestens 260 MPa aufweist, vorzugsweise mindestens 300 MPa, besonders bevorzugt mindestens 340 MPa, ganz besonders bevorzugt mindestens 380 MPa, deren Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 72 J, vorzugsweise mindestens 90 J, und deren Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 18 % beträgt, vorzugsweise mindestens 20 %, besonders bevorzugt mindestens 22 %, ganz besonders bevorzugt mindestens 24 %. Ihre Zugfestigkeit kann mindestens 260 MPa, vorzugsweise mindestens 290 MPa, besonders bevorzugt mindestens 320 MPa betragen. Vorzugsweise weisen diese Magnesiumlegierungen eine Basis von AM, AZ oder ZE auf. 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 mit Lithiumzusatz. Der Gesamtgehalt an Seltenerdelementen beträgt jedoch in jedem Fall nur bis zu 1 Gew.-%.
Die Magnesiumlegierung kann einen plastischen Anteil der Spannung bestimmt in Zugversuchen nach dem Spannungs-Dehnung-Diagramm aus der Differenz von Zugspannung und Fließspannung von mindestens 50 MPa aufweisen. Die vorstehenden erfindungsgemäßen Werkstoffeigenschaften gelten insbesondere für umgeformte Magnesiumlegierungen. Sie kann ein Gefüge mit einer mittleren Korngröße von höchstens 50 μm aufweisen, vorzugsweise von höchstens 25 μm, besonders bevorzugt von höchstens 15 μm, ganz besonders bevorzugt von höchstens 8 μm. Das Gefüge kann dazu an Anschliffen mit den üblichen stereometrischen Verfahren bestimmt werden. Sie kann stranggepreßt, gewalzt oder/und geschmiedet sein und ein dynamisch rekristallisiertes feinkörniges Gefüge, insbesondere mit einer mittleren Korngröße von nicht mehr als 20 μm, und einen Gehalt an Ausscheidungsphasen von nicht mehr als 5 Vol.-% aufweisen, vorzugsweise von nicht mehr als 3,5 oder sogar nicht mehr als 2 Vol.-%.
Die Aufgabe wird auch gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus einer erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung oder eines damit oder daraus hergestellten Bauteiles oder/und Verbundes mit mindestens einem solchen Halbzeug oder Bauteil, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Legierung bei Temperaturen im Bereich von 550 bis 900 °C erschmolzen und ein oder mehrere Formkörper durch Gießen ohne oder mit zusätzlichem Druck hergestellt und ggf. auch danach wärmebehandelt werden. Vorzugsweise wird im Sandguß, Kokillenguß, Strangguß, squeeze-casting oder Druckguß gearbeitet.
Üblicherweise ergeben sich höhere Werkstoffeigenschaften, wenn der gegossene Formkörper ggf. bearbeitet, danach ggf. wärmebehandelt, danach umgeformt wird, insbesondere durch Strangpressen, Schmieden oder/und Walzen, und danach ggf. wärmebehandelt wird. Vorzugsweise wird der umzuformende Formkörper - insbesondere ein Block, ein Bolzen oder eine Bramme - bei Temperaturen im Bereich von 300 bis 420 °C über 0,5 bis 48 h homogenisiert, besonders bevorzugt im Bereich von 330 bis 380 °C über 2 bis 24 h. Insbesonders kann der umzuformende Formkörper bei Strangpreßtemperaturen im Bereich von 100 bis 450 °C, vorzugsweise im Bereich von 180 bis 320 °C, stranggepreßt werden. Hierbei kann mit einer Preßgeschwindigkeit im Bereich von 0,5 bis 20 m/min stranggepreßt werden, vorzugsweise bei 1 bis 18 m/min, besonders bevorzugt bei 5 bis 16 m/min, ganz besonders bevorzugt bei 10 bis 15 m/min. Zusätzlich kann der Formkörper, das Halbzeug oder Bauteil nach dem Umformen bei Temperaturen im Bereich von 50 bis 200 °C ausgelagert werden, vorzugsweise im Bereich von 80 bis 150 °C. Der umgeformte Formkörper oder das umgeformte Halbzeug können weiter verformt werden, z.B. durch Streckziehen, Tiefziehen, Biegen, Drücken, Drückwalzen, Innenhochdruckumformen, Walzprofilieren, oder/und gerichtet werden. Der Formkörper, das Halbzeug oder Bauteil kann nach dem Urformen, Umformen bzw. nach weiterem Verformen bearbeitet werden, z.B. durch Drehen, Fräsen, Bohren, Trennen, Trommeln, Stanzen, Entgraten, Verformen, Schleifen, Läppen oder/und Polieren, gesäubert werden z.B. durch Entfetten oder Entölen oder/und oberflächenbehandelt werden z.B. durch Beizen oder/und Beschichten, insbesondere auch durch Lackieren. Ferner kann der Formkörper, das Halbzeug oder/und 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 mindestens einem gleichartigen oder andersartigen Formkörper, Halbzeug oder Bauteil verbunden werden. Die andersartigen Elemente können beispielsweise aus einer Magnesium-armen oder -freien Legierung bestehen, z.B. aus einer Aluminium-Legierung oder einem Stahl.
Die Aufgabe wird ferner gelöst mit einem Halbzeug aus einer erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung oder mit einem damit oder daraus hergestellten Bauteil oder Verbund mit mindestens einem solchen Halbzeug oder Bauteil oder kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sein.
Es hat sich gezeigt, daß die Modifizierung von Korngrößen und Phasenverteilungen über das Zulegieren von Begleitelementen wie Lithium oder Seltenerdelementen SE einschließlich Yttrium und Lanthan sowie deren Gemischen hilfreich ist unter Erzeugung von deutlich festeren oder/und duktileren Magnesiumlegierungen. Vor allem ein Zusatz von Lithium bzw. von mindestens einem Seltenerdelement wie z.B. Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Gadolinium, Ytterbium, Lanthan und Yttrium hat sich als günstig zur Weiterentwicklung von Magnesiumlegierungen erwiesen. 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 können verwendet werden als Getriebegehäuse, Lenkradskelette, Querlenker, Rahmenelemente, Elemente von Fahrzeugzellen oder Fahrzeugaußenhäuten, Cockpitträger, Gehäuse, Bodenelemente, Deckel, Tankelemente, Tankklappen, Halterungen, Stützen, Träger, Winkel, Hohlprofile, Rohre, Deformationselemente, Crashelemente, Crashabsorber, Pralldämpfer, Prallschilde, Prallträger, Kleinteile wie Zahnräder, als Laufräder und sonstige Arten Räder, als geschweißte Profilkonstruktionen, für die Fahrzeugkarosserie, für Sitz-, Fenster- oder/und Türrahmen, als Halbzeug oder Bauteil im Automobil oder Flugzeug.
Verfahren zur Herstellung von Stranqpreßprofilen:
Die Verfahren zur Herstellung von Strangpreßprofilen aus den erfindungsgemäßen Legierungen werden in einer am gleichen Tag vom gleichen Anmelder eingereichten Patentanmeldung im Detail beschrieben; jene Anmeldung gilt durch ihre Benennung als in vollem Umfang in diese Anmeldung einbezogen.
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. 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 Oberfiächenquaiitäten 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 Einlaufe, 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.
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 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. 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 schließt sich vorteilhafterweise eine Wärmebehandlung an. Diese Wärmebehandlung ist insbesondere für die Lithium-haltigen Legierungen von Interesse, während die übrigen erfindungsgemäßen stranggepreßten modifizierten Legierungen durch diese Wärmebehandlung nicht stark verbessert werden. Die Halbzeuge können ggf. gerichtet, zJ3. 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, 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 AI, 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-, AZ- oder ZE-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 Lithium 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 Stahlkokilie mit Bearbeitungszugabe. Die erzielten Eiementgehalte 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 stranggepreßt. Die Temperatur des Bolzens ist daher 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 3d/e). 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.
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. Es 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.
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 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 Legierungszusammensetzuπg Unterschiede im Gefüge der Proben. Die aufgetretenen Strangpreßdrücke variierten je nach verwendeter Legierung und eingestellten Strangpreßparametern. Generell trat während des Strangpressens eine dynamische Rekristallisation und eine Verringerung der mittleren Korngröße auf, die in Abhängigkeit von den Strangpreßparametem und der Legierungszusammensetzung zu unterschiedlichen mittleren Korngrößen führte.
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. Schließlich variierte der Strangpreßverlauf, der den Ablauf des Strangpressens im Kraft- Weg-Diagramm charakterisiert, bei den Legierungen AZ, AZU3.6 und AZU6.8 mit zunehmendem Lithium-Gehalt anders als erwartet: Es zeigte sich bei geringem Lithium- Zusatz ein schlechteres Verhalten als ohne oder mit höherem Lithium-Gehalt. Manche der Lithium-haltigen Legierungen ergaben bei hohem Lithium-Gehalt eine unerwartet starke Abhängigkeit der Werkstoffeigenschaften von der Art der Wärmebehandlung.
Die stranggepreßten Profile wurden durch Fräsen und Drehen bearbeitet zu Rundzugproben (d0 = 5 mm, l0 = 5 • d0, kleiner Proportionalitätsstab, nach DIN 50 125), Druckproben (d0 = 10 mm, l0 = 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 RDo,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 3a-c und die der Gefügeuntersuchungen in der Tabelle 3d 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 3e und 3f entnehmen. Die Meßergebnisse der Brinelihärte-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.
Bei den Li-haltiqen Maonesiumlegierungen wurden folgende Herstellunqsparameter gewählt:
Herstellung der Bolzen: Gießen in Rohrkokillen bei einer Gußtemperatur von 680 bis 720 °C auf größeren Durchmesser und Abdrehen auf in der Regel 70 mm Durchmesser. Die abgedrehten Bolzen wurden bei 350 °C 4 h wärmebehandelt (= homogenisiert).
Strangpressen: Je nach Probe wurde eine Strangpreßtemperatur im Bereich von 150 bis 300 °C und für das Aufheizen und Durchwärmen des Bolzens eine Zeit im Bereich von 50 bis 110 min eingestellt. Vorversuche wurden mit der Referenzlegierung AZ31 ausgeführt (Tabellen 1 und 2). Die Vorversuche erlaubten die Vorauswahl der Versuchsparameter.
Bei den spezifischen Strangpreßversuchen wurde in einer 400-t-Strangpresse bei direktem Strangpressen gearbeitet. Je nach Probe wurde bei einem Rezipientendurchmesser von 74 mm eine Rezipiententemperatur im Bereich von 180 bis 259 °C, ein Matrizendurchmesser im Bereich von 15 bis 18 mm, ein Preßverhältnis A/A0 im Bereich von 16,9 bis 24,3, ein Umformgrad φ = ln(Ao/A) im Bereich von 2,8 bis 3,2, eine Stempelgeschwindigkeit im Bereich von 191 bis 419 mm/min, eine Strangpreßgeschwindigkeit im Bereich von 3,2 bis 9,0 m/min, ein Preßdruck zu Beginn des Strangpressens im Bereich von 15,2 bis 24,3 MPa und ein Preßdruck zum Ende des Strangpressens im Bereich von 10,0 bis 14,8 MPa gewählt. Nur ein kleiner Teil der Versuche wird in Tabelle 3e wiedergegeben.
Der Einfluß der Strangpreßparameter auf die Werkstoffeigenschaften der Lithium-haltigen Legierungen und deren undotierten Ausgangslegierungen war begrenzt. Er war bei der Zugfestigkeit besonders gering und nahm über die Bruchdehnung und Druckfestigkeit bis zur Schlagarbeit etwas zu.
Die stranggepreßte Legierung AM20U3.6 wies im Vergleich zur stranggepreßten Legierung AM20 teilweise höhere mechanische Eigenschaften auf (Tabellen 3a/c). Wie bei den anderen stranggepreßten Legierungen führte der Lithium-Zusatz zu einem sehr starken Anstieg der Schlagarbeit. Die stranggepreßte Legierung AM20 wies einen sehr hohen elastischen und einen vergleichsweise sehr geringen plastischen Anteil der Spannung im stranggezogenen Zustand auf (Tabelle 3b). Durch den Lithium-Zusatz verdoppelte sich der entsprechende plastische Anteil.
Die Legierung AZ31U3.6 wurde im gegossenen Zustand nicht im Zugversuch charakterisiert, da die Porosität der Proben noch etwas zu hoch war, um charakteristische Aussagen zu gewähren. Im stranggepreßten Zustand wies diese Legierung die höchsten Werte der Druckfestigkeit auf. Bei dem mit Lithium auflegierten Werkstoff AZ31 wurden deutlich höhere Zähigkeiten an ungekerbten Schlagproben sowie deutlich höhere Bruchdehnungen ermittelt als an den zugehörigen nicht mit Lithium auflegierten Proben, wobei die höchsten Werte bei der im wesentlichen zweiphasigen Legierung AZ31U12.3 auftraten. Dagegen fiel die Zugfestigkeit mit dem Lithium-Gehalt ab. Die Druckfestigkeit war bei den Proben im Gußzustand proportional zum Lithium-Gehalt, bei stranggepreßten Proben jedoch bei mittleren Lithium-Gehalten am höchsten. Unter den Legierungen im Gußzustand wies die Legierung AZ31U6.8 einen mit 122 MPa erstaunlich hohen Mittelwert der Dehngrenze auf. Die Verformbarkeit des Basisgitters der AZ31 wurde durch den Lithium- Zusatz und die möglicherweise modifizierte Ausscheidungsphase erhöht. Die Legierung AZ31U6.8 wies im Vergleich zur Legierung AZ31U3.6 zwar eine verringerte Zug- und Druckfestigkeit auf, aber dafür eine hohe Stauchgrenze und hohe Bruchdehnung. Der Lithium-Zusatz verbesserte die Verformbarkeit.
Bei den Lithium-haltigen Legierungen und ihren Ausgangslegierungen wirkte sich die Beanspruchung unter Druck anders aus als die unter Zug: Anders als bei der Zugfestigkeit nahm die Druckfestigkeit und teilweise auch die Stauchgrenze ausgehend von AZ31 mit dem Lithium-Gehalt zur Legierung AZ31U3.6 zu. Die Legierung AZ31U6.8 wies aufgrund ihres hohen Lithium-Gehalts die unter allen Proben dieser Serie bezogen auf gemittelte Mittelwerte (Tabelle 3a) die höchste Stauchgrenze und Bruchstauchung und eine sehr hohe Druckfestigkeit auf. Bei dieser Serie war die Bruchstauchung der Proben im gegossenen Zustand höher als die der stranggepreßten Proben.
Die gegossene Legierung ZE10 wies einen sehr geringen elastischen Anteil, aber fast durchschnittlich hohen plastischen Anteil der Spannung auf. Durch einen Lithium-Zusatz ließ sich der elastische Anteil deutlich steigern. Andererseits gewann die Legierung ZE10 beim Strangpressen einen außerordentlich hohen elastischen Anteil der Spannung, während der plastische Anteil etwa konstant erhalten blieb. Bei den Legierungen ZE10 und ZE10U3.7 stiegen alle mechanischen Eigenschaften bei Proben im Gußzustand mit dem Lithium- Gehalt drastisch an. Bei den entsprechenden stranggepreßten Proben nahmen die mechanischen Eigenschaften mit Ausnahme von Zugfestigkeit und Streckgrenze deutlich mit dem Lithium-Gehalt zu. Die Legierung ZE10U3.7 zeigte unter den untersuchten Lithium- haltigen Magnesiumlegierungen die höchsten Werte der Schlagarbeit, wobei aufgrund von Crashversuchen an Deformationselementen aus erfindungsgemäßen
Magnesiumlegierungen davon ausgegangen wird, daß die Legierung MgU15.5AI2.5Zn0.8 noch höhere Werte der Schlagarbeit und Kerbschlagarbeit aufweisen sollte als die Legierung ZE10U3.7. An einzelnen Proben der Legierung ZE10U3.7 wurden bis zu 140 J gemessen; andere Proben wurden durch das Widerlager der Prüfmaschine gezogen, ohne komplett zu brechen, so daß dann kein Meßwert der Schlagarbeit ermittelt werden konnte. Die maximal anwendbare Schlagenergie betrug 150 J.
Der Umformgrad hatte einen erheblichen Einfluß auf die Schlagarbeit der Lithium-haltigen Proben. Die Schlagarbeit war bei den Lithium-haltigen Magnesiumlegierungen bei einem Umformgrad φ von 2,83 oft um etwa 30 bis 65 % höher als bei φ = 3,06 (Tabelle 3f). Bei geringeren Umformgraden und somit bei kleineren Verpressungsverhältnissen ergaben sich viel höhere Werte der Schlagarbeit. Diese Tendenz trat bei den Proben aus unmodifizierten Ausgangsiegierungen und bei den mit Ca oder Zr auflegierten Proben nicht oder nur schwach auf. Bei den Lithium-haltigen Proben wurden die besten Schlagarbeiten bei Umformtemperaturen von 200 bis 250 °C erzielt. Die Umformgeschwindigkeit (= Strangpreßgeschwindigkeit) wirkte sich nur wenig auf Zugfestigkeit und Bruchdehnung aus.
Die Preßdruck-Weg-Verläufe beim Strangpressen der Lithium-haltigen Legierungen bei 200 °C zeigten, daß bei der Legierung AZ31+12at%Li ebenso wie AZ31 erst bei einem höheren Preßdruck, etwa bei 16 MPa, ein Fließen des Materials des Bolzens eintrat im Vergleich zu den Legierungen AM20+12at%ü, AZ31+21at%Li und ZE10+12at%Li, bei denen das Fließen bereits bei etwa 12,5 MPa eintrat, aber auch ein günstigerer, niedrigerer Preßdruck nach einem längeren Wegverlauf ermittelt wurde.
Mit den Beispielen wurde nachgewiesen, daß sich die erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungen zum Strangpressen, aber sich auch grundsätzlich zusätzlich oder alternativ zum Strangpressen auch zu anderen Arten des Umformens und weiteren Verformens aufgrund ihrer Werkstoffeigenschaften eignen. Tabelle 1 : Ergebnisse der Vorversuche zur Ermittlung der Strangpreßparameter mit der Legierung AZ31 bei einer Strangpreßtemperatur von 400 °C, einem Matrizendurchmesser von 16 mm, Rezipientendurchmesser von 74 mm und Verpressungsverhältnis von 1 : 21 :
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Tabelle 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
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Bei den Tabellen 3 und 4 bedeuten "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.
Tabelle 3a: Mittelwerte der Meßergebnisse der mechanischen Versuche gemittelt über die verschiedenen Proben der Lithium-haltigen Magnesiumlegierungen und deren Ausgangsiegierungen
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Tabelle 3b: Mittelwerte der aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm der Zugversuche für Lithium-haltige Magnesiumlegierungen und deren Ausgangsiegierungen bestimmbare Werte. F = RP02 = Fließspannung = elastischer Anteil der Spannung. V = Streckgrenzenverhältnis = F : Z. Rm = Zugspannung. Z = elastischer + plastischer Anteil der Spannung:
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Tabelle 3c: Höchste Mittelwerte der Meßergebnisse der mechanischen Eigenschaften ausgewählt aus verschiedenen Einzelproben der Lithium-haltigen Magnesiumlegierungen
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Tabelle 3d: Gefügebestandteile im Gußzustand nach dem Homogenisieren bei 350 °C 4 h bzw. nach dem Strangpressen sowie vorwiegend auftretende Korngrößen (* = vor dem Warmauslagern):
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Tabelle 3e: Verfahrensparameter und mittlere Korngröße bei den Lithium-haltigen Magnesiumlegierungen und deren Ausgangsiegierungen
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Tabelle 3f: Herstellparameter und Werkstoffeigenschaften einzelner ausgewählter stranggepreßter Proben der Lithium-haltigen Legierungen und deren Ausgangsiegierungen: Bolzen - Länge 120 mm, Durchmesser 70 mm; Formdurchmesser meistens 90 mm
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Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1 ,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Gehalt an Li 0,5 bis 20 Gew.-%, daß ihre Zugfestigkeit mindestens 227 MPa, daß ihre Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 72 J und daß ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 26 % beträgt.
2. Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1 ,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Gehalt an Li 0,5 bis 20 Gew.-%, daß ihre Zugfestigkeit mindestens 250 MPa, daß ihre Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 72 J und daß ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 21 % beträgt.
3. Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1 ,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Gehalt an Li 0,5 bis 20 Gew.-%, daß ihre Zugfestigkeit mindestens 276 MPa, daß ihre Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 70 J und daß ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 18 % beträgt.
4. Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1 ,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben Mg 0,5 bis 10 Gew.-% AI und 0.1 bis 3 Gew.-% Mn enthält, daß ihre Zugfestigkeit mindestens 200 MPa, daß ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 12 %, daß ihre Druckfestigkeit mindestens 240 MPa und daß ihre Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 25 J beträgt.
5. Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben Mg 0,5 bis 10 Gew.-% AI, 0.1 bis 3 Gew.-% Mn und 0,5 bis 20 Gew.-% Li enthält und daß ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 12 %beträgt.
6. Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben Mg 0,5 bis 10 Gew.-% AI, 0.1 bis 3 Gew.-% Zn und 0,5 bis 20 Gew.-% Li enthält, daß ihre Zugfestigkeit mindestens 210 MPa, daß ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 20 % und daß ihre Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 90 J beträgt.
7. Magnesiumlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Gehalt an mindestens einem Seltenerdelement SE einschließlich Y von mindestens jeweils 0,1 Gew.-% SE aufweist, wobei der Gesamtgehalt aller Seltenerdelemente bis zu 1 Gew.-% beträgt.
8. Magnesiumlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Gehalt an mindestens einem Element aus der Gruppe von Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Gadolinium, Ytterbium, Lanthan und Yttrium aufweist.
9. Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1 ,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben Mg 0.1 bis 3 Gew.-% Zn und jeweils 0.1 bis 1 Gew.-% mindestens eines Seltenerdelementes oder/und Y enthält, daß ihre Zugfestigkeit mindestens 230 MPa, daß ihre Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 50 J und daß ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 20 % beträgt.
10. Magnesiumiegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1 ,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben Mg 0.1 bis 3 Gew.-% Zn jeweils 0.1 bis 1 Gew.-% mindestens eines Seltenerdelementes einschließlich Y sowie 0,5 bis 20 Gew.-% Li enthält und daß ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 20 % beträgt.
11. Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus einer Legierung besteht, die ausgewählt ist aus der Gruppe von Legierungen auf Basis AM, AZ, EZ, MA, ZA oder ZE und die einen Zusatz von Lithium, Mangan, Aluminium, Calcium, Strontium, Zink, Zirkonium oder mindestens ein Seltenerdelement einschließlich Yttrium enthalten kann.
12. Durch mindestens einen Zusatz aus der Gruppe von Lithium, Calcium, Strontium, Zirkonium und mindestens einem Seltenerdelement SE einschließlich Yttrium modifizierte Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1 ,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Druckfestigkeit mindestens 260 MPa aufweist, daß ihre Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 72 J und daß ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 18 % beträgt.
13. Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen plastischen Anteil der Spannung bestimmt im Zugversuch nach dem Spannungs-Dehnung-Diagramm aus der Differenz von Zugspannung und Fließspannung von mindestens 50 MPa aufweist.
14. Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Gefüge mit einer mittleren Korngröße von höchstens 50 μm aufweist.
15. Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie stranggepreßt, gewalzt oder/und geschmiedet ist und ein dynamisch rekristallisiertes feinkörniges Gefüge und einen Gehalt an Ausscheidungsphasen von nicht mehr als 5 Vol.-% aufweist.
16. Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche oder eines damit oder daraus hergestellten Bauteiles oder/und Verbundes mit mindestens einem solchen Halbzeug oder Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung bei Temperaturen im Bereich von 550 bis 900 °C erschmolzen wird und daß ein oder mehrere Formkörper durch Gießen ohne oder mit zusätzlichem Druck hergestellt und ggf. auch danach wärmebehandelt werden.
17. Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus einer Magnesiumlegierung oder eines damit oder daraus hergestellten Bauteiles oder/und Verbundes nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper ggf. bearbeitet, danach ggf. wärmebehandelt, danach umgeformt wird, insbesondere durch Strangpressen, Schmieden oder/und Walzen, und danach ggf. wärmebehandelt wird.
18. Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus einer Magnesiumlegierung oder eines damit oder daraus hergestellten Bauteiles oder/und Verbundes nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der umzuformende Formkörper bei Temperaturen im Bereich von 300 bis 420 °C über 0,5 bis 48 h homogenisiert wird, vorzugsweise im Bereich von 330 bis 380 °C über 2 bis 24 h.
19. Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus einer Magnesiumlegierung oder eines damit oder daraus hergestellten Bauteiles oder/und Verbundes nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der umzuformende Formkörper bei Strangpreßtemperaturen im Bereich von 100 bis 450 °C stranggepreßt wird.
20. Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus einer Magnesiumlegierung oder eines damit oder daraus hergestellten Bauteiles oder/und Verbundes nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Preßgeschwindigkeit im Bereich von 0,5 bis 20 m/min stranggepreßt wird.
21. Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus einer Magnesiumlegierung oder eines damit oder daraus hergestellten Bauteiles oder/und Verbundes nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper, das Halbzeug oder Bauteil nach dem Umformen bei Temperaturen im Bereich von 50 bis 200 °C ausgelagert wird.
22. Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus einer Magnesiumlegierung oder eines damit oder daraus hergestellten Bauteiles oder/und Verbundes nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß der umgeformte Formkörper oder das umgeformte Halbzeug weiter verformt wird, z.B. durch Streckziehen, Tiefziehen, Biegen, Drücken, Drückwalzen, Walzprofilieren oder/und gerichtet wird.
23. Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus einer Magnesiumlegierung oder eines damit oder daraus hergestellten Bauteiles oder/und Verbundes nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper, das Halbzeug oder Bauteil bearbeitet wird, z.B. durch Drehen, Fräsen, Bohren, Trennen, Trommeln, Stanzen, Entgraten, Verformen, Schleifen, Läppen oder/und Polieren, gesäubert wird z.B. durch Entfetten oder Entölen oder/und oberflächenbehandelt wird z.B. durch Beizen oder/und Beschichten.
24. Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus einer Magnesiumlegierung oder eines damit oder daraus hergestellten Bauteiles oder/und Verbundes nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Formkörper, Halbzeug oder/und 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 mindestens einem gleichartigen oder andersartigen Formkörper, Halbzeug oder Bauteil verbunden wird.
25. Halbzeug aus einer Magnesiumiegierung oder damit oder daraus hergestelltes Bauteil oder Verbund mit mindestens einem solchen Halbzeug oder Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Magnesiumlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15 ist.
26. Halbzeug aus einer Magnesiumlegierung oder damit oder daraus hergestelltes Bauteil oder Verbund mit mindestens einem solchen Halbzeug oder Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß es nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 24 hergestellt ist.
27. Verwendung eines Halbzeuges aus einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15 oder eines damit oder daraus hergestellten Bauteiles oder/und eines Verbundes mit mindestens einem derartigen Halbzeug oder/und Bauteil als Getriebegehäuse, Lenkradskelett, Querlenker, Rahmenelement, Element von Fahrzeugzelle oder Fahrzeugaußenhaut, Cockpitträger, Gehäuse, Bodenelement, Deckel, Tankelement, Tankklappe, Halterung, Stütze, Träger, Winkel, Hohlprofil, Rohr, Deformationselement, Crasheiement, Crashabsorber, Pralldämpfer, Prallschild, Prallträger, Kleinteil wie als Zahnrad, als Laufrad und sonstige Arten von Rädern, als geschweißte Profilkonstruktionen, für die Fahrzeugkarosserie, für Sitz-, Fenster- oder/und Türrahmen, als Halbzeug, Bauteil oder Verbund am oder im Automobil oder Flugzeug.
28. Verwendung eines Halbzeuges aus einer Magnesiumlegierung, eines damit oder daraus hergestellten Bauteiles oder/und eines Verbundes mit mindestens einem derartigen Halbzeug oder/und Bauteil - hergestellt nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 24 - als Getriebegehäuse, Lenkradskelett, Querlenker, Rahmeneiement, Element von Fahrzeugzelle oder Fahrzeugaußenhaut, Cockpitträger, Gehäuse, Bodenelement, Deckel, Tankelement, Tankklappe, Halterung, Stütze, Träger, Winkel, Hohlprofil, Rohr, Deformationselement, Crashelement, Crashabsorber, Pralldämpfer, Prallschild, Prallträger, Kleinteil wie als Zahnrad, als Laufrad und sonstige Arten von Rädern, als geschweißte Profilkonstruktionen, für die Fahrzeugkarosserie, für Sitz-, Fenster- oder/und Türrahmen, als Halbzeug, Bauteil oder Verbund am oder im Automobil oder Flugzeug.
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