DE69704801T2

DE69704801T2 - Hochtemperaturbeständige Magnesiumlegierung

Info

Publication number: DE69704801T2
Application number: DE69704801T
Authority: DE
Inventors: Tsuyoshi Baba; Kensuke Honma; Masao Ichikawa
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1996-02-27
Filing date: 1997-02-20
Publication date: 2001-08-30
Anticipated expiration: 2017-02-21
Also published as: DE69704801D1; EP0791662B1; EP0791662A1; JPH09291332A; US5811058A; JP3229954B2

Description

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.

Claims

1. Wärmebeständige Magnesiumlegierung, die bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung enthält: 4,5 bis 10 Gew.-% Aluminium, 0,1 bis 3 Gew.-% Calcium, 1 bis 3 Gew.-% Seltenerdelement, 0,2 bis 1 Gew.-% Mangan, nicht mehr als 0,5 Gew.-% Zink, und der Rest Magnesium und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei die Zusammensetzung derart ist, dass die Gehalte an Aluminium, Calcium und Seltenerdelement die Beziehung in Gleichung (1) erfüllen: 0,66 + 1,33b + 0,37c ≤ a ≤ 2,77 + 1,33b + 0,74c (1) worin ist: a der Gehalt an Aluminium, b der Gehalt an Calcium und c der Gehalt an Seltenerdelement.

2. Wärmebeständige Magnesiumlegierung nach Anspruch 1, die für den Spritzguss geeignet ist.

3. Wärmebeständige Magnesiumlegierung nach Anspruch 2, die durch Spritzgießen erhalten wird und einen Typ Aluminium-Calcium-Verbindung enthält, der einen Dendrit oder ein α-Kristallkorn in einer Legierungsstruktur abdeckt sowie einen Typ Aluminium-Seitenerd-Verbindung in Form von kugelförmigen Teilchen, die in einer Dendritzelle oder einer α-Kristallkorngrenze auskristallisieren.

4. Wärmebeständige Magnesiumlegierung nach Anspruch 2, erhalten durch das Spritzgießen in einer Zusammensetzung, die bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung enthält: 4,5 bis 6 Gew.-% Aluminium, 1,2 bis 2,2 Gew.-% Calcium und 1,0 bis 3 Gew.-% Seltenerdelement.

5. Wärmebeständige Magnesiumlegierung nach Anspruch 1, wobei das Seltenerdelement als Mischmetall enthalten ist.