-
Die Erfindung betrifft eine wärmebeständige
Magnesiumlegierung, die sich für mechanische Teilen eignet, bei
denen am Gewicht gespart werden muss, bspw. bei Autoteilen.
-
Seit einigen Jahren muss bei Autoteilen am Gewicht
gespart werden, um so den Kraftstoffverbrauch des Autos zu
verbessern. Zur Untersuchung stehen der Einsatz von
Magnesiumlegierungen als Werkstoff für diese Teile.
-
Im Stand der Technik gibt es Legierungen des Typs Mg-
Al-Zn-Mn (AZ91D-Legierungen), die 9 Gew.-% Aluminium, 1
Gew.-% Zink und 0,5 Gew.-% Mangan enthalten, des Typs Mg-Al-
Mn (AM60B-Legierungen), die 6 Gew.-% Aluminium und 0,3 Gew.-%
Mangan enthalten, und so weiter. Die Festigkeit aller
vorgenannten Magnesiumlegierungen ist bei etwa 120ºC
vermindert, weshalb sie für Anwendungen ungeeignet sind, welche
eine Hochtemperatur- oder Wärmebeständigkeit erfordern.
-
Es gibt Legierungen des Typs Mg-Al-RE
(Seltenerdelement), bei denen zur Verbesserung der
Hochtemperaturfestigkeit der Magnesiumlegierungen ein Seltenerdelement zugefügt
wurde, bspw. eine AE42-Legierung (Beschreibung von Dow
Chemical Co.), welche 4 Gew.-% Aluminium und 2 Gew.-%
Seltenerdelement enthält. Die AE42-Legierung hat jedoch einen
unzureichenden Kriechwiderstand und eignet sich somit nicht für
Verwendungen, bei denen im gepressten Zustand
Wärmebeständigkeit erforderlich ist.
-
Es werden daher verschiedene Ansätze zur Verbesserung
der Materialeigenschaften wie Wärmebeständigkeit und
Kriechwiderstand vorgeschlagen.
-
Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 25790/1994
offenbart Magnesiumlegierungen, die 2-10 Gew.-% Aluminium,
1,4-10 Gew.-% Calcium in einem Ca/Al-Verhältnis von
mindestens 0,7, und darüber hinaus jeweils höchstens 2 Gew.-%
Zink, Mangan, Zirkon und Silicium, und höchstens 4 Gew.-%
von mindestens einem Element, ausgewählt aus
Seltenerdelementen (bspw. Yttrium, Neodym, Lanthan, Cer und Mischmetalle)
enthalten. Diese Veröffentlichung beschreibt die
Tatsache, dass durch Einbringen des Seltenerdelements die
Wärmebeständigkeit von Magnesiumlegierungen verbessert wird und
dieser Effekt durch Verwendung des Seltenerdelements
zusammen mit Calcium weiter verstärkt wird.
-
Außerdem offenbart die japanische Offenlegungsschrift
Nr. 11374/1995 Magnesiumlegierungen mit 1,5-10 Gew.-%
Aluminium, höchstens 2 Gew.-% eines Seltenerdelementes und 0,25-
5,5 Gew.-% Calcium. Bei den vorstehenden
Magnesiumlegierungen wird der Kriechwiderstand bei hoher Temperatur
verbessert.
-
Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 278717/1995
offenbart Magnesiumlegierungen mit 1,5-10 Gew.-% Aluminium,
höchstens 2 Gew.-% eines Seltenerdelementes und 0,25-2,5
Gew.-% Calcium. Bei der vorstehenden Magnesiumlegierung wird
angeblich die Beständigkeit gegenüber Wärme-Abscheidung
(prozentuale Reduktion der Axialkraft) verbessert.
-
Ist jedoch Calcium in einer Magnesiumlegierung
enthalten, birgt die resultierende Legierung den Nachteil, dass
sie Gussrisse, insbesondere Warmrisse, nach dem Gießen in
einem Gussverfahren mit hoher Kühlgeschwindigkeit erleidet,
bspw. beim Spritzguss.
-
Man möchte eine Magnesiumlegierung bereitstellen, die
das vorstehende Problem beseitigt, hervorragende
Wärmeeigenschaften und Kriechdehnung aufweist und keine Gussrisse
bekommt.
-
Man möchte auch eine Magnesiumlegierung bereitstellen,
die durch Spritzguss hergestellt wird und unter Wärme- und
Hochlastbedingungen eine hervorragende Restlängskraft an
der Fuge aufweist, wenn Teile daraus mit einer oder
mehreren Schrauben miteinander verbunden sind.
-
Beim Gussverfahren mit hoher Kühlgeschwindigkeit
treten Gussrisse dann auf, wenn das erhaltene Gussprodukt
nicht genügend beständig gegenüber Spannung ist, die
zusammen mit Schrumpfung beim Erstarren des Produktes auftritt.
-
Eine Magnesiumlegierung hat gewöhnlich
Dendritenstruktur. Ein Teil des Dendriten kann durch nacheinander erfolgendes
Verarbeiten, Hitzebehandeln und/oder dergleichen in
ein α-Kristallkorn umgewandelt werden. Man kann jedoch den
Dendriten vom α-Kristallkorn schwierig auf einen Blick
unterscheiden. Daher sind in dieser Beschreibung Matrix und
Korngrenze der Gussstruktur als "Dendrit oder α-
Kristallkorn" bzw. "Dendritenzelle oder
α-Kristallkorngrenze" beschrieben.
-
Sind Calcium und ein Seltenerdelement in einer
Magnesiumlegierung enthalten, bildet sich schwerlich eine feste
Lösung, da Calcium und das Seltenerdelement in der Matrix
der Magnesiumlegierung eine niedrige Löslichkeit im festen
Zustand besitzen. Sie kristallisieren daher als eine solche
netzwerkartige eutektische Phase aus, wenn sie den Raum der
Dendritenzelle oder der α-Kristallkorngrenze ausfüllen. Die
Wärmefestigkeit der Magnesiumlegierung wird bekanntlich
durch die eutektische Phase verbessert. Die
Magnesiumlegierung, welche Calcium und das Seltenerdelement enthält,
erzielt jedoch kaum Festigkeit zwischen den Matrizen
(Dendriten oder α-Kristallkörnern) bis die eutektische Phase
erstarrt. Es wird daher angenommen, dass eine solche
Magnesiumlegierung keine Widerstandskraft gegen die beim GUSS
erzeugte Spannung erlangt, so dass es zu Gussrissen kommt.
-
Die Erfinder haben wiederholte Untersuchungen in Bezug
auf die Zusammensetzungen der Magnesiumlegierungen
durchgeführt, die eine Seltenerdelement enthalten. Daraus geht
hervor, dass Calcium und das Seltenerdelement deshalb als
eutektische Phase auskristallisieren, weil die in der
Korngrenze (Dendritenzelle oder α-Kristallkorngrenze) der
Magnesiumlegierung enthaltene Aluminiummenge niedrig ist, und
Gussrisse können somit verringert werden, wenn in der
Magnesiumlegierung Aluminium in einer Menge enthalten ist,
die für den Gehalt an Calcium und Seltenerdelement geeignet
ist.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird somit eine
wärmebeständige Magnesiumlegierung bereitgestellt, die bezogen
auf das Gesamtgewicht der Legierung 4,5-10 Gew.-% Aluminium,
0,1-3 Gew.-% Calcium, 1-3 Gew.-% Seltenerdelement und 0,2-1
Gew.-% Mangan, nicht mehr als 0,5, Gew.-% Zink und als Rest
Magnesium und unvermeidbare Verunreinigungen enthält, so
dass die Mengen von Aluminium, Calcium und Seltenerdelement
die Beziehung der nachstehenden Gleichung (1) erfüllen:
1,66 + 1,33b + 0,37c ≤ a ≤ 2,77 + 1,33b + 0,74c (1),
wobei a den Aluminiumgehalt, b den Calciumgehalt und c
den Seltenerdgehalt angibt.
-
In einer aluminiumhaltigen Magnesiumlegierung ist
Aluminium als übersättigte feste Lösung in der Matrix
(Dendritenzelle oder α-Kristallkorn) der Magnesiumlegierung
enthalten, wo ihre Sruktur durch Quenchen entsteht. Bei
weiterer Erhöhung des Aluminiumgehaltes wird Aluminium in der
Korngrenze (Dendritenzelle oder α-Kristallkorngrenze)
abgelagert. Da das vorstehend genannte Calcium und das
Seltenerdelement in Bezug auf Aluminium hohe
Bindungseigenschaften aufweisen, ändert sich die Strukturform der
Magnesiumlegierung, wenn die Aluminiummenge in der Korngrenze
(Dendritenzelle oder α-Kristallkorngrenze) erhöht wird.
Dadurch bilden Calcium und Seltenerdelement eine
aluminiumhaltige Verbundphase. Da die Verbundphase vorstehendes
Calcium und das Seltenerdelement enthalten, und Aluminium bei
einer höheren Temperatur als eine solche netzwerkartige
eutektische Phase erstarrt, wenn Calcium und Seltenerdelement
den Raum der Dendritenzelle oder α-Kristallkorngrenze
auffüllen, erhält die resultierende Magnesiumlegierung
Festigkeit gegenüber Spannung, die beim Schrumpfen während des
Erstarrens eines Gussproduktes der Magnesiumlegierung
erzeugt wird.
-
Die Temperatur einer flüssigen Phase in einer Gussform
wird durch Erhöhen der in der Magnesiumlegierung
enthaltenen Aluminiummenge gesenkt. Der Temperaturenbereich beim
Erstarren wird daher schmal, so dass die Spannung, die
zusammen mit der Schrumpfung beim Erstarren eines
Gussproduktes der Magnesiumlegierung erzeugt wird, abgeschwächt wird.
-
Bei der Magnesiumlegierung mit vorstehend genannter
Zusammensetzung lassen sich daher Gussrisse reduzieren,
weil Aluminium im o. g. Mengenbereich zu Calcium- und
Seltenerdmetallanteil beigemengt wird.
-
Wird die in der Magnesiumlegierung enthaltene
Aluminiummenge dagegen zu groß, lagert sich in ihrer Matrix und
Korngrenze eine Magnesium-Aluminium-Verbindung (Mg&sub1;&sub7;Al&sub1;&sub2;)
ab. Bei einer Grobverfestigung der Magnesium-Aluminium-
Legierung in diesem Stadium wird die Legierungsstruktur
thermisch instabil, so dass die Wärmebeständigkeit der
resultierenden Magnesiumlegierung möglicherweise sinkt.
-
Wird jedoch die Aluminiummenge in der
Magnesiumlegierung auf einen Wert innerhalb des vorstehenden Bereichs auf
die Mengen von Calcium und Seltenerdelement eingestellt,
verbindet sich das in der Korngrenze abgesetzte Aluminium
mit dem Calcium und dem Seltenerdelement, wodurch die
Ablagerung der Magnesium-Aluminium-Verbindung verhindert wird.
Ist überdies Mangan in einer Menge im vorstehenden Bereich
in der Magnesiumlegierung enthalten, wird die Ablagerung
der Magnesium-Aluminium-Verbindung durch Mangan, einem
peritektischen System, verhindert.
-
Bei der Magnesiumlegierung der vorstehenden
Zusammensetzung lässt sich daher eine genau so große
Wärmebeständigkeit wie bei Legierungen des Standes der Technik
erhalten, weil neben den Mengen von Calcium und Seltenerdelement
Aluminium und Mangan in den oben genannten Mengen enthalten
sind.
-
Die erfindungsgemäße Magnesiumlegierung lässt sich
dadurch charakterisieren, dass sie beim Spritzguss verwendet
wird. Beim Spritzguss ist die Kühlgeschwindigkeit hoch, und
das Gussmaterial wird in eine Form gezwungen. Daher
vergrößert sich leicht die Spannung aufgrund von Schrumpfung beim
Erstarren. Bei einer erfindungsgemäßen wärmebeständigen
Magnesiumlegierung wird die Spannung jedoch wie oben
beschrieben abgeschwächt, und es lässt sich eine
Spannungsbeständigkeit erzielen, so dass Bruchrisse beim Spritzguss
reduziert werden.
-
Eine wärmebeständige Magnesiumlegierung gemäß der
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Seltenerdmetall
als Mischmetall enthalten ist. Als Seltenerdmetall sind
geeignet
ein oder mehrere Elemente aus Scandium, Yttrium,
Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium,
Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium,
Thulium, Ytterbium und Lutetium. Die Isolierung des
Seltenerdelementes ist jedoch teuer, so dass das
vergleichsweise billige Mischmetall bevorzugt verwendet wird.
Mischmetalle sind natürliche Legierungen der Cer-Gruppe und
umfassen Cer, Lanthan, Praseodym, Neodym, Samarium und
dergleichen.
-
Die Erfinder haben die wärmebeständige
Magnesiumlegierung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung weiter
untersucht. Wird die Zusammensetzung der wärmebeständigen
Magnesiumlegierung, die in den oben beschriebenen Bereichen
liegt, beim Gebrauch beim Spritzguss, weiter auf eine
Zusammensetzung innerhalb bestimmter Grenzen eingeschränkt,
erhält die resultierende Legierung eine charakteristische
Struktur und eine hervorragende Restlängskraft an der
Verbindungsfuge unter Wärme- und Hochlast-Bedingungen, wenn
die daraus bestehenden Bauteile durch eine oder mehrere
Schrauben zusammengehalten werden.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird
ebenfalls eine wärmebeständige Magnesiumlegierung
bereitgestellt, die durch Spritzguss erhalten wird und einen Typ
Aluminium-Calcium-Verbindung enthält, der einen Dendriten
oder eine α-Kristallkorn in einer Legierungsstruktur
abdeckt, sowie einen Typ Aluminium-Seltenerd-Verbindung in
Form von kugelförmigen Teilchen, die in einer
Dendritenzelle oder einer α-Kristallkorngrenze auskristallisieren.
-
Bei der wärmebeständigen Magnesiumlegierung gemäß dem
zweiten Aspekt der Erfindung ist die in der Legierung
enthaltene Zusammensetzung aus Calcium, dem Seltenerdelement
und Aluminium für das Spritzgießen auf eine Zusammensetzung
in ihren spezifischen Bereichen beschränkt, wodurch der
entstandene Typ Aluminium-Calcium-Verbindung die gesamte
Oberfläche des Dendriten oder α-Kristallkorns abdeckt. Der
Typ Aluminium-Calcium-Verbindung ist bei hoher Temperatur
stabil, so dass sich die Versprödung der Gussstruktur verhindern
lässt, indem die Gesamtoberfläche des Dendriten
oder α-Kristallkorns mit dieser Verbindung abgedeckt wird.
-
Bei der wärmebeständigen Magnesiumlegierung gemäß dem
zweiten Aspekt der Erfindung kristallisiert überdies der
Typ Aluminium-Seltenerd-Verbindung in Form eines
kugelförmigen Teilchens in der Dendritenzelle oder α-
Kristallkorngrenze aus, und gleichzeitig entsteht der Typ
Aluminium-Calcium-Verbindung. Der Typ Aluminium-Seltenerd-
Verbindung in Form eines kugelförmigen Teilchens
kristallisiert derart aus, dass ein Keil in die Aluminium-Calcium-
Verbindung getrieben wird, der den Dendriten oder das α-
Kristallkorn abdeckt, wodurch die Torsionsfestigkeit der
resultierenden Legierung bei hoher Temperatur sehr groß
wird.
-
Als Ergebnis kann die wärmebeständige
Magnesiumlegierung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung eine
hervorragende Restlängskraft an der Verbindungsfuge unter Wärme-
und Hochlast-Bedingungen bereitstellen, wenn die daraus
bestehenden Bauteile durch einen oder mehrere Schrauben
zusammengehalten werden.
-
Der Typ Aluminium-Seltenerd-Verbindung enthält
Calcium. Der Calciumgehalt ist jedoch sehr niedrig, so dass eine
solche Verbindung in dieser Beschreibung als "Typ
Aluminium-Seltenerd-Verbindung" bezeichnet wird.
-
Die wie oben beschaffene wärmebeständige Magnesiumlegierung
wird erhalten durch Spritzgießen in einer Zusammensetzung,
die bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung, 4,5-6,0
Gew.-% Aluminium, 1,2-2,2 Gew.-% Calcium und 1,0 bis 3,0
Gew.-% Seltenerdelement enthält.
-
Die wärmebeständige Magnesiumlegierung enthält
Aluminium im vorstehenden Bereich, wodurch sich Aluminium mit
dem Seltenerdelement und Calcium vereinigt, so dass ein Typ
Aluminium-Calcium-Verbindung entsteht, der eine
Zwischenmetallverbindung ist.
-
Die wärmebeständige Magnesiumlegierung enthält daneben
das Seltenerdelement im vorstehenden Bereich, wodurch das
Seltenerdelement einen Typ Aluminium-Seltenerd-Verbindung
in Form eines kugelförmigen Teilchens bildet.
-
Die wärmebeständige Magnesiumlegierung enthält darüber
hinaus Calcium im vorstehenden Bereich, wodurch die
Aluminium-Seltenerd-Verbindung kugelförmig gemacht wird, und die
Aluminium-Calcium-Verbindung kann überdies die gesamte
Oberfläche des Dendriten oder eines α-Kristallkorns
abdecken.
-
Die wärmebeständige Magnesiumlegierung kann neben
Aluminium, Calcium und dem Seltenerdelement Zink enthalten.
Wenn sich eine zinkhaltige Verbundphase in der Korngrenze
bildet, wird die Restlängskraft an der Verbindungsfuge der
resultierenden Legierung reduziert, und so bewegt sich der
Zinkgehalt in einem Bereich, in dem Zink als feste Lösung
in der Matrix enthalten ist, und beträgt 0,5 Gew.-% oder
weniger.
-
Die Erfindung und wie sie ausgeübt werden kann, lässt
sich bspw. anhand der beigefügten Zeichnungen besser
verstehen. Es zeigt:
-
Fig. 1 eine graphische Darstellung, die den Bereich
des Aluminiumgehaltes gegen den Calciumgehalt in einer
Magnesiumlegierung gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung
veranschaulicht, wobei der Anteil des Seltenerdelements 1
Gew.-% beträgt.
-
Fig. 2 eine graphische Darstellung, die den Bereich
des Aluminiumgehaltes gegen den Calciumgehalt in einer
Magnesiumlegierung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung
veranschaulicht, wobei der Gehalt des Seltenerdelements 2
Gew.-% beträgt;
-
Fig. 3 eine graphische Darstellung, die den Bereich
des Aluminiumgehaltes gegen den Calciumgehalt in einer
Magnesiumlegierung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung
veranschaulicht, wobei der Gehalt des Seltenerdelements 3
Gew.-% beträgt;
-
Fig. 4 einen Querschnitt einer Gußform für einen bei
der Bestimmung von Gussrissen eingesetzten Ringtest;
-
Fig. 5 die Kopie einer Elektronenmikroskop-Aufnahme,
die eine Metallstruktur einer Magnesiumlegierung gemäß dem
zweiten Aspekt der Erfindung veranschaulicht;
-
Fig. 6 die Kopie einer Elektronenmikroskop-Aufnahme,
die eine Metallstruktur einer Magnesiumlegierung gemäß dem
zweiten Aspekt der Erfindung veranschaulicht;
-
Fig. 7 die Kopie einer Elektronenmikroskopie-Aufnähme,
die eine Metallstruktur einer Magnesiumlegierung gemäß dem
zweiten Aspekt der Erfindung veranschaulicht;
-
Fig. 8 ein erläuternder Querschnitt, der
veranschaulicht, wie sich die Längskraft messen lässt;
-
Fig. 9 eine Kopie einer Elektronenmikroskopieaufnähme,
die eine Metallstruktur einer Magnesiumlegierung gemäß
Vergleichsbeispiel 6 veranschaulicht;
-
Fig. 10 eine Kopie einer
Elektronenmikroskopieaufnähme, die eine Metallstruktur einer Magnesiumlegierung gemäß
Vergleichsbeispiel 6 veranschaulicht;
-
Fig. 11 eine Kopie einer
Elektronenmikroskopieaufnahme, die eine Metallstruktur einer weiteren
Magnesiumlegierung gemäß Vergleichsbeispiel 6 veranschaulicht;
-
Fig. 12 eine Kopie einer
Elektronenmikroskopieaufnähme, die eine Metallstruktur einer weiteren
Magnesiumlegierung gemäß Vergleichsbeispiel 6 veranschaulicht; und
-
Fig. 13 eine Kopie einer
Elektronenmikroskopieaufnähme, die eine Metallstruktur einer weiteren
Magnesiumlegierung gemäß Vergleichsbeispiel 6 veranschaulicht.
-
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nachstehend
erfindungsgemäße Ausführungsformen beschrieben. Die Fig.
1 bis 3 sind jeweils graphische Darstellungen eines
Bereichs des Aluminiumgehaltes gegen den Calciumgehalt in
einer Magnesiumlegierung gemäß einer ersten erfindungsgemäßen
Ausführungsform, wobei der Seltenerdgehalt konstant
gehalten wird. Fig. 4 ist ein Querschnitt einer Gussform für den
zur Bestimmung von Gussrissen verwendeten Risstest.
-
Die Fig. 5 bis 7 zeigen
Elektronenmikroskopieaufnahmen, welche jeweils eine Metallstruktur einer
Magnesiumlegierung gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen
Ausführungsform veranschaulichen, und Fig. 8 ist ein erläuternder
Querschnitt, der zeigt, wie sich die Restlängskraft an der
Verbindungsfuge der Magnesiumlegierung gemäß der zweiten
erfindungsgemäßen Ausführungsform messen lässt, wenn
Bauteile daraus durch einen Schraube verbunden sind
-
Die Fig. 9 bis 13 zeigen ebenfalls
Elektronenmikroskopieaufnahmen, die jeweils eine Metallstruktur einer
Magnesiumlegierung eines Vergleichsbeispiels
veranschaulichen.
-
Die Magnesiumlegierungen gemäß der ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsform werden zuerst beschrieben.
-
Die Magnesiumlegierungen gemäß dieser Ausführungsform
enthalten, bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung,
4,5-10 Gew.-% Aluminium, 0,1-3 Gew.-% Calcium, 1-3 Gew.-%
Mischmetall als Seltenerdelement und 0,2-1 Gew.-% Mangan,
und haben jeweils eine solche Zusammensetzung, dass die
Mengen an Aluminium, Calcium und Seltenerdelement die
Beziehung der nachstehenden Gleichung (1) erfüllen:
-
1,66 + 1,33b + 0,37c ≤ a ≤ 2,77 + 1,33b + 0,74c (1),
-
wobei a den Aluminiumgehalt, b den Calciumgehalt und c
den Seltenerdgehalt angibt.
-
Ist der Aluminiumgehalt in der Magnesiumlegierung
kleiner als 4,5 Gew.-% oder als die auf der linken Seite
befindlichen Bestandteile (1,66 ·+ 1,33b + 0,37c) der
Gleichung (1), lassen sich Gussrisse nicht verhindern. Ist der
Aluminiumgehalt größer als 10 Gew.-% oder als die auf der
rechten Seite befindlichen Bestandteile (2,77 + 1,33b +
0,74c) der Gleichung (1), sinken Wärmebeständigkeit,
insbesondere die Kriechdehnung, der resultierenden
Magnesiumlegierung.
-
Ist der Calciumgehalt in der Magnesiumlegierung
kleiner als 0,1 Gew.-%, lassen sich Gussrisse nicht verhindern.
Ist der Calciumgehalt größer als 3 Gew.-%, sinken Festigkeit
und Wärmebeständigkeit, und insbesondere die Kriechdehnung,
der resultierenden Magnesiumlegierung.
-
Ist der Seltenerdgehalt in der Magnesiumlegierung
kleiner als 1 Gew.-%, sinkt die Wärmebeständigkeit,
insbesondere die Kriechdehnung, der resultierenden Magnesiumlegierung.
Ist der Seltenerdgehalt größer als 3 Gew.-%, lassen
sich Gussrisse nicht verhindern.
-
Ist der Mangangehalt in der Magnesiumlegierung kleiner
als 0,2 Gew.-%, sinken Wärmebeständigkeit, insbesondere die
Kriechdehnung, der resultierenden Magnesiumlegierung. Ist
der Mangangehalt größer als 1 Gew.-%, sinkt die Festigkeit
der resultierenden Magnesiumlegierung.
-
In dieser Ausführungsform wird ein Mischmetall
verwendet, das bspw. 23,7 Gew.-% Lanthan, 58,0 Gew.-% Cer, 4,7 Gew.
Praseodym, 12,6 Gew.-% Neodym, weniger als 0,2 Gew.-%
Samarium, weniger als 0,2 Gew.-% Eisen, weniger als 0,3 Gew.-%
Calcium und weniger als 0,1 Gew.-% Magnesium enthält.
-
Die Magnesiumlegierungen dieser Ausführungsform eignen
sich insbesondere für die Verwendung von Getriebegehäusen,
Gehäusen von Motorteilen und dergleichen.
Beispiel 1:
-
Magnesiumlegierungen der Proben Nr. 1 bis 6 wurden
hergestellt, indem 1 Gew.-% Mischmetall, 0,45 Gew.-% Mangan
und verschiedene Mengen Aluminium und Calcium eingebracht
wurden.
-
Bei den Magnesiumlegierungen in diesem Beispiel lagen
die Aluminium- und Calciummengen in den Bereichen von 4,5-
10 Gew.-% bzw. 0,1-3 Gew.-%, und erfüllten die Beziehung der
nachstehenden Gleichung.
-
2,03 + 1,33b ≤ a ≤ 3,51 + 1,33b (2),
-
wobei a den Aluminiumgehalt und b den Calciumgehalt
angibt.
-
Die Gleichung (2) entspricht Gleichung (1), bei der c
gleich 1 ist. In den Magnesiumlegierungen der Proben Nr. 1
bis 6 aus diesem Beispiel, befinden sich die Mengenangaben
für Aluminium und Calcium in dem in Fig. 1 mit einer dicken
Linie umrandeten Bereich.
-
Die Magnesiumlegierungen der Proben Nr. 1 bis 6 wurden
dann in Tests hinsichtlich Gussriss und Festigkeit
untersucht.
-
Zuerst wurde der Gussriss-Test mit Hilfe der in Fig. 4
gezeigten Gussform durchgeführt, indem ein ringförmiges
Gussstück aus jeder Legierungsprobe gegossen wurde, das so
erhaltene ringförmige Gussstück gekühlt wurde und die
Längen der in dem ringförmigen Gussstück auftretenden Risse
gemessen wurden, wobei die Gesamtlänge der auftretenden
Gussrisse erfasst wurde.
-
Der Fig. 4 zufolge wird das ringförmige Gussstück
zwischen einer Außenform 2 und einer Innenform 3 gegossen, die
auf einer Basis 1 befestigt sind. Die Außenform 2 ist wie
ein Ring mit 58 mm Innendurchmesser R und 19 mm Dicke d
geformt, wohingegen die Innenform 3 wie eine Scheibe geformt
ist, die an ihrer Außenfläche konisch ausläuft, einen
oberen Außendurchmesser R¹ von 38 mm und einen unteren
Außendurchmesser R² von 37,6 mm aufweist und dicker als
Außenform 2 ist. Beim Gießen des ringförmigen Gussstücks wurde
übrigens Keramikpulver auf die Basis 1 gesprüht und
getrocknet.
-
Als zweites wurde die Festigkeitsuntersuchung
durchgeführt, indem eine 250-t-Kaltkammerdruckgussmaschine zum
Spritzgießen bei einer Formtemperatur von 100ºC und einer
Presskolbengeschwindigkeit von 1,7-2,5 m/sec verwendet
wurde, wodurch ein runder Stab mit etwa 20 mm Durchmesser und
200 mm Länge erzeugt wurde. Aus diesem runden Stab wurden
ein Kriechteststück und ein Dehnungsteststück, das ein
Gewindeteil mit Spannkopf mit 12 mm Außendurchmesser, 1,0 mm
Gewindesteigung und einen 30 mm Parallelteil mit 8,0 mm
Durchmesser aufwies, maschinell gefertigt. Der Dehnungstest
wurde bei 150ºC und 0,5 m/sec Kreuzkopfgeschwindigkeit
durchgeführt. Außerdem wurde der Kriechtest unter 50 MPa
Spannung bei 150ºC durchgeführt und die Dehnung nach 100
Std. ausschließlich Anfangsdehnung gemessen.
-
Die Zusammensetzungen der Magnesiumlegierungen aus
diesem Beispiel und die Ergebnisse des Gussriss- und
Festigkeitsuntersuchungen sind in der nachstehenden Tabelle 1
gezeigt.
Vergleichsbeispiel 1:
-
Magnesiumlegierungen der Proben Nr. 7 bis 13 wurden
auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt,
ausgenommen dass 1 Gew.-% Mischmetall und 0,45 Gew.-% Mangan
zugefügt wurden, und die Aluminium- und Calciummengen wurden
außerhalb des durch die dicke Linie umrandeten Bereichs in
Fig. 1 verändert. Die Gussriss- und
Festigkeitsuntersuchungen wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1
durchgeführt. Die Zusammensetzungen der Magnesiumlegierungen aus
dem Vergleichsbeispiel und die Ergebnisse des Gussriss- und
Festigkeitsuntersuchungen sind in der nachstehenden Tabelle
1 gezeigt.
Tabelle 1
-
RE: Seltenerdelement (Mischmetall)
-
Der Tabelle 1 zufolge erlitten die Legierungsproben 2,
4, 5 und 6 der Magnesiumlegierungen aus Beispiel 1 keine
Gussrisse. Gussrisse wurden auf den Legierungen der Proben
Nr. 1 und 3 beobachtet, diese waren jedoch zu leicht, als
dass sich praktische Probleme ergeben konnten. Die
Magnesiumlegierungen des Beispiels 1 waren zudem hervorragend
wärmebeständig, wie durch die hohe Dehnungsfestigkeit und die
hohe Kriechdehnung bei 150ºC gezeigt wurde.
-
Die Legierungsproben 7 und 9 der Magnesiumlegierungen
aus Vergleichsbeispiel 1, deren Aluminiumgehalt niedriger
als 4,5 Gew.-% war, erlitten dagegen Gussrisse. Die
Legierung der Probe Nr. 11, deren Aluminium- und Calciumgehalte
jedoch innerhalb der Bereiche 4,5-10 Gew.-% bzw. 0,1-3 Gew.-%
lagen, deren Aluminiumgehalt jedoch niedriger als die linke
Seite (2,03 + 1,33b) der Gleichung (2) (siehe Fig. 1) war,
erlitten überdies ebenfalls Gussrisse.
-
Die Legierungen der Proben Nr. 8, 10 und 12, deren
Aluminium- und Calciumgehalte innerhalb der Bereiche 4,5-10
Gew.-% bzw. 0,1-3 Gew.-% lagen, deren Aluminiumgehalt jedoch
höher als die rechte Seite (3,51 + 1,33b) der Gleichung (2)
(siehe Fig. 1) war, hatten offensichtlich eine hohe
Kriechdehnung und wurden somit im gedehnten Zustand wenig
wärmebeständig.
-
Die Legierung der Probe 13, deren Calciumgehalt über 3
Gew.-% lag, war offensichtlich zu wenig dehnfest, als dass
sie genügend Festigkeit erlangen konnten.
Beispiel 2:
-
Magnesiumlegierungen der Proben 14 bis 20 wurden auf
die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt,
ausgenommen dass 2 Gew.-% Mischmetall und 0,45 Gew.-% Mangan
enthalten waren und die Aluminium- und Calciummengen variiert
wurden. Bei den Magnesiumlegierungen dieses Beispiels lagen
die Aluminium- und Calciumgehalte in den Bereichen 4,5-10
Gew.-% bzw. 0,1-3 Gew.-%, und erfüllten die Beziehung der
nachstehenden Gleichung (3):
-
2,40 + 1,33b ≤ a ≤ 4,25 + 1,33b (3),
-
wobei a den Aluminiumgehalt und b den Calciumgehalt
angibt.
-
Die Gleichung (3) entspricht der Gleichung (1), in der
c gleich 2 ist. Bei den Magnesiumlegierungen der Proben Nr.
14 bis 20 aus diesem Beispiel befinden sich die Aluminium-
und Calciummengen in dem in Fig. 2 durch eine dicke Linie
umrandeten Bereich.
-
Mit Hilfe der Magnesiumlegierungen der Proben 14 bis
20 wurden dann auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1
Gussriss- und Festigkeitsuntersuchungen durchgeführt. Die
Zusammensetzungen der Magnesiumlegierungen aus diesem Beispiel
und die Ergebnisse der Gussriss- und
Festigkeitsuntersuchungen sind in der nachstehenden Tabelle 2 gezeigt.
Vergleichsbeispiel 2:
-
Die Magnesiumlegierungen der Proben Nr. 21 bis 27
wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt,
ausgenommen dass 2 Gew.-% Mischmetall und 0,45 Gew.-% Mangan
enthalten waren und die Aluminium- und Calciummengen
außerhalb des durch die dicke Linie umrandeten Bereichs in Fig.
2 variiert wurden. Damit wurden die Gussriss- und
Festigkeitsuntersuchungen auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1
durchgeführt. Die Zusammensetzungen der
Magnesiumlegierungen aus diesem Vergleichsbeispiel und die Ergebnisse der
Gussriss- und Festigkeitsuntersuchungen sind in der
nachstehenden Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2
-
RE: Seltenerdelement (Mischmetall)
-
Der Tabelle 2 zufolge erlitten die Legierungsproben 16
bis 20 der Magnesiumlegierungen des Beispiels 2 keine
Gussrisse. Gussrisse wurden bei den Legierungen der Proben Nr.
14 und 15 beobachtet, jedoch waren diese zu leicht, als
dass sie praktische Probleme verursachen konnten. Die
Magnesiumlegierungen aus Beispiel 2 hatten überdies
hervorragende Wärmebeständigkeit, wie durch die hohe
Dehnungsfestigkeit und niedrige die Kriechdehnung bei 150ºC gezeigt
wurde.
-
Die Legierung der Probe 21 der Magnesiumlegierungen
des Vergleichsbeispiels 2, deren Aluminiumgehalt kleiner
als 4,5 Gew.-% war, erlitt Gussrisse. Die Legierungen der
Proben Nr. 23 und 25, deren Aluminium- und Calciummengen
innerhalb der Bereiche 4,5-10 Gew.-% bzw. 0,1-3 Gew.-% lagen,
deren Aluminiumgehalt jedoch kleiner als die linke Seite
(2,40 + 1,33b) der Gleichung (3) (siehe Fig. 2) war,
erlitten überdies Gussrisse.
-
Die Legierungen der Proben Nr. 22, 24 und 26, deren
Aluminium- und Calciummengen Innerhalb der Bereiche 4,5-10
Gew.-% bzw. 0,1-3 Gew.-% lagen, deren Aluminiumgehalt jedoch
höher als die rechte Seite (4,25 + 1,33b) der Gleichung (3)
(siehe Fig. 2) war, hatten offensichtlich eine hohe
Kriechdehnung und wurden somit im gedehnten Zustand wenig
wärmebeständig.
-
Die Legierung der Probe 27, deren Calciumgehalt über 3
Gew.-% lag, hatte offensichtlich eine zu niedrige
Dehnungsfestigkeit, als dass sie hinreichende Festigkeit erlangen
konnte.
Beispiel 3:
-
Magnesiumlegierungen der Proben 28 bis 34 wurden auf
die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt,
ausgenommen dass 3 Gew.-% Mischmetall und 0,45 Gew.-% Mangan
enthalten waren und die Aluminium- und Calciummengen variiert
wurden. Bei den Magnesiumlegierungen dieses Beispiels lagen
die Aluminium- und Calciumgehalte in den Bereichen 4,5-10
Gew.-% bzw. 0,1-3 Gew.-%, und erfüllten die Beziehung der
nachstehenden Gleichung (4):
-
2,77 + 1,33b ≤ a ≤ 4,99 + 1,33b (4),
-
wobei a den Aluminiumgehalt und b den Calciumgehalt
angibt.
-
Die Gleichung (4) entspricht der Gleichung (1), in der
c gleich 3 ist. Bei den Magnesiumlegierungen der Proben Nr.
28 bis 34 aus diesem Beispiel befinden sich die Aluminium-
und Calciummengen in dem in Fig. 3 durch eine dicke Linie
umrandeten Bereich.
-
Mit Hilfe der Magnesiumlegierungen der Proben 28 bis
34 wurden dann auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1
Gussriss- und Festigkeitsuntersuchungen durchgeführt. Die
Zusammensetzungen der Magnesiumlegierungen aus diesem
Beispiel und die Ergebnisse der Gussriss- und
Festigkeitsuntersuchungen sind in der nachstehenden Tabelle 3 gezeigt.
Vergleichsbeispiel 3:
-
Die Magnesiumlegierungen der Proben Nr. 35 bis 41
wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt,
ausgenommen dass 3 Gew.-% Mischmetall und 0,45 Gew.-% Mangan
enthalten waren und die Aluminium- und Calciummengen
außerhalb des durch die dicke Linie umrandeten Bereichs variiert
wurden. Damit wurden die Gussriss- und
Festigkeitsuntersuchungen auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1
durchgeführt. Die Zusammensetzungen der Magnesiumlegierungen aus
diesem Vergleichsbeispiel und die Ergebnisse der Gussriss-
und Festigkeitsuntersuchungen sind in der nachstehenden
Tabelle 3 gezeigt.
Tabelle 3
-
RE: Seltenerdelement (Mischmetall)
-
Der Tabelle 3 zufolge erlitten die Legierungsproben 30
bis 34 der Magnesiumlegierungen des Beispiels 3 keine
Gussrisse. Gussrisse wurden bei den Legierungen der Proben Nr.
28 und 29 beobachtet, jedoch waren diese zu leicht, als
dass sie praktische Probleme verursachen konnten. Die
Magnesiumlegierungen aus Beispiel 3 hatten überdies
hervorragende Wärmebeständigkeit, wie durch die hohe
Dehnungsfestigkeit und niedrige Kriechdehnung bei 150ºC gezeigt
wurde.
-
Die Legierung der Probe 35 der Magnesiumlegierungen
des Vergleichsbeispiels 3, deren Aluminiumgehalt kleiner
als 4,5 Gew.-% war, erlitt dagegen Gussrisse. Die
Legierungen der Proben Nr. 37 und 39, deren Aluminium- und
Calciummengen innerhalb der Bereiche 4,5-10 Gew.-% bzw. 0,1-3 Gew.-%
lagen, deren Aluminiumgehalt jedoch kleiner als die linke
Seite (2,77 + 1,33b) der Gleichung (4) (siehe Fig. 3) war,
erlitten überdies Gussrisse.
-
Die Legierungen der Proben Nr. 36, 38 und 40, deren
Aluminium- und Calciummengen innerhalb der Bereiche 4,5-10
Gew.-% bzw. 0,1-3 Gew.-% lagen, deren Aluminiumgehalt jedoch
höher als die rechte Seite (4,99 + 1,33b) der Gleichung (4)
(siehe Fig. 3) war, hatten offensichtlich eine hohe
Kriechdehnung und wurden somit im gedehnten Zustand wenig
wärmebeständig.
-
Die Legierung der Probe 41, deren Calciumgehalt über 3
Gew.-% lag, hatte offensichtlich eine zu niedrige
Dehnungsfestigkeit, als dass sie hinreichende Festigkeit erlangen
konnte.
Beispiel 4:
-
Magnesiumlegierungen der Proben 42 bis 44 wurden auf
die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt,
ausgenommen dass der Gehalt an Mischmetall, Aluminium und Calcium 2
Gew.-%, 5 Gew.-% bzw. 1,8 Gew.-% betrug, und der Mangangehalt
im Bereich von 0,2-1,0 Gew.-% variiert wurde.
-
Bei den Magnesiumlegierungen dieses Beispiels
erfüllten die Aluminium- und Calciumgehalte die Beziehung der
nachstehenden Gleichung (3):
-
2,40 + 1,33b ≤ a ≤ 4,25 + 1,33 h (3),
-
wobei a den Aluminiumgehalt und b den Calciumgehalt
angibt.
-
Die Gleichung (3) entspricht, wie vorstehend erwähnt
der Gleichung (1), in der c gleich 2 ist.
-
Mit Hilfe der Magnesiumlegierungen der Proben 42 bis
44 wurden dann auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1
Gussriss- und Festigkeitsuntersuchungen durchgeführt. Die
Zusammensetzungen der Magnesiumlegierungen aus diesem Beispiel
und die Ergebnisse der Gussriss- und
Festigkeitsuntersuchungen sind in der nachstehenden Tabelle 4 gezeigt.
Vergleichsbeispiel 4:
-
Die Magnesiumlegierungen der Proben Nr. 45 bis 47
wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt,
ausgenommen dass der Gehalt an Mischmetall, Aluminium und
Calcium 2 Gew.-%, 5 Gew.-% bzw. 1,9 Gew.-% betrug, und der
Gehalt an Mangan außerhalb des Bereiches von 0,2-1,0 Gew.-%
variiert wurde.' Damit wurden die Gussriss- und
Festigkeitsuntersuchungen auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1
durchgeführt. Die Zusammensetzungen der
Magnesiumlegierungen aus diesem Vergleichsbeispiel und die Ergebnisse der
Gussriss- und Festigkeitsuntersuchungen sind in der
nachstehenden Tabelle 4 gezeigt.
Tabelle 4
-
RE: Seltenerdelement (Mischmetall)
-
Der Tabelle 4 zufolge erlitten die Legierungsproben 42
und 43 der Magnesiumlegierungen des Beispiels 4, deren
Mangangehalt von 0,2-1,0 Gew.-% reichte, keine Gussrisse.
Gussrisse wurden bei der Legierung der Proben Nr. 44
beobachtet, jedoch waren diese zu leicht, als dass sie praktische
Probleme verursachen konnten. Die Magnesiumlegierungen aus
Beispiel 4 hatten überdies hervorragende
Wärmebeständigkeit, wie durch die hohe Dehnungsfestigkeit und die
niedrige Kriechdehnung bei 150ºC gezeigt wurde.
-
Bei den Magnesiumlegierungen des Vergleichsbeispiels
4, deren Mangangehalt außerhalb des Bereichs 0,2-1,0 Gew.-%
lag, waren die Gussrisse reduziert wie bei den
Magnesiumlegierungen von Beispiel 4. Die Legierungen der Proben Nr. 45
und 46, deren Mangangehalt kleiner als 0,2 Gew.-% war,
hatten eine höhere Kriechdehnung als die Magnesiumlegierungen
des Beispiels 4. Die Magnesiumlegierung der Probe Nr. 47,
deren Mangangehalt höher als 1,0 Gew.-% war, hatte eine
niedrigere Dehnungsfestigkeit als die Magnesiumlegierungen
des Beispiels 4. Diese Magnesiumlegierungen waren
offensichtlich nicht genügend wärmebeständig.
Vergleichsbeispiel 5:
-
Die Magnesiumlegierungen der Proben Nr. 48 bis 50
wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt,
ausgenommen dass der Mangangehalt auf 0,45 Gew.-%
eingestellt wurde, die Calcium- und Aluminiummengen in den
Bereichen 1,8-1,9 Gew.-% bzw. 4,5-7,9 Gew.-% variiert wurden,
und der Gehalt an Mischmetall außerhalb des Bereichs 1,0-
3,0 Gew.-% variiert wurde. Damit wurden die Gussriss- und
Festigkeitsuntersuchungen auf die gleiche Weise wie in
Beispiel 1 durchgeführt. Die Zusammensetzungen der
Magnesiumlegierungen dieses Vergleichsbeispiels und die Ergebnisse
der Gussriss- und Festigkeitsuntersuchungen sind in der
nachstehenden Tabelle 5 gezeigt.
Tabelle 5
-
RE: Seltenerdelement (Mischmetall)
-
Der Tabelle 5 zufolge erlitt die Legierung von Probe
Nr. 48, in der der Gehalt des als Seltenerdelement
verwendeten Mischmetalls kleiner als 1,0 Gew.-% war, keine
Gussrisse, jedoch war ihre Kriechdehnung hoch. Die Legierungen
der Proben Nr. 49 und 50, deren Mischmetallgehalt höher als
3,0 Gew.-% war, erlitten Gussrisse.
-
Die Magnesiumlegierungen der zweiten erfindungsgemäßen
Ausführungsform werden nachstehend beschrieben.
-
Die Magnesiumlegierungen dieser Ausführungsform können
durch Spritzgießen von Legierungskomponenten in einer
Zusammensetzung erhalten werden, die bezogen auf das
Gesamtgewicht der Legierung, 4,5-6,0 Gew.-% Aluminium, 1,2-2,2
Gew.-% Calcium und 1,0-3,0 Gew.-% eines Mischmetalls als
Seltenerdelement enthalten.
-
Ist der Gehalt an Aluminium in der Magnesiumlegierung
kleiner als 4,5 Gew.-%, wird nicht genug Typ Aluminium-
Calcium-Verbindung und Typ-Aluminium-Seltenerd-Verbindung
erzeugt, so dass der Typ Magnesium-Seltenerd-Verbindung und
der Typ Magnesium-Calcium-Verbindung der eutektischen Phase
blättrig gebildet werden. Ist dagegen der Aluminiumgehalt
größer als 6,0 Gew.-%, wandert überschüssiges Aluminium, das
sich nicht mit dem Seltenerdelement oder Calcium verbindet,
in eine kristalline Phase, β(Mg&sub1;&sub7;Al&sub1;&sub2;), und die kristalline
Phase wird dick ausgebildet.
-
Ist der Calciumgehalt kleiner als 1,2 Gew.-%, kann der
Typ Aluminium-Seltenerd-Verbindung nicht kugelförmig
gemacht werden, und der Typ Aluminium-Calcium-Verbindung kann
überdies die Gesamtoberfläche des Dendriten oder α-
Kristallkorns nicht vollständig abdecken. Ist der
Calciumgehalt größer als 2,2 Gew.-%, entsteht eine eutektische
Phase und somit eine spröde Magnesiumlegierung.
-
Ist der Gesamtgehalt des Seltenerdelements in der
Magnesiumlegierung kleiner als 1,0 Gew.-%, reicht die absolute
Menge des im Dendriten oder α-Kristallkorn
auskristallisierten Typ Aluminium-Seltenerd-Verbindung nicht aus, so
dass die Restlängskraft an der Verbindungsfuge nicht
verbessert werden kann. Ist der Seltenerdgehalt dagegen größer
als 3,0 Gew.-%, fällt ein Typ Aluminium-Seltenerd-
Verbindung, bspw. in einem Zusammensetzungsverhältnis von
Aluminium zu Seltenerdelement von 2 : 1, Primärverbindungen
aus, was eine sehr spröde Magnesiumlegierung ergibt.
-
Die Magnesiumlegierung dieser Ausführungsform kann wie
bei der ersten Ausführungsform Mangan in einem Bereich von
0,2-1 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung,
enthalten.
-
Die Magnesiumlegierungen dieser Ausführungsform können
daneben überdies Zink in einem Bereich enthalten, in dem es
als feste Lösung in der Matrix enthalten ist. Zink ist ein
Festlösungsverfestigungselement wie Aluminium. Zink lässt
sich jedoch leicht mit Seltenerdelementen und Calcium
kombinieren, und so lassen sich ein Typ Zink-Seltenerd-, ein
Typ Aluminium-Zink-Seltenerd-, ein Typ Zink-Calcium- und
ein Typ Aluminium-Zink-Calcium-Verbindung herstellen.
Kristallisieren diese zinkhaltigen Verbindungen in der
Korngrenze aus, verringert die erhaltene Legierung ihre
Restlängskraft. Der Zinkgehalt in den Magnesiumlegierungen
dieser Ausführungsform liegt - sofern vorhanden - in einem
Bereich, in dem Zink als feste Lösung in der Matrix enthalten
ist, und beträgt 0,5 Gew.-% oder weniger.
-
Bei dieser Ausführungsform wird das gleiche
Mischmetall wie in der ersten Ausführungsform verwendet.
-
In dieser Ausführungsform werden Magnesiumlegierungen
erhalten, die einen Typ Aluminium-Calcium-Verbindung
enthält, der die gesamte Oberfläche eines Dendriten oder α-
Kristallkorns in einer Legierungsstruktur abdeckt, sowie
einen Typ Aluminium-Seltenerd-Verbindung in Form eines
kugelförmigen Teilchens, das in einer Dendritenzelle oder cc-
Kristallkorngrenze auskristallisiert, und zwar indem die
vorstehend beschriebene Zusammensetzung spritzgegossen
wird.
-
Die Ergebnisse, die sich aus der Untersuchung der
Struktur der Magnesiumlegierung dieser Ausführungsform
ergeben, werden nachstehend anhand einer Magnesiumlegierung
beschrieben, die 5,0 Gew.-% Aluminium, 1,8 Gew.-% Calcium,
2,0 Gew.-% Mischmetall als Seltenerdelement und 0,3 Gew.-%
Mangan enthält und durch Spritzguss erhalten wird.
-
Die Struktur der Magnesiumlegierung wurde anhand von
Photographien mit 1000- und 5000-fachen Vergrößerungen der
Legierung untersucht, die als Strukturbild mit einem
Rasterelektronenmikroskop aufgenommen wurden, da sich die Typ
Seltenerd-Verbindung schwer von den Typ Calciumverbindungen
im Lichtmikroskop unterscheiden ließen. Die Fig. 5 und 6
zeigen Kopien der Elektronenmikroskopaufnahmen bei 1000-
bzw. 5000-facher Vergrößerung.
-
In der Struktur der Magnesiumlegierung wird der Fig.
6 zufolge ein blättriger Typ Aluminium-Calcium-Verbindung
5, welcher die gesamte Oberfläche des Dendriten oder α-
Kristallkorns 4 abdeckt, in einer Dendritenzelle oder einer
α-Kristallkorngrenze gebildet, und zudem kristallisiert ein
Typ Aluminium-Seltenerd-Verbindung 6 in Form eines
kugelförmigen Teilchens im Bereich von 0,1 bis 1 um in
Verbindung 5 aus.
-
Ein Foto mit 75000-fachen Vergrößerungen wurde dann
mit einem Transmissionselektronenmikroskop unter Verwendung
einer Probe erhalten, die erhalten wurde, indem die
Struktur der Magnesiumlegierung mechanisch abgeschliffen und in
Scheiben geschnitten wurde, aus dieser Scheibe eine 3 mm-
Scheibe ausgestanzt wurde, diese Scheibe mit feuchtem
Schleifpapier bis zu #1500 geschliffen und durch Elektropolieren
zu einer dünnen Folie geschliffen wurde. Eine Kopie
dieser Elektronenmikroskopieaufnähme ist in Fig. 7 gezeigt.
-
In der Struktur der Magnesiumlegierung bildet sich der
Fig. 7 zufolge der blättrige Typ Aluminium-Calcium-
Verbindung 5, der den Dendriten oder ein α-Kristallkorn 4
in 0,1 bis 1 um Dicke abdeckt.
-
Die Zusammensetzungen der einzelnen Anteile der
Struktur der in den Fig. 5 bis 7 gezeigten Magnesiumlegierung
wurden dann durch ein Energieverwischungsverfahren der
Röntgenspektroskopie ermittelt. Diese Ergebnisse sind in
der nachstehenden Tabelle 6 gezeigt. Bei dem
Energieverwischungsverfahren der Röntgenspektroskopie wurde Cer, das
bis zu 60% des Mischmetalls ausmacht, als Seltenerdelement
ermittelt
Tabelle 6
-
RE: Seltenderdelement (Mischmetall)
-
Der Tabelle 6 zufolge besteht der blättrige Typ
Aluminiu-Calciumverbindung 5, der den Dendriten oder das α-
Kristallkorn 4 abdeckt, vorwiegend aus Aluminium und
Calcium. Der Typ Aluminium-Seltenerdelement-Verbindung 6 in Form
eines kugelförmigen Teilchens, das in der Dendritenzelle
oder einer α-Kristallkorngrenze auskristallisiert, besteht
offenbar ebenfalls hauptsächlich aus Aluminium und dem
Seltenerdelement und enthält Calcium.
-
Der Grund, warum der Typ Aluminium-Calcium-Verbindung
5 beim Energieverwischungsverfahren der Röntgenspektroskopie
Magnesium enthält, ist, dass Magnesium in der Matrix
unvermeidbar erfasst wird.
-
Bei den Magnesiumlegierungen dieser Ausführungsform
lässt sich eine hohe Torsionsbeständigkeit unter Wärme- und
Hochlast-Bedingungen durch die Kristallstruktur der
vorstehenden Beschaffenheit erhalten. Daher lässt sich unter
Wärme- und Hochlast-Bedingungen bei Verwendung in
Motorgehäusen, Gehäuseteilen und dergleichen, sowie mittels Schraube
zusammengefügt, eine hervorragende Restlängskraft erhalten.
Ein Beispiel der Magnesiumlegierungen dieser
Ausführungsform sowie ein Vergleichsbeispiel dafür werden nachstehend
beschrieben.
Beispiel 5:
-
In diesem Beispiel wurden zur Herstellung der Proben
Nr. 51 bis 60 99,9% reines Magnesium, ein 99,9% reines
Mischmetall als Seltenerdelement, 99,8% reines Calcium und
eine Magnesiumlegierung mit 3 Gew.-% Mangan verwendet, indem
die Mengen an Aluminium, Seltenerdelement, Calcium, Mangan
und Zink in den Bereichen 4,5-6,0 Gew.-%, 1,0-3,0 Gew.-%,
1,2-2,2 Gew.-%, 0,2-1,0 Gew.-% bzw. höchstens 0,5 Gew.-%,
bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung, variiert wurden.
Etwa 50 kg eines Legierungsmaterials, jeweils bestehend aus
den vorstehenden Zusammensetzungen, wurden zu einer dicken,
50 mm · 100 mm · 15 mm großen Platte mit einer 250-t-
Kaltkammerspritzgussmaschine gegossen.
-
Aus den dicken Platten, hergestellt aus den jeweiligen
Legierungen der Proben Nr. 51 bis 60, wurden dann jeweils
zwei Platten mit je 30 mm · 30 mm · 12 mm Größe gefertigt.
In eine der Platten wurde ein 6 mm Durchgangsloch gemacht,
so dass ein Flansch 7 bereit gestellt wurde, wohingegen die
andere Platte so mit einem Gewindeschneider bearbeitet
wurde, dass der Gewindedurchmesser 6 mm und die
Gewindesteigung 1,0 mm betrug, wodurch Mutter 8 erhalten wurde.
Flansch 7 und Mutter 8 wurden durch M6-Schraube 9 unter
einer Last von etwa 1250 kgf (Anfangs-Längskraft)
zusammengehalten.
-
Nach dem Verbinden von Flansch 7 und Mutter 8 durch
Schraube 9 auf die vorstehend beschriebene Weise wurden
diese dann 400 Std. in einem Muffelofen bei 150ºC
wärmebehandelt, dann aus dem Muffelofen entnommen und luftgekühlt.
Die Dehnung der Schraube wurde dann mittels Feinzeiger 10
in einer Wärmekammer bei 20ºC gemessen, wobei die
Längskraft nach 400 Std. aus einer vorher angefertigten
Eichkurve bestimmt wurde. Die so berechnete Längskraft wurde dann
mit der Anfangs-Längskraft verglichen und die Konstanz der
Längskraft (%) nach folgender Gleichung berechnet:
-
Konstanz der Längskraft (%) = (Längskraft nach 400 Std./Anfangs-Längskraft) · 100
-
Die Eichkurve wurde im Übrigen durch Messen der
Ausdehnung der Schraube 9, mit der Flansch 7 und Mutter 8 wie
vorstehend beschrieben zusammengehalten wurden, mittels
Feinzeiger 10, wobei mit einem 25-t-Autograph eine Last auf
die Schraube 9 ausgeübt wurde, und Aufzeichnen der
Schraubendehnung gegen die Last, angefertigt. Die
Zusammensetzungen der Legierungen der Proben Nr. 51 bis 60 und die
Konstanz ihrer Längskraft sind in der nachstehenden Tabelle 7
gezeigt.
Vergleichsbeispiel 6:
-
Dicke Platten aus Magnesiumlegierungen, die jeweils
aus Zusammensetzungen der Proben Nr. 61 bzw. 62 bestanden,
wurden genau wie in Beispiel 5 spritzgegossen, außer dass
der Aluminiumgehalt außerhalb des Bereichs von 4,5-6,0
Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung,
variiert wurde.
-
Dicke Platten aus Magnesiumlegierungen, die jeweils
aus Zusammensetzungen der Proben Nr. 63 bzw. 64 bestanden,
wurden genau wie in Beispiel 5 spritzgegossen, außer dass
der Seltenerdgehalt außerhalb des Bereichs von 1,0-3,0
Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung,
variiert wurde.
-
Dicke Platten aus Magnesiumlegierungen, die jeweils
aus Zusammensetzungen der Proben Nr. 65 bzw. 66 bestanden,
wurden genau wie in Beispiel 5 spritzgegossen, außer dass
der Calciumgehalt außerhalb des Bereichs von 1,2-2,2 Gew.-%,
bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung, variiert
wurde.
-
Eine dicke Platte aus einer Magnesiumlegierung, die
aus einer Zusammensetzung der Probe Nr. 67 bestand, wurde
genau wie in Beispiel 5 spritzgegossen, außer dass der
Zinkgehalt auf eine Menge größer als 0,5 Gew.-%, bezogen auf
das Gesamtgewicht der Legierung, geändert wurde.
-
Die Konstanz der Längskraft (%) der Legierungen der
Proben 61 bis 67 wurde genau wie in Beispiel 5 berechnet.
Die Zusammensetzungen und die Konstanz der Längskraft der
Legierungen der Proben 61 bis 67 sind in der nachstehenden
Tabelle 7 gezeigt.
Tabelle 7
-
RE: Seltenerdelement (Mischmetall)
-
Aus Tabelle 7 ist ersichtlich, dass sämtliche
Magnesiumlegierungen des Beispiels 5 eine Konstanz der Längskraft
von 65 bis 70% aufweisen, und somit im Wesentlichen die
gleiche hervorragende Restlängskraft aufweisen, wie eine
Aluminiumlegierung ADC12 unter Wärme- und Hochlast-
Bedingung. Sämtliche Legierungen des Vergleichsbeispiels 6,
deren Gehalt an Aluminium, Seltenerdelement, Calcium oder
Zink außerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens liegen, hatten
eine Konstanz der Längskraft von nur höchstens 42%. Die
Legierungen der Proben Nr. 61, 6,4 und 66 rissen unter der
Wärme- und Hochlastbedingung, und so war die Konstanz ihrer
Längskraft nicht messbar.
-
Die Strukturen der Magnesiumlegierungen der Proben Nr.
61 und 65 wurden untersucht. Die Ergebnisse davon werden
nachstehend beschrieben.
-
Die Struktur der Magnesiumlegierung von Probe Nr. 61
wurde zunächst anhand von Photographien mit 1000- und 5000-
facher Vergrößerung der Legierung untersucht, die als
Strukturbild mittels Rasterelektronenmikroskop aufgenommen
wurden. Die Fig. 9 und 10 zeigen Kopien der
Elektronenmikroskopieaufnahmen mit 1000- bzw. 5000-facher
Vergrößerung.
-
In der Struktur der Magnesiumlegierung kristallisieren
der Fig. 10 zufolge aufgrund des niedrigen
Aluminiumgehaltes viele Eutektika 11 in einer Dendritenzelle oder α-
Kristallkorngrenze aus, welche die Korngrenze des Dendriten
oder α-Kristallkorns 4 ist.
-
Die Struktur der Magnesiumlegierung der Probe Nr. 65
wurde dann anhand von Photographien mit 1000- und 5000-
facher Vergrößerung der Legierung, die als Strukturbild mit
einem Rasterelektroenmikroskop aufgenommen wurden,
untersucht. Die Fig. 11 und 12 zeigen Kopien der
Elektronenmikroskopieaufnahmen bei 1000- bzw. 5000-facher
Vergrößerung.
-
In der Struktur der Magnesiumlegierung wird der Fig.
12 zufolge die Aluminium-Seltenerd-Verbindung, die in einer
Dendritenzelle oder einer α-Kristallkorngrenze
auskristallisiert, welche eine Korngrenze des Dendriten oder des α-
Kristallkorns 4 ist, aufgrund des niedrigen Calciumgehaltes
offenbar nicht kugelförmig gemacht.
-
Ein Foto mit 75000-fachen Vergrößerungen wurde dann
mit einem Transmissionselektronenmikroskop unter Verwendung
einer Probe erhalten, indem die Struktur der
Magnesiumlegierung mechanisch abgeschliffen und in Scheiben
geschnitten wurde, aus dieser Scheibe eine 3 mm-Scheibe ausgestanzt
wurde, diese Scheibe mit feuchtem Schleifpapier bis zu
#1500 geschliffen und durch Elektropolieren zu einer dünnen
Folie geschliffen wurde. Eine Kopie dieser
Elektronenmikroskopieaufnähme ist in Fig. 13 gezeigt.
-
In der Struktur der Magnesiumlegierung bildet sich der
Fig. 13 zufolge die blättrige Typ Aluminium-Calcium-
Verbindung 5, die den Dendriten oder das α-Kristallkorn 4
aufgrund des niedrigen Calciumgehaltes unvollständig
abdeckt.
-
Bei den hier offenbarten und von den beigefügten
Patentansprüchen umfassten Magnesiumlegierungen besteht der
Rest der Legierungszusammensetzung aus Magnesium und
unwesentlichen Verunreinigungen erzeugt.