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Verwendung einer Magnesiumlegierung Die Erfindung betrifft die Verwendung
einer Legierung auf Magnesiumbasis, welche Zink und Zirkonium oder Mangan enthält,
als Werkstoff für Bleche, die bei hoher Festigkeit und Dehnung annähernd gleiche
Festigkeit in Längs- und Querrichtung aufweisen müssen.
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Magnesiumlegierungen in Form gewalzter Bleche, welche Zink und Zirkonium
oder Mangan enthalten, besitzen weder die gewünschten hohen und im wesentlichen
isotropischen, mechanischen Eigenschaften noch gute Verformbarkeit und Schweißbarkeit.
Magnesium-Zink-Legierungen mit einem Gehalt an Mangan oder Zirkonium sind schlecht
walzbar, wenn der Zinkgehalt etwa 3 % überschreitet. Liegt der Zinkgehalt unter
3 °/o, so liegt eine genügende Heißwalzbarkeit vor, jedoch ist die Kaltwalzbarkeit
noch ungenügend. Nimmt der Zinkgehalt weiter ab, so besitzen die Legierungen in
gesalzter Form zunehmend schlechtere mechanische Eigenschaften. Die schlechten Eigenschaften
der üblichen Magnesium-Zink-Legierung auf Magnesiumbasis führt man auf die heterogene
Dformation zurück, welche eintritt, wenn die Legierung, wie beim Kaltwalzen, kalt
verfestigt ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnesiumlegierung, welche
in gewalztem Zustand hohe Dehnbarkeit, hohe Festigkeit, gute Schweißbarkeit, Zähigkeit,
Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist, darüber hinaus hohe Biegungsfestigkeit
und hohe Druckfestigkeit, sowohl in Walzlängs- als auch in Walzquerrichtung.
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Erfindungsgemäß wird als Werkstoff für Bleche, die bei hoher Festigkeit
und Dehnung annähernd gleiche Festigkeit in Längs- und Querrichtung aufweisen müssen,
eine Magnesiumlegierung aus 1,25 bis 3 °/o Zink, dem 0,04- bis 0,2fachen des Zinkgehaltes
an Seltenen Erdmetallen einzeln oder zu mehreren, 0,2 bis 0,8 °/o Zirkonium oder
1 bis 2 °/o Mangan, Rest Magnesium einschließlich der üblichen Verunreinigungen
verwendet. Vorzugsweise beträgt die Zinkmenge 2,0 bis 2,5 °/o und die Zirkoniummenge
0,5 bis 0,7 °/o. Enthält die Legierung Mangan, so können die Seltenen Erdmetalle
ganz oder teilweise, ohne Änderung der Eigenschaften, durch Thorium ersetzt werden.
Der Ersatz durch Thorium erfolgt auf der Basis des gleichen Atomgewichtes, d. h.,
die Gewichtsmenge des Thoriums entspricht der 1,6fachen Gewichtsmenge an Seltenen
Erdmetallen, die ersetzt werden.
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Die Zugabe der Seltenen Erdmetalle, welche gewöhnlich die Strangpreßbarkeit
und die mechanischen Eigenschaften bei Zimmertemperatur der Magnesium-Zink-Legierung
auf Magnesiumbasis in Gußform negativ beeinflußt, wirkt positiv auf die gewalzten
Magnesium-Zink-Zirkonium-Legierungen auf Magnesiumbasis. Die Zugabe von Seltenen
Erdmetallen verbessert die Heißwalzbarkeit von Legierungen dieser Art mit relativ
hohem Zinkgehalt, offenbar zufolge der Abnahme der Konzentration der niedrigschrnelzenden
Magnesium-Zink-Phasen. Auffallend verbessert werden aber auch die Kaltverarbeitbarkeit
und die sich daraus ergebenden Eigenschaften, offenbar hervorgerufen durch die Förderung
einer mehr homogenen Deformation. Das Mengenverhältnis der Seltenen Erdmetalle zum
Zink in der Legierung ist von Bedeutung. Die Zugabe von zuviel Seltenen Erdmetallen
beeinflußt die Festigkeit in Querrichtung, die Verformbarkeit und die allgemeinen
mechanischen Eigenschaften negativ.
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Am meisten beeinflußt die Zugabe der Seltenen Erdmetalle im Sinne
des angegebenen Bereiches die Längs-und die Quereigenschaften der gewalzten Legierung.
Die Festigkeit in Querrichtung ist erheblich höher als die in Längsrichtung. Bei
Zugabe von kleinen, aber zunehmend größer werdenden Mengen von Seltenen Erdmetallen
zu einer typischen Mg-Zn-Zr- oder Mg-Zn-Mn-Legierung werden die festgestellten Längseigenschaften
der erhaltenen Zusammensetzung in gewalztem Zusstand zunehmend größer, während gleichzeitig
die festgestellten Quereigenschaften sich zunehmend einem Maximalwert nähern, um
sodann auf einen Wert abzufallen, der kleiner ist als der der Längseigenschaften.
Die Legierungen, bei welchen
die Längs- und Quereigenschaften sich
nähern, gleich werden oder nur ganz wenig divergieren, werden erfindungsgemäß verwendet.
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Es wurde bisher pocht nicht bekannt, daß bei Veränderung der Mengenverhältnisse
einer kleinen Komponente einer Legierung die Größenverhältnisse der Quer- und Längseigenschaften
umgekehrt sind. Nach den bisherigen Erkenntnissen konnte ein solcher Wechsel infolge
solch kleiner Änderungen in den Verhältnissen der Legierungskomponente nicht erwartet
werden.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist es, daß bei Ansteigen des Legierungsgehaltes
die Menge der Seltenen Erdmetalle, die für die Umstellung der Größen der Quer- und
Längseigenschaften erforderlich ist, ebenfalls ansteigt. Die Menge der erforderlichen
Seltenen Erdmetalle entspricht dem 0,04- bis 0,2-, zweckmäßig dem 0,06- bis 0,12fachen
des vorliegenden Anteils an Zink. Die genannten Verhältnisse sind graphisch in der
Zeichnung dargestellt.
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In dieser Zeichnung ist der Prozentgehalt an Seltenen Erdmetallen
in der Ordinate und der Prozentgehalt an Zink in der Abszisse angegeben. Die Verhältnisse
von Seltenen Erdmetallen und Zink in der Legierung sind durch die Linien begrenzt,
die die Punkte A, B, C und D verbinden. Diese betreffende Legierung weist
einen Gehalt an 0,2 bis 0,8 °/o Zirkonium auf, welches bei Behandlung mit Chlorwasserstoffsäure
löslich ist, oder 0,1 bis 2,0 Gewichtsprozent Mangan. Der Rest des Gehaltes der
Legierung ist Magnesium. Ein bevorzugtes Mengenverhältnis ist in der Zeichnung durch
die Linien E, F, G und H wiedergegeben.
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Legierungen mit einem Seltenen Erdmetallgehalt im Verhältnis zum Zink,
der durch die Linie AB
repräsentiert ist, zeigen niedrige Quereigenschaften,
während diejenigen Verhältnisse der genannten Metalle zueinander unter der Linie
CD niedrige Längseigenschaften und schlechte Walzbarkeit bedingen. Unter etwa 10/,
Zinkgehalt zeigen die Legierungen schlechte mechanische Eigenschaften. Bei einem
Gehalt von etwa über 3,0 °/o Zink sind die Legierungen schwer zu schweißen oder
ohne Einreißen zu walzen.
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Die für die vorliegende Legierung in Betracht kommenden Seltenen Erdmetalle
sind: Ce, La, Pr, Nd oder Mischmetall. Mischmetall mit 35 bis 80 °/o Cer, bis zu
5 °/o Metallen, die keine Seltenen Erdmetalle sind, und dem Rest an Seltenen Erdmetallen
sind ein zweckmäßiger Zusatz zur Legierung. Die vorgenannten Seltenen Erdmetalle
können je für sich allein oder in gegenseitiger Mischung miteinander verwendet werden.
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Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung wird in der Weise hergestellt,
daß man die Legierungsbestandteile in geeigneten Mengenverhältnissen zusammenschmilzt
oder daß man Vorlegierungen mit einem Gehalt an den Legierungsbestandteilen benutzt.
Der Schutz gegen Oxydation während des Legierens wird durch die Verwendung eines
magnesium-chloridfreien Schmelzsalzes, wie üblich, bewirkt. Die geschmolzene Legierung
wird im Schmelzftuß dadurch gereinigt, daß man den Schmelzfluß mit einem zusätzlichen
Schmelzsalz aufrührt. Die so gereinigte Legierung läßt man sich absetzen. Sodann
erfolgt die Trennung vom Schmelzsalz durch Abgießen in einen geeigneten Gießbehälter.
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Zirkonium wird zweckmäßig in Form einer Magnesium-Zirkonium-Vorlegierung
der Mg-Zn-Mn-Schmelze zugegeben, ehe das Absetzen erfolgt, um auf diese Weise die
Geschmeidigkeit beim Flachwalzen zu verbessern. Eine Menge von 0,001 bis 0,05 Gewichtsprozent
Zirkonium, bezogen auf das Gewicht der Legierung, ist wirksam. Größere Mengen von
Zirkonium sollen nach Möglichkeit vermieden werden, da sie leicht eine Ausfällung
eines Teiles des Mangangehaltes der Legierung zur Folge haben.
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Beim Walzen des Blockes wird man zweckmäßig die Gußhaut entfernen,
um den Walzen des Walzwerkes eine glatte saubere Oberfläche zu belassen. Die zu
walzende Legierung wird auf eine Walztemperatur von etwa 427 bis 454°C erhitzt.
Das erhitzte Metall wird sodann durch Passieren der Walzen des Walzwerkes in der
Stärke reduziert. Das Walzen wird 10 bis 38'C knapp vor Erreichen der Temperatur
abgestellt, bei welcher ein Reißen beim. Walzen ohne vorangehendes Wiedererhitzen
des Metalls eintreten würde. Die Temperatur, bei welcher das Metall zum Reißen neigt,
aber ein Reißen pocht nicht eintritt, kann durch Versuche bestimmt werden und ändert
sich je nach dem Verhältnis der Bestandteile der Legierung. Im allgemeinen legt
man auf ein nicht eintretendes Reißen beim Walzen Wert. So soll im allgemeinen ein
Wiedererhitzen erfolgen, wenn die Temperatur auf 315 bis 343'C absinkt.
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Die Stärkeverminderung des Blockes auf 20 bis 300/, kann pro
Walzvorgang vorgenommen werden, ohne daß das Metall auf eine Untertemperatur absinkt.
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Nach Glühen des heißgewalzten Metalls, z. B. durch 1stündiges Erhitzen
auf 371°C, kann das heißgewalzte Metall auf 40 bis 50 °/o Reduktion kaltgewalzt
werden (Warmwalzen von z. B. 82°C). Die Stärkeverminderung pro Walzgang ist 1 bis
2 °/o. Vor dem Beginn des Kaltwalzens auf 40 bis 50 °/o ist es zweckmäßig, ein vorangehendes,
totales Kaltwalzen auf etwa 15 °/o vorzunehmen, hervorgerufen durch eine Mehrzahl
von Walzgängen. Darauf wird man auf 371'C 1 Stunde lang erhitzen, um auf
diese Weise die nachfolgende Kaltwalzfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften
zu verbessern.
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Legierungszusammensetzungen entsprechend der Erfindung werden in zu
walzenden Platten von 5, 10, 20 cm gegossen. Die zu walzenden Platten werden auf
eine Stärke von etwa 4,78 cm abgehobelt, auf etwa 427 bis 454°C erhitzt und sodann
auf eine Stärke von etwa 2,54 cm quergewalzt. Daraufhin wird um 90° gewendet und
auf etwa 0,32 cm Stärke gewalzt. Es wird schließlich 1 Stunde lang auf
371'C erhitzt. Die erhitzten Streifen werden sodann in einer Mehrzahl von
Gängen um 1 bis 2 °/o Stärkeverminderung pro Walzgang auf eine Stärke von etwa 0,25
cm kaltgewalzt. Es wird wiederum 1 Stunde lang auf 371'C
erhitzt. An dieses
Erhitzen schließt sich ein zusätzliches 40°/oiges Kaltwalzen an. Der gewalzte Streifen
wird schließlich 1 Stunde lang auf 135'C erhitzt. Die in der nachstehenden Tabelle
angegebenen Eigenschaften sind einem nach vorangehender Vorschrift behandeltem Walzprodukt
entnommen.
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In der nachstehenden Tabelle ist zum Vergleich ein Blech herangezogen,
welches aus einer Magnesium-Zink-Zirkonium-Legierung besteht, welche keine Seltenen
Erdmetalle enthält, und welches in der gleichen Weise, wie oben erwähnt, durch Walzen
hergestellt worden ist. Aus dem Vergleich der Längs- und Quereigenschaften der gewalzten
Legierung kann festgestellt werden, daß die entsprechenden Längs- und Quereigenschaften
einer Magnesium-Zink-Zirkonium-Legierung wesentlich andere sind, wenn die Legierung
Seltene Erdmetalle nicht enthält.
| Tabelle 1 |
| Legie- o Eigenschaften der gewalzten Legierung |
| rung /o Zusammensetzung, Rest Mg |
| Längseigenschaften @ Quereigenschaften |
| Nr. Zn MM I Th Mn Zr % E TYS I CYS TS % E TYS CYS TS |
| 1 1,4 0,12 - 0,95 6 23,8 23,1 30,1 16 21,7 22,4 30,8 |
| 2 1,4 0,12 - 1,9 6 24,5 23,8 31,5 14 22,4 23,1 31,5 |
| 3 1,5 0,10 - 1,5 7 25,2 24,5 32,2 18 23,1 23,1 32,2 |
| 4 2,0 0,12 - 1,6 7 25,9 25,9 32,2 13 25,2 26,6 33,6 |
| 5 2,5 0,25 - 1,5 7 25,9 25,9 3232 13 25,2 26,6 33,6 |
| 6 2,2 0,11 0,15 1,5 6 28,0 25,2 34,3 16 24,5 25,9 34,3 |
| 7 2,2 - 0,26 1,5 5 24,5 21,0 30,1 12 28,0 27,3 35,0 |
| 8 1,5 0,08 0,7 8 21,7 19,6 28,0 16 22,4 22,4 30,1 |
| 9 2,0 0,20 0,7 8 25,2 23,8 31,5 16 23,8 25,9 32,2 |
| 10 2,9 1 0,30 0,6 8 25,2 24,5 31,5 18 23,8 25,2 32,9 |
| 11 3,0 j - 0,8 6 22,4 19,6 28,7 17 28,7 23,8 33,6 |
| 0/0 E = % Dehnung bei 5 cm Meßlänge. Alle Festigkeiten sind
in kg/mm2 aufgeführt. |
| TYS = Streckgrenze (0,2% bleibende Dehnung). MM = verwendetes
Mischmetall, bestehend aus: 48% Ce,18 °% |
| CYS = Quetschgrenze (0,2% bleibende Verformung. Nd, 5,5% Pr
und 28,5% La (kleine Mengen von anderen Selte- |
| TS = Zugfestigkeit. nen Erdmetallen sind enthalten). |
Legierungen mit einem Gehalt von etwa 2 °/o oder mehr Zink werden zweckmäßig durch
Strangpressen verarbeitet, ehe sie in Walzprodukte übergeführt werden. Strangpreßabschnitte
dieser Legierungen in Form von Platten sind sehr brauchbar zum Walzen und gestatten
das Heiß- und das Kaltwalzen. Um ein Walzprodukt herzustellen, wird z. B. ein Block
einer Legierung erhitzt und bei etwa 315 bis 427'C ausgepreßt. Die Temperatur hängt
ab von der Größe der vorzunehmenden Reduktion. Je höher die vorzunehmende Reduktion
ist, desto höher soll die angewendete Temperatur sein. Vor dem Walzen wird der Strangpreßabschnitt,
nämlich die Platte, auf eine Temperatur zwischen etwa 427 und 454°C erhitzt. Der
erhitzte Block wird ohne Wiedererhitzen in einer Anzahl von Walzgängen so lange
gewalzt, bis das Metall ein Wiedererhitzen erfordert, wenn beim Weiterwalzen ein
Reißen vermieden werden soll. Das so gewonnene Walzprodukt wird 1 Stunde lang auf
etwa
371'C erhitzt und kann sodann kaltgewalzt werden (Warmwalzen von 82°C).
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Nach Erhitzen des so gewonnenen heißgewalzten Produktes für etwa 1
Stunde auf 371'C kann es bis zu einer Stärkeverminderung von 45 bis
5001, kaltgewalzt werden (Warmwalzen 82°C). Die Angaben in der nachfolgenden
Tabelle 2 beziehen sich auf Legierungen und ihre Eigenschaften in Form vorgepreßter
und dann gewalzter Streifen.
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Zur Herstellung gewalzter Streifen wurden vier Stangen von 7,6 cm
Durchmesser je einer anderen Legierung gegossen. Die Rundstangen wurden auf einen
Durchmesser von 7,47 cm spanabhebend bearbeitet, auf 399'C erhitzt und sodann bei
371'C in Streifen von 1,0 - 5 cm stranggepreßt. Die gepreßten Bänder werden
auf 427°C erhitzt, in mehreren Walzpassagen auf eine Stärke von 0,5 cm quergewalzt,
gewendet und parallel zur Preßrichtung auf eine Stärke von etwa 0,25 cm gewalzt.
Es wird wiedererhitzt bei 454°C, wiedergewalzt, und zwar in einem einzigen Walzgang,
auf eine Stärke von 0,15 cm. Der gewalzte Streifen wird 1 Stunde lang bei
371'C
erhitzt. Der so erhitzte Streifen wird kaltgewalzt; und zwar im Zuge
einer Stärkeverminderung von 1 bis 2 °/o pro Walzgang. Die gesamte Stärkeverminderung
beim Kaltwalzen ist etwa 40 °/o. Der kaltgewalzte Streifen wird 1 Stunde lang auf
135'C erhitzt, worauf die Prüfung im Sinne der nachfolgenden Tafel 2 erfolgte.
| Tabelle 2 |
| Legie- o Eigenschaften der stranggepreßten und gewalzten Legierung |
| mit /o Zusammensetzung, Rest Mg Längseigenschaft g Quereigenschaft |
| Nr. Zn MM I Mn % E TYS I CYS TS % E TYS j CYS TS |
| 12 2,3 0,2 1,6 6 25,2 25,9 32,2 13 23,8 25,9 33,6 |
| 13 2,5 0,1 1,5 5 25,2 25,2 32,2 14 25,2 26,6 34,3 |
| 14 3,0 0,15 1,5 6 24,5 23,8 31,5 12 I 24,5 25,2 33,6 |
| 15 3,0 0,45 1,5 8 I 24,5 25,2 31,5 14 23,1 23,8 32,9 |
| 0/0 E = % Dehnung bei 5 cm Meßlänge. Alle Festigkeiten sind
in kg/mm2 aufgeführt. |
| TYS = Streckgrenze (0,2% bleibende Dehnung). MM = verwendetes
Mischmetall, bestehend aus: 48 % Ce,18 0/0 |
| CYS = Quetschgrenze (0,2% bleibende Verformung). Nd, 5,5% Pr
und 28,5% La (kleine Mengen von anderen Selte- |
| TS = Zugfestigkeit. nen Erdmetallen sind enthalten). |
Der Vorteil der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung ist unter anderem, daß
sie das charakteristische Gewicht von Magnesium besitzt, aber Formbarkeit, Korrosionswiderstandsfähigkeit
und gute Schweißbarkeit aufweist.