DE202016105961U1

DE202016105961U1 - High strength and high ductile magnesium alloy

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Publication number: DE202016105961U1
Application number: DE202016105961.5U
Authority: DE
Original assignee: Magontec GmbH
Current assignee: Magontec GmbH
Priority date: 2016-10-24
Filing date: 2016-10-24
Publication date: 2016-12-20
Anticipated expiration: 2026-10-25

Abstract

Magnesium-Schmelzlegierung neben Magnesium mindestens umfassend die weiteren Legierungsbestandteile Aluminium, Seltenerdmetalle und Mangan, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung Aluminium mit einem Gehalt von größer oder gleich 1,5 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,5 Gew.-%, Mangan mit einem Gehalt von größer oder gleich 0,1 Gew.-% und kleiner oder gleich 0,5 Gew.-% und ein oder mehrere Seltenerdmetalle mit einem Gehalt von größer oder gleich 1,5 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,5 Gew.-% aufweist.Magnesium fused alloy in addition to magnesium at least comprising the other alloying constituents aluminum, rare earth metals and manganese, characterized in that the alloy comprises aluminum with a content of greater than or equal to 1.5 wt .-% and less than or equal to 3.5 wt .-%, manganese with a content of greater than or equal to 0.1% by weight and less than or equal to 0.5% by weight and one or more rare earth metals with a content greater than or equal to 1.5% by weight and less than or equal to 3, 5 wt .-% has.

Description

Die Erfindung betrifft hochfeste und hochduktile Magnesiumschmelzlegierungen, welche neben Magnesium als weitere Legierungsbestandteile Aluminium, Seltenerdmetalle und Mangan enthalten und wobei der Seltenerd- ebenso wie der Aluminiumanteil zwischen größer oder gleich 1,5 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,5 Gew.-% liegt, sowie Gusswerkstücke erhalten durch Gießen der geschmolzenen Legierung.The invention relates to high-strength and high-ductility magnesium-melt alloys containing, in addition to magnesium, as further alloy constituents aluminum, rare-earth metals and manganese and wherein the rare-earth as well as the aluminum content is greater than or equal to 1.5% by weight and less than or equal to 3.5% by weight. %, as well as castings obtained by casting the molten alloy.

Magnesiumbasierende Legierungen haben aufgrund verbesserter Verarbeitungsmethoden in den letzten Jahrzehnten ein immer breiteres Leistungsspektrum erhalten. Als Funktion der Legierungszusammensetzungen und der verwendeten Prozesse und -parameter konnten für viele Anwendungsbereiche die Qualitätseigenschaften derart gestaltet werden, dass die Legierungen den auftretenden Qualitätsanforderungen im hohen Maße genügen und gegenüber den bisher eingesetzten Werkstoffen deutliche Vorteile aufweisen. So werden heutzutage Magnesiumlegierungen bevorzugt zur Herstellung von Gusswerkstücken für den Automobil- und den Luftfahrzeugbau eingesetzt. In diesen Industrien werden insbesondere die besonderen mechanischen Eigenschaften wie geringe Dichte, hohes Festigkeit-zu-Gewicht-Verhältnis, einfache Ver- und Bearbeitbarkeit, gutes Gießverhalten, insbesondere im Druckguss, und die guten Dämpfungseigenschaften geschätzt.Magnesium-based alloys have become more and more powerful in recent decades due to improved processing techniques. As a function of the alloy compositions and the processes and parameters used, the quality properties could be designed for many areas of application in such a way that the alloys meet the occurring quality requirements to a high degree and have clear advantages over the previously used materials. For example, magnesium alloys are nowadays preferably used for the production of cast workpieces for the automotive and aircraft industry. In these industries in particular the special mechanical properties such as low density, high strength-to-weight ratio, ease of workability, good casting behavior, especially in die casting, and the good damping properties are estimated.

Im Allgemeinen werden für die Herstellung von Magnesium-Gussteilen Mg-Al oder Mg-Al-Zn-Legierungen eingesetzt. Weiterhin bekannt sind auch Magnesium-Legierungen mit Bestandteilen von Seltenerdmetallen. So beschreibt beispielsweise die EP1957221 B1 ein Verfahren zum Gießen einer Magnesiumlegierung, die aus Folgendem besteht: 2,0–6,00 Gew.-% Aluminium, 3,00–8,00 Gew.-% Seltenerdmetallen (RE-Metallen), wobei das Verhältnis der Menge an RE-Metallen zur Menge an Aluminium in Gew.-% ausgedrückt größer als 0,0 ist, wobei mindestens 40 Gew.-% der RE-Metalle Cer sind, weniger als 0,5 Gew.-% Mangan, weniger als 1,00 Gew.-% Zink, weniger als 0,01 Gew.-% Kalzium weniger als 0,01 Gew.-% Strontium und der Rest aus Magnesium und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht, wobei der Gesamtverunreinigungspegel unter 0,1 Gew.-% liegt, wobei die Legierung in ein Ausformwerkzeug gegossen wird, dessen Temperatur in einem Bereich von 180–340°C geregelt wird, das Ausformwerkzeug in einer Zeit gefüllt wird, die in Millisekunden ausgedrückt gleich dem Produkt einer Zahl zwischen 5 und 500 multipliziert mit der durchschnittlichen Teildicke ausgedrückt in Millimeter ist, die statischen Metalldrücke während des Gießens zwischen 20–70 MPa gehalten werden und anschließend auf bis zu 180 MPa verstärkt werden.In general, Mg-Al or Mg-Al-Zn alloys are used for the production of magnesium castings. Also known are magnesium alloys with components of rare earth metals. For example, describes the EP1957221 B1 a method for casting a magnesium alloy consisting of 2.0-6.00 wt% aluminum, 3.00-8.00 wt% rare earth metals (RE metals), wherein the ratio of the amount of RE Metals to the amount of aluminum in weight percent expressed greater than 0.0, wherein at least 40 wt .-% of the RE metals are cerium, less than 0.5 wt .-% manganese, less than 1.00 wt % Of zinc, less than 0.01% by weight of calcium less than 0.01% by weight of strontium and the balance of magnesium and unavoidable impurities, the total impurity level being less than 0.1% by weight, the Alloy is poured into a molding tool whose temperature is controlled in a range of 180-340 ° C, the mold is filled in a time expressed in milliseconds equal to the product of a number between 5 and 500 multiplied by the average partial thickness expressed in millimeters is the static metal pressures during casting between 20-70 MPa held and then reinforced up to 180 MPa.

Trotz der vorliegenden Vielfalt an eingesetzten Magnesium-Legierungen besteht immer noch ein gesteigertes Interesse an weiteren Zusammensetzungen, welche sich einfach und reproduzierbar zu Gusswerkstücken verarbeiten lassen und welche insbesondere hohe mechanische Festigkeiten und hohe Duktilitäten aufweisen.Despite the variety of magnesium alloys used, there is still an increased interest in further compositions which can be easily and reproducibly processed into cast workpieces and which in particular have high mechanical strengths and high ductility.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung sowohl eine Magnesium-Legierung mit verbesserten Gießeigenschaften als auch Werkstücke aus dieser Legierung mit verbesserten mechanischen Eigenschaften bereitzustellen.It is therefore the object of the present invention to provide both a magnesium alloy with improved casting properties and workpieces of this alloy with improved mechanical properties.

Erfindungsgemäß gelöst wird diese Aufgabe durch eine Magnesium-Schmelzlegierung die neben Magnesium mindestens die weiteren Legierungsbestandteile Aluminium, Seltenerdmetalle und Mangan umfasst, wobei die Legierung Aluminium mit einem Gehalt von größer oder gleich 1,5 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,5 Gew.-%, Mangan mit einem Gehalt von größer oder gleich 0,1 Gew.-% und kleiner oder gleich 0,5 Gew.-% und ein oder mehrere Seltenerdmetalle mit einem Gehalt von größer oder gleich 1,5 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,5 Gew.-% aufweist. Überraschenderwiese wurde gefunden, dass Magnesium-Schmelzlegierungen mit dieser Zusammensetzung bevorzugte mechanische Eigenschaften aufweisen. Zum einen lassen sich mit diesem Legierungstyp mechanisch hochfeste Werkstücke herstellen und zum anderen zeigen diese mechanisch hochfesten Werkstücke außerdem noch ein verbessertes duktiles Verhalten. Trotz hoher mechanischer Festigkeiten sind die Legierungen also in der Lage, mechanisch flexible Strukturen auszubilden, welche einwirkenden mechanischen Kräften ausreichend lange ohne Zerstörung des Gefüges widerstehen. Ohne durch die Theorie gebunden zu sein, kann sich dieses verbesserte mechanische Verhalten durch die gleichzeitige Kombination relativ geringer Seltenerdmetall- und Aluminium-Anteile in der Legierung ergeben. Diese Kombination zeigt anscheinend ein deutlich besseres mechanisches Verhalten als Magnesium-Schmelzlegierungen, in denen entweder nur der Seltenerdmetall- oder nur der Aluminiumanteil reduziert oder beide Anteile hoch sind. Die Anteile der einzelnen Legierungsbestandteile können durch dem Fachmann bekannte Methoden erfolgen. Möglich ist zum Beispiel die Bestimmung nach Auflösung mittels AAS oder an gegossenen Werkstücken durch röntgenografische Methoden wie ED-RFX.According to the invention, this object is achieved by a magnesium fused alloy which, in addition to magnesium, comprises at least the other alloy constituents aluminum, rare earth metals and manganese, the alloy comprising aluminum with a content of greater than or equal to 1.5% by weight and less than or equal to 3.5% by weight %, Manganese having a content of greater than or equal to 0.1% by weight and less than or equal to 0.5% by weight and one or more rare earth metals having a content of greater than or equal to 1.5% by weight and has less than or equal to 3.5 wt .-%. Surprisingly, it has been found that magnesium alloys with this composition have preferred mechanical properties. On the one hand, this type of alloy makes it possible to produce mechanically high-strength workpieces and, on the other hand, these mechanically high-strength workpieces also show an improved ductile behavior. Thus, in spite of high mechanical strengths, the alloys are able to form mechanically flexible structures which withstand acting mechanical forces for a sufficiently long time without destroying the microstructure. Without being bound by theory, this improved mechanical performance may result from the simultaneous combination of relatively low levels of rare earth and aluminum in the alloy. This combination apparently shows a much better mechanical behavior than magnesium fusible alloys, in which either only the rare earth metal or only the aluminum content is reduced or both proportions are high. The proportions of the individual alloy constituents can be carried out by methods known to the person skilled in the art. It is possible, for example, to determine the resolution after AAS or on cast workpieces by X-ray methods such as ED-RFX.

Die erfindungsgemäße Magnesiumlegierung ist eine Magnesiumlegierung welche sich insbesondere zur Herstellung von Gusslegierungen eignet. Die Verwendung dieses Legierungstyps für andere Applikation ist aber nicht ausgeschlossen. So sind die erfindungsgemäßen Legierungen auch für weitere Einsatzmethoden wie Kneten, Walzen und/oder Stranggießen geeignet. The magnesium alloy according to the invention is a magnesium alloy which is particularly suitable for the production of casting alloys. However, the use of this type of alloy for other applications is not excluded. Thus, the alloys of the invention are also suitable for other application methods such as kneading, rolling and / or continuous casting.

Seltenerdmetalle im Sinne der Erfindung sind die Elemente 57–71 des Periodensystems der Elemente, also insbesondere La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu.For the purposes of the invention, rare-earth metals are elements 57-71 of the Periodic Table of the Elements, that is to say in particular La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu.

In einem weiteren Aspekt können mindestens 40 Gew.-% des Anteils an Seltenerdmetallen in der Magnesiumlegierung aus den Elementen Lanthan, Cer oder Kombinationen daraus bestehen. Dies beinhaltet, dass neben den Elementen Lanthan, Cer noch weitere Seltenerdmetall-Bestandteile in der Legierung vorliegen können. Es hat sich jedoch für die mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Werkstücke als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn mindestens 40% des Seltenerdmetall-Anteils durch entweder Lanthan, Cer oder eine Mischung beider Seltenerdmetalle gebildet wird. Insofern ist es natürlich auch möglich, dass der gesamte Anteil an Seltenerdmetallen in der Legierung durch entweder Lanthan oder Cer gebildet wird. Die Beschreibung eines „gesamten Anteils” beinhaltet in diesem Fall natürlich, dass nicht vermeidbare Verunreinigungen oder auch das Vorliegen von Spuren anderer Metalle vernachlässigt wird. Vernachlässigbar ist insbesondere das Vorliegen weiterer Metalle mit einem Gewichtsprozent-Anteil von kleiner oder gleich 1% bezogen auf die gesamte Seltenerdmetall-Menge.In another aspect, at least 40 weight percent of the rare earth metal content in the magnesium alloy may be lanthanum, cerium, or combinations thereof. This implies that in addition to the elements lanthanum, cerium, further rare earth metal constituents may be present in the alloy. However, it has been found to be particularly advantageous for the mechanical properties of the workpieces obtained when at least 40% of the rare earth metal content is formed by either lanthanum, cerium or a mixture of both rare earth metals. In this respect, it is of course also possible that the entire proportion of rare earth metals in the alloy is formed by either lanthanum or cerium. Of course, the description of an "integral part" in this case implies that unavoidable impurities or the presence of traces of other metals is neglected. Particularly negligible is the presence of other metals with a weight percentage of less than or equal to 1% based on the total amount of rare earth metal.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung kann der Aluminiumgehalt der Magnesiumlegierung größer oder gleich 2,0 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,0 Gew.-% sein. Insbesondere mit diesem Aluminiumgehalt in der Magnesium-Schmelzlegierung lassen sich äußerst duktile und hochfeste Legierungen erhalten, welche sich für hoch anspruchsvolle Einsatzgebiete eignen. Dieser Aluminiumgehalt kann insbesondere auch für die Fälle besonders geeignet sein, in denen Werkstücke gegossen und diese anschließend einer thermischen Nachbehandlung unterzogen werden.In an additional embodiment, the aluminum content of the magnesium alloy may be greater than or equal to 2.0 wt% and less than or equal to 3.0 wt%. In particular, with this aluminum content in the magnesium melting alloy can be extremely ductile and high-strength alloys obtained, which are suitable for highly demanding applications. This aluminum content may also be particularly suitable for the cases in which workpieces are cast and then subjected to a thermal aftertreatment.

Innerhalb eines weiteren Aspekts kann der Seltenerdmetall-Gehalt der Magnesiumlegierung größer oder gleich 2,0 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,0 Gew.-% sein. Insbesondere mit diesen Seltenerdmetall-Anteilen in der Magnesium-Schmelzlegierung lassen sich äußerst duktile und hochfeste Legierungen erhalten, welche sich für hoch anspruchsvolle Einsatzgebiete eignen. Dieser Seltenerdmetall-Anteil kann insbesondere auch für die Fälle besonders geeignet sein, in denen Werkstücke mittels der Magnesium-Schmelzlegierung hergestellt und diese anschließend einer thermischen Nachbehandlung unterzogen werden.Within another aspect, the rare earth metal content of the magnesium alloy may be greater than or equal to 2.0 wt% and less than or equal to 3.0 wt%. In particular, with these rare earth metal components in the magnesium melting alloy can be extremely ductile and high-strength alloys obtained, which are suitable for high demanding applications. This rare earth metal component can be particularly suitable for the cases in which workpieces are produced by means of magnesium fused alloy and these are then subjected to a thermal aftertreatment.

In einer weiteren Ausgestaltung kann sowohl der Aluminium- wie auch der Seltenerdmetall-Gehalt der Magnesiumlegierung größer oder gleich 1,75 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,5 Gew.-% sein. Für die mechanischen Eigenschaften der Magnesium-Schmelzlegierungen hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn sowohl der Aluminium- wie auch der Seltenerdmetall-Anteil innerhalb des oben angegebenen Bereiches liegt. Die Legierungen zeichnen sich durch eine besondere mechanische Festigkeit bei gleichzeitig guter Duktilität aus. Dieses Verhalten zeigt sich so weder bei höheren Aluminium- oder Seltenerdmetall-Gehalten oder bei deutlich unterschiedlichen Anteilen von Seltenerdmetallen und Aluminium in der Magnesium-Schmelzlegierung.In a further embodiment, both the aluminum content and the rare earth metal content of the magnesium alloy may be greater than or equal to 1.75% by weight and less than or equal to 3.5% by weight. For the mechanical properties of magnesium fusible alloys, it has been found to be particularly advantageous if both the aluminum and the rare earth metal content is within the range specified above. The alloys are characterized by a special mechanical strength combined with good ductility. This behavior does not show up either at higher aluminum or rare earth metal contents or at significantly different proportions of rare earth metals and aluminum in the magnesium melting alloy.

Innerhalb eines weiteren erfindungsgemäßen Aspektes kann der gesamte Anteil an Seltenerdmetall der Magnesiumlegierung nur aus Lanthan bestehen. Insbesondere für den Zusatz an Lanthan erhält man sehr gute mechanische Eigenschaften der resultierenden Magnesium-Schmelzlegierung. Außerdem lassen sich Magnesium-Schmelzlegierungen mit La als einzigen Seltenerdmetall-Bestandteil sehr gut gießen und zeigen eine nur äußerst geringe Neigung zur Rissbildung.Within a further aspect of the invention, the total amount of rare earth metal of the magnesium alloy may consist only of lanthanum. In particular, for the addition of lanthanum is obtained very good mechanical properties of the resulting magnesium fused alloy. In addition, magnesium fused alloys with La as the only rare earth metal component can be cast very well and have a very low tendency to cracking.

Innerhalb einer bevorzugten Ausführungsform kann das Seltenerdmetall in der Magnesiumlegierung Lanthan sein und der Anteil an Aluminium größer oder gleich 2,5 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,5 Gew.-% und der Anteil an Lanthan größer oder gleich 1,75 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,0 Gew.-% betragen. Auch der Einsatz einer im Vergleich zur Aluminiummenge etwas geringeren Menge an Seltenerdmetallen zeigt im Rahmen der mechanischen Eigenschaften daraus hergestellter Gusstücke besonders gute mechanische Eigenschaften. Anscheinend können innerhalb des erfindungsgemäßen Konzentrationsbereiches an Aluminium und Seltenerdmetallen diese Eigenschaften im Besonderen auch dann vorliegen, wenn das Gewichtsverhältnis von Aluminium zu Seltenerdmetall nicht bei 1:1 liegt, sondern in der Legierung etwas weniger Seltenerdmetall als Aluminium vorliegt. Bevorzugte Gewichtsverhältnisse können von 1:1 bis zu 0,9:1 oder 0,8:1 (Seltenerdmetall zu Aluminium) liegen.Within a preferred embodiment, the rare earth metal in the magnesium alloy may be lanthanum and the proportion of aluminum greater than or equal to 2.5% and less than or equal to 3.5% by weight and the proportion of lanthan greater than or equal to 1.75% .-% and less than or equal to 3.0 wt .-% amount. The use of a somewhat smaller amount of rare earth metals compared to the amount of aluminum also shows particularly good mechanical properties within the framework of the mechanical properties of castings produced therefrom. Apparently, within the concentration range of aluminum and rare earth metals according to the present invention, these properties may be particularly exhibited even when the weight ratio of aluminum to rare earth metal is not 1: 1, but in the alloy is a little less rare earth metal than aluminum. Preferred weight ratios may be from 1: 1 to 0.9: 1 or 0.8: 1 (rare earth to aluminum).

Innerhalb einer weiteren Ausgestaltung kann der gesamte Anteil an Seltenerdmetall in der Magnesiumlegierung nur aus Cer bestehen. Unter Verwendung von Cer als einzigen Seltenerdmetall-Bestanteil innerhalb der Magnesium-Schmelzlegierung ergeben sich mechanisch sehr feste und duktile Legierungen, welche darüber hinaus eine gute Gießfähigkeit zeigen. Es werden auch hier Werkstücke erhalten, welche keine oder nur eine geringe Rissneigung während der Herstellung von Gusslegierungen zeigen. Within a further embodiment, the total amount of rare earth metal in the magnesium alloy may consist only of cerium. Using cerium as the only rare earth metal constituent within the magnesium fused alloy results in mechanically very strong and ductile alloys, which moreover show good pourability. Workpieces are also obtained here which show no or only a slight tendency to crack during the production of casting alloys.

Des Weiteren sind Gusswerkstücke aus einer Magnesiumschmelzlegierung im Sinne der Erfindung, welche nach einem Verfahren mindestens umfassend die Schritte

a) Herstellen einer Schmelze mindestens umfassend Magnesium, Aluminium, Seltenerdmetalle und Mangan, wobei die Legierung Aluminium mit einem Gehalt von größer oder gleich 1,5 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,5 Gew.-%, Seltenerdmetalle mit einem Gehalt von größer oder gleich 1,5 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,5 Gew.-% und Mangan mit einem Gehalt von größer oder gleich 0,1 Gew.-% und kleiner oder gleich 0,5 Gew.-% aufweist und mindestens 40 Gew.-% des Anteils an Seltenerdmetallen aus den Elementen Lanthan, Cer oder Kombinationen daraus besteht,
b) Gießen der Legierung in eine Form zum Erhalt eines Magnesiumlegierung-Gusswerkstücks und
c) Abkühlen der Schmelze zum Erhalt des Gusswerkstückes

hergestellt sind. Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich die erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungen mittels Gießverfahren zur Herstellung von Magnesiumlegierungs-Werkstücken eignen. Zum einen resultiert die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzungen in einer besonders effizienten Herstellung, da die gegossenen Werkstücke eine nur geringe Rissneigung aufweisen. Zum anderen zeichnen sich die gegossenen Werkstücke durch besonders gute mechanische Eigenschaften aus. Insbesondere zeigen die Werkstücke eine besonders gute Festigkeit bei gleichzeitig hoher Duktilität.Furthermore, casting workpieces are made from a magnesium-melt alloy in the sense of the invention, which by a process comprises at least the steps

a) producing a melt at least comprising magnesium, aluminum, rare earth metals and manganese, wherein the alloy comprises aluminum with a content of greater than or equal to 1.5 wt .-% and less than or equal to 3.5 wt .-%, rare earth metals containing greater than or equal to 1.5% by weight and less than or equal to 3.5% by weight and manganese having a content of greater than or equal to 0.1% by weight and less than or equal to 0.5% by weight, and at least 40% by weight of the proportion of rare earth metals consists of the elements lanthanum, cerium or combinations thereof,
b) casting the alloy into a mold to obtain a magnesium alloy cast workpiece, and
c) cooling the melt to obtain the casting workpiece

are made. Surprisingly, it has been found that the magnesium alloys according to the invention are suitable by casting for the production of magnesium alloy workpieces. On the one hand, the use of the alloy compositions according to the invention results in a particularly efficient production, since the cast workpieces have only a slight tendency to crack. On the other hand, the cast workpieces are characterized by particularly good mechanical properties. In particular, the workpieces show a particularly good strength with high ductility.

In einer bevorzugten Ausgestaltung kann nach dem Schritt c) das Gusswerkstück für mindestens 30 Minuten einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von größer oder gleich 100°C und kleiner oder gleich 500°C unterzogen werden. Die mechanischen Eigenschaften der Gusswerkstücke, welche eine erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung aufweisen, können überraschenderweise durch eine nachträgliche Wärmebehandlung deutlich verbessert werden. Zum einen kann im Rahmen der oben angegebenen Temperaturbehandlung die Festigkeit von Werkstücken deutlich erhöht werden. So lassen sich beispielsweise die Festigkeiten der Werkstücke um über 25% durch die angegebene Temperbehandlung erhöhen. Zum anderen erhält man Werkstücke, welche trotz der hohen Festigkeit eine deutlich verbesserte Duktilität aufweisen. So kann beispielsweise die Duktilität von Werkstücken aus den erfindungsgemäßen Magnesium-Schmelzlegierungen um bis zu 80% über der Duktilität nicht erfindungsgemäßer Magnesium-Schmelzlegierungen, beispielsweise mit Aluminium- und Seltenerdmetallgehalten über 3,5%, liegen.In a preferred embodiment, after step c), the cast workpiece may be subjected to a heat treatment at a temperature of greater than or equal to 100 ° C. and less than or equal to 500 ° C. for at least 30 minutes. Surprisingly, the mechanical properties of the cast workpieces which have an alloy composition according to the invention can be significantly improved by a subsequent heat treatment. On the one hand, in the context of the above-mentioned temperature treatment, the strength of workpieces can be significantly increased. For example, the strengths of the workpieces can be increased by more than 25% through the specified tempering treatment. On the other hand, one obtains workpieces which, despite the high strength, have a significantly improved ductility. Thus, for example, the ductility of workpieces from the magnesium fusible alloys according to the invention can be up to 80% higher than the ductility of non-inventive magnesium fusible alloys, for example with aluminum and rare earth metal contents above 3.5%.

Innerhalb eines weiteren Aspektes kann nach dem Schritt c) das Gusswerkstück für mindestens 1 h einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von größer oder gleich 150°C und kleiner oder gleich 300°C unterzogen werden. Diese Verfahrensparameter führen zu Werkstücken, welche besonders gute mechanische Eigenschaften aufweisen können.In another aspect, after step c), the cast workpiece may be subjected to a heat treatment at a temperature of greater than or equal to 150 ° C and less than or equal to 300 ° C for at least one hour. These process parameters lead to workpieces which can have particularly good mechanical properties.

BeispieleExamples

Es wurden 7 unterschiedliche Gusswerkstücke durch vollständiges Schmelzen und anschließendes Gießen in Formen hegestellt. Die gegossenen Legierungen wiesen dabei folgende Zusammensetzungen auf (mit SE-% Seltenerdmetallanteil, alle Angaben in Gew.-%): Legierung %-Al %-Ce %-La SE-(%) %-Mn ALa21 2,11 < 0,005 1,13 1,13 0,18 ALa41 3,94 < 0,005 1,15 1,15 0,21 ALa23 2,11 0,010 3,04 3,05 0,17 ALa32 3,02 < 0,005 2,02 2,02 0,27 ALa43 3,86 0,010 3,00 3,01 0,27 AE44 3,56 2,46 1,35 3,81 0,31 AE33 2,88 1,81 1,05 2,86 0,32 Seven different castings were completed by complete melting and subsequent casting into molds. The cast alloys had the following compositions (with SE% rare earth metal content, all data in% by weight): alloy % -Al % -Ce -La% SE - (%) %-Mn ALa21 2.11 <0.005 1.13 1.13 0.18 Ala41 3.94 <0.005 1.15 1.15 0.21 Ala23 2.11 0,010 3.04 3.05 0.17 ALa32 3.02 <0.005 2.02 2.02 0.27 ALa43 3.86 0,010 3.00 3.01 0.27 AE44 3.56 2.46 1.35 3.81 0.31 AE33 2.88 1.81 1.05 2.86 0.32

Die weiter unten angegebenen Ergebnisse des HTI wurden nach „Metallurgical And Materials Transactions A”; Volume 45A, July 2014 – 3595 bestimmt. Die mechanische Testung erfolgte nach ISO 6892-1 „Metallic materials – Tensile testing” . The results of the HTI given below were after "Metallurgical And Materials Transactions A"; Volume 45A, July 2014 - 3595 certainly. The mechanical testing was done after ISO 6892-1 "Metallic materials - Tensile testing" ,

Einige Ergebnisse der Beispiele werden in den nachfolgenden Figuren wiedergegeben. Es zeigen schematisch dieSome results of the examples are given in the following figures. They show schematically the

1 den HTI („hot tear index”) ausgewählter Magnesium-Aluminium-Lanthanlegierungen; 1 the HTI (hot tear index) of selected magnesium-aluminum-lanthanum alloys;

2 ein Konturdiagramm zur Darstellung des HTI von Magnesium-Aluminium-Seltenerdmetall-Legierungen als Funktion des Aluminium- und des Seltenerdmetallgehaltes; 2 a contour plot illustrating the HTI of magnesium-aluminum rare earth alloys as a function of aluminum and rare earth metal content;

3 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm thermisch behandelter und thermisch unbehandelter AE44 Magnesium-Aluminium-Seltenerdmetalllegierungs-Gusswerkstücke; 3 a stress-strain diagram of thermally treated and thermally untreated AE44 magnesium-aluminum rare-earth alloy castings;

4 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm thermisch behandelter und thermisch unbehandelter erfindungsgemäßer Magnesium-Aluminium-Seltenerdmetalllegierungs-Gusswerkstücke; 4 a stress-strain diagram of thermally treated and thermally untreated magnesium-aluminum rare earth metal alloy castings according to the invention;

5 einen bevorzugten Zusammenhang zwischen gewählter Nachbehandlungstemperatur und minimaler Behandlungsdauer; 5 a preferred relationship between the selected post-treatment temperature and minimum treatment time;

6 einen beispielhaften Verlauf der Vickers-Härte als Funktion der Behandlungszeit und -Temperatur einer AE33-Legierung. 6 an exemplary course of the Vickers hardness as a function of the treatment time and temperature of an AE33 alloy.

Die 1 zeigt den HTI („hot tear index”) unterschiedlicher Magnesium-Aluminium-Seltenerdmetall-Legierungen als Funktion der Zusammensetzung. Der HTI ist ein Maß für das Auftreten von Gussrissen. Je kleiner der HTI desto geringer die Anzahl auftretender Risse und umgekehrt. Die Proben variieren sowohl im Aluminium wie auch im Seltenerdmetallgehalt, wobei in diesen Beispielen Lanthan als Seltenerdmetall eingesetzt wurde. Die Standardabweichung des HTI beträgt für die Ala21-Probe ca. ±0,075, für die Ala41-Probe ca. ±0,070, für die Ala23-Probe ca. ±0,06 und für die Ala32-Probe ca. +0,06. Innerhalb der dargestellten Legierungszusammensetzungen wird ein hinreichend gute Gussfähigkeit ohne eine zu hohe Anzahl an Rissen in dem Bereich zwischen AE22 und AE33 festgestellt. Insofern kann davon ausgegangen werden, dass ein gute Gießfähigeit sowohl bei geringer Seltenerdmetall- wie auch bei geringen Aluminiumanteilen in der Magnesiumlegierung erhalten wird. Dies im Gegensatz zu Magnesiumlegierungen, welche entweder nur geringe Seltenerdmetall- oder nur geringe Aluminiumgehalte aufweisen. Die Gießfähigkeit letzterer ist im Vergleich zu den Magnesiumlegierungen mit jeweils geringen Seltenerdmetall- und Aluminiumgehalten deutlich schlechter.The 1 shows the HTI (hot tear index) of different magnesium-aluminum rare-earth alloys as a function of composition. The HTI is a measure of the occurrence of casting cracks. The smaller the HTI, the lower the number of cracks and vice versa. The samples vary in both aluminum and rare earth metal content, with lanthanum being used as the rare earth metal in these examples. The standard deviation of the HTI is about ± 0.075 for the Ala21 sample, about ± 0.070 for the Ala41 sample, about ± 0.06 for the Ala23 sample and about +0.06 for the Ala32 sample. Within the illustrated alloy compositions, a sufficiently good castability is noted without too high a number of cracks in the range between AE22 and AE33. In this respect, it can be assumed that a good Gießfähigeit is obtained both at low rare earth as well as low aluminum levels in the magnesium alloy. This is in contrast to magnesium alloys which have either only low rare earth or only low aluminum contents. The pourability of the latter is significantly worse compared to the magnesium alloys, each with low rare earth and aluminum contents.

Die 2 zeigt die Ergebnisse des HTI aus der 1 in der Form eines Konturdiagramms. Die einzelnen Linien grenzen Bereiche mit unterschiedlichen HTI-Werten voneinander ab. Die Legierungen im oberen, rechten Bereich des Konturdiagramms zeigen das beste Gießverhalten mit der geringsten Anzahl an Rissen. Mit steigendem HTI-Index verringert sich die Güte der hergestellten Werkstücke.The 2 shows the results of HTI from the 1 in the form of a contour diagram. The individual lines delimit areas with different HTI values. The alloys in the upper right part of the contour diagram show the best casting behavior with the lowest number of cracks. As the HTI index increases, the quality of the workpieces produced decreases.

Die 3 zeigt das Spannungs-Dehnungs-Verhalten einer AE44-Legierung. Die Probe bestand aus einer 3 mm dick gegossenen Magnesium-Aluminium-Seltenerdmetall-Legierungsplatte und wurde sowohl in einem unbehandelten (untere gepunktete Linie) wie auch in einem thermisch nachbehandelten Zustand (durchgezogene Linie) gemessen. Die thermische Nachbehandlung erfolgte durch Erhitzen der Probe für 32 Stunden auf eine Temperatur von 200°C. Durch die Wärmebehandlung lässt sich die Festigkeit des Gussstücks deutlich erhöhen (ca. +35 MPa).The 3 shows the stress-strain behavior of an AE44 alloy. The sample consisted of a 3 mm thick cast magnesium-aluminum rare earth alloy sheet and was measured both in an untreated (lower dotted line) and in a thermally post-treated state (solid line). The thermal after-treatment was carried out by heating the sample for 32 hours to a temperature of 200 ° C. The heat treatment significantly increases the strength of the casting (approx. +35 MPa).

Die 4 zeigt den Einfluss einer thermischen Nachbehandlung auf die mechanischen Eigenschaften einer AE33-Legierung. Auch in diesem Fall wird die Festigkeit der Legierung durch ein Tempern bei 200°C für 32 Stunden deutlich erhöht. Die durch das Tempern erreichbare Erhöhung der Festigkeit dieser Legierung liegt sogar deutlich über der des AE44-Systems (ca. +50 MPa im Vergleich zu +35 MPa). Nach der Wärmebehandlung ergeben sich also für beide Legierungstypen annähernd vergleichbare Festigkeitswerte. Zusätzlich findet man, dass die Legierung AE33 nach dem Tempern eine im Vergleich zur AE44 deutlich höhere prozentuale Elongation erreicht. Somit weist diese Legierung nach der Wärmebehandlung im Vergleich zum Legierungstyp AE44 eine deutlich höhere Duktilität (ca. Faktor 2) auf.The 4 shows the influence of a thermal aftertreatment on the mechanical properties of an AE33 alloy. Also in this case, the strength of the alloy is significantly increased by annealing at 200 ° C for 32 hours. The increase in the strength of this alloy that can be achieved by annealing is even significantly higher than that of the AE44 system (about +50 MPa compared to +35 MPa). After the heat treatment, approximately comparable strength values thus result for both alloy types. In addition, it is found that the alloy AE33 after tempering achieved a significantly higher percentage elongation compared to the AE44. Thus, after the heat treatment, this alloy has a significantly higher ductility (about factor 2) compared to the alloy type AE44.

Die 5 zeigt einen bevorzugten Zusammenhang zwischen minimaler Behandlungsdauer und gewählter -Temperatur erfindungsgemäß erhaltener Legierungen in der thermischen Nachbehandlung. In doppelt logarithmischer Auftragung ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen beiden Parametern, wobei die minimale thermische Nachbehandlungszeit zweckmäßigerweise größer oder gleich (–0,02·Temperatur (°C) + 5,176) h betragen sollte. Diese Zeitspanne führt bei der gewählten Temperatur zu hochfesten und duktilen Legierungen.The 5 shows a preferred relationship between minimum treatment time and selected temperature obtained alloys according to the invention in the thermal aftertreatment. In double logarithmic plot results in a linear relationship between the two parameters, the minimum thermal aftertreatment time should be expediently greater than or equal to (-0.02 · temperature (° C) + 5.176) h. This time span leads to high-strength and ductile alloys at the selected temperature.

Die 6 zeigt exemplarisch die Vickers-Härte erfindungsgemäßer Legierungen als Funktion der thermischen Nachbehandlungszeit und der gewählten Temperatur. Es wurden jeweils AE33-Proben thermisch nachbehandelt. Die durchgezogene Linie zeigt den Verlauf einer bei 200°C nachbehandelten Probe. Die gepunktete Linie zeigt den Verlauf einer bei 250°C und die strichgepunktete Linie zeigt den Verlauf einer bei 300°C nachbehandelten Probe. Generell lässt sich erkennen, dass mit höherer Temperatur schon nach kürzeren Nachbehandlungszeiten (im Bereich einiger Stunden) eine höhere Härte der gegossenen Werkstücke erreicht wird. Insofern können schon relativ kurze thermische Nachbehandlungszeiten zu deutlich höheren Härten der Werkstücke beitragen.The 6 shows by way of example the Vickers hardness of alloys according to the invention as a function of the thermal aftertreatment time and the selected temperature. Each AE33 samples were thermally treated. The solid line shows the course of a post-treated at 200 ° C sample. The dotted line shows the course of a at 250 ° C and the dash-dotted line shows the course of a post-treated at 300 ° C sample. In general, it can be seen that a higher hardness of the cast workpieces is achieved with a higher temperature even after shorter after-treatment times (in the range of a few hours). In this respect, even relatively short thermal aftertreatment times can contribute to significantly higher hardnesses of the workpieces.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1957221 B1 [0003] EP 1957221 B1 [0003]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

„Metallurgical And Materials Transactions A”; Volume 45A, July 2014 – 3595 [0020] "Metallurgical And Materials Transactions A"; Volume 45A, July 2014 - 3595 [0020]
ISO 6892-1 „Metallic materials – Tensile testing” [0020] ISO 6892-1 "Metallic materials - Tensile testing" [0020]

Claims

Magnesium-Schmelzlegierung neben Magnesium mindestens umfassend die weiteren Legierungsbestandteile Aluminium, Seltenerdmetalle und Mangan, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung Aluminium mit einem Gehalt von größer oder gleich 1,5 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,5 Gew.-%, Mangan mit einem Gehalt von größer oder gleich 0,1 Gew.-% und kleiner oder gleich 0,5 Gew.-% und ein oder mehrere Seltenerdmetalle mit einem Gehalt von größer oder gleich 1,5 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,5 Gew.-% aufweist.Magnesium fused alloy in addition to magnesium at least comprising the other alloying constituents aluminum, rare earth metals and manganese, characterized in that the alloy comprises aluminum with a content of greater than or equal to 1.5 wt .-% and less than or equal to 3.5 wt .-%, manganese with a content of greater than or equal to 0.1% by weight and less than or equal to 0.5% by weight and one or more rare earth metals with a content greater than or equal to 1.5% by weight and less than or equal to 3, 5 wt .-% has.

Magnesiumlegierung nach Anspruch 1, wobei mindestens 40 Gew.-% des Anteils an Seltenerdmetallen aus den Elementen Lanthan, Cer oder Kombinationen daraus besteht.A magnesium alloy according to claim 1, wherein at least 40% by weight of the rare earth element content is lanthanum, cerium or combinations thereof.

Magnesiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Aluminiumgehalt größer oder gleich 2,0 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,0 Gew.-% ist.A magnesium alloy according to claim 1 or 2, wherein the aluminum content is greater than or equal to 2.0% by weight and less than or equal to 3.0% by weight.

Magnesiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Seltenerdmetall-Gehalt größer oder gleich 2,0 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,0 Gew.-% ist.A magnesium alloy according to any one of the preceding claims, wherein the rare earth metal content is greater than or equal to 2.0% by weight and less than or equal to 3.0% by weight.

Magnesiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sowohl der Aluminium- wie auch der Seltenerdmetall-Gehalt größer oder gleich 1,75 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,5 Gew.-% ist.A magnesium alloy according to any one of the preceding claims wherein both the aluminum and rare earth metal contents are greater than or equal to 1.75 weight percent and less than or equal to 3.5 weight percent.

Magnesiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der gesamte Anteil an Seltenerdmetall nur aus Lanthan besteht.A magnesium alloy according to any one of the preceding claims, wherein the total amount of rare earth metal consists only of lanthanum.

Magnesiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Seltenerdmetall Lanthan ist und der Anteil an Aluminium größer oder gleich 2,5 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,5 Gew.-% und der Anteil an Lanthan größer oder gleich 1,75 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,0 Gew.-% ist.A magnesium alloy according to any one of the preceding claims, wherein the rare earth element is lanthanum and the proportion of aluminum is greater than or equal to 2.5% by weight and less than or equal to 3.5% by weight and the proportion of lanthanum greater than or equal to 1.75% by weight % and less than or equal to 3.0% by weight.

Magnesiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei der gesamte Anteil an Seltenerdmetall nur aus Cer besteht.The magnesium alloy according to any one of the preceding claims 1 to 4, wherein the entire content of rare earth metal consists only of cerium.

Gusswerkstück aus einer Magnesiumschmelzlegierung hergestellt nach einem Verfahren mindestens umfassend die Schritte a) Herstellen einer Schmelze mindestens umfassend Magnesium, Aluminium, Seltenerdmetalle und Mangan, wobei die Legierung Aluminium mit einem Gehalt von größer oder gleich 1,5 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,5 Gew.-%, Seltenerdmetalle mit einem Gehalt von größer oder gleich 1,5 Gew.-% und kleiner oder gleich 3,5 Gew.-% und Mangan mit einem Gehalt von größer oder gleich 0,1 Gew.-% und kleiner oder gleich 0,5 Gew.-% aufweist und mindestens 40 Gew.-% des Anteils an Seltenerdmetallen aus den Elementen Lanthan, Cer oder Kombinationen daraus besteht, b) Gießen der Legierung in eine Form zum Erhalt eines Magnesiumlegierung-Gusswerkstücks und c) Abkühlen der Schmelze zum Erhalt des Gusswerkstückes.Casting piece of a magnesium alloy produced by a process comprising at least the steps a) producing a melt at least comprising magnesium, aluminum, rare earth metals and manganese, wherein the alloy Aluminum with a content of greater than or equal to 1.5% by weight and less than or equal to 3.5% by weight, Rare earth metals with a content of greater than or equal to 1.5 wt .-% and less than or equal to 3.5 wt .-% and Manganese with a content of greater than or equal to 0.1% by weight and less than or equal to 0.5% by weight and at least 40 wt .-% of the proportion of rare earth metals from the elements lanthanum, cerium or combinations thereof, b) casting the alloy into a mold to obtain a magnesium alloy cast workpiece, and c) cooling the melt to obtain the casting workpiece.

Gusswerkstück nach Anspruch 9, wobei nach dem Schritt c) das Gusswerkstück für mindestens 30 Minuten einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von größer oder gleich 100°C und kleiner oder gleich 500°C unterzogen wird.Cast workpiece according to claim 9, wherein after step c) the cast workpiece is subjected to a heat treatment at a temperature of greater than or equal to 100 ° C and less than or equal to 500 ° C for at least 30 minutes.

Gusswerkstück nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei nach dem Schritt c) das Gusswerkstück für mindestens 1 h einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von größer oder gleich 150°C und kleiner oder gleich 300°C unterzogen wird.Cast workpiece according to one of claims 9 or 10, wherein after step c) the cast workpiece is subjected to a heat treatment at a temperature of greater than or equal to 150 ° C and less than or equal to 300 ° C for at least 1 h.