DE19937184B4 - Magnesiumlegierung für Hochtemperatur-Anwendungen - Google Patents

Abstract

Legierung auf Magnesiumbasis für Hochdruckguß, die aufweist: 4,5 bis 10 Gew.-% Al; 5 bis 10 Gew.-% Zn; 0,15 bis 1,0 Gew.-% Mn; 0,05 bis 1 Gew.-% Seltenerdelemente; 0,01 bis 0,2 Gew.-% Sr; 0,0005 bis 0,0015 Gew.-% Be; Calcium in einem Anteil, der höher als 0,3 (Gew.-% Al – 4,0)0,5 Gew.-% und niedriger als 1,2 Gew.-% ist; und einem Rest Magnesium.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Magnesiumlegierung. Eine Aufgabe der Erfindung ist die Herstellung einer Magnesiumlegierung für Anwendungen bei erhöhten Temperaturen, die sich besonders zur Verwendung beim Druckgießverfahren eignet, aber auch bei anderen Anwendungen verwendbar ist, wie z. B. beim Sandguß und beim Dauer- bzw. Kokillenformguß.
• Die Eigenschaften von Metallbauteilen sind sowohl von der Zusammensetzung der Legierung als auch von der endgültigen Mikrostruktur der gefertigten Teile abhängig. Die Mikrostruktur ist ihrerseits sowohl vom Legierungssystem als auch von dessen Erstarrungsbedingungen abhängig. Die Wechselwirkung von Legierung und Verfahren bestimmt die mikrostrukturellen Merkmale, wie z. B. Typ und Morphologie von Ausscheidungen, Korngröße, Verteilung und Ort der Schrumpfungsmikroporosität, welche die Eigenschaften der Bauteile stark beeinflussen. Folglich weisen durch Druckguß hergestellte Magnesiumlegierungsteile Eigenschaften auf, die sich von denen, die durch Sandguß, Kokillenformguß und andere Gießverfahren entstehen, stark unterscheiden. Die Aufgabe des Legierungsentwicklers besteht darin, in die Mikrostruktur der verarbeiteten Teile einzugreifen und ihre Optimierung zu versuchen, um die Endeigenschaften zu verbessern.
• Eine umfassende Analyse von Literaturdaten und die Erfahrung der Erfinder zeigen, daß es für die Entwicklung von kostengünstigen, druckgießbaren Mg-Legierungen mit verbesserten Kriecheigenschaften wenige mögliche Richtungen gibt.
• Die billigen Druckgußlegierungen, die eine Mg-Matrix aufweisen und Aluminium sowie bis zu 1% Zink (AZ-Legierungen) oder Aluminium und Magnesium ohne Zink (AM-Legierungen) enthalten, scheinen die beste Kombination von Festigkeit, Gießbarkeit und Korrosionsbeständigkeit zu bieten. Sie weisen jedoch die Nachteile einer schlechten Kriechfestigkeit und einer schlechten Hochtemperaturfestigkeit auf, besonders in Gußteilen. Die Mikrostruktur dieser Legierungen ist durch intermetallische Mg₁₇Al₁₂-Ausscheidungen (β-Phase) in einem Matrixmischkristall aus Mg-Al-Zn gekennzeichnet. Die intermetallische β-Phasen-Verbindung weist eine kubische Kristallstruktur auf, die mit der hexagonal dicht gepackten Struktur des Matrixmischkristalls inkohärent ist. Übrigens hat sie einen niedrigen Schmelzpunkt (462°C) und kann sich wegen der beschleunigten Diffusion mit zunehmender Temperatur leicht entfestigen und vergröbern, wodurch sie die Korngrenzen bei erhöhten Temperaturen schwächt. Sie ist als der Schlüsselfaktor ermittelt worden, der für die niedrige Kriechfestigkeit dieser Legierungen verantwortlich ist. In Druckgußteilen ist die Mikrostruktur ferner durch eine sehr feine Korngröße und einen massiven Korngrenzenbereich gekennzeichnet, der für eine leichte Kriechverformung verfügbar ist.
• Beim Entwickeln von Mg-Legierungen für Druckgußanwendungen ist zu berücksichtigen, daß die Gegenwart von Al in der Legierung ausgesprochen notwendig ist, um für gute Fließfähigkeitseigenschaften (Gießbarkeit) zu sorgen. Daher sollte eine Mg-Legierung im flüssigen Zustand vor dem Erstarren einen ausreichenden Anteil Al enthalten. Andererseits führt die Gegenwart von Al zur Bildung von eutektischen intermetallischen Mg₁₇Al₁₂-Verbindungen – die obenerwähnte β-Phasen-Verbindung – welche die Kriechfestigkeit beeinträchtigen. Daher wäre es wünschenswert, ihre Entstehung durch Einbringen eines dritten, hierin allgemein mit ”Me” bezeichneten Elements zu unterdrücken, das mit Al eine intermetallische Al_zMe_w-Verbindung bilden kann.
• Diese Betrachtungen werden durch 1 veranschaulicht, die ein hypothetisches ternäres Zustandsdiagramm für das Mg-Al-Me-System darstellt (wobei Me das nicht spezifizierte dritte Legierungselement ist). Angenommen, in diesem System können im allgemeinen drei intermetallische Verbindungen entstehen: Mg₁₇Al₁₂, Mg_xMe_y, Al_zMe_w. Um die eutektische Reaktion zu unterdrücken, welche die Entstehung der β-Phasen-Verbindung Mg₁₇Al₁₂ nach sich zieht, muß das Element Me mit Aluminium zu der intermetallischen Verbindung Al_zMe_w reagieren. In diesem Falle ist der pseudobinäre Abschnitt Mg-Al_zMe_w aktiv. Dies findet nur in dem Falle statt, wenn die Affinität von Me zu Al stärker ist als die von Mg und die Bildung von Al_zMe_w gegenüber der Bildung der intermetallischen Verbindung Mg_xMe_y bevorzugt wird.
• Analysen verfügbarer binärer Zustandsdiagramme Mg-Me und Al-Me haben gezeigt, daß nur die folgenden Elemente die obenerwähnten Bedingungen erfüllen können:
• – Seltenerdelemente (Ce, La, Nd usw.)
• – Erdalakalielemente (Ca, Ba, Sr)
• – 3d-Übergangselemente (Mn, Ti).
• Calcium scheint wegen seiner niedrigen Kosten und wegen der Lieferbarkeit geeigneter Vorlegierungen mit niedrigen Schmelzpunkten als zusätzliches Hauptlegierungselement am attraktivsten zu sein. Außerdem gestattet das niedrige Atomgewicht von Calcium im Vergleich zu Seltenerdelementen einen niedrigeren Gewichtszuwachs, um den gleichen prozentualen Volumenanteil der Al_zMe_w-Verstärkungsphase zu erzielen.
• Die Zugabe von Ca zu Mg-Al-Mn- und Mg-Al-Zn-Legierungen wird in einigen älteren Patentschriften offenbart. So offenbart die deutsche Patentbeschreibung Nr. 847 992 Legierungen auf Magnesiumbasis, die 2 bis 10 Gew.-% Aluminium, 0 bis 4 Gew.-% Zink, 0,001 bis 0,5 Gew.-% Mangan, 0,5 bis 3 Gew.-% Calcium und bis zu 0,005 Gew.-% Beryllium aufweisen. Eine weitere notwendige Komponente in diesen Legierungen ist 0,01 bis 0,3 Gew.-% Eisen.
• Die PCT-Patentbeschreibung WO/CA96/25529 offenbart eine Legierung auf Magnesiumbasis, die 2 bis 6 Gew.-% Aluminium und 0,1 bis 0,8 Gew.-% Calcium enthält. Das wesentliche Merkmal dieser Legierung ist das Vorhandensein der intermetallischen Verbindung Al₂Ca an den Korngrenzen der Magnesiumkristalle. Die Legierung gemäß dieser Erfindung kann unter einer angreifenden Spannung von 35 MPa bei 150°C im Verlauf von 200 Stunden eine Kriechdehnung von weniger als 0,5% aufweisen.
• Die britische Patentbeschreibung Nr. 2 296 256 beschreibt eine Legierung auf Magnesiumbasis, die 1,5 bis 10 Gew.-% Aluminium, weniger als 2 Gew.-% Seltenerdelemente und 0,25 bis 5,5 Gew.-% Calcium enthält. Als wahlfreie Komponenten kann diese Legierung außerdem 0,2 bis 2,5 Gew.-% Kupfer und/oder Zink aufweisen.
• Magnesiumlegierungen mit Zink werden gewöhnlich zur Mischkristallverstärkung der Matrix und zur Verringerung der Korrosionsanfälligkeit von Mg-Legierungen auf Grund von Schwermetallverunreinigungen verwendet. Das Legieren mit Zn kann die gewünschte Fließfähigkeit liefern, und daher können viel niedrigere Al-Gehalte verwendet werden. Magnesiumlegierungen, die bis zu 10% Aluminium und weniger als etwa 2% Zn enthalten, sind druckgießbar. Eine höhere Zn-Konzentration führt jedoch zu Problemen mit der Warmrißbildung und der Mikroporosität.
• USP Nr. 3 892 565 offenbart, daß bei noch höheren Zn-Konzentrationen von 5 bis 20% die Magnesiumlegierung wieder mühelos druckgießbar ist. Als Bestätigung dafür beschreibt USP Nr. 5 551 996 außerdem eine druckgießbare Magnesiumlegierung, die 6 bis 12% Zn und 6 bis 12% Al enthält. Diese Legierungen weisen jedoch eine beträchtlich niedrigere Kriechfestigkeit als die handelsübliche AE42-Legierung auf.
• Die PCT-Patentanmeldung AO/KR97/40201 offenbart eine Magnesiumlegierung für Hochdruckguß, die 5,3 bis 10 Gew.-% Al, 0,7 bis 6,0 Gew.-% Zn, 0,5 bis 5 Gew.-% Si und 0,15 bis 10 Gew.-% Ca aufweist. Die Autoren behaupten, daß diese Legierung druckgießbar ist und eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Dehnung aufweist. Diese Patentanmeldung behandelt jedoch nicht die Kriechfestigkeit.
• Die DE 1 608 193 A betrifft Magnesiumlegierungen, die Aluminium und Calcium enthalten, wobei der maximale Zinkgehalt 0,6% beträgt.
• Die DE 32 42 233 C2 beschreibt eine korrosionsbeständige Magnesium-Aluminium-Zink-Guss Legierung, die aus 7–9% Aluminium, 0,5 bis 0,8% Zink, 0,15 bis 0,25% Mangan, 0,0005 bis 0,0015% Beryllium, 0,01 bis 0,03% Silicium, 0,004 bis 0,04% Eisen, 0,002 bis 0,02% Kupfer, 0,001 bis 0,002% Nickel und Magnesium als Rest besteht.
• In der EP 0 419 375 A1 werden mechanisch widerstandsfähige Magnesium-Legierungen beschrieben aus 2 bis 11% Aluminium, 0 bis 12% Zink, 0 bis 1% Mangan, 0,5 bis 7% Calcium, 0,1 bis 4% Seltenerdmetallen und Magnesium als Rest.
• Die EP 0 799 901 A1 offenbart eine hitzeresistente Magnesiumlegierung mit 2 bis 6 Gew.-% Aluminium und 0,5 bis 4% Calcium, wobei das Verhältnis zwischen Calcium und Aluminium von 0,6 bis 0,8% beträgt.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, verbesserte Legierungen auf Magnesiumbasis bereitzustellen, die. für Anwendungen bei erhöhter Temperatur geeignet sind. Diese Aufgabe wird mit Legierungen auf Magnesiumbasis gemäß den Ansprüchen gelöst.
• Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Legierungen, die besonders gut an die Verwendung im Druckgießverfahren angepaßt sind.
• Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Legierungen, die auch für andere Anwendungen, wie z. B. Sandguß und Kokillenformguß, verwendbar sind.
• Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Legierungen, die eine hohe Kriechfestigkeit und eine niedrige Kriechverformung aufweisen.
• Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Legierungen, die eine niedrige Anfälligkeit gegen Warmrißbildung aufweisen.
• Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Legierungen, welche die obenerwähnten Eigenschaften aufweisen und relativ niedrige Kosten verursachen.
• Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der weiteren Beschreibung hervorgehen.
• Die erfindungsgemäßen Legierungen sind Legierungen auf Magnesiumbasis für Hochdruckguß gemäß Anspruch 1, die 4,5 bis 10 Gew.-% Aluminium, 5 bis 10 Gew.-% Zn; 0,15 bis 1,0 Gew.-% Mangan; 0,05 bis 1 Gew.-% Seltenerdelemente; 0,01 bis 0,2 Gew.-% Strontium, 0,0005 bis 0,0015 Gew.-% Beryllium und Calcium aufweisen, wobei die Calciumkonzentration von der Aluminiumkonzentration abhängig ist und höher als 0,3 (Gew.-% Al – 4,0)^0,5 Gew.-%, aber niedriger als 1,2 Gew.-% ist. Die Legierung kann mindestens 83 Gew.-% Magnesium enthalten. Etwaige andere Elemente sind zufällige Verunreinigungen.
• Nach der vorliegenden Erfindung können die Legierungen 5 bis 10 Gew.-% Zink aufweisen. Der Zinkgehalt sollte dann in der folgenden Beziehung zum Aluminiumgehalt stehen: Gew.-% Zn = 8,2 – 2,2 ln (Gew.-% Al – 3,5)
• Das Mikrolegieren durch Seltenerdelemente (RE-Elemente) und Strontium ermöglicht eine Modifikation der ausgeschiedenen intermetallischen Verbindungen, die ihre Stabilität erhöht. Die Zugabe von Strontium führt außerdem zu einer geringeren Mikroporosität und zunehmender Fehlerfreiheit der Gußstücke.
• Im Falle eines hohen Zinkgehalts (5–10 Gew.-%) weist die Mikrostruktur Mg-Al-Zn-Mischkristall als Matrix und die folgenden intermetallischen Verbindungen auf: Mg₃₂ (Al, Zn, Ca, Sr)₄₉, Al₂ (Ca, Zn, Sr) und Al_x (Mn, RE)_y, wobei das Verhältnis von ”x” zu ”y” vom Aluminiumgehalt in der Legierung abhängt. Diese intermetallischen Verbindungen entstehen an den Korngrenzen des Mg-Al-Zn-Mischkristalls und erhöhen ihre Stabilität.
• Die erfindungsgemäßen Legierungen sind wegen der geringeren Anfälligkeit gegen Warmrißbildung und Anhaften an der Druckgießform besonders gut für Druckgußanwendungen verwendbar. Die Legierungen weisen eine gute Kriechfestigkeit und eine hohe technische bzw. 0,2%-Streckgrenze bei Umgebungstemperatur auf und können mühelos ohne Schutzatmosphäre gegossen werden.
• Die Legierungen sind außerdem relativ kostengünstig und können nach irgendeinem herkömmlichen Standardverfahren hergestellt werden.
• Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
• 1 ein hypothetisches ternäres Zustandsdiagramm Mg-Al-Me;
• 2 die Mikrostruktur einer Druckgußlegierung gemäß Beispiel 3;
• 3 die Mikrostruktur einer Druckgußlegierung gemäß Beispiel 4;
• 4 die Mikrostruktur einer AZ91-Druckgußlegierung;
• 5 die Mikrostruktur einer AE42-Druckgußlegierung;
• 6 die Mikrostruktur einer Druckgußlegierung gemäß Beispiel 6; und
• 7 die Mikrostruktur einer Druckgußlegierung gemäß Beispiel 8.
• Legierungen auf Magnesiumbasis mit erfindungsgemäßen Zusammensetzungen, wie vorstehend angegeben, besitzen Eigenschaften, die denen der bekannten Legierungen überlegen sind. Zu diesen Eigenschaften gehören eine gute Gießbarkeit und Korrosionsbeständigkeit in Kombination mit einer geringeren Kriechdehnung und einer hohen technischen Streckgrenze.
• Wie oben festgestellt, weisen die erfindungsgemäßen Legierungen Magnesium, Aluminium, Zink, Mangan, Calcium, Seltenerdelemente und Strontium auf. Wie weiter unten diskutiert, können sie auch andere Elemente als Zusätze oder Verunreinigungen enthalten.
• Die erfindungsgemäße Legierung auf Magnesiumbasis weist 4,5 bis 10 Gew.-% Al auf. Wenn die Legierung weniger als 4,5 Gew.-% Al enthält, weist sie keine guten Fließfähigkeitseigenschaften und keine gute Gießbarkeit auf. Enthält sie mehr als 10 Gew.-% Al, dann neigt das Aluminium zur Bindung mit dem Magnesium und bildet bedeutende Mengen intermetallische Mg₁₇(Al, Zn)₁₂-Verbindungen in der β-Phase, was zur Versprödung und zur Verringerung der Kriechfestigkeit führt.
• Legierungen, die mit Zinkgehalten unter 0,5 Gew.-% hergestellt werden, weisen eine geringere Festigkeit, Gießbarkeit und Korrosionsbeständigkeit auf. Legierungen, die mehr als 1 Gew.-% Zink enthalten, sind anfällig gegen Warmrißbildung und nicht druckgießbar. Bei noch höheren Zn-Konzentrationen von 5 bis 10% ist jedoch die Magnesiumlegierung wieder mühelos druckgießbar. Es ist festgestellt worden, daß zum Erreichen der besten Kombination aus Gießbarkeit und mechanischen Eigenschaften bei solchen hohen Zn-Konzentrationen der Zinkgehalt vorzugsweise in der folgenden Beziehung zum Aluminiumgehalt stehen sollte: Gew.-% Zn = 8,2 – 2,2 ln(Gew.-% Al – 3,5). Wenn die Zinkkonzentration 10% übersteigt, wird die Legierung spröde.
• Die Legierung enthält außerdem Calcium. Die Gegenwart von Calcium ist nützlich sowohl für die Kriechfestigkeit als auch für die Oxidationsbeständigkeit von vorgeschlagenen Legierungen. Es hat sich gezeigt, daß zur Modifikation der β-Phase oder zur vollständigen Unterdrückung ihrer Bildung der Calciumgehalt in der folgenden Beziehung zum Aluminiumgehalt stehen sollte: Gew.-% Ca ≥ 0,3(Gew.-% Al – 4,0)^0,5. Andererseits sollte der Calciumgehalt auf ein Maximum von 1,2 Gew.-% beschränkt werden, um ein mögliches Anhaften der Gußstücke in der Druckgießform zu vermeiden.
• Die erfindungsgemäßen Legierungen enthalten 0,05 bis 1 Gew.-% Seltenerdelemente. Der Begriff ”Seltenerdelemente”, wie er im folgenden gebraucht wird, soll irgendein Element oder Elementgemisch mit Ordnungszahlen von 57 bis 71 (Lanthan bis Lutetium) bezeichnen.
• Das Mischmetall auf Cerbasis ist vorzugsweise auf Kostenerwägungen zurückzuführen. Ein bevorzugter unterer Grenzwert für den Anteil an Seltenerdmetallen ist 0,15 Gew.-%. Ein bevorzugter oberer Grenzwert ist 0,4 Gew.-%. Die Gegenwart von Seltenerdelementen bewirkt eine Erhöhung der Beständigkeit der ausgeschiedenen intermetallischen Verbindungen und trägt zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit bei.
• Ferner enthalten die erfindungsgemäßen Legierungen 0,01 bis 0,2 Gew.-% Strontium; stärker bevorzugt können 0,05 bis 0,15 Gew.-% den Legierungen zugesetzt werden, um die ausgeschiedenen intermetallischen Phasen zu modifizieren und die Mikroporosität zu verringern.
• Die erfindungsgemäßen Legierungen enthalten außerdem Mangan, um Eisen zu entfernen und die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Der Mangangehalt ist vom Aluminiumgehalt abhängig und kann von 0,15 bis 1,0 Gew.-% variieren, vorzugsweise. von 0,22 bis 0,35 Gew.-%.
• Die erfindungsgemäßen Legierungen enthalten ferner einen geringen Anteil eines Elements, wie z. B. Beryllium, von nicht weniger als 0,0005 Gew.-% und nicht mehr als 0,0015 Gew.-%, und vorzugsweise von etwa 0,001 Gew.-%, um eine Oxidation der Schmelze zu verhindern.
• Silicium ist eine typische Verunreinigung, die in dem Magnesium enthalten ist, das zur Herstellung einer Magnesiumlegierung verwendet wird. Daher kann Silicium in der Legierung vorhanden sein; wenn es aber vorhanden ist, sollte sein Anteil 0,05 Gew.-%, vorzugsweise 0,03 Gew.-%, nicht übersteigen.
• Eisen, Kupfer und Nickel bewirken eine drastische Verringerung der Korrosionsbeständigkeit von Magnesiumlegierungen. Daher enthalten die Legierungen vorzugsweise weniger als 0,005 Gew.-% Eisen und stärker bevorzugt weniger als 0,004 Gew.-% Eisen, vorzugsweise weniger als 0,003 Gew.-% Kupfer sowie vorzugsweise weniger als 0,002 Gew.-% Nickel und stärker bevorzugt weniger als 0,001 Gew.-% Nickel.
• Es ist festgestellt worden, daß die Zugabe von Calcium, Seltenerdelementen (RE) und Strontium in den hier angegebenen Anteilen in Gew.-% zur Ausscheidung von verschiedenen intermetallischen Verbindungen führt.
• In Legierungen mit einem Zinkgehalt von weniger als 1 Gew.-% wurden die intermetallischen Verbindungen Al₂(Ca, Sr), Mg¹⁷(Al, Ca, Zn, Sr)₁₂ und Al_x(Mn, RE)_y an Korngrenzen der Matrix-Mg-Al-Zn-Mischkristalle nachgewiesen. In den intermetallischen Al-Mn-RE-Verbindungen ist das Verhältnis von ”x” zu ”y” von der Aluminiumkonzentration in einer Legierung abhängig.
• In den Legierungen mit Zinkgehalten von 5 bis 10 Gew.-% besteht die Mikrostruktur aus einer Mg-Al-Zn-Mischkristallmatrix und den folgenden intermetallischen Verbindungen:
  Mg₃₂(Al, Zn, Ca, Sr)₄₉, Al₂(Ca, Zn, Sr) und Al_x(Mn, RE)_y, wobei das Verhältnis von ”x” zu ”y” vom Aluminiumgehalt in einer Legierung abhängt. Diese Teilchen befinden sich an den Korngrenzen der Matrix.
• Die erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungen weisen eine gute Kriechfestigkeit in Kombination mit einer hohen technischen Streckgrenze bei Umgebungstemperatur und erhöhter Temperatur auf.
• Die erfindungsgemäßen Legierungen sind für den Einsatz bei Temperaturen bis zu 150°C und bei hoher Belastung bis zu 100 MPa vorgesehen. Bei diesen Bedingungen weisen sie unter einer angreifenden Spannung von 85 MPa bei 135°C eine spezifische sekundäre Kriechgeschwindigkeit (das Verhältnis einer minimalen Kriechgeschwindigkeit ε . zur Streckgrenze σ bei Umgebungstemperatur) von weniger als 1·10^–10s^–1MPa^–1 auf, stärker bevorzugt von weniger als 7·10^–11s^–1MPa^–1.
• Außerdem weisen die erfindungsgemäßen Legierungen unter einer angreifenden Spannung von 85 MPa bei 135°C eine dem Übergang vom primären zum sekundären Kriechen entsprechende Kriechverformung ε_1–2 auf dem Niveau von weniger als 0,8% auf.
• Die Erfindung wird ferner anhand der folgenden Beispiele beschrieben und ausführlicher erläutert.
• Beispiele – Allgemeine Verfahren
• Mehrere Legierungen wurden in einem Tiegel aus kohlenstoffarmem Stahl unter einer Schutzgasatmosphäre aus CO₂ + 0,5% SF₆ hergestellt.
• Es wurden die folgenden Rohstoffe verwendet:
  Magnesium-Reinmagnesium, Güteklasse 998OA, mit einem Gehalt von mindestens 99,8% Mg.
  Mangan – eine Al-60%Mn-Vorlegierung, die bei einer Schmelzentemperatur von 700°C bis 720°C, in Abhängigkeit von der Mangankonzentration, in das geschmolzene Magnesium eingebracht wurde. Eine spezielle Aufbereitung von Einsatzmaterialstücken und intensives Rühren der Schmelze über 15–30 Minuten wurden angewandt, um die Manganauflösung zu beschleunigen.
  Aluminium – handelsübliches Reinaluminium (weniger als 0,2% Verunreinigungen)
  Zink – handelsübliches Reinzink (weniger als 0,1% Verunreinigungen)
  Seltenerdelemente – eine AL-20%MM-Vorlegierung, wobei MM ein Mischmetall auf Cerbasis bedeutet, das 50% Ce + 25% La + 20% Nd + 5% Pr enthält.
  Calcium – eine Al-75%Ca-Vorlegierung
  Strontium – eine Al-10%Sr-Vorlegierung.
• Typische Legierungstemperaturen für Al, Zn, Ca, Sr und Seltenerdelemente (RE) waren 690°C bis 710°C. Intensives Rühren über 2–15 min war zum Auflösen dieser Elemente in der Magnesiumschmelze ausreichend.
• Beryllium – 5–15 ppm Beryllium wurden in Form einer Al-1%Be-Vorlegierung nach dem Absetzen der Schmelze bei Temperaturen von 650°C–670°C vor dem Gießen zugesetzt.
• Nach Erhalt der erforderlichen Zusammensetzung wurden die Legierungen zu 8 kg-Gußblöcken gegossen. Das Gießen erfolgte ohne Schutz des Metalls während der Erstarrung in der Form. An der Oberfläche aller Versuchsblöcke wurden weder Abbrand noch Oxidation beobachtet.
• Zur Beurteilung der Anfälligkeit gegen Warmrißbildung wurde der Ringtest angewandt. Die Tests wurden unter Verwendung einer Stanldruckgießform mit einem inneren konischen Stahlkern (Scheibe) mit variablem Durchmesser ausgeführt. Der Kerndurchmesser kann in Schritten von 5 mm von 30 mm bis 100 mm variieren. Die Probekörper haben die Form eines flachen Rings mit einem Außendurchmesser von 110 mm und einer Dicke von 5 mm. Daher variiert die Ringbreite in Schritten von 2,5 mm von 40 mm bis 5 mm.
• Die Anfälligkeit gegen Warmrißbildung wird nach der Mindestbreite des Rings beurteilt, der ohne Warmrißbildung gegossen werden kann. Je kleiner der Wert, desto geringer ist die Anfälligkeit gegen Warmrißbildung.
• Die Gießversuche wurden unter Verwendung einer 200-Tonnen-Kaltkammerdruckgießmaschine ausgeführt. Die zur Herstellung von Probekörpern verwendete Druckgießform war eine Dreifachform, die enthielt:
• – einen runden Probekörper für Zugversuche gemäß ASTM-Standard B557M-94
• – Einen Probekörper für Schlagversuche gemäß ASTM-Standard E23
• – Einen für Kriechtests geeigneten Probekörper
• Die Gießbarkeit wurde gleichfalls während des Druckgießens beurteilt. Jedes Gußstück erhielt auf der Basis der beobachteten Fließfähigkeit, Oxidationsbeständigkeit und der Haftung an der Druckgießform eine Bewertung von 1 bis 5 (wobei ”1” die beste und ”5” die schlechteste Bewertung darstellt).
• Die chemische Analyse wurde mit Hilfe eines Funkenemissionsspektrometers ausgeführt.
• Mikrostrukturanalysen wurden mit Hilfe eines optischen Mikroskops und eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) ausgeführt, das mit einem energiedispersiven Spektrometer (EDS) ausgestattet war. Die Phasenzusammensetzung wurde mittels Röntgenbeugungsanalyse bestimmt.
• Der Mittelwert der Porosität wurde durch Messungen der effektiven Dichte quantitativ bestimmt. Zur Bestimmung der effektiven Dichte wurde das Archimedische Prinzip angewandt. Der erhaltene Dichtewert wurde mit Hilfe der unten angegebenen Gleichung in die prozentuale Porosität umgerechnet: Porosität in % = [(d_theor – d_act)/d_theor]·100 mit d_theor = theoretische Dichte; d_act = effektive Dichte.
• Zugversuche bei Umgebungstemperatur wurden mit Hilfe einer Instron 4483-Maschine ausgeführt. Die technische Streckgrenze (TYS), die Reißfestigkeit (UTS) und die prozentuale Dehnung (%E) wurden bestimmt.
• Die Charpy-Kerbschlagversuche wurden unter Verwendung von ungekerbten Kerbschlagproben nach ASTM E 23 ausgeführt.
• Die erfindungsgemäßen Legierungen sind gut auf Anwendungen bei Kraftfahrzeug-Antriebskomponenten, wie z. B. einem Getriebegehäuse, zugeschnitten. Diese Komponente arbeitet bei einer Temperatur von etwa 135°C und einer hohen Belastung von 85 MPa. Daher sollte eine Legierung für diese Anwendung die folgenden Anforderungen erfüllen: sehr niedrige primäre Kriechgeschwindigkeit, mäßige sekundäre Kriechgeschwindigkeit und ziemlich hohe technische Streckgrenze bei Betriebstemperaturen.
• Für die Kriechversuche wurde die SATEC Model M-3-Maschine verwende. Auf der Basis der obenerwähnten Bedingungen wurden Kriechversuche bei 135°C über 200 h unter einer Last von 85 MPa ausgeführt.
• Die spezifische sekundäre Kriechgeschwindigkeit (Verhältnis einer sekundären Kriechgeschwindigkeit ε . zur technischen Streckgrenze σ_y bei Umgebungstemperatur) und die Kriechverformung ε_1-2, die dem Übergang vom primären zum sekundären Kriechen entspricht, wurden betrachtet und als repräsentative Parameter ausgewählt, die sowohl die Kriechfestigkeit als auch die Festigkeit neu entwickelter Legierungen berücksichtigen.
• Beispiele 1–5 und Vergleichsbeispiele 1–4
• In den Tabellen 1 bis 4 sind fünf Beispiele von Legierungen und vier Vergleichsbeispiele dargestellt. Die chemischen Zusammensetzungen neu entwickelter Legierungen sind in Tabelle 1 zusammen mit den chemischen Zusammensetzungen von Vergleichslegierungen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Vergleichsbeispiele 3 und 4 die handelsüblichen Legierungen auf Magnesiumbasis AZ91D bzw. AE42 sind.
• Die Ergebnisse der metallographischen Untersuchung neuer Legierungen sind in den 2-5 dargestellt. Diese Mikroaufnahmen zeigen, daß die ausgeschiedenen Teilchen von intermetallischen Verbindungen entlang den Korngrenzen der Magnesiummatrix angeordnet sind. In Tabelle 2 ist die Phasenzusammensetzung der Beispiel-Legierungen und der Vergleichslegierungen zusammengefaßt.
• Es ist offensichtlich, daß das Legieren von Aluminium, Zink, Calcium, Seltenerdelementen und Strontium in den hier angegebenen Gewichtsanteilen zur Bildung neuer intermetallischer Phasen führt, die sich von den in AZ91D- und AE42-Legierungen vorhandenen intermetallischen Verbindungen unterscheiden.
• Die Ergebnisse der Gießbarkeitstests und die mechanischen Eigenschaften von Beispiel-Legierungen und Vergleichslegierungen sind in Tabelle 3 und Tabelle 4 aufgeführt. Es ist erkennbar, daß die Beispiel-Legierungen Gießbarkeitseigenschaften aufweisen, die mit denen der Legierung AZ91D (Vergleichsbeispiel 3) vergleichbar sind, die allgemein als ”beste druckgießbare” Magnesiumlegierung anerkannt wird.
• Andererseits weisen die Beispiel-Legierungen im Vergleich zur AZ91D-Legierung und insbesondere zur AE42-Legierung eine verminderte Porosität, eine ähnliche oder bessere technische Streckgrenze und spezifische Streckgrenze σ_y/ρ auf.
• Der größte Vorteil der Beispiel-Legierungen zeigte sich jedoch bei der Durchführung des Kriechversuchs. Tabelle 4 zeigt, daß neue Legierungen eine spezifische sekundäre Kriechgeschwindigkeit ε ./σ_y aufweisen, die nur einen Bruchteil der Kriechgeschwindigkeit der AZ91D-Legierung beträgt und erheblich kleiner ist als die der AE42-Legierung.
• Außerdem war die Kriechverformung ε_1-2, die dem Übergang vom primären zum sekundären Kriechen entspricht, bei den Beispiel-Legierungen erheblich geringer als bei den Vergleichsbeispielen.

  

  Tabelle 2 – Phasenzusammensetzungen von Legierungen

  

  Tabelle 3 – Gießbarkeitseigenschaften

  Legierung	Ringbreite mm	Druckgießbarkeit
  		Fließfähigkeit	Oxidationsbeständigkeit	Anhaften an der Druckgießform
  Beispiel 1	17.5	2	2	2
  Beispiel 2	15	1	1	1
  Beispiel 3	15	1	1	1
  Beispiel 4	12.5	1	1	2
  Beispiel 5	12.5	1	1	2
  Vergleichsbeispiel 1	20	3	1	5
  Vergleichsbeispiel 2	12.5	1	1	2
  Vergleichsbeispiel 3	12.5	1	2	1
  Vergleichsbeispiel 4	25	3	3	2

• 
• Beispiele 6–9 und Vergleichsbeispiele 3–6
• Vier erfindungsgemäße Legierungen wurden hergestellt und nach dem oben beschriebenen allgemeinen Verfahren untersucht und bilden die Beispiele 6 bis 9. Die früher beschriebenen Vergleichsbeispiele 3 und 4 wurden zum Vergleich mit den Beispielen 6 bis 9 herangezogen, und außerdem wurden zwei weitere Vergleichslegierungen, welche die Vergleichsbeispiele 5 und 6 bilden, hergestellt und nach dem oben beschriebenen allgemeinen Verfahren untersucht.
• Die chemischen Zusammensetzungen der Legierungen sind in Tabelle 5 aufgeführt.
• Die Ergebnisse der metallographischen Untersuchung sind in den 6 und 7 dargestellt. Diese Ergebnisse zeigen in Verbindung mit den Daten von EDS-Analysen und Röntgenbeugungsdaten, daß neue Phasen in den erfindungsgemäßen Legierungen vorhanden sind. Wie aus Tabelle 6 ersichtlich, in der die Phasenzusammensetzungen der Legierungen angegeben sind, unterscheiden sich die in den erfindungsgemäßen Legierungen ausgeschiedenen intermetallischen Verbindungen völlig von den intermetallischen Verbindungen, die in der AZ91D-Legierung und der AE42-Legierung (Vergleichsbeispiele 3 und 4) gebildet werden.
• Tabelle 7 zeigt, daß die erfindungsgemäßen Legierungen Gießbarkeitseigenschaften aufweisen, die denen der AZ91D-Legierung ähnlich oder besser sind und erheblich besser sind als die Gießbarkeitseigenschaften der AE42-Legierung und der Legierung des Vergleichsbeispiels 5.
• Die neuen Legierungen weisen außerdem eine geringere Porosität und eine höhere spezifische Streckgrenze σ_y/ρ als die entsprechenden Eigenschaftswerte der AZ91D-Legierung und der AE42-Legierung sowie der Legierungen der Vergleichsbeispiele 5 und 6 auf.
• Wie aus Tabelle 8 erkennbar, weisen die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung nach dem Test bei 135°C unter einer Last von 85 MPa eine spezifische sekundäre Kriechgeschwindigkeit ε ./σ_y auf, die um eine Größenordnung kleiner ist als die der Legierung AZ91D und weniger als die Hälfte der spezifischen sekundären Kriechgeschwindigkeit der AE42-Legierung und der Legierungen der Vergleichsbeispiele 5 und 6 beträgt.
• Außerdem weisen die erfindungsgemäßen Legierungen eine beträchtlich kleinere Kriechverformung ε_1–2 als die Legierungen der Vergleichsbeispiele 5 und 6 auf.

  

  

  Tabelle 7 – Gießbarkeitseigenschaften

  Legierung	Ringbreite mm	Druckgießbarkeit
  		Fließfähigkeit	Oxidationsbeständigkeit	Anhaften an der Druckgießform
  Beispiel 6	12.5	1	1	1
  Beispiel 7	12.5	1	1	1
  Beispiel 8	10	1	1	1
  Beispiel 9	12.5	1	1	2
  Vergleichsbeispiel 3	12.5	1	2	1
  Vergleichsbeispiel 4	25	3	3	2
  Vergleichsbeispiel 5	30	1	1	4
  Vergleichsbeispiel 6	20	1	1	1

• 
• Zu Erläuterungszwecken sind zwar eine Anzahl von Beispielen der Erfindung beschrieben worden, es versteht sich aber, daß diese keine Beschränkung der Erfindung darstellen und daß die Erfindung von Fachleuten mit vielen Abänderungen, Modifikationen und Anpassungen ausgeführt werden kann, ohne den in den Ansprüchen definierten Schutzumfang zu überschreiten.

Claims (6)

1. Legierung auf Magnesiumbasis für Hochdruckguß, die aufweist: 4,5 bis 10 Gew.-% Al; 5 bis 10 Gew.-% Zn; 0,15 bis 1,0 Gew.-% Mn; 0,05 bis 1 Gew.-% Seltenerdelemente; 0,01 bis 0,2 Gew.-% Sr; 0,0005 bis 0,0015 Gew.-% Be; Calcium in einem Anteil, der höher als 0,3 (Gew.-% Al – 4,0)^0,5 Gew.-% und niedriger als 1,2 Gew.-% ist; und einem Rest Magnesium.
2. Legierung nach Anspruch 1, die mindestens 83 Gew.-% Magnesium enthält.
3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die ferner zufällige Verunreinigungen aufweist.
4. Legierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die 5 bis 10 Gew.-% Zn und 0,1 bis 1 Gew.-% Seltenerdelemente enthält, und wobei der Zinkgehalt mit dem Aluminiumgehalt durch die folgende Beziehung verbunden ist: Gew.-% Zn = 8,2 – 2,2 ln (Gew.-% Al – 3,5).
5. Legierung nach Anspruch 4, die mindestens 85 Gew.-% Magnesium enthält.
6. Legierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die 0,00 bis 0,005 Gew.-% Eisen, 0,00 bis 0,003 Gew.-% Kupfer, 0,00 bis 0,002 Gew.-% Nickel und 0,00 bis 0,05 Gew.-% Silizium enthält.

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