WO2013156523A1 - Calcium als substitut für seltene erdelemente in magnesium-blechlegierungen mit guten umformeigenschaften - Google Patents

Calcium als substitut für seltene erdelemente in magnesium-blechlegierungen mit guten umformeigenschaften Download PDF

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WO2013156523A1
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magnesium
calcium
magnesium sheet
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sheet
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Jan Bohlen
Lennart STUTZ
Dietmar Letzig
Joachim Wendt
Karl Ulrich Kainer
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Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung GmbH
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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
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/06—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of magnesium or alloys based thereon

Definitions

  • the present invention describes a sheet consisting of a novel magnesium alloy with calcium content, which has potentially very good forming properties together with the specially coordinated rolling process. It is only by using calcium as a substitute for rare earth metals that a more economical production of magnesium sheet alloys is made possible.
  • Magnesium is the metallic construction material with the lowest specific weight. It is 75% lighter than steel and 35% lighter than aluminum. This results in high weight-related strength values , which are of particular interest to power vehicle and aircraft manufacturers.
  • the light metal is far verar ⁇ beitet predominantly as a cast material: for example, for suspension parts and engine blocks.
  • Magnesium sheet can generally be produced by hot rolling.
  • the sheets produced then assign one hand, significantly finer grain structure than the starting material and on the other hand ⁇ a pronounced fiber texture, which can be characterized by a preferred orientation of the basal planes in the sheet plane.
  • This pronounced preference ⁇ orientation of the basal surfaces in the sheet plane restricts the deformation behavior at room temperature significantly.
  • the basal guide despite its unfavorable orientation, is the dominant deformation mechanism.
  • magnesium sheets This requires directly a very limited deep drawability of magnesium sheets at room temperature.
  • the forming behavior of magnesium sheets can be improved by weakening the strong basal texture as well as grain refining.
  • a corresponding influence on the microstructure and texture ⁇ development of the sheet is given by the choice of alloy and the process control.
  • Calcium is a low-cost element with high availability.
  • the above object is therefore (also called flat rolling mill finished product) by magnesium ⁇ sheets released, the weight, based on their total weight, of:
  • the calcium content of the magnesium sheets is 0.3 to 1.0 wt.%, Particularly preferably 0.35 to 0.6 wt.%.
  • Be ⁇ vorzugt the manganese content of the magnesium sheet is 0.8 to 2.0 wt.%, Particularly preferably 1.2 to 2.0.%.
  • the zinc content is preferably 0 wt.% (Excluding inevitable impurities).
  • the sheet metal is a flat rolled finished product made of metal, which is delivered as a sheet.
  • the magnesium sheets of the invention are selected from the group consisting of thin sheets having a thickness in the range of about 0.5 to about 2.99 mm, center sheets having a thickness in the range of about 3.00 to about 4.75 mm and heavy plates with a thickness in the range of about 4.76 mm to about 20 mm.
  • Sheet thicknesses in the range of about 0.5 to about 5.00 mm, in particular about 0.75 to about 3.00 mm, are particularly preferred preferably about 1.00 to about 2.00 mm, and especially before Trains t ⁇ about 1.5 mm.
  • the starting alloy is rolled in the form of cast-rolled strips, extruded flat profiles or as slabs or in a rolling process as a flat rolling mill finished product (so-called sheet metal) in the required thickness.
  • the rolling process is chosen so that it can be operated economically with a temperature in the range of 200 to 500 ° C. In each rolling step, a reduction ratio of 0.05 to 0.5 is preferred ⁇ be applied.
  • crystallographic texture One property that characterizes sheets and allows conclusions to be drawn about their forming behavior is the crystallographic texture.
  • texture in crystallography refers to the entirety of the orientations of the crystallites of a multi-crystalline solid. This results in particular in the anisotropy (directional dependence) of the mechanical
  • the crystallographic texture of Magnesi ⁇ umlegleitersblechs invention corresponds to the quality of typi ⁇ rule poorly developed textures of an aluminum-free magnesium alloy rare earth metals, such as a ZEIO alloy.
  • These preferred sheets are characterized ⁇ that the maximum intensity does not coincide in the Basalpolfigur with the sheet metal but this normal direction opposite deflected or split (see Figures 1 and 2).
  • the magnesium sheets according to the invention are characterized in that they consist of the elements specified in claim 1 in the amounts indicated there. They therefore contain no additional elements, such as rare earth metals, unless they are unavoidable impurities.
  • the magnesium sheets according to the invention are produced by roll forming into a sheet (ready-to-roll product).
  • Roll forming is a massive forming process in which a material is deformed between two rolls at elevated temperature or at room temperature. The shape of the material is changed so that it decreases in thickness and is pulled in length. This process is usually multi-stage and is accompanied by intermediate annealing to prevent the temperature of the workpiece from dropping too much.
  • the sheet manufacturing takes place at a tempera ture ⁇ from about 200 to 500 ° C.
  • the material recrystallizes.
  • the structure of the material is changed ⁇ changed and re-formed in the rule.
  • new sheet structure which are determined by different textures with different intensity with ⁇ th arise.
  • the alloy according to the invention very homogeneous and fine-grained microstructure are achieved with a weak texture. On the one hand, this combination promises good mechanical properties and, on the other hand, improved formability.
  • the magnesium sheets according to the invention are made of cast-rolled strips, extruded flat profiles or of slabs consisting of the magnesium alloys according to the invention Using a rolling process at a temperature in the range of 200 to 500 ° C made.
  • a method with varied roll peripheral speed which is also referred to as “differential rental speed Rolling (DSR)" is particularly preferred for the final rolling step applied.
  • DSR process the upper and lower rollers with differing ⁇ chen rotational speeds are driven. This results in a shear deformation in the sheet thickness level. with this method, a tilt of the preferential orientation of the Basalebe- NEN be achieved from the sheet plane.
  • the rolled strips, slabs or flat profiles are rolled in a final rolling process to the final thickness, which is characterized in that the upper and lower rollers are operated at under defenceli ⁇ cher peripheral speed.
  • the upper and lower rollers are operated at under defenceli ⁇ cher peripheral speed.
  • ha ⁇ ben upper and lower rollers have a ratio of Umlaufgeschwin ⁇ speed in the range of 1: 1.1 to 1: 3, preferably from 1: 1.1 to 1.5.

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Blech bestehend aus einer neuartigen Magnesiumlegierung mit Calciumanteil, das zusammen mit dem speziell abgestimmten Walzprozess potenziell sehr gute Umformeigenschaften aufweist. Erst durch Einsatz von Calcium als Substitut für Metalle der Seltenen Erden wird eine wirtschaftlichere Herstellung von Magnesiumblechlegierungen ermöglicht.

Description

Calcium als Substitut für Seltene Erdelemente in Magnesiumblechlegierungen mit guten Umformeigenschaften
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Blech bestehend aus einer neuartigen Magnesiumlegierung mit Calciumanteil , das zusammen mit dem speziell abgestimmten Walzprozess potenziell sehr gute Umformeigenschaften aufweist. Erst durch Einsatz von Calcium als Substitut für Metalle der Seltenen Erden wird eine wirtschaftlichere Herstellung von Magnesiumblechlegierungen ermöglicht .
Beschreibung des Standes der Technik
Magnesium ist der metallische Konstruktionswerkstoff mit dem niedrigsten spezifischen Gewicht. Es ist 75% leichter als Stahl und 35% leichter als Aluminium. Dadurch ergeben sich hohe gewichtsbezogene Festigkeitswerte, die vor allem für Kraft¬ fahrzeug- und Flugzeughersteller interessant sind. Jedoch wird das Leichtmetall bislang überwiegend als Gusswerkstoff verar¬ beitet: etwa für Fahrwerksteile und Motorblöcke. Für großflä¬ chige Karosserieteile aus Blech, bei denen durch das Leicht¬ baupotenzial von Magnesium noch mehr Gewicht eingespart werden könnte, fehlt es noch an Wirtschaftlichkeit.
Es besteht ein großes Interesse an Magnesiumblechen, da aus der Gewichtsreduzierung von Bauteilen erhebliche Einsparpotentiale resultieren.
Es liegen Erkenntnisse vor, dass die Umformeigenschaften mit der Zugabe von Metallen der seltenen Erden verbessert werden können. Durch die hohen Kosten und begrenzte Verfügbarkeit der Metalle der Seltenen Erden ist die Herstellung dieser Bleche aber weiterhin wirtschaftlich unattraktiv. Magnesiumblech kann im Allgemeinen durch Warmwalzen hergestellt werden. Die hergestellten Bleche weisen dann einerseits deutlich feinkörnigere Gefüge als das Ausgangsmaterial und an¬ dererseits eine stark ausgeprägte Fasertextur auf, die sich durch eine bevorzugte Orientierung der Basalflächen in der Blechebene charakterisieren lässt. Diese ausgeprägte Vorzugs¬ orientierung der Basalflächen in der Blechebene schränkt das Verformungsverhalten bei Raumtemperatur signifikant ein. Bei einer Zugbelastung in der Blechebene ist die Basalgleitung trotz ihrer ungünstigen Orientierung der dominante Verformungsmechanismus .
Dies bedingt direkt eine sehr eingeschränkte Tiefziehbarkeit der Magnesiumbleche bei Raumtemperatur. Das Umformverhalten der Magnesiumbleche kann durch die Abschwächung der starken Basaltextur sowie durch Kornfeinung verbessert werden. Eine entsprechende Einflussmöglichkeit auf die Gefüge- und Textur¬ entwicklung des Blechs ist durch die Legierungswahl und die Prozessführung gegeben.
Aktuelle Studien zeigen, dass eine Abschwächung und eine Veränderung der Blechtextur in aluminiumfreien Magnesiumlegierungen durch einen Zusatz seltener Erdelemente erreicht werden kann. So werden aufgrund der Rekristallisation während der Blechherstellung eine deutliche Abschwächung der basalen Textur und gelegentlich auch das Auftreten neuer, schwächerer Texturkomponenten beobachtet. Mit der legierungstechnischen Abschwächung des basalen Charakters der Blechtextur wurde ein Ansatz zur Verbesserung der Umformbarkeit von Magnesiumblechen aufgezeigt .
Mittels der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, Blech aus einer Magnesiumlegierung zur Verfügung zu stellen, das sehr gute Umformeigenschaften aufweist und eine wirtschaftliche Herstellung von Magnesiumblechlegierungen ermöglicht. Zusammenfassung der Erfindung
Durch Verwendung von Calcium als Substitut der Metalle der seltenen Erden (z.B. Cer, Lanthan, Neodym oder Yttrium) werden erfindungsgemäß gute Umformeigenschaften erreicht. Calcium ist ein preisgünstiges Element mit großer Verfügbarkeit.
Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe daher durch Magnesium¬ bleche (auch flaches Walzwerkfertigprodukt genannt) gelöst, die, bezogen auf deren Gesamtgewicht, aus:
0,2 bis 2,2 Gew.% Mangan,
0,05 bis 1,0 Gew.% Calcium,
0 bis 0,5 Gew.% Zirkon sowie
Magnesium und unvermeidliche Verunreinigungen als Rest bestehen .
Bevorzugt liegt der Calciumgehalt der Magnesiumbleche bei 0,3 bis 1,0 Gew.%, besonders bevorzugt bei 0,35 bis 0,6 Gew.%. Be¬ vorzugt liegt der Mangangehalt der Magnesiumbleche bei 0,8 bis 2,0 Gew.%, besonders bevorzugt bei 1,2 bis 2,0 Gew.%. Bevor¬ zugt enthält das erfindungsgemäße Magnesiumblech keine Zule- gierung von Zink, d.h. der Zinkgehalt liegt bevorzugt bei 0 Gew.% (ausgenommen unvermeidliche Verunreinigungen).
Als Blech wird ein flaches Walzwerkfertigprodukt aus Metall bezeichnet, das als Tafel ausgeliefert wird. Vorzugsweise sind die erfindungsgemäßen Magnesiumbleche aus der Gruppe bestehend aus Feinblechen mit einer Stärke im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 2,99 mm, Mittelblechen mit einer Stärke im Bereich von etwa 3,00 bis etwa 4,75 mm und Grobblechen mit einer Stärke im Bereich von etwa 4,76 mm bis etwa 20 mm ausgewählt. Besonders bevorzugt sind Blechstärken im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 5,00 mm, insbesondere etwa 0,75 bis etwa 3,00 mm, besonders bevorzugt etwa 1,00 bis etwa 2,00 mm und ganz besonders bevor¬ zugt etwa 1,5 mm.
Die Ausgangslegierung in Form von gießgewalzten Bändern, von strangepressten Flachprofilen oder als Brammen oder in einem Walzprozess als flaches Walzwerkfertigprodukt (sog. Blech) in erforderlicher Stärke ausgewalzt. Der Walzprozess ist dabei so gewählt, dass dieser mit einer Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C wirtschaftlich betrieben werden kann. Bei jedem Walzschritt wird bevorzugt ein Walzgrad von 0,05 bis 0,5 ange¬ wendet .
Eine Eigenschaft, die Bleche charakterisiert und Rückschlüsse auf deren Umformverhalten zulässt, ist die kristallographische Textur. Unter Textur versteht man in der Kristallographie die Gesamtheit der Orientierungen der Kristallite eines vielkristallinen Festkörpers. Aus ihr ergibt sich insbesondere die Anisotropie (Richtungsabhänigkeit) der mechanischen
Eigenschaften vieler metallischer Werkstoffe.
Die kristallographische Textur des erfindungsgemäßen Magnesi¬ umlegierungsblechs entspricht dabei qualitativ der der typi¬ schen schwach ausgeprägten Texturen einer aluminiumfreien Magnesiumlegierung mit Metallen der Seltenen Erden, z.B einer ZEIO-Legierung. Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Magnesi¬ umblech eine kristallographische Textur auf, in der eine Ori¬ entierung der Basalflächen parallel zur Blechebene nicht bevorzugt vorliegt. Diese bevorzugten Bleche sind dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das Intensitätsmaximum in der Basalpolfigur nicht mit der Blechnormalenrichtung zusammenfällt sondern diesem gegenüber ausgelenkt oder aufgespalten ist (siehe Figuren 1 und 2 ) . Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die erfindungsgemäßen Magnesiumbleche zeichnen sich dadurch aus, dass sie aus den in Anspruch 1 angegebenen Elementen in den dort angegebenen Mengen bestehen. Sie enthalten folglich keinerlei zusätzliche Elemente wie Metalle der Seltenen Erden, es sei denn, als unvermeidbare Verunreinigungen.
Die erfindungsgemäßen Magnesiumbleche werden durch Walzumformung zu einem Blech (Walzfertigprodukt) hergestellt. Bei der Walzumformung handelt es sich um ein Massivumformverfahren, bei dem ein Werkstoff zwischen zwei Walzen bei erhöhter Temperatur oder bei Raumtemperatur verformt wird. Dabei wird die Form des Werkstoffs derart verändert, dass er an Dicke abnimmt und in die Länge gezogen wird. Dieser Prozess ist in der Regel mehrstufig und wird von Zwischenglühungen begleitet, um die Temperatur des Werkstücks nicht zu stark absinken zu lassen. Erfindungsgemäß findet die Blechherstellung bei einer Tempera¬ tur von etwa 200 bis 500°C statt.
Während der Umformung in der Walze finden mikrostrukturelle Vorgänge statt, beispielsweise rekristallisiert das Material. Bei der Rekristallisation wird das Gefüge des Materials verän¬ dert und in der Regel neu ausgebildet. Je nach Ausprägung der Rekristallisationsmechanismen entstehen neue Blechgefüge, die durch unterschiedliche Texturen mit verschiedenen Intensitä¬ ten bestimmt werden. Mit der erfindungsgemäßen Legierung werden sehr homogene und feinkörnige Gefüge mit einer schwach ausgeprägten Textur erzielt. Diese Kombination verspricht einerseits gute mechanische Eigenschaften und andererseits eine verbesserte Umformbarkeit .
Die erfindungsgemäßen Magnesiumbleche werden aus gießgewalzten Bändern, stranggepressten Flachprofilen oder aus Brammen bestehend aus den erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungen unter Anwendung eines Walzverfahrens bei einer Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C hergestellt. Besonders bevorzugt wird für den abschließenden Walzschritt ein Verfahren mit variierten Walzenumfangsgeschwindigkeit angewendet, das auch als „Diffe- rental Speed Rolling (DSR)" bezeichnet wird. Beim DSR- Verfahren werden die obere und untere Walze mit unterschiedli¬ chen Umlaufgeschwindigkeiten angetrieben. Dadurch entsteht eine Scherverformung in der Blechdickenebene. Mit diesem Verfahren kann eine Verkippung der Vorzugsorientierung der Basalebe- nen aus der Blechebene erreicht werden. Obwohl eine ausgepräg¬ te Textur bestehen bleibt, wird die Vorzugsorientierung der Basalflächen bezüglich der Blechebene verändert und so eine erhöhte Aktivierbarkeit der Basalgleitung ermöglicht. Durch dieses Verfahren konnten Steigerungen der Zugfestigkeit um bis zu 50 MPa und der Bruchdehnung um bis zu 5% Dehnung beschrieben werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die gewalzten Bänder, Brammen oder Flachprofile in einem abschließendem Walzverfahren zur Enddicke ausgewalzt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass obere und untere Walze mit unterschiedli¬ cher Umfangsgeschwindigkeit betrieben werden. Vorzugsweise ha¬ ben obere und untere Walze ein Verhältnis von Umlaufgeschwin¬ digkeit im Bereich von 1:1,1 bis 1:3, vorzugsweise von 1:1,1 bis 1,5.

Claims

Patentansprüche
Magnesiumblech, bestehend aus, bezogen auf dessen Gesamtgewicht :
0,2 bis 2,2 Gew.% Mangan,
0,05 bis 1,0 Gew.% Calcium,
0 bis 0,5 Gew.% Zirkon sowie
Magnesium und unvermeidliche Verunreinigungen als Rest.
Magnesiumblech nach Anspruch 1, mit einem Gehalt an Calcium von 0,3 bis 1,0 Gew.%, bevorzugt 0,35 bis 0,6 Gew.%.
Magnesiumblech nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Gehalt an Mangan von 0,8 bis 2,0 Gew.%, bevorzugt 1,2 bis 2,0 Gew.%.
Magnesiumblech nach einem der vorgehenden Ansprüche ohne Zulegierung von Zirkon.
Magnesiumblech nach einem der vorgehenden Ansprüche mit einer Dicke von 0,5 mm bis 20 mm, bevorzugt 1 mm bis 15 mm.
Magnesiumblech nach einem der vorgehenden Ansprüche mit einer kristallographischen Textur, in der eine Orientierung der Basalfläche parallel zur Blechebene nicht bevor¬ zugt vorliegt.
Verfahren zur Herstellung Magnesiumblechen gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem gießgewalzte Bänder, Brammen oder stranggepreßte Flachprofile dieser Legierung bei einer Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C einem Walzverfahren unterworfen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7 bei dem Walzgrade (φ) im Bereich von 0,05 bis 0,5 angewandt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem die gewalzten Bänder, Brammen oder Flachprofile in einem abschließendem Walzverfahren zur Enddicke ausgewalzt werden, dass dadurch gekennzeichnet ist, dass obere und untere Walze mit unterschiedlicher Umfangsgeschwindigkeit betrie¬ ben werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ein Verhältnis von Umlaufgeschwindigkeit der oberen zur unteren Walze von 1:1,1 bis 1:3, vorzugsweise von 1:1,1 bis 1,5 besteht.
PCT/EP2013/057987 2012-04-18 2013-04-17 Calcium als substitut für seltene erdelemente in magnesium-blechlegierungen mit guten umformeigenschaften WO2013156523A1 (de)

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