DE2558545C2

DE2558545C2 - Verfahren zur Herstellung einer Magnesiumlegierung

Info

Publication number: DE2558545C2
Application number: DE2558545A
Authority: DE
Inventors: Stephen Lee Bolton Lancashire Bradshaw; John Frederick Bury Lancashire King; William Swinton Manchester Unsworth
Original assignee: MAGNESIUM ELEKTRON Ltd SWINTON MANCHESTER GB
Current assignee: MAGNESIUM ELEKTRON Ltd SWINTON MANCHESTER GB
Priority date: 1974-12-30
Filing date: 1975-12-24
Publication date: 1986-03-20
Also published as: FR2296698A1; SE421634B; IN142860B; DE2558519A1; NO754344L; NO142582C; DE2558915C2; JPS5918457B2; JPS5192706A; NL7515191A; BE837171A; IL48762A; FR2296697B1; CA1053484A; JPS594497B2; NO142581B; FR2296698B1; NL7515192A; FR2296696B1; FR2296696A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Magnesiumlegierung aus

mindestens 88% Magnesium,

mindestens 1% Silber,

0,5 bis 3% Metallen der Seltenen Erden, davon mindestens 60% Neodym,

0 bis 1 % Zirkonium,

0 bis 2% Mangan,

0 bis 0,5% Zink,

0 bis 1% Cadmium,

0 bis 6% Lithium,

0 bis 0,8% Calcium,

0 bis 2% Gallium,

0 bis 2% Indium,

0 bis 5% Thallium,

0 bis 1 % Blei,

0 bis 1% Wismuth
und Verunreinigungen,

wobei die maximalen Mengen an Zirkonium und Mangan durch ihre gegenseitige Lösbarkeit begrenzt sind, durch eine Wärmebehandlung, bestehend aus Lösungsglühen, Abschrecken und Aushärten. Die Erfindung schließt auch ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus dieser Magnesiumlegierung ein.

Magnesiumlegierungen haben im Vergleich zu den Legierungen anderer Metalle ein sehr niedriges Gewicht und finden demgemäß dort Verwendung, wo, wie in der Luft- und Raumfahrtindustrie, ein niedriges Gewicht eine bedeutsame Rolle spielt. Zum Stande der Technik gehörende Legierungen mit vorteilhaften mechanischen Eigenschaften, insbesondere hoher Zugfestigkeit, werden in der GB-PS 8 75 929 beschrieben. Die mechanischen Eigenschaften dieser Legierungen sind weitgehend von der Gegenwart eines beträchtlichen Anteils an Silber abhängig, dessen Gehalt in der Regel 2 bis 3 Gev\-% beträgt, wobei die mechanischen Eigenschaften mit steigenden Silbergehalten besser werden. Dadurch werden die Legierungen sehr teuer. Darüber hinaus ist der Marktpreis des Silbers wegen dessen Verwendung in Münzen sehr starken Schwankungen ausgesetzt. Da die üA Silberpreise einen wesentlichen Anteil an den Preisen der Legierungen haben, unterliegen deren Preise den

gleichen Schwankungen.

Bei einer bekannten Magnesiumlegierung (DE-AS 12 43 398), die die eingangs angegebene Zusammensetzung besitzt und entsprechend dem eingangs angegebenen Verfahren hergestellt wird, sind ebenfalls 1,5 bis 3,5%, vorzugsweise 2 bis 3% Silber in der Legierung vorhanden, um die Reaktion der Legierungspartner bei einer zweistufigen Wärmebehandlung so zu verbessern, daß bestimmte gewünschte Festigkeitseigenschaften erhalten werden. Andere nicht lösliche oder fast nicht lösliche Elemente, wie Kupfer, sollen in der bekannten Magnesiumlegierung vorzugsweise abwesend sein, weil von diesen die Neigung angenommen wird, die Legierung brüchig zu machen.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, das es erlaubt, den Gehalt an kostenaufwendigem Silber zu senken, ohne daß eine Verschlechterung der Eigenschaften der Legierung in Kauf genommen werden muß.

Die gestellte Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs bezeichneten Verfahren dadurch gelöst, daß zur Erzielung einer 0,2%-Streckgrenze von mindestens 175 N/mm² und einer Zugfestigkeit von mindestens 240 N/ mm² bei Raumtemperatur nach der Wärmebehandlung der Silbergehalt bei 2% oder weniger gehalten und der Legierung 0,05 bis 0,15% Kupfer zugesetzt werden.

Der Erfindung liegt die überraschende Feststellung zugrunde, daß ein Teil des Silbers ohne wesentliche Verschlechterung der Legierungseigenschaften durch Kupfer ersetzt werden kann, wobei die angegebene Bemessung des Kupfergehalts in Abhängigkeit vom Silbergehalt besonders vorteilhaft ist. -

Vorteilhafte Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus der angegebenen erfindungsgemäß hergestell- I

ten Magnesiumlegierung gehen aus den Unteransprüchen 1 und 2 hervor. 20 |

Vorzugsweise beträgrjer Silbergehalt 1 b,^:s 2, vorteilhaft 1 bis 1,75 Gew.-%. ~

Neodym, ein Metall aus der Gruppe der Seltenen Erden, kann als reines Metall, bequemer aber in Form eines auch andere Metalle der Seltenen Erden enthaltenden Mischmetalls einlegiert werden. Das Mischmetall enthält mindestens 60 Gew.-% Neodym und nicht mehr als 25 Gew.-% Lanthan und Cer. Derartige Mischmetalle sind kommerziell erhältlich. Es sollte beachtet werden, daß das Yttrium hier nicht zu den Metallen der Seltenen Erden gerechnet wird.

Zur Kornverfeinerung kann die Legierung bis zu 1 Gew.-% Zirkonium enthalten. Zur Herstellung befriedigender Gußteile ist es erwünscht, mindestens 0,4 Gew.-% Zirkonium einzulegieren. Es ist möglich, einen Teil des Zirkoniums durch Mangan zu ersetzen, jedoch wird der Mangangehalt durch die gegenseitige Löslichkeit von Mangan und Zirkonium begrenzt

Die Legierungen können weitere in Magnesium lösüche Elemente enthalten, vorausgesetzt, daß diese nicht die günstigen Wirkungen der anderen Legierungsbestandteile durch Bildung intermetallischer Verbindungen negativ beeinflussen. So können Zink, Cadmium, Lithium, Calcium, Gallium, Indium, Thallium, Biei und Wismuth in den oben angegebenen Anteilen enthalten sein.

Um die optimalen mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäß herzustellenden Legierungen zu entwikkein, ist eine Wärmebehandlung erforderlich. Diese besteht normalerweise aus einem Lösungsglühen bei erhöhter Temperatur, dem Abschrecken und einer Warmauslagerung bei einer niedrigeren Temperatur. Das Lösungsglühen bei höherer Temperatur ermöglicht das Inlösunggehen solcher Legierungselemente wie Silber, Neoüym und Kupfer Durch das rasche Abschrecken verbleiben diese Elemente in Lösung. Durch die Warmauslagerung erfolgt eine Ausscheidungshärtung in erwünschtem Ausmaß. Fs wurde gefunden, daß für das Lösungsglühen bei höheren Temperaturen eine Temperatur von mindestens 520" C erforderlich ist, während die obere Grenze für diese Behandlung durch den Soliduspunkt der Legierung gegeben ist. Im aligemeinen ist eine Glühzeit von mindestens 2 Stunden erforderlich.

Die Ausscheidungshärtung kann durch mindestens '^stündiges Auslagern auf eine Temperaür im Bereich 100 bis 275° C erfolgen, wobei für Temperaturen an der unteren Grenze des Bereichs längere Auslagerungszeiten erforderlich sind. Für die Wärmebehandlung typische Bedingungen sind: 8stündiges Lösungsglühen bei 520 bis 525° C, Abschrecken und anschließendes Ausscheidungshärten durch 16stündiges Auslagern bei 200° C.

Die vorstehend aufgeführten Bedingungen eignen sich für Legierungen, die bis zu 0,1 Gew.-% Kupfer enthalten. Wenn der Küpfergehalt diesen Wert überschreitet, kann sich ein kupferreiches Eutektikum mit einem niedrigeren Schmelzpunkt bilden. Das Aufschmelzen dieser Phase während des Lösungsglühens kann zur Bildung von Rissen beim nachfolgenden Abschrecken führen. Um das anfängliche Schmelzen der kupferreichen Phase zu verhindern, kann das Lösungsglühen zunächst bei einer tieferen Tempeiatur erfolgen, vorzugsweise zwischen 400 und 485° C, woran sich das eigentliche Lösungsglühen bei 485° C oder darüber anschließt. Das Vorglühen bei der niedrigeren Temperatur kann für mindestens eine Stunde erfolgen. Für eine Legierung mit OJ bis 0,15 Gew.-% Kupfer besteht ein typischer Wärmebehandlungszyklus aus I6stündigem Vorglühen bei 470°C, 8stündigem Lösungsglühen bei 520°C, Abschrecken und 16stündigem Ausscheidungshärten bei 200°C.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Beispiele näher beschrieben.

Beispiele

Legierungen der weiter unten angegebenen Zusammensetzungen wurden hergestellt durch Aufschmelzet! des Magnesiums unter einem konventionellen Abdeckmittel, Steigern der Temperatur auf 800° C, Zugabe sämtlicher Legierungselemente, Durchrühren der Schmelze und Vergießen der Schmelze zu Probekörpern geeigneter Form und Abmessungen bei 780°C. Die Proben wurden den in der Tabelle I argegebenen Wärmebehandlungsbedingungen unteiworfen.

Die mechanischen Eigenschaften der Legierungsproben wurden bei Raumtemperatur nach Britisch Standard 18, bei erhöhten Temperaturen nach British Standard 3688 gemessen. Die Vorwärmzeiten bei 200 und 250°C betrugen 15 Minuten oder 1 Stunde.

Die Korrosionsbeständigkeit der Proben wurde mit Hilfe des Meerwassersprühtests des Royal Aircraft Establishment geprüft, in dem die Proben der Atmosphäre ausgesetzt, vor Niederschlägen jedoch geschützt, über eine Periode von drei Monaten an jedem Arbeitstag dreimal mit natürlichem Meerwasser besprüht werden. Die Gewichtsverluste wurden ermittelt, die mittlere Korrosionsgeschwindigkeit wurde errechnet.
Die Gießbarkeit der Legierungen wurde ermittelt durch Gießen von 18 mm dicken Platten mit oder ohne Abschrecken entlang der äußeren Kante, beidseitiges Bearbeiten der Platten und röntgenographische Untersuchung.

Die Ergebnisse der bei Raumtemperatur durchgeführten Festigkeitsprüfungen werden in der A b b. 1 wiedergegeben, in der die Werte für die Zerreißfestigkeit und die 0,2%-Grenze, gemessen bei Raumtemperatur, gegen

to den Silbergehalt von Magnesiumlegierungen mit 2 bzw. 2,5 Gew.-% Neodym und 0,6 Gew.-°/o Zirkonium aufgetragen sind. Die durch verschiedenartige Symbole gekennzeichneten Meßpunkte beziehen sich auf Legierungen mit unterschiedlichen Kupfergehalten, die durch leere Quadrate gekennzeichneten Meßpunkte beziehen sich auf Vergleichsproben aus Legierungen ohne Kupfer.

Bei den angegebenen Silbergehalten zwischen 1,0 und 2,0 Gew.-% übt einlegiertes Kupfer einen derartigen Einfluß aus, daß sowohl die Zerreißfestigkeit als auch die 0,2%-Grenze von Legierungen mit 1,5 bis l,75Gew.-% Silber im großen und ganzen die Werte von bekannten Legierungen mit bis zu 3 Gew.-% Silber erreichen. Für Legierungen dieses Typs liegt der geforderte untere Wert für die 0,2%-Grenze bei 175 N/mm². Wie der A b b. 1 entnommen werden kann, liegt der Wert einer kupferfreien Legierung, die 1 Gew.-% Silber enthält, weit unter diesem Minimalwert, während durch Zugabe von Kupfer Werte erreicht werden, die den Minimalwert übertreffen. Die kupferhaltigen Legierungen zeigen Zerreißfestigkeiten, die über dem für derartige Legierungen erforderlichen Minimalwert von 240 N/mm² liegen.

Der Effekt von einlegiertem Kupfer auf die mechanischen Eigenschaften bei einer höheren Temperatur (250° C) wird in der Tabelle 1 zusammen mit den bei Raumtemperatur erhaltenen Ergebnissen wiedergegebenen. Wie man sieht, führt die Einlegierung von Kupfer in Legierungen imit niedrigen Silbergehalten sowohl bei der hohen als auch bei der niedrigen Prüftemperatur zu Eigenschaften, die ebenso gut oder sogar noch besser sind als die von Legierungen mit hohen Silbergehalten.

Tabelle 1

Analysenwerte (%)	Zr	Cu	Wärmebehandlung	Ausscheidungs	Zugversuch. Raumtemperatur	Zerreiß- Dehnung	Zugversuch, 250⁰C	Zerreiß	Dehnung
Ag Seit.			Lösungsglühen	härten	0,2%-	festigkeit (%)	0,2%-	festigkeit	(%)
Erden					Grenze	(Nmm-²)	Grenze	(Nmm-²)
			(Nmm-²)	(Nmm-²)

2,2

1,75

1,84

0,53

2,6 1,9 0,59 0,09

1,04 1,77 0,57 0,08

0,51

0.55

1,62 1,71 0,58

0,07

8 h 525°C

16 h 47O⁰C

8 h 520°C

8 h 520⁰C

8 h 52O⁰C

16 h 200⁰C

16 h 200-C

16 h 200⁰C

16 h 200°C

213

209
177

195
190
195

278

267 247

247 261 260

164

171 161 151 154 162

19

13 18

15 15 13

Die Ergebnisse der Porositätsprüfungen werden in der nachstehenden Tubelle 2 wiedergegeben:
Tabelle 2

5 Analysenwerte (°/o) Ag Seit.

Erden

Zr

Cu

Röntgenographische Bestimmung der Porosität

nicht abgeschreckt abgeschr.

2,7	1,9	0,55
2.6	1,9	0,59
1,69	1,84	0,55
1.62	1,71	0,58

porös auf 10,2 cm	Note 7	sehr gering NoteO
keine		keine
porös auf 8,9 cm	Note 5	keine
porös auf 6.4 cm	Note 3	keine

to 2,6 1,9 0,59 0,09

0,07

Wie diese Ergebnisse zeigen, bewirkt die Zugabe von 0,07 Gew.-% Cu eine deutliche Verbesserung in der Porosität nicht abgeschreckter Proben, während abgeschreckte Proben keine Porosität zeigen. Die Porosität sind nach einer willkürlich festgelegten Skala bewertet worden, höhere Noten bedeuten größere Porositäten.

Die Ergebnisse der Korrosionsprüfung werden in Tabelle 3 wiedergegeben. Sie zeigen, daß die Legierungen

mit niedrigen Silhergehalten. die Kupfer enthalten, verminderte Korrosionsgeschwindigkeiten aufweisen. Mit der Erfindung werden demgemäß Legierungen bereitgestellt, deren mechanische Eigenschaften so gut sind wie die bekannter Legierungen mit höheren Silbergehalten, die jedoch eine verminderte Korrosionsanfälligkeit

aufweisen.

Tabelle 3

Analysenwerte (%)	Zr	Cu	Korrosions	Mittlere
			geschwindigkeit	Korrosions
Ag Seit. Erden		(Mg/cm²/Tag)	geschwindigkeit
			(mg/cm²/Tag)

30 2,7 1,04

2,6 35

2,2

1,77

1,9

0,08
0,09

4,41 4,54 2,75 2,91 3,94 3,96

4,47 2,83 3,95

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer Magnesiumlegierung aus

mindestens 88% Magnesium, mindestens 1 % Silber, 0,5 bis 3% Metallen der Seltenen Erden, davon mindestens 60% Neodym, 0 bis 1 % Zirkonium, 0 bis 2% Mangan, 0 bis 0,5% Zink, 0bisl% Cadmium, 0 bis 6% Lithium, 0 bis 0,8% Calcium, 0 bis 2% Gallium, 0 bis 2% Indium. 0 bis 5% Thallium, 0bisl% Blei, 0bisl% Wismuth

und Verunreinigungen,

wobei die maximalen Mengen an Zirkonium und Mangan durch ihre gegenseitige Lösbarkeit begrenzt sind, durch eine Wärmebehandlung bestehend aus Lösungsglühen, Abschrecken und Aushärten, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer 0,2%-Streckgrenze von mindestens 175 N/mm² und einer Zugfestigkeit von mindestens 240 N/mm² bei Raumtemperatur nach der Wärmebehandlung der Silbergehalt bei 2% oder weniger gehalten und der Legierung 0,05 bis 0,15% Kupfer zugesetzt werden.

2. Verfahren zur Hersttilung eines Werkstücks aus einer Magnesiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Legierung bestehende Werkstück mindestens eine Stunde lang bei einer Temperatur zwischen 400 und 485° C und anschließend mindestens 2 Stunden lang bei einer Temperatur zwischen 485° C und dem Soliduspunkt der Legierung geglüht, abgeschreckt und dann mindestens eine halbe Stunde lang bei einer Temperatur zwischen 100 und 275°C ausscheidungsgehärtet wird.
3. Venahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Legierung bestehende Werkstück mindestens 8 Stunden laiig bei einer Temperatur zwischen 485°C und dem Soliduspunkt der Legierung lösungsgeglüht, abgeschreckt und mindestens eine halbe Stunde lang bei einer Temperatur zwischen 100 und 275° C ausscheidungsgehär ,1 wird.