WO2000063452A1 - Magnesiumlegierungen hoher duktilität, verfahren zu deren herstellung und deren verwendung - Google Patents

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WO2000063452A1
WO2000063452A1 PCT/EP2000/002524 EP0002524W WO0063452A1 WO 2000063452 A1 WO2000063452 A1 WO 2000063452A1 EP 0002524 W EP0002524 W EP 0002524W WO 0063452 A1 WO0063452 A1 WO 0063452A1
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weight
mpa
elongation
magnesium alloy
break
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Wolfgang Sebastian
Karl Ulrich Kainer
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C23/00—Alloys based on magnesium
    • C22C23/06—Alloys based on magnesium with a rare earth metal as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C23/00—Alloys based on magnesium
    • C22C23/02—Alloys based on magnesium with aluminium as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/06—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of magnesium or alloys based thereon

Definitions

  • the invention relates to magnesium alloys of high ductility, processes for their production and their use, in particular magnesium alloys containing calcium, strontium, zirconium and / or rare earth elements.
  • magnesium alloys in the range of 1.2 to 1.9 g / cm 3, are of great interest as metallic construction materials, above all for vehicle and aircraft construction. In the future, they will be used more and more for the lightweight construction of motor vehicles and airplanes in order to be able to compensate for the weight of additional elements due to increasing comfort and safety standards, particularly in new low-emission automobiles. They are also of interest for transportable devices or systems that are particularly light-weight for other reasons.
  • the lightweight construction enables the construction of energy-saving vehicles and planes, such as the 3-liter motor vehicle, to a particular extent.
  • the cold formability of the commercially available magnesium alloys is limited due to the hexagonal crystal structure and the associated low ductility. Polycrystalline magnesium and most magnesium alloys behave brittle at room temperature. In addition to good mechanical properties such as high tensile strength, ductile behavior is necessary for numerous applications or for certain manufacturing processes for semi-finished products made of magnesium alloys. An improved forming, energy absorption and deformation behavior requires a higher one Ductility and possibly higher strength and toughness. For this purpose, magnesium alloys with these properties have to be developed or their manufacturing processes have to be further developed, because many material variants have material properties that vary greatly with the manufacturing state.
  • Ductility is the ability of a material to undergo a permanent change in shape, which in the uniaxial state is ideally without any elastic component according to the stress-strain diagram. This property is limited by the occurrence of the break. In general, the permanent elongation achieved in the tensile test up to fracture is considered ductility. As a measure of the ductility, the constriction of the fracture, impact work and notch impact work can also be viewed, each with a slightly different statement. These properties can be determined in accordance with EN 10 002, Part 1, or in accordance with DIN 50115 and 50116.
  • a highly plastic material is called ductile.
  • the elongation at break can often have higher values if only medium-high values of the tensile strength are achieved and that conversely only medium-high values of the elongation at break are achieved with high values of the tensile strength. Very high tensile strength values can only be achieved with comparatively low elongation at break values.
  • the elasticity denotes the elastic part of the stress-strain diagram according to Hook's law, where under ideal linear-elastic conditions there is no permanent change in shape.
  • the ratio of the elastic to the plastic part of the stretch gives the best approximation to reality.
  • the impact work is above all a measure of the energy consumption of a semi-finished product and of plastic behavior, i.e. of the deformability and rate of deformation.
  • a high impact work is therefore essential for the use of deformation elements such as crash elements, impact dampers, impact shields and impact carriers.
  • the impact work - measured on notched specimens - is more meaningful than the notched impact work due to higher absolute values for magnesium alloys and affects a largely uniaxial load.
  • the impact energy which is always determined on notched specimens, also characterizes the susceptibility of a material to failure under three-axis loading. Their significance is particularly low if the execution of the notch significantly influences the values of the impact energy.
  • the impact work and the notch impact work are measured under dynamic load and can give an indication of the energy absorption and deformability. In comparison, tensile and compression tests are carried out under quasi-static loads. A conclusion from uniaxial to multiaxial properties or relationships is only partially possible.
  • the values listed below measured on samples in a certain manufacturing condition therefore reflect the current material properties. They provide an indication of the forming behavior that previously occurred during the forming process. In this state, it is possible to draw a conclusion about the properties and behavior of a semi-finished product or even a component with this semi-finished product, which may be further refined, in later use. Furthermore, a conclusion can be drawn about the material properties of formed alloys, e.g. by bending, pressing, pressure rolling, stretch drawing, deep drawing, hydroforming or roll profiling to be processed into semi-finished products. Since the change in the material properties from the cast to the extruded state is similar to the change in the material properties from the cast to the forged, rolled or a similar formed state, it is therefore also possible to draw a conclusion about another formed state.
  • the elastic properties are usually emphasized, as long as the deformation properties and thus the energy absorption of the element and the plastic behavior are not important, as in an accident.
  • the plastic and, in particular, the plastic and / or elastic properties play a role with regard to the multiple reshaping.
  • These properties are typically for use on the the respective ambient temperature, in extreme cases in the range from -40 ° C to +90 ° C, but at individual points in the vehicle or plane to the locally lower or higher temperatures.
  • the load state is usually multi-axis. The conclusion from uniaxial to multiaxial load states is all the more possible the more isotropic the structure.
  • the production by die casting or extrusion, forging and / or rolling is particularly suitable.
  • the production by die casting or extrusion, forging and / or rolling is particularly suitable.
  • Prerequisite for the use of semi-finished products made of magnesium alloys or of components or parts made from them in automobiles may be the fulfillment of certain property profiles depending on the application, e.g. in the case of deformation elements, seat and door frames, a tensile strength of the light material of at least 100 MPa, preferably of at least 130 MPa, together with an elongation at break measured at room temperature of at least 10%, preferably of at least 15%.
  • higher strength values and a higher ductility are also a relief and in some cases also a prerequisite for the shaping of cast blanks or for the further shaping of already shaped blanks or semi-finished products.
  • the higher these properties are in the cast or powder-compacted state, the higher these are usually also in the formed state.
  • a higher ductility can facilitate the forming or the re-forming, in particular the extrusion. Therefore, an elongation at break of at least 10% is also helpful for the subsequent manufacturing steps for elements made of magnesium alloys.
  • a tensile strength of at least 150 MPa measured at room temperature, preferably of at least 180 MPa, or an elongation at break of at least 18%, preferably of at least 20%, particularly preferably of at least 25%, is therefore recommended for several reasons.
  • the elongation at break in commercially available magnesium alloys, measured at room temperature is usually less than 12%.
  • alloys based on Mg-Al-Zn such as AZ31, AZ61 and AZ80, based on Mg-Zn-Zr such as ZK40 and ZK60 or based on Mg-Mn such as M1.
  • Neite describes in Materials Science and Technology, Vol. 8, ED .: K. H. Matucha, 199 ?, in Chapter 4.3.2 Manufacturing processes and mechanical properties of typical magnesium alloys.
  • tensile strengths of 204 to 340 MPa and elongations at break of 9 to 17% are specified - especially with increasing aluminum content - which could be increased to tensile strength of 380 MPa by artificial aging, but the elongation at break decreased to 6 to 8%.
  • Alloy M1 typically had a tensile strength of 225 MPa and an elongation at break of 12% in the extruded state.
  • For the ZE10 alloy in the rolled and annealed, dynamically recrystallized state 215 to 230 MPa tensile strength and 18 to 23% elongation at break are specified.
  • GB 2,296,256 A gives values of the elongation at break of 17.2 and 18% for alloys MgAI0.5-1.1Mn0.10-0.12, which, however, had a rather low flexural strength.
  • magnesium alloys of increased ductility and, if possible, also increased energy absorption, compressive strength and toughness by selecting the parameters which are most likely to work for these purposes, which have the lowest possible density and, moreover, can also be produced as simply and inexpensively as possible.
  • the object is achieved with a magnesium alloy, the additions or traces of Cd less than 1.8% by weight and the traces of up to 0.1% by weight of Cu, up to 0.05% by weight of Fe and bis can contain up to 0.005% by weight of Ni and is characterized in that its content of Ca, Sr, Zr or / and at least one rare earth element SE including Y and La together is 0.1 to 12% by weight and that its compressive strength is at least 350 MPa, their impact energy measured on unskilled specimens is at least 50 J and their elongation at break measured on tensile specimens is at least 13%.
  • the object is also achieved with a corresponding magnesium alloy, which is an alloy based on AM, AS, AZ31, EM, EZ, MA, ME, MN, MZ, SA, ZE or ZM, the content of which is Ca, Sr, Zr or / and at least one rare earth element including Y and La together 0.1 to 12 wt .-%, the compressive strength is at least 350 MPa, the impact energy is at least 50 J and the elongation at break is at least 13%.
  • a corresponding magnesium alloy which is an alloy based on AM, AS, AZ31, EM, EZ, MA, ME, MN, MZ, SA, ZE or ZM, the content of which is Ca, Sr, Zr or / and at least one rare earth element including Y and La together 0.1 to 12 wt .-%, the compressive strength is at least 350 MPa, the impact energy is at least 50 J and the elongation at break is at least 13%.
  • All of these magnesium alloys preferably have a Ca, Sr, Zr or / and at least one rare earth element content of at least 0.15 to 8% by weight, particularly preferably from 0.2 to 5% by weight, very particularly preferably from 0.25 to 3% by weight.
  • Their compressive strength can preferably be at least 375 MPa, particularly preferably at least 400 MPa;
  • their impact energy can preferably be at least 60 J, particularly preferably at least 70 J and their elongation at break can preferably be at least 16%, particularly preferably at least 18%, very particularly preferably at least 20%.
  • the object is also achieved with a corresponding magnesium alloy, which is an alloy based on AM or MA, which either has no addition of Ca, Sr, Zr or / and at least one rare earth element including Y and La, or the content of Ca, Sr, Zr or / and at least one rare earth element including Y and La together 0.1 to 12 wt .-%, the compressive strength is at least 300 MPa, the impact energy is at least 40 J and the elongation at break is at least 16%.
  • the compressive strength is preferably at least 325 MPa, particularly preferably at least 350 MPa, the impact energy is at least 50 J, particularly preferably at least 60 J and the elongation at break is at least 18%, particularly preferably at least 20%.
  • a corresponding magnesium alloy which is an alloy based on AS or SA, which either has no addition of Ca, Sr, Zr or / and at least one rare earth element including Y and La, or the content of Ca, Sr, Zr or / and at least one rare earth element including Y and La together 0.1 to 12 wt .-% and their compressive strength is at least 320 MPa and their elongation at break is at least 12%.
  • Their compressive strength is preferably at least 340 MPa, particularly preferably at least 360 MPa, very particularly preferably at least 380 MPa, and their elongation at break is at least 14%.
  • the object is also achieved with a corresponding magnesium alloy, which is an alloy based on AZ or ZA, the content of Ca, Sr, Zr or / and at least one rare earth element including Y and La together is 0.1 to 12% by weight and whose compressive strength is at least 340 MPa and whose elongation at break is at least 16%.
  • Their compressive strength is preferably at least 360 MPa, particularly preferably at least 380 MPa, and their elongation at break is at least 18%, particularly preferably at least 20%.
  • the object is also achieved with a corresponding magnesium alloy, which is an alloy based on EM or ME, which either has no addition of Ca, Sr, Zr or / and at least one rare earth element including Y and La, or the content of Ca, Sr, Zr or / and at least one rare earth element including Y and La together 0.1 to 12 wt .-%, the compressive strength is at least 360 MPa and the elongation at break is at least 12%. Their compressive strength is preferably at least 380 MPa and their elongation at break is at least 14%.
  • the object is also achieved with a corresponding magnesium alloy, which is an alloy based on MN, the content of Ca, Sr, Zr or / and at least one rare earth element including Y and La together is 0.1 to 12% by weight and the compressive strength at least 300 MPa and their elongation at break is at least 12%.
  • Their compressive strength is preferably at least 320 MPa, particularly preferably at least 340 MPa, and their elongation at break is at least 14%.
  • the Mn content is in particular at least 1.1% by weight, preferably at least 1.3% by weight.
  • the object is also achieved with a corresponding magnesium alloy, which is an alloy based on EZ or ZE, the content of Ca, Sr, Zr or / and at least one rare earth element including Y and La together being 0.1 to 12% by weight and whose compressive strength is at least 320 MPa and whose elongation at break is at least 18%.
  • Their compressive strength is preferably at least 340 MPa, particularly preferably at least 360 MPa, very particularly preferably at least 380 MPa and their elongation at break is at least 20%.
  • the object is also achieved with a corresponding magnesium alloy, which is an alloy based on MZ or ZM, the content of Ca, Sr, Zr or / and at least one rare earth element including Y and La together is 0.1 to 12% by weight and whose compressive strength is at least 300 MPa and whose elongation at break is at least 12%.
  • Their compressive strength is preferably at least 325 MPa and their elongation at break is at least 16%.
  • the content of Ca, Sr, Zr and / or at least one rare earth element can be from 0.15 to 8% by weight, preferably from 0.2 to 5% by weight, particularly preferably from 0.25 to 3 % By weight.
  • Their compressive strength can preferably be at least 375 MPa, particularly preferably at least 400 MPa and also up to 460 MPa.
  • Your impact work can preferably be at least 40 J, particularly preferably at least 60 J, very particularly preferably at least 80 J and also up to 120 J.
  • Their elongation at break can preferably be at least 16%, particularly preferably at least 19%, very particularly preferably at least 22%, even more preferably at least 25% and up to 30% when measuring tensile samples. All mechanical measurements are related to room temperature.
  • the magnesium alloy can contain 0.5 to 10% by weight of Al, 0.1 to 4% by weight of Mn and possibly 0.1 to 6% by weight of Ca or / and Sr, respectively.
  • Their compressive strength is at least 320 MPa, their elongation at break is at least 16% and their impact energy measured on non-notched samples is at least 25 J.
  • Mg can also contain 0.5 to 10% by weight of AI, 0.1 to 4% by weight of Si and, if appropriate, 0.1 to 6% by weight of Ca or / and Sr, with their compressive strength being at least 350 MPa and their elongation at break at least 13% and their hitting work is at least 50 J.
  • Mg can also contain 0.1 to 4% by weight of Mn and 0.1 to 6% by weight of at least one rare earth element and / or Y, its compressive strength being at least 360 MPa, its elongation at break being at least 13% and its impact energy being at least 40 J. .
  • Mg In addition to Mg, it can also contain 0.2 to 4% by weight of Mn and 0.2 to 6% by weight of Ca or / and 0.1 to 6% by weight of Sr, its compressive strength at least 300 MPa, its elongation at break at least 15% and its impact energy is at least 20 J.
  • Mg can also contain 0.1 to 5% by weight of Zn and 0.1 to 6% by weight of at least one rare earth element including Y and La and optionally 0.1 to 3% by weight of Zr, their compressive strength being at least 320 MPa Elongation at break is at least 20% and its impact energy measured on unskilled specimens is at least 50 J.
  • Mg can also contain 0.1 to 5% by weight of Zn, 0.1 to 4% by weight of Mn and optionally 0.1 to 6% by weight of Ca or / and Sr, with their compressive strength being at least 300 MPa and their elongation at break at least 13% and their hitting work is at least 40 years.
  • These magnesium alloys preferably have a plastic portion of the stress determined in the tensile test according to the stress-strain diagram from the difference of Tensile stress and yield stress of at least 40 MPa, particularly preferably at least 60 MPa, very particularly preferably from 80 to 120 MPa.
  • All of these magnesium alloys can include have been produced by extrusion. However, other forming processes instead of or together with extrusion are advantageous, especially forging. They are preferably formed, in particular extruded or / and forged, and have a fine-grained, dynamically recrystallized structure, in particular with an average grain size of not more than 20 ⁇ m, and a content of precipitation phases of not more than 5% by volume, preferably of not more than 2% by volume. They can preferably have a structure with an average grain size of at most 50 ⁇ m, preferably of at most 25 ⁇ m, particularly preferably of at most 15 ⁇ m, very particularly preferably of at most 8 ⁇ m. The average grain size is determined on bevels using conventional stereometric methods.
  • the remaining contents of the chemical composition mentioned consist predominantly or essentially of magnesium. Contents of cadmium interfere with processing only because of their toxicity, but are otherwise of particular advantage in terms of formability. Trace levels of copper, iron and nickel should be as low as possible, since they have a negative effect on processing and / or material properties.
  • the chemical composition of the magnesium alloys varied only slightly or almost not at all from the composition of the melt to the composition before or after extrusion to the composition of the semi-finished product made from it.
  • the semi-finished product or component according to the invention preferably consists essentially of a magnesium alloy which is selected from the group of alloys based on EM, EZ, ME, MN, MZ, ZE and ZM with a content of at least one rare earth element AM, AS, AZ, MA , MN, MZ, SA, ZA or ZM with calcium or / and strontium addition or EZ, MN or ZE with zirconium addition.
  • the invention further relates to a method for producing such a magnesium alloy, in which an original or compacted shaped body is produced and dynamically recrystallized by shaping and / or shaping.
  • the molded body can therefore have been produced via the melt or / and via powder.
  • a degree of shaping in particular during the extrusion, a degree of shaping of at least 1.5, preferably at least 2 or even at least 3, is selected in order to achieve a dynamic recrystallization and a fine-grained structure.
  • the degree of forming characterizes the degree of cross-sectional reduction during forming and is given as the natural logarithm of the ratio of the starting cross-section to the cross-section after the forming.
  • the formed or / and deformed shaped body can then be processed or processed into a semi-finished product and / or a component made from or with this semi-finished product.
  • the semi-finished product or the component produced from or with the semi-finished product can be directed, e.g. further deformed by bending, pressing, pressure rolling, stretch drawing, deep drawing, hydroforming or roll profiling, e.g. processed, joined and / or e.g. by cutting, drilling, milling, grinding, lapping, polishing can be surface-treated by etching, pickling, painting or other coating.
  • the semi-finished product or the component made therefrom or with it can be produced using at least one low-heat joining process such as gluing, riveting, plugging, pressing, pressing, clinching, folding, shrinking or screwing and / or at least one heat-generating joining process such as composite casting, composite forging, composite extrusion , Composite rolling, soldering or welding, in particular beam welding or fusion welding, with a similar or different type Semi-finished product or component can be connected.
  • the different semi-finished product or component can also consist essentially of a magnesium alloy or of another alloy or also of a non-metallic material. It can have the same or a different geometry as the semi-finished product or component according to the invention.
  • the joining process can be used in particular to produce a housing, an apparatus, a system, a profile construction and / or a cladding from several elements.
  • semi-finished products are to be understood as shaped bodies which have not yet been completed and are ready for use in their respective application.
  • components are the shaped articles suitable for the intended purpose.
  • both terms flow smoothly into one another, since the same molded body can be a semifinished product for one purpose, but can already be a component for the other.
  • the text does not make a strict distinction between semifinished product and component, or both are mentioned at the same time or only spoken of magnesium alloy, although both may be meant.
  • the semi-finished products made of magnesium alloys according to the invention or the components produced therefrom or with them can be used as rims, gearbox housings, steering wheel skeletons, wishbones, frame elements, elements of vehicle cells or vehicle outer skins, vehicle cells, vehicle outer skin, cockpit supports, cockpit skin, housings, floor elements, floors, lids, covers, tank elements , Tank flaps, brackets, supports, brackets, angles, hollow profiles, pipes, deformation elements, crash elements, crash absorbers, impact absorbers, impact shields, impact beams, small parts such as Gears, as impellers and other types of wheels, as welded profile constructions, for the vehicle body, for seat, window or / and door frames, as semi-finished products, components or assemblies on or in the automobile or aircraft.
  • a bolt with a very large diameter can be cast, which can then be pressed with a high-performance extrusion press into round bolts with a diameter that corresponds to the recipient diameter.
  • the segregation is reduced by the thermomechanical treatment.
  • the cast bolts can first be subjected to heat treatment depending on the alloy composition in e.g. 350 ° C are homogenized in the range from 6 h to 12 h in order to eliminate segregations in the structure, which in some cases to improve heterogeneous structure and to increase the pressability. Then the homogenized bolts can be machined to the required dimensions.
  • the extrusion of the magnesium alloys can be carried out in the same extrusion plants that are used for the extrusion of aluminum alloys, both via direct and indirect extrusion.
  • the deformation behavior must only be specifically taken into account when designing the tool (die).
  • Sharp-edged inlets, such as those used with aluminum alloys, should be avoided with magnesium alloys, otherwise there is a risk of surface cracks. In many cases e.g. an inlet angle of approx. 50 ° is used for matrices of round profiles for magnesium alloys.
  • the most important parameter besides the extrusion temperature is the extrusion speed, because it significantly influences the properties and the surface quality of the extrusion profiles.
  • a high pressure also requires a high extrusion speed, which is sought for economic reasons.
  • a high extrusion speed is usually associated with an even better surface quality.
  • the pressability of the magnesium alloys is comparable to that of hard-pressed aluminum alloys.
  • a high extrusion speed is desirable from an economic point of view, but is not always feasible with magnesium alloys.
  • the parameters for the extrusion usually have to be worked out in detail, since there is a great potential for optimization.
  • the extrusion is advantageously followed by a heat treatment.
  • This heat treatment is usually not of great interest since the alloys according to the invention are usually not greatly improved by this heat treatment.
  • the semi-finished products can be straightened, further shaped, processed, joined and / or surface treated.
  • solid and extruded profiles in simple or complicated cross sections can be extruded without problems.
  • semi-finished products can be improved or components can be produced from them or, if necessary, from them.
  • a AI, E denotes at least one rare earth element SE, with La and Y also being counted among the rare earth elements, M or MN Mn, S Si and Z Zn - usually with contents in% by weight, unless stated otherwise .
  • alloy information such as AZ31 are indicated by the numbers, as usual for the respective alloy, only in the order of magnitude, which can vary to a relatively wide extent, as is customary in the industry.
  • a low manganese content may be present in the starting alloy used in the examples and the modified AZ-based alloys produced therewith. All examples showed traces of less than 0.1 wt% Cd, less than 0.05 wt% Cu, less than 0.04 wt% Fe and less than 0.003 wt% Ni .
  • the alloys were made as high-purity commercially available alloys or usually from high-purity starting alloys such as AM, AS or AZ alloys or by adding high-purity magnesium HP-Mg, a rare earth element-containing master alloy with a ratio of Nd to other rare earths including yttrium of 0.92, a zirconium-containing master alloy, alloyed with calcium or strontium.
  • the standard alloys contained an Mn content of up to about 0.2% by weight.
  • the alloys were melted in a steel crucible under the protective gas atmosphere of an Ar-SF 6 mixture. The melt was kept and cast at a temperature in the range from 780 to 820 ° C., once also at 750 ° C.
  • the blanks required for the subsequent extrusion were cast in a cylindrical steel mold with machining allowance.
  • the mold had a diameter of 90 or 110 mm and a mold temperature in the range from 80 to 320 ° C.
  • the element contents achieved were checked spectroscopically. With all alloys, care was taken to ensure that the structure of the cast body is as homogeneous as possible and free of impurities, since this can have a sensitive effect on ductility. All alloys could be melted, poured off and processed into bolts without any problems.
  • the castings were then homogenized at 350 ° C. over 12 h.
  • bolts of 70 mm in diameter and 120 mm in length were produced; for 6 samples of the alloy AZ31CaO, 3, however, a diameter of 74 mm was chosen.
  • the homogenized and turned bolts were then well prepared for extrusion.
  • the bolts were then heated to the respective extrusion temperature in the range from 200 to 450 ° C., warmed through for 60 to 150 minutes and extruded in a 400 t horizontal press.
  • the temperature of the pin is therefore the temperature that the pin has when it enters the extrusion press.
  • Preliminary tests were carried out with the AZ31 alloy in a 400 t extrusion press with direct extrusion (Tables 1 and 2). With a recipient diameter of 74 mm, a wide range of parameters could be successfully examined.
  • the preliminary tests allowed the test parameters to be defined.
  • the appropriate extrusion parameters were selected in systematic preliminary tests on the AZ31 reference alloy; The mechanical properties and the average grain sizes were determined on the extruded samples (Tables 1 and 2).
  • the results of the preliminary tests essentially determined the test parameters of the subsequent tests.
  • the extrusion pressures that occurred varied in a wide range depending on the alloy used and the parameters set.
  • the final pressures reached were for alloys without Ca, SE or Zr addition in the range of 10 ⁇ 2 MPa at extrusion temperatures above 300 ° C and for Ca, SE or Zr-containing alloys up to 4 MPa higher.
  • the reason for the higher extrusion pressures and thus for the increased deformation resistance of magnesium alloys with Ca, SE or Zr addition is a higher proportion of stable precipitates than with magnesium alloys without this addition. For lower temperatures, somewhat higher extrusion pressures were generally determined.
  • All alloys both the starting alloys and the alloys modified by additives, could easily be formed in a wide range of temperatures, extrusion speeds and extrusion ratios.
  • the extrusion pressures that occurred varied depending on the alloy used and the extrusion parameters set.
  • the bolts showed good compressibility with a large scope in terms of pressing force and pressing speed.
  • the lower extrusion temperature is due to the insufficient plastic deformability below a temperature in the range of about 200 to 220 ° C, the upper extrusion temperature is limited by the proximity to the eutectic temperature and possibly by the first formation of parts of a melt-liquid phase.
  • the measurement results of the Brinell hardness determinations made no special statements possible.
  • the Brinell hardness of the extruded samples was found to be 7 to 22% greater than that of the cast samples.
  • the hardness increased with the aluminum content.
  • the tensile strength was up to 287 MPa
  • the compressive strength up to 365 MPa
  • the elongation at break up to 21.6%
  • the impact energy of notched specimens up to 85 J ( Tables 3a / c). All of these material properties were therefore significantly higher than those determined on samples in the cast state.
  • the average grain sizes trended with the extrusion temperature e.g. in the range of 6 to 12 ⁇ m or 3.5 to 10 ⁇ m.
  • the average grain size was in the range from 4.5 to 9 ⁇ m and thus smaller due to the addition of Ca, the average grain sizes also increasing somewhat in proportion to the extrusion temperature.
  • the extruded alloy MN150Ca0.2 showed a very strong increase in most mechanical properties compared to the extruded alloy MN150.
  • the addition of Zr0.7 to the extruded starting alloy MN150 had little effect.
  • Lower mechanical properties were determined for the extruded ZE10 alloy, but these varied greatly with the temperature, so that even better mechanical properties can be achieved with an even higher temperature:
  • the properties of the ZE10 alloy are significantly influenced by the rare earths and can the variation of the rare earth elements including lanthanum and yttrium and their contents can be further optimized.
  • the impact work on unskilled specimens had decreased slightly in comparison to the specimens of the ZE10 alloy.
  • the zirconium additive stabilized the structure of the extruded ZE10ZrO.7 alloy.
  • microstructures with average grain sizes in the range of 2.2 to 4.5 ⁇ m were created. These small grain sizes were created over a wide range of extrusion parameters. The slight variation in grain size depending on the extrusion parameters was striking with this alloy.
  • magnesium alloys in particular were found to be suitable, in which each 1% by weight of AI had a Ca content in the range from about 0.05 to 0.2 % By weight of Ca was added in order to enable the Al 2 Ca phase to be eliminated.
  • the phase AI 2 Ca proved to be more temperature stable than the phase Mg 17 AI 12 and was therefore able to hinder the grain growth during extrusion better than the phase Mg 17 AI 12 .
  • the Mg 2 Si precipitation phase also prevented grain growth during extrusion better than the Mg 17 AI 12 phase.
  • the addition of Ca to Al-free alloys led to the formation of Mg 2 Ca or Ca 5 Zn 2 precipitates.
  • phase Mg 17 Al 12 which normally appears with magnesium alloys containing Al, does cause a somewhat increased strength, but is also responsible for a lower elongation at break. Since this phase is even more brittle than the pure hexagonal Mg phase, larger contents of Mg ⁇ 7 AI 12 should be avoided.
  • magnesium alloys according to the invention are inexpensive for extrusion, but in principle, in addition or as an alternative to extrusion, they are also suitable for other types of shaping and further shaping on account of their material properties.
  • Table 1 Results of the preliminary tests to determine the extrusion parameters with the AZ31 alloy at an extrusion temperature of 400 ° C, a die diameter of 16 mm, a recipient diameter of 74 mm and a compression ratio of 1:21
  • Table 2 Influence of the compression ratio on the average grain sizes and the mechanical properties from the tensile test at an extrusion temperature of 400 ° C. in the preliminary tests to determine the extrusion parameters
  • Table 3a Average values of the measurement results of the mechanical tests on various samples of the CA. Magnesium alloys containing Sr, SE and Zr and their starting alloys:
  • Table 3b Average values of the values that can be determined from the stress-strain diagram of the tensile tests for modified magnesium alloys and their starting alloys.
  • Table 3c Highest mean values of the measurement results of the mechanical properties selected from various individual samples of the modified magnesium alloys:
  • Table 3d Mainly occurring grain sizes in the as-cast state after homogenization at 350 ° C for 4 h or after extrusion with the modified magnesium alloys and their starting alloys
  • Table 3e Process parameters for various samples of the modified magnesium alloys and their starting alloys.
  • Table 3f Manufacturing parameters and material properties of individually selected extruded samples of the modified alloys and their starting alloys: length of bolt 120 mm, diameter of bolt 70 mm, mold diameter mostly 90 mm

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew. % und die Spuren von bis zu 0,1 Gew. % Cu, bis zu 0,05 Gew. % Fe und bis zu 0,005 Gew. % Ni enthalten kann und dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine Legierung auf Basis AM, AS, AZ31, EM, EZ, MA, ME, MN, MZ, SA, ZE oder ZM ist, ggf. deren Gehalt am Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La zusammen 0,1 bis 12 gew. % beträgt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Magnesiumlegierung, bei dem ein urgeformter oder kompaktierter Formkörper hergestellt und durch Umformen oder/und Verformen dynamisch rekristallisiert wird, sowie ein Halbzeug aus einer Magnesiumlegierung oder ein daraus oder damit hergerstelltes Bauteil oder einen Verbund mit einem solchen Halbzeug oder Bauteil.

Description

Magnesiumlegierungen hoher Duktilität, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung
Die Erfindung betrifft Magnesiumlegierungen hoher Duktilität, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung, insbesondere Calcium-, Strontium-, Zirkoniumoder/und Seltenerdelement-haltige Magnesiumlegierungen.
Magnesiumlegierungen sind aufgrund ihrer sehr geringen Dichte etwa im Bereich von 1 ,2 bis 1 ,9 g/cm3 als metallische Konstruktionsmaterialien vor allem für den Fahrzeug- und Flugzeugbau von hohem Interesse. Sie werden zukünftig für den Leichtbau von Kraftfahrzeugen und Flugzeugen immer mehr eingesetzt werden, um das Gewicht von zusätzlichen Elementen aufgrund steigender Komfort- und Sicherheitsstandards insbesondere bei neuen schadstoffärmeren Automobilen ausgleichen zu können. Sie sind auch für transportable oder aus anderem Grund besonders leicht gebaute Geräte und Anlagen von Interesse. Der Leichtbau ermöglicht dabei in besonderem Maße die Konstruktion von energiesparenden Fahr- und Flugzeugen wie z.B. des 3-Liter- Kraftfahrzeugs. Unter den Herstellungsverfahren kommt beim Urformen dem Druckgießen und beim Umformen dem Strangpressen, Schmieden, Walzen und ggf. nachfolgendem Umformen wie dem Streck- bzw. Tiefziehen zukünftig eine stark wachsende Bedeutung zu, da mit diesen Verfahren Leichtbaubauteile herstellbar sind, wie z.B. Sitz-, Fenster- und Türrahmen, Elemente von Fahrzeugzellen und Fahrzeugaußenhäuten, Gehäuse, Bodenelemente, Deckel, Tankelemente, Tankklappen, Halterungen, Stützen, Träger, Winkel, Crashelemente, Pralldämpfer, Prallschilde und Prallträger, Kleinteile bzw. allgemein für Bauteile und Halbzeuge im Automobil und Flugzeug, für die zusehends steigender Bedarf besteht.
Die Kaltverformbarkeit der kommerziell gebräuchlichen Magnesiumlegierungen ist aufgrund der hexagonalen Kristallstruktur und der damit zusammenhängenden geringen Duktilität begrenzt. Polykristallines Magnesium sowie die meisten Magnesiumlegierungen verhalten sich bei Raumtemperatur spröde. Für etliche Anwendungen bzw. für bestimmte Herstellverfahren von Halbzeugen aus Magnesiumlegierungen ist neben guten mechanischen Eigenschaften wie hoher Zugfestigkeit ein duktiles Verhalten notwendig. Ein verbessertes Umform-, Energieaufnahme- und Deformationsverhalten bedingt eine höhere Duktilität und ggf. auch eine höhere Festigkeit und Zähigkeit. Hierfür sind Magnesiumlegierungen mit diesen Eigenschaften zu entwickeln bzw. deren Herstellverfahren weiterzuentwickeln, weil viele Werkstoffvarianten mit dem Herstellzustand stark variierende Werkstoffeigenschaften aufweisen.
Als Duktilität wird das Vermögen eines Werkstoffes zu bleibender Formänderung bezeichnet, das beim einachsigen Zustand nach dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm im Idealfall völlig ohne elastischen Anteil ist. Dieses Vermögen wird durch den Eintritt des Bruches begrenzt. Im allgemeinen gilt die im Zugversuch bis zum Bruch erreichte bleibende Dehnung als Duktilität. Als Maß für die Duktilität können ferner auch die Brucheinschnürung, Schlagarbeit und Kerbschlagarbeit mit jeweils etwas anderer Aussage angesehen werden. Diese Eigenschaften lassen sich gemäß EN 10 002, Teil 1 , bzw. gemäß DIN 50115 und 50116 ermitteln. Die Bruchdehnung A = Apιast kennzeichnet die Formänderung mit ihrem plastischen Anteil bei einer weitgehend einachsigen Belastung, zusätzlich kann entsprechend dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm der elastische Anteil der Dehnung AβiaSt sowie die Summe des elastischen und plastischen Anteils D = ΣA = Aβiast + Apιast ermittelt werden. Ein hochplastischer Werkstoff wird als duktil bezeichnet.
Bei Angaben der Bruchdehnung und der Zugfestigkeit zu verschiedenen Magnesiumlegierungen wird deutlich, daß die Bruchdehnung oft umso höhere Werte einnehmen kann, wenn nur mittelhohe Werte der Zugfestigkeit erreicht werden und daß umgekehrt nur mittelhohe Werte der Bruchdehnung bei hohen Werten der Zugfestigkeit erzielt werden. Sehr hohe Werte der Zugfestigkeit lassen sich nur bei vergleichsweise geringen Werten der Bruchdehnung erreichen.
Die Elastizität bezeichnet den elastischen Anteil des Spannungs-Dehnungs-Diagrammes entsprechend dem Hook'schen Gesetz, wo bei idealen linear-elastischen Verhältnissen noch keine bleibende Formänderung auftritt.
Weiterhin kann das Streckgrenzen-Verhältnis V als Verhältnis der Fließspannung F = RP02 zur Zugspannung Z = Rm angegeben werden. Somit ergeben sich zwei die Elastizität, zwei die Plastizität sowie zwei deren Verhältnis zueinander kennzeichnende Werte für die weitgehend einachsige Belastung. Hierbei ergibt das Verhältnis des elastischen mit dem plastischen Anteil der Dehnung die beste Annäherung an die Realität. Die Schlagarbeit ist vor allem ein Maß für die Energieaufnahme eines Halbzeuges und für plastisches Verhalten, also für die Verformbarkeit und Verformungsgeschwindigkeit. Eine hohe Schlagarbeit ist daher wesentlich für den Einsatz von Deformationselementen wie z.B. Crashelementen, Pralldämpfern, Prallschilden und Prallträgern. Die Schlagarbeit - gemessen an ungekerbten Proben - ist u.a. aufgrund höherer Absolutwerte für Magnesiumlegierungen aussagekräftiger als die Kerbschlagarbeit und betrifft eine weitgehend einachsige Belastung. Die Kerbschlagarbeit, die immer an gekerbten Proben bestimmt wird, kennzeichnet auch die Fehleranfälligkeit eines Werkstoffes bei dreiachsiger Belastung. Ihre Aussagekraft ist insbesondere dann geringer, wenn die Ausführung der Kerbe die Werte der Kerbschlagarbeit wesentlich beeinflußt. Die Schlagarbeit und die Kerbschlagarbeit werden bei dynamischer Belastung gemessen und können einen Hinweis auf die Energieaufnahme und Verformbarkeit geben. Zug- und Druckversuche erfolgen im Vergleich hierzu unter quasistatischen Belastungen. Ein Schluß von einachsigen auf mehrachsige Eigenschaften bzw. Verhältnisse ist nur teilweise möglich.
Die im folgenden aufgeführten Werte gemessen an Proben in einem bestimmten Herstellungszustand geben daher die aktuellen Werkstoffeigenschaften wieder. Sie gewähren einen Hinweis auf das Umformverhalten, das vorher beim Umformen aufgetreten war. Es ist in diesem Zustand ein Schluß auf die Eigenschaften und das Verhalten eines Halbzeuges oder sogar eines Bauteiles mit diesem ggf. weiter veredelten Halbzeug im späteren Einsatz gut möglich. Weiterhin ist ein Schluß von den Werkstoffeigenschaften umgeformter Legierungen möglich, die z.B. durch Biegen, Drücken, Drückwalzen, Streckziehen, Tiefziehen, Innenhochdruckumformen oder Walzprofilieren zu weiterverarbeiteten Halbzeugen geformt werden sollen. Da die Veränderung der Werkstoffeigenschaften vom gegossenen zum stranggepreßten Zustand ähnlich der Veränderung der Werkstoffeigenschaften vom gegossenen zum geschmiedeten, gewalzten oder einem ähnlichen umgeformten Zustand ist, ist daher auch ein Schluß auf einen anderen Umformzustand möglich.
Für den Einsatz von Leichtbauelementen wird üblicherweise auf die elastischen Eigenschaften (Steifigkeit) abgehoben, soweit es nicht wie z.B. bei einem Unfall auf die Verformungseigenschaften und damit auf die Energieaufnahme des Elementes und auf das plastische Verhalten ankommt. Daher spielen bezüglich der u.U. mehrfachen Umformung insbesondere die plastischen und für den Einsatz die plastischen oder/und elastischen Eigenschaften eine Rolle. Diese Eigenschaften sind für den Einsatz in der Regel auf die jeweilige Umgebungstemperatur, also im Extremfall im Bereich von -40 °C bis +90 °C, an einzelnen Stellen im Fahr- oder Flugzeug jedoch auf die örtlich noch tieferen oder höheren Temperaturen abzustellen. Der Belastungszustand ist jedoch meistens mehrachsig. Der Schluß von einachsigen auf mehrachsige Belastungszustände ist umso eher möglich, je mehr ein eher isotropes Gefüge vorliegt.
Für die Herstellung derartiger Automobilelemente bietet sich insbesondere die Herstellung durch Druckgießen bzw. Strangpressen, Schmieden oder/und Walzen an. Voraussetzung für den Einsatz von Halbzeugen aus Magnesiumlegierungen bzw. von daraus oder damit hergestellten Bauteilen im Automobil kann die Erfüllung bestimmter Eigenschaftsprofile je nach Anwendung sein wie z.B. bei Deformationselementen, Sitz- und Türrahmen eine Zugfestigkeit des Leichtwerkstoffs von mindestens 100 MPa, vorzugsweise von mindestens 130 MPa, zusammen mit einer Bruchdehnung gemessen bei Raumtemperatur von mindestens 10 %, vorzugsweise von mindestens 15 %. Je höher die Zugfestigkeit, Bruchdehnung und weitere Eigenschaften, die auf hohe Duktilität und Energieaufnahme hinweisen, sind, umso geeigneter sind diese Halbzeuge bzw. Bauteile in der Regel für den Einsatz. Ferner sind höhere Festigkeitswerte und eine höhere Duktilität auch eine Erleichterung und teilweise auch Voraussetzung für die Umformung gegossener Rohlinge bzw. für die weitere Umformung bereits umgeformter Rohlinge oder Halbzeuge. Je höher diese Eigenschaften im gegossenen bzw. pulverkompaktierten Zustand sind, desto höher sind diese üblicherweise auch im umgeformten Zustand. Eine höhere Duktilität kann das Umformen bzw. das erneute Umformen, insbesondere das Strangpressen, erleichtern. Daher ist eine Bruchdehnung von mindestens 10 % auch für die nachfolgenden Herstellungsschritte zu Elementen aus Magnesiumlegierungen hilfreich. Daher wird aus mehreren Gründen eine Zugfestigkeit von mindestens 150 MPa gemessen bei Raumtemperatur, vorzugsweise von mindestens 180 MPa, bzw. eine Bruchdehnung von mindestens 18 %, vorzugsweise von mindestens 20 %, besonders bevorzugt von mindestens 25 %, empfohlen. Üblicherweise beträgt die Bruchdehnung bei den kommerziell gebräuchlichen Magnesiumlegierungen gemessen bei Raumtemperatur weniger als 12 %.
Bei stärkerer Substitution von anderen Legierungen durch Magnesiumlegierungen, um durch Gewichtsersparnis Treibstoff einzusparen bzw. den Einbau zusätzlicher Elemente ohne Gewichtszunahme zu ermöglichen, ist die Weiterentwicklung der Technologie der bekannten Magnesiumlegierungen und die Erforschung weiterer Magnesiumlegierungen notwendig, insbesondere bezüglich der Eigenschaftskombination Duktilität - Festigkeit. Es ergeben sich grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten zur Steigerung der Duktilität und somit der Bruchdehnung bei Magnesiumlegierungen und verwandten Leichtwerkstoffen:
1. Eine recht begrenzte Möglichkeit dieser Steigerung ergibt sich durch Optimierung des Herstellungsprozesses in Verbindung mit Wärmebehandlungsverfahren oder/und über optimierte Herstellparameter z.B. beim Strangpressen. Wichtig ist jedoch beim Umformen z.B. durch Strangpressen, daß die auftretende dynamische Rekristallisation nicht zur Grobkornbildung führt. Denn die Energieaufnahme und die mechanischen Eigenschaften einer Legierung sollten in der Regel umso größer sein, je kleiner die mittlere Korngröße ist. Ziel einer Legierungsentwicklung kann dabei eine Modifikation des Gefügeaufbaus durch Einformen von temperaturstabilen Ausscheidungen oder/und eine Stabilisierung des Gefüges durch Beeinflussung des Kornwachstums sein, um möglichst feines Korn und eine möglichst geringe Porosität zu erzeugen.
2. Beim Übergang der Kristallstruktur der Mg-Hauptphase von der hexagonal dichtesten Kugelpackung auf die kubisch raumzentrierte Kristallstruktur z.B. aufgrund einer höheren Zugabe eines Dotierungselementes wie z.B. mindestens 10,8 Gew.-% Li, um ohne weitere Dotierungselemente einen homogenen ß-Lithium-Magnesium-Mischkristall zu erzeugen, tritt eine verbesserte Bruchdehnung und eine bessere Umformbarkeit bei Raumtemperatur aufgrund einer erhöhten Anzahl von Gleitsystemen auf. Allerdings können sich dabei Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit verschlechtern.
3. Da Korngrenzen und andere Gefügeinhomogenitäten bzw. Gefügefehler wie z.B. Einschlüsse, Poren, grobe Ausscheidungen, Oxidschlieren und Seigerungen bei der Bewegung von Versetzungen als Barrieren wirken, kann eine Verfeinerung des Gefüges, eine Verkleinerung von GefügeinhomogenitätenΛfehlem bzw. eine Vermeidung bestimmter Gefügeinhomogenitäten/-fehler zu einer Steigerung der Festigkeit, der Bruchdehnung und der Energieaufnahme führen. Die Zusammenhänge sind jedoch im Einzelfall sehr komplex. Die Komfeinung ist ein wichtiges Hilfsmittel, um weitere Verformungssysteme zu aktivieren, die ein Korngrenzengleiten und neue Fließprozesse bei Raumtemperatur erlauben und somit die Duktilität verbessern. Dies kann durch die Zugabe kornfeinender Zusätze oder/und durch heterogene Keimbildung beim Erstarren von Gußwerkstoffen aus Legierungen mit bestimmten Zusätzen erfolgen.
Selbst die handelsüblichen Mg-Gußlegierungen bzw. Mg-Knetlegierungen sind im gegossenen und ggf. danach umgeformten, insbesondere stranggepreßten, gepreßten, gewalzten oder/und geschmiedeten und ggf. danach wärmebehandelten Zustand üblicherweise bisher von relativ geringer Duktilität und geringem Energieaufnahmevermögen. Für die preiswerte Herstellung von Halbzeugen, insbesondere für Fahrzeuge und Flugzeuge, besteht Bedarf an geeigneten Legierungen und einfachen Verfahren zur Herstellung von Magnesiumlegierungen mit etwas erhöhter Festigkeit und stark erhöhter Duktilität.
Da das Interesse an Mg-Knetlegierungen erst in den letzten Jahren etwas größer geworden ist, steht bisher nur eine begrenzte Anzahl an Legierungen für den großtechnischen Einsatz zur Verfügung. Das sind Legierungen auf Basis Mg-Al-Zn wie z.B. AZ31 , AZ61 und AZ80, auf Basis Mg-Zn-Zr wie z.B. ZK40 und ZK60 oder auf Basis Mg-Mn wie z.B. M1.
Neite beschreibt in Materials Science and Technology, Vol. 8, ED.: K. H. Matucha, 199?, in Kapitel 4.3.2 Herstellverfahren und mechanische Eigenschaften von typischen Magnesiumlegierungen. Für stranggepreßte Magnesiumlegierungen auf Basis AZ in Form von Stäben werden - vor allem mit dem Aluminiumgehalt steigend - Zugfestigkeiten von 204 bis 340 MPa und Bruchdehnungen von 9 bis 17 % angegeben, die durch eine künstliche Alterung bis zu einer Zugfestigkeit von 380 MPa gesteigert werden konnten, wobei aber die Bruchdehnung auf 6 bis 8 % sank. Für AZ31 werden 250 MPa und 14 bis 15 % angeführt. Die Legierung M1 wies im stranggepreßten Zustand typischerweise eine Zugfestigkeit von 225 MPa und eine Bruchdehnung von 12 % auf. Für die Legierung ZE10 im gewalzten und geglühten dynamisch rekristallisierten Zustand werden 215 bis 230 MPa Zugfestigkeit und 18 bis 23 % Bruchdehnung angegeben.
GB 2,296,256 A führt Werte der Bruchdehnung von 17,2 und 18 % für Legierungen MgAI0.5-1.1Mn0.10-0.12 an, die jedoch eine recht geringe Biegefestigkeit aufwiesen.
Kamado et al. beschreiben in Proc. 3 Int. Magnesium Conference April 10-12 1996, Manchester/U K, Ed.: G.W. Lorimer, für die Legierung AI10Si1Ca0.5 Werte von etwa 170 MPa Zugfestigkeit und 2 % Bruchdehnung für den preßgeformten Zustand.
Von J. Becker, G. Fischer und K. Schemme, Light weight construction using extruded and forged semi-finished products made of magnesium alloys, Vortrag Wolfsburg 1998, wurden für die Magnesiumlegierung AZ31 im stranggepreßten Zustand Werte von 250 MPa Zugfestigkeit und 14 % Bruchdehnung mitgeteilt, für die Legierung M2 von 250 MPa für die Zugfestigkeit, aber nur von 4 % für die Bruchdehnung. Die Proben waren daher nicht auf duktile Werkstoffeigenschaften optimiert.
In US 3,419,385 wird die Zugfestigkeit für einzelne stranggepreßte Magnesiumlegierungen mit Gehalten an Y, Zn und Zr mit 248 bis 352 MPa und die Bruchdehnung mit 14 bis 26 % je nach Zusammensetzung angegeben. Die chemisch der Legierung ZE10Zr0.7 am nächsten kommende Legierung Zn2.1Y1.9Zr0.9 wies im gegossenen Zustand nur eine Bruchdehnung von 8 % auf. Es ist davon auszugehen, daß bei den damals üblichen Herstellverfahren und zur Verfügung stehenden Ausgangsmaterialien hohe Verunreinigungen auftraten, die das Ergebnis diesbezüglich stark beeinflußten und die Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu den heute herstellbaren hochreinen Legierungen wesentlich beeinträchtigten.
Es bestand daher die Aufgabe, Magnesiumlegierungen erhöhter Duktilität und möglichst auch erhöhter Energieaufnahme, Druckfestigkeit und Zähigkeit unter Auswahl der für diese Einsatzzwecke am ehesten wirkenden Parameter vorzuschlagen, die eine möglichst geringe Dichte aufweisen und darüber hinaus auch möglichst einfach und kostengünstig hergestellt werden können.
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1 ,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann und dadurch gekennzeichnet ist, daß ihr Gehalt an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement SE einschließlich Y und La zusammen 0,1 bis 12 Gew.-% beträgt und daß ihre Druckfestigkeit mindestens 350 MPa, ihre Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 50 J und ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 13 % beträgt.
Die Aufgabe wird auch gelöst mit einer entsprechenden Magnesiumlegierung, die eine Legierung auf Basis AM, AS, AZ31, EM, EZ, MA, ME, MN, MZ, SA, ZE oder ZM ist, deren Gehalt an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La zusammen 0,1 bis 12 Gew.-% beträgt, deren Druckfestigkeit mindestens 350 MPa, deren Schlagarbeit mindestens 50 J und deren Bruchdehnung mindestens 13 % beträgt.
Vorzugsweise weisen alle diese Magnesiumlegierungen einen Gehalt Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement von mindestens 0,15 bis 8 Gew.-%, besonders bevorzugt von 0,2 bis 5 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt von 0,25 bis 3 Gew.-% auf. Ihre Druckfestigkeit kann vorzugsweise mindestens 375 MPa, besonders bevorzugt mindestens 400 MPa betragen; ihre Schlagarbeit kann vorzugsweise mindestens 60 J, besonders bevorzugt mindestens 70 J betragen und ihre Bruchdehnung kann vorzugsweise mindestens 16 % betragen, besonders bevorzugt mindestens 18 %, ganz besonders bevorzugt mindestens 20 %.
Die Aufgabe wird auch gelöst mit einer entsprechenden Magnesiumlegierung, die eine Legierung auf Basis AM oder MA ist, die entweder keinen Zusatz an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La aufweist oder deren Gehalt an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La zusammen 0,1 bis 12 Gew.-% beträgt, deren Druckfestigkeit mindestens 300 MPa, deren Schlagarbeit mindestens 40 J und deren Bruchdehnung mindestens 16 % beträgt. Vorzugsweise beträgt deren Druckfestigkeit mindestens 325 MPa, besonders bevorzugt mindestens 350 MPa, deren Schlagarbeit mindestens 50 J, besonders bevorzugt mindestens 60 J und deren Bruchdehnung mindestens 18 % beträgt, besonders bevorzugt mindestens 20 %.
Die Aufgabe wird auch gelöst mit einer entsprechenden Magnesiumlegierung, die eine Legierung auf Basis AS oder SA ist, die entweder keinen Zusatz an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La aufweist oder deren Gehalt an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La zusammen 0,1 bis 12 Gew.-% beträgt und deren Druckfestigkeit mindestens 320 MPa und deren Bruchdehnung mindestens 12 % beträgt. Vorzugsweise weist ihre Druckfestigkeit mindestens 340 MPa auf, besonders bevorzugt mindestens 360 MPa, ganz besonders bevorzugt mindestens 380 MPa und beträgt ihre Bruchdehnung mindestens 14 %.
Die Aufgabe wird auch gelöst mit einer entsprechenden Magnesiumlegierung, die eine Legierung auf Basis AZ oder ZA ist, deren Gehalt an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La zusammen 0,1 bis 12 Gew.-% beträgt und deren Druckfestigkeit mindestens 340 MPa und deren Bruchdehnung mindestens 16 % beträgt. Vorzugsweise beträgt ihre Druckfestigkeit mindestens 360 MPa, besonders bevorzugt mindestens 380 MPa, und ihre Bruchdehnung mindestens 18%, besonders bevorzugt mindestens 20 %. Die Aufgabe wird auch gelöst mit einer entsprechenden Magnesiumlegierung, die eine Legierung auf Basis EM oder ME ist, die entweder keinen Zusatz an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La aufweist oder deren Gehalt an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La zusammen 0,1 bis 12 Gew.-% beträgt, deren Druckfestigkeit mindestens 360 MPa und deren Bruchdehnung mindestens 12 % beträgt. Vorzugsweise beträgt deren Druckfestigkeit mindestens 380 MPa und deren Bruchdehnung mindestens 14 %.
Die Aufgabe wird auch gelöst mit einer entsprechenden Magnesiumlegierung, die eine Legierung auf Basis MN ist, deren Gehalt an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La zusammen 0,1 bis 12 Gew.-% beträgt und deren Druckfestigkeit mindestens 300 MPa und deren Bruchdehnung mindestens 12 % beträgt. Vorzugsweise beträgt deren Druckfestigkeit mindestens 320 MPa, besonders bevorzugt mindestens 340 MPa, und deren Bruchdehnung mindestens 14 %. Der Mn-Gehalt beträgt insbesonders mindestens 1,1 Gew.-%, bevorzugt mindestens 1,3 Gew.-%.
Die Aufgabe wird auch gelöst mit einer entsprechenden Magnesiumlegierung, die eine Legierung auf Basis EZ oder ZE ist, deren Gehalt an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La zusammen 0,1 bis 12 Gew.-% beträgt und deren Druckfestigkeit mindestens 320 MPa und deren Bruchdehnung mindestens 18 % beträgt. Vorzugsweise beträgt deren Druckfestigkeit mindestens 340 MPa, besonders bevorzugt mindestens 360 MPa, ganz besonders bevorzugt mindestens 380 MPa und deren Bruchdehnung mindestens 20 %.
Die Aufgabe wird auch gelöst mit einer entsprechenden Magnesiumlegierung, die eine Legierung auf Basis MZ oder ZM ist, deren Gehalt an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La zusammen 0,1 bis 12 Gew.-% beträgt und deren Druckfestigkeit mindestens 300 MPa und deren Bruchdehnung mindestens 12 % beträgt. Vorzugsweise beträgt deren Druckfestigkeit mindestens 325 MPa und deren Bruchdehnung mindestens 16 %.
Bei allen diesen Magnesiumlegierungen kann der Gehalt an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement von 0,15 bis 8 Gew.-%, bevorzugt von 0,2 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt von 0,25 bis 3 Gew.-% betragen. Ihre Druckfestigkeit kann vorzugsweise mindestens 375 MPa, besonders bevorzugt mindestens 400 MPa und auch bis zu 460 MPa betragen. Ihre Schlagarbeit kann vorzugsweise mindestens 40 J, besonders bevorzugt mindestens 60 J betragen, ganz besonders bevorzugt mindestens 80 J und auch bis zu 120 J betragen. Ihre Bruchdehnung kann vorzugsweise mindestens 16 % betragen, besonders bevorzugt mindestens 19 %, ganz besonders bevorzugt mindestens 22 %, noch weiter bevorzugt mindestens 25 % und bis zu 30 % bei Messungen an Zugproben. Alle mechanischen Messungen sind auf Raumtemperatur bezogen.
Die Magnesiumlegierung kann neben Mg 0.5 bis 10 Gew.-% AI, 0.1 bis 4 Gew.-% Mn und ggf. jeweils 0.1 bis 6 Gew.-% Ca oder/und Sr enthalten. Dabei beträgt ihre Druckfestigkeit mindestens 320 MPa, ihre Bruchdehnung mindestens 16 % und ihre Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 25 J.
Sie kann auch neben Mg 0.5 bis 10 Gew.-% AI, 0.1 bis 4 Gew.-% Si und ggf. jeweils 0.1 bis 6 Gew.-% Ca oder/und Sr enthalten, wobei ihre Druckfestigkeit mindestens 350 MPa, ihre Bruchdehnung mindestens 13 % und ihre Schlagarbeit mindestens 50 J beträgt.
Sie kann auch neben Mg 0.1 bis 4 Gew.-% Mn und jeweils 0.1 bis 6 Gew.-% mindestens eines Seltenerdelementes oder/und Y enthalten, wobei ihre Druckfestigkeit mindestens 360 MPa, ihre Bruchdehnung mindestens 13 % und ihre Schlagarbeit mindestens 40 J beträgt.
Sie kann auch neben Mg 0.2 bis 4 Gew.-% Mn und 0.2 bis 6 Gew.-% Ca oder/und 0.1 bis 6 Gew.-% Sr enthalten, wobei ihre Druckfestigkeit mindestens 300 MPa, ihre Bruchdehnung mindestens 15 % und ihre Schlagarbeit mindestens 20 J beträgt.
Sie kann auch neben Mg 0.1 bis 5 Gew.-% Zn und jeweils 0.1 bis 6 Gew.-% mindestens eines Seltenerdelementes einschließlich Y und La sowie ggf. 0.1 bis 3 Gew.-% Zr enthalten, wobei ihre Druckfestigkeit mindestens 320 MPa, ihre Bruchdehnung mindestens 20 % und ihre Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 50 J beträgt.
Sie kann ferner neben Mg 0.1 bis 5 Gew.-% Zn, 0.1 bis 4 Gew.-% Mn und ggf. jeweils 0.1 bis 6 Gew.-% Ca oder/und Sr enthalten, wobei ihre Druckfestigkeit mindestens 300 MPa, ihre Bruchdehnung mindestens 13 % und ihre Schlagarbeit mindestens 40 J beträgt.
Vorzugsweise weisen diese Magnesiumlegierungen einen plastischen Anteil der Spannung bestimmt im Zugversuch nach dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm aus der Differenz von Zugspannung und Fließspannung von mindestens 40 MPa auf, besonders bevorzugt von mindestens 60 MPa, ganz besonders bevorzugt von 80 bis 120 MPa.
Alle diese Magnesiumlegierungen können u.a. durch Strangpressen hergestellt worden sein. Es sind jedoch auch andere Umformverfahren anstelle oder zusammen mit dem Strangpressen von Vorteil, insbesondere das Schmieden. Vorzugsweise sind sie umgeformt, insbesondere stranggepreßt oder/und geschmiedet, und weisen ein feinkörniges, dynamisch rekristallisiertes Gefüge, insbesondere mit einer mittleren Korngröße von nicht mehr als 20 μm, und einen Gehalt an Ausscheidungsphasen von nicht mehr als 5 Vol.-% auf, bevorzugt von nicht mehr als 2 Vol.-%. Sie können vorzugsweise ein Gefüge mit einer mittleren Korngröße von höchstens 50 μm aufweisen, vorzugsweise von höchstens 25 μm, besonders bevorzugt von höchstens 15 μm, ganz besonders bevorzugt von höchstens 8 μm. Die mittlere Korngröße wird dabei an Anschliffen mit üblichen stereometrischen Verfahren bestimmt.
Die restlichen Gehalte der angeführten chemischen Zusammensetzung bestehen vorwiegend oder im wesentlichen aus Magnesium. Gehalte an Cadmium stören bei der Verarbeitung nur wegen ihrer Giftigkeit, sind sonst aber insbesondere bezüglich der Umformbarkeit eher von Vorteil. Spurengehalte an Kupfer, Eisen und Nickel sollen möglichst gering sein, da sie sich auf die Verarbeitung oder/und die Werkstoffeigenschaften negativ auswirken.
Die chemische Zusammensetzung der Magnesiumlegierungen variierte nur geringfügig oder fast gar nicht von der Zusammensetzung der Schmelze zur Zusammensetzung vor bzw. nach dem Strangpressen bis zur Zusammensetzung des daraus hergestellten Halbzeugs.
Es hat sich gezeigt, daß die Modifizierung von Korngrößen und Phasenverteilungen über das Zulegieren von Begleitelementen wie Zirkonium, Seltenerdelementen SE wie z.B. Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Gadolinium, Ytterbium, Yttrium und Lanthan bzw. deren Gemischen oder den Erdalkalimetallen - insbesondere Ca, Sr, Ba - hilfreich ist unter Erzeugung von deutlich festeren oder/und duktileren Magnesiumlegierungen. Vor allem ein Zusatz von Calcium, Strontium, Zirkonium bzw. von mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Yttrium und Lanthan hat sich als günstig zur Weiterentwicklung von Magnesiumlegierungen erwiesen. Das erfindungsgemäße Halbzeug oder Bauteil besteht vorzugsweise im wesentlichen aus einer Magnesiumlegierung, die ausgewählt ist aus der Gruppe von Legierungen auf Basis EM, EZ, ME, MN, MZ, ZE und ZM mit einem Gehalt an mindestens einem Seltenerdelement AM, AS, AZ, MA, MN, MZ, SA, ZA oder ZM mit Calcium- oder/und Strontiumzusatz oder EZ, MN oder ZE mit Zirkoniumzusatz.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Magnesiumlegierung, bei dem ein urgeformter oder kompaktierter Formkörper hergestellt und durch Umformen oder/und Verformen dynamisch rekristallisiert wird. Der Formkörper kann daher über die Schmelze oder/und über Pulver hergestellt worden sein. Beim Umformen, insbesondere beim Strangpressen, wird ein Umformgrad von mindestens 1,5 gewählt, vorzugsweise von mindestens 2 oder sogar von mindestens 3, um eine dynamische Rekristallisation und ein feinkörniges Gefüge zu erwirken. Der Umformgrad kennzeichnet den Grad der Querschnittsverringerung beim Umformen und wird als natürlicher Logarythmus des Verhältnisses von Ausgangsquerschnitt zu Querschnitt nach dem Umformen angegeben. Er ist daher auch oft mit dem Grad der dynamischen Rekristallisation korreliert, wobei möglichst noch kein stärkeres Wachstum einzelner Körner auftreten sollte, sondern ein möglichst feinkörniges Gefüge angestrebt wird, das bei manchen Magnesiumlegierungen eine hohe Duktilität bedingt. Je stabiler das Gefüge einer Magnesiumlegierung ist, desto feinkörniger wird bzw. bleibt das Gefüge beim Umformen. Der umgeformte oder/und verformte Formkörper kann danach zu einem Halbzeug oder/und einem aus oder mit diesem Halbzeug gefertigten Bauteil bearbeitet bzw. verarbeitet werden. Das hergestellte Halbzeug bzw. das aus oder mit dem Halbzeug hergestellte Bauteil kann gerichtet, z.B. durch Biegen, Drücken, Drückwalzen, Streckziehen, Tiefziehen, Innenhochdruckumformen oder Walzprofilieren weiter verformt, z.B. durch Trennen, Bohren, Fräsen, Schleifen, Läppen, Polieren bearbeitet, gefügt oder/und z.B. durch Ätzen, Beizen, Lackieren oder sonstiges Beschichten oberflächenbehandelt werden.
Beim Fügen kann das Halbzeug oder das daraus oder damit hergestellte Bauteil durch mindestens ein wärmearmes Fügeverfahren wie z.B. Kleben, Nieten, Stecken, Anpressen, Einpressen, Clinchen, Falzen, Schrumpfen oder Schrauben oder/und mindestens ein wärmeeinbringendes Fügeverfahren wie z.B. Verbundgießen, Verbundschmieden, Verbundstrangpressen, Verbundwalzen, Löten oder Schweißen, insbesondere Strahlschweißen oder Schmelzschweißen, mit einem gleichartigen oder andersartigen Halbzeug oder Bauteil verbunden werden. Das andersartige Halbzeug oder Bauteil kann ebenfalls im wesentlichen aus einer Magnesiumlegierung oder aus einer anderen Legierung oder auch aus einem nichtmetallischen Werkstoff bestehen. Es kann die gleiche oder eine andere Geometrie aufweisen wie das erfindungsgemäße Halbzeug oder Bauteil. Das Fügeverfahren kann insbesondere dazu dienen, aus mehreren Elementen ein Gehäuse, einen Apparat, eine Anlage, eine Profilkonstruktion oder/und eine Verkleidung herzustellen.
Als Halbzeuge im Sinne dieser Anmeldung werden Formkörper verstanden, die noch nicht für ihren jeweiligen Anwendungszweck fertiggestellt und einsatzfähig sind. Als Bauteile werden dagegen die für den beabsichtigten Einsatzzweck geeigneten Formkörper bezeichnet. Beide Begriffe gehen jedoch fließend ineinander über, da es sich bei dem gleichen Formkörper für den einen Einsatzzweck um ein Halbzeug, für den anderen aber bereits um ein Bauteil handeln kann. Ferner wird aus Gründen der sprachlichen Vereinfachung nicht überall im Text streng zwischen Halbzeug und Bauteil unterschieden bzw. beides gleichzeitig angeführt oder nur von Magnesiumlegierung gesprochen, obwohl beides gemeint sein kann.
Die Halbzeuge aus erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungen bzw. die daraus oder damit hergestellten Bauteile können verwendet werden als Felgen, Getriebegehäuse, Lenkradskelette, Querlenker, Rahmenelemente, Elemente von Fahrzeugzellen oder Fahrzeugaußenhäuten, Fahrzeugzelle, Fahrzeugaußenhaut, Cockpitträger, Cockpithaut, Gehäuse, Bodenelemente, Böden, Deckel, Tankelemente, Tankklappen, Halterungen, Stützen, Träger, Winkel, Hohlprofile, Rohre, Deformationselemente, Crashelemente, Crashabsorber, Pralldämpfer, Prallschilde, Prallträger, Kleinteile wie z.B. Zahnräder, als Laufräder und sonstige Arten Räder, als geschweißte Profilkonstruktionen, für die Fahrzeugkarosserie, für Sitz-, Fenster- oder/und Türrahmen, als Halbzeuge, Bauteile oder Verbünde am oder im Automobil oder Flugzeug.
Verfahren zur Herstellung von Strangpreßprofilen:
Die Verfahren zur Herstellung von Strangpreßprofilen aus den erfindungsgemäßen Legierungen werden in einer am gleichen Tag vom gleichen Anmelder eingereichten Patentanmeldung im Detail beschrieben; jene Anmeldung gilt durch ihre Benennung als in vollem Umfang in diese Anmeldung einbezogen. Es wird vorzugsweise von hochreinen, kommerziell erhältlichen Legierungen ausgegangen. Ggf. werden diese Legierungen durch Zusätze auflegiert. Dabei können die hochreinen auflegierten Legierungen beim Schmelzprozeß geringe Mengen an Verunreinigungen aus dem Tiegel aufnehmen. Die Legierungen können beispielsweise in einem Nickel- und Chrom-freien Stahltiegel unter einer Schutzgasatmosphäre, z.B. Ar oder/und SF6, erschmolzen werden. Anstelle eines Gießverfahrens kann auch die pulvermetallurgische Herstellung von Grünlingen ggf. mit nachfolgender Glühung eingesetzt werden. Die Verfahrensschritte sind grundsätzlich bekannt, bedingen aber je nach Legierung eine unterschiedliche Abänderung bzw. Optimierung.
Voraussetzung für die Weiterverarbeitung von Magnesiumlegierungen z.B. durch Strangpressen, oder/und Schmieden ist die Herstellung geeigneter Vormaterialien z.B. in Form von Blöcken, Bolzen oder Brammen. Für die Herstellung von Bolzen zum Strangpressen gibt es vor allem zwei Möglichkeiten:
Beim ersten Verfahren kann ein Bolzen mit einem sehr großen Durchmesser gegossen werden, der dann anschließend mit Hilfe einer Hochleistungsstrangpresse zu Rundbolzen mit einem Durchmesser verpreßt werden kann, der dem Rezipientendurchmesser entspricht. Hierbei wird die Seigerung durch die thermomechanische Behandlung verringert.
Ein weniger aufwendiges Verfahren als dieses Doppelstrangpressen ist die Herstellung der Bolzen durch Sand-, Kokillen- oder Strangguß mit einer ausreichend großen Bearbeitungszugabe. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, daß keine stärkere Seigerungen auftreten, die auch durch lange Homogenisierungszeiten nicht oder nur unzureichend ausgeglichen werden. Die Folgen könnten sonst eine schlechte Verpreßbarkeit und eine größere Streuung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Duktilität, sein.
Die gegossenen Bolzen können zunächst durch Wärmebehandlung in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung bei z.B. 350 °C im Bereich von 6 h bis 12 h homogenisiert werden, um Seigerungen im Gefüge zu beseitigen, das z.T. heterogene Gefüge zu verbessern und die Preßbarkeit zu erhöhen. Danach können die homogenisierten Bolzen mechanisch auf die erforderlichen Abmessungen bearbeitet werden.
Seigerungen können zu einer ungleichmäßigen Verformung und bei kritischen Strangpreßbedingungen zu Rissen bzw. zu lokalen Aufschmelzungen führen, was schlechte Oberflächenqualitäten bedingen kann. Bei weniger gut homogenisierten Bolzen ist ein unnötig hoher Preßdruck beim Strangpressen erforderlich.
Das Strangpressen der Magnesiumlegierungen kann in den gleichen Strangpreßanlagen erfolgen, die für das Strangpressen von Aluminiumlegierungen eingesetzt werden, sowohl über das direkte, als auch über das indirekte Strangpressen. Nur bei der Werkzeuggestaltung (Matrize) ist das Verformungsverhalten spezifisch zu berücksichtigen. Scharfkantige Einlaufe, wie sie bei Aluminiumlegierungen zum Einsatz kommen, sind bei Magnesiumlegierungen zu vermeiden, da sonst die Gefahr von Oberflächenrissen auftritt. In vielen Fällen wird z.B. für Matrizen von Rundprofilen ein Einlaufwinkel von ca. 50 ° für Magnesiumlegierungen verwendet.
Der wichtigste Parameter neben der Strangpreßtemperatur ist die Strangpreßgeschwindigkeit, weil sie die Eigenschaften und die Oberflächenqualität der Strangpreßprofile maßgeblich beeinflußt. Ein hoher Preßdruck bedingt dabei auch eine hohe Strangpreßgeschwindigkeit, die aus wirtschaftlichen Gründen angestrebt wird. Eine hohe Strangpreßgeschwindigkeit ist üblicherweise mit einer noch besseren Oberflächenqualität verbunden. Die Preßbarkeit der Magnesiumlegierungen ist vergleichbar mit denen schwerpreßbarer Aluminiumlegierungen. Eine hohe Strangpreßgeschwindigkeit wird zwar aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten angestrebt, ist aber bei Magnesiumlegierungen nicht immer realisierbar. Trotz gewisser Kenntnisse zum Strangpressen von Magnesiumlegierungen müssen üblicherweise die Parameter zum Strangpressen im Detail erarbeitet werden, da hier ein großes Optimierungspotential verborgen ist.
Dem Strangpressen schließt sich vorteilhafterweise eine Wärmebehandlung an. Diese Wärmebehandlung ist üblicherweise nicht von starkem Interesse, da die erfindungsgemäßen Legierungen durch diese Wärmebehandlung meistens nicht stark verbessert werden. Die Halbzeuge können ggf. gerichtet, weiter verformt, bearbeitet, gefügt oder/und oberflächenbehandelt werden. Mit den erfindungsgemäßen Legierungen können Voll- und Strangprofile in einfachen oder komplizierten Querschnitten ohne Probleme stranggepreßt werden. Hierbei können Halbzeuge verbessert bzw. daraus oder damit ggf. auch Bauteile hergestellt werden.
Beispiele: Die folgenden erfindungsgemäßen Beispiele stellen ausgewählte Ausführungsformen dar, ohne die Erfindung einzuschränken.
Bei den benutzten Legierungsbezeichnungen kennzeichnet A AI, E mindestens ein Seltenerdeiement SE, wobei auch La und Y zu den Seltenerdelementen gerechnet werden, M oder MN Mn, S Si und Z Zn - üblicherweise mit Gehaltsangaben in Gew.-%, soweit nichts anderes vermerkt ist. Bei allgemein gebräuchlichen Legierungsangaben wie z.B. AZ31 werden durch die Zahlen wie für die jeweilige Legierung üblich nur größenordnungsmäßige Gehalte angegeben, die branchenüblich in relativ breitem Maß variieren können. Zusätzlich kann bei der in den Beispielen verwendeten Ausgangslegierung und den damit hergestellten modifizierten Legierungen auf Basis AZ ein geringer Mangangehalt vorhanden sein. Alle Beispiele wiesen Spuren von weniger als 0,1 Gew.-% Cd, von weniger als 0,05 Gew.-% Cu, von weniger als 0,04 Gew.-% Fe und von weniger als 0,003 Gew.-% Ni auf.
Die Legierungen wurden als hochreine kommerziell erhältliche Legierungen oder üblicherweise aus hochreinen Ausgangslegierungen wie z.B. AM-, AS- oder AZ-Legierungen bzw. durch Zugabe von Reinstmagnesium HP-Mg, einer Seltenerdelement-haltigen Vorlegierung mit einem Verhältnis von Nd zu weiteren Seltenen Erden einschließlich Yttrium von 0,92, einer Zirkonium-haltigen Vorlegierung, von Calcium bzw. Strontium auflegiert. Die Standardlegierungen enthielten einen Mn-Gehalt von bis zu etwa 0,2 Gew.-%. Die Legierungen wurden in einem Stahltiegel unter der Schutzgasatmosphäre eines Ar-SF6- Gemisches erschmolzen. Die Schmelze wurde bei einer Temperatur im Bereich von 780 bis 820 °C, einmalig auch bei 750 °C, gehalten und vergossen. Der Abguß der für das nachfolgende Strangpressen erforderlichen Rohlinge erfolgte in eine zylindrische Stahlkokille mit Bearbeitungszugabe. Die Form wies je nach Versuch einen Durchmesser von 90 bzw. 110 mm und eine Formtemperatur im Bereich von 80 bis 320 °C auf. Die erzielten Elementgehalte wurden spektroskopisch überprüft. Bei allen Legierungen wurde darauf geachtet, daß das Gefüge der Gußkörper möglichst homogen und frei von Verunreinigungen ist, da dies die Duktilität empfindlich beeinflussen kann. Alle Legierungen ließen sich ohne Probleme erschmelzen, abgießen und zu Bolzen verarbeiten.
Danach wurden die Gießkörper über 12 h bei 350 °C homogenisiert. Durch Drehen wurden Bolzen von in der Regel 70 mm Durchmesser und 120 mm Länge hergestellt; bei 6 Proben der Legierung AZ31CaO,3 wurde jedoch ein Durchmesser von 74 mm gewählt. Die homogenisierten und abgedrehten Bolzen waren dann für das Strangpressen gut vorbereitet.
Danach wurden die Bolzen auf die jeweilige Strangpreßtemperatur im Bereich von 200 bis 450 °C aufgeheizt, über 60 bis 150 min durchgewärmt und in einer 400 t-Horizontalpresse stranggepreßt. Die Temperatur des Bolzens ist daher jene Temperatur, die der Bolzen bei Eintritt in die Strangpresse aufweist.
Vorversuche wurden mit der Legierung AZ31 in einer 400 t-Strangpresse bei direktem Strangpressen durchgeführt (Tabellen 1 und 2). Mit einem Rezipientendurchmesser von 74 mm konnte ein breites Parameterfeld erfolgreich untersucht werden. Die Vorversuche erlaubten die Festlegung der Versuchsparameter. In systematischen Vorversuchen an der Referenzlegierung AZ31 wurden die geeigneten Strangpreßparameter ausgewählt; an den stranggepreßten Proben wurden die mechanischen Eigenschaften und die mittleren Korngrößen bestimmt (Tabellen 1 und 2). Die Ergebnisse der Vorversuche bestimmten wesentlich die Versuchsparameter der nachfolgenden Versuche.
Bei den spezifischen Versuchen wurden etliche der Herstellparameter systematisch variiert (Tabellen 3e/f). Einerseits wurde der Matrizendurchmesser variiert und wurden hierbei die Preßstempelgeschwindigkeit und Strangpreßtemperatur konstant gehalten, andererseits wurde die Matrizengeometrie konstant gehalten und wurde hierbei die Preßstempelgeschwindigkeit variiert und schließlich wurde die Strangpreßtemperatur legierungsabhängig variiert. Die Preßstempelgeschwindigkeit und das Strangpreßverhältnis ergaben dabei die Strangpreßgeschwindigkeit. Mit Hilfe einer derartigen Parametermatrix war eine Bewertung des Einflusses unterschiedlicher Umformbedingungen möglich. Die Variation der Strangpreßparameter hatte einen unterschiedlichen Einfluß auf das Eigenschaftsprofil der stranggepreßten Magnesiumwerkstoffe. Tendenzen der Werkstoffeigenschaften der verschiedenen Legierungen je nach den Herstellparametern lassen sich aus den Tabellen 3e/f entnehmen.
Bei den spezifischen Strangpreßversuchen wurde ebenfalls in einer 400-t-Strangpresse bei direktem Strangpressen gearbeitet. Strangpreßtemperatur: 340 °C, 365 °C bzw. 390 °C jeweils nach 1 h Zeit des Aufheizens und Durchwärmens des Bolzens. Es wurden vorwiegend Preßmatrizen mit einem Durchmesser von 15, 16 bzw. 18 mm und entsprechend einem Verpressungsverhältnis von 1 : 24,3, 1 : 21 ,4 und 1 : 16,9 eingesetzt. Die Preßgeschwindigkeit betrug 3,8 - 4,5, 5,0 - 5,5, 5,8 - 6,5 bzw. 9,5 - 10 m/min. Nur ein kleiner Teil der Strangpreßversuche wird in Tabelle 3e wiedergegeben. Je nach Probe wurde bei einem Rezipientendurchmesser von 74 mm eine Rezipiententemperatur im Bereich von 250 bis 380 °C, ein Matrizendurchmesser im Bereich von 14 bis 18 mm, ein Preßverhältnis A/A0 im Bereich von 16,9 bis 27,9, ein Umformgrad φ = ln(Ao/A) im Bereich von 2,8 bis 3,3, eine Stempelgeschwindigkeit im Bereich von 145 bis 508 mm/min, eine Strangpreßgeschwindigkeit im Bereich von 3,2 bis 10,8 m/min, ein Preßdruck zu Beginn des Strangpressens im Bereich von 8,7 bis 23,5 MPa und ein Preßdruck zum Ende des Strangpressens im Bereich von 7,2 bis 16,5 MPa und einmalig von 23,3 MPa eingestellt.
Die aufgetretenen Strangpreßdrücke variierten je nach verwendeter Legierung und eingestellten Parametern in einem breiten Spektrum. Die erreichten Enddrücke lagen für Legierungen ohne Ca-, SE- oder Zr-Zusatz im Bereich um 10 ± 2 MPa bei Strangpreßtemperaturen größer 300 °C und bei Ca-, SE- oder Zr-haltigen Legierungen um bis zu 4 MPa höher. Ursache für die höheren Strangpreßdrücke und somit für den erhöhten Formänderungswiderstand von Magnesiumlegierungen mit Ca-, SE- oder Zr-Zusatz ist ein höherer Anteil an stabilen Ausscheidungen als bei Magnesiumlegierungen ohne diesen Zusatz. Für geringere Temperaturen wurden generell etwas höhere Strangpreßdrücke ermittelt.
Alle Legierungen, sowohl die Ausgangslegierungen, als auch die durch Zusätze modifizierten Legierungen ließen sich problemlos in einem breiten Temperatur-, Strangpreßgeschwindigkeits- und Strangpreßverhältnisbereich umformen. Die aufgetretenen Strangpreßdrücke variierten je nach verwendeter Legierung und eingestellten Strangpreßparametern. Die Bolzen zeigten eine gute Verpreßbarkeit mit einem großen Spielraum bezüglich Preßkraft und Preßgeschwindigkeit. Die untere Strangpreßtemperatur ist durch die unzureichende plastische Verformbarkeit unterhalb einer Temperatur im Bereich von etwa 200 bis 220 °C bedingt, die obere Strangpreßtemperatur findet ihre Grenzen durch die Nähe zur eutektischen Temperatur und möglicherweise durch die erste Ausbildung von Anteilen einer schmelzfiüssigen Phase.
Die stranggepreßten Rundprofile wurden durch Fräsen und Drehen bearbeitet zu Rundzugproben (d0 = 5 mm, l0 = 5 • d0, kleiner Proportionalitätsstab, nach DIN 50 125), Druckproben (d0 = 10 mm, l0 = 2 • d0, nach DIN 50 106), Schlagbiegeproben (10 x 10 x 55 mm, nach DIN 50 116) und Kerbschlagbiegeproben (nach DIN 50 115). Pro Legierung und Versuch wurden jeweils 5 dieser Proben hergestellt und getestet. Bei allen Proben wurde die Längsrichtung so gewählt, daß sie mit der Richtung des Strangpressens übereinstimmt.
Beim Zugversuch wurden Zugfestigkeit Rm, Dehngrenze = Streckgrenze RP0,2 und Bruchdehnung A bzw. z.T. auch die Brucheinschnürung BE beim Zugversuch bei einer Zuggeschwindigkeit von 0,5 mm/min bestimmt. Beim Druckversuch wurden Werte der Druckfestigkeit RDm, Stauchgrenze RDO,2 und Stauchung AD bei einer Druckgeschwindigkeit von 0,5 mm/min gewonnen. Der Beginn der plastischen Verformung (Dehn- bzw. Stauchgrenze) wurde graphisch ermittelt. Außerdem wurden Brinellhärte-Messungen nach DIN 50351 durchgeführt. Alle Messungen fanden bei Raumtemperatur statt. Die Ergebnisse der mechanischen Bestimmungen sind in den Tabellen 3a-c und die der Gefügeuntersuchungen in der Tabelle 3d zusammengestellt.
An ausgewählten Proben wurden Anschliffe hergestellt, die bezüglich mittlerer Korngröße, Gefügeinhomogenitäten sowie Art und Verteilung der enthaltenen ausgeschiedenen Phasen beurteilt wurden. Anhand dieser Bewertung erfolgte eine weitere Optimierung der Herstellungs- und Verarbeitungsparameter.
Generell trat während des Strangpressens eine dynamische Rekristallisation auf, die in Abhängigkeit von den Strangpreßparametern und der Legierungszusammensetzung zu unterschiedlichen mittleren Korngrößen führte. Je nach den Strangpreßbedingungen ergaben sich trotz gleicher Legierungszusammensetzung Unterschiede im Gefüge der Proben. Die Gefügeausbildung und die erreichte Bruchdehnung korrelierten mit den Verformungsparametern.
Die an den gegossenen und stranggepreßten Proben ermittelten Festigkeitswerte waren weitaus höher als erwartet. Überraschenderweise war auch das Verformungsvermögen dieser Legierungen sehr hoch. Ferner war es überraschend, daß die Werkstoffeigenschaften der modifizierten Legierungen erstaunlich wenig in Abhängigkeit von den Strangpreßbedingungen variierten, was für eine Fertigung vorteilhaft ist. Ferner war es überraschend, daß die Schlagarbeit der Legierung ZE10 derart hoch lag.
Die Meßergebnisse der Brinellhärte-Bestimmungen ermöglichten keine besonderen Aussagen. Die Brinellhärte der stranggepreßten Proben erwies sich um 7 bis 22 % größer als bei den Proben im Gußzustand. Die Härte nahm mit dem Aluminium-Gehalt zu. Bei der stranggepreßten (=extrudierten) Legierung AM50 lag die Zugfestigkeit bei Werten bis zu 287 MPa, die Druckfestigkeit bei Werten bis zu 365 MPa, die Bruchdehnung bei Werten bis zu 21,6 % und die Schlagarbeit ungekerbter Proben bei Werten bis zu 85 J (Tabellen 3a/c). Alle diese Werkstoffeigenschaften lagen daher signifikant über denen, die an Proben im gegossenen Zustand ermittelt wurden.
Bei der stranggepreßten Legierung AM20Ca0.2 bzw. AM50CaO,5 traten im Vergleich zur stranggepreßten Legierung AM20 bzw. AM50 bei den Druck- und Schlagversuchen höhere mechanische Eigenschaften bei einer vergleichbar hohen Duktilität auf, bei den geringer Aluminium-haltigen Legierungen auch bei den Zugversuchen. Da die untersuchten stranggepreßten Proben noch nicht die beste Gefügehomogenität aufwiesen, können hier noch deutlich bessere Eigenschaften erzielt werden. Bei der stranggepreßten Legierung AZ31Ca0.3 bzw. AS41Ca0.4 lagen die Ergebnisse der Druckfestigkeit höher als bei der stranggepreßten Legierung AZ31 bzw. AS41. Bei diesen Ca-modifizierten Legierungen traten die höchsten ermittelten Druckfestigkeiten auf. Bei den stranggepreßten Legierungen AM50 bzw. AZ31 nahmen die mittleren Korngrößen im Trend mit der Strangpreßtemperatur z.B. im Bereich von 6 bis 12 μm bzw. 3,5 bis 10 μm zu. Bei der Legierung AM50CaO,5 lag die mittlere Korngröße im Bereich von 4,5 bis 9 μm und somit aufgrund des Ca-Zusatzes geringer, wobei die mittleren Korngrößen proportional zur Strangpreßtemperatur ebenfalls etwas zunahmen.
Bei der stranggepreßten Legierung ME10 lagen die höchsten Werte der Zugversuche mit der mittleren Zugfestigkeit bei Werten bis zu 336 MPa und der mittleren Streckgrenze bei Werten bis zu 327 MPa. Die gegossene Legierung ME10 zeigte einen sehr hohen plastischen Anteil der Spannung, während sich das Verhältnis des elastischen zum plastischen Anteils beim Strangpressen umkehrte und zu umgekehrten Extremwerten führte (Tabelle 3b). Es traten sehr kleine mittlere Korngrößen im Bereich von 3 bis 5 μm auf.
Bei der stranggepreßten Legierung MN150Ca0.2 zeigte sich eine sehr starke Steigerung der meisten mechanischen Eigenschaften im Vergleich zur stranggepreßten Legierung MN150. Ein Zusatz von Zr0.7 zur stranggepreßten Ausgangslegierung MN150 wirkte sich nur wenig aus. Bei der stranggepreßten Legierung ZE10 wurden zwar geringere mechanische Eigenschaften ermittelt, doch variierten diese sehr stark mit der Temperatur, so daß noch bessere mechanische Eigenschaften mit noch höherer Temperatur erzielt werden können: Die Eigenschaften der Legierung ZE10 werden wesentlich von den Seltenen Erden beeinflußt und können bei der Variation der Seltenerdelemente einschließlich Lanthan und Yttrium bzw. ihrer Gehalte noch weiter optimiert werden. Bei der Legierung ZE10 traten mittlere Korngrößen im Bereich von 6,5 bis 13 μm auf, die wieder mit der Strangpreßtemperatur eher zunahmen; diese Legierung erwärmte sich jedoch mit zunehmender Strangpreßgeschwindigkeit relativ stark, was bei höherer Strangpreßgeschwindigkeit ebenfalls zu etwas größeren mittleren Korngrößen führte. Bei der stranggepreßten modifizierten Legierung ZE10ZrO,7 ergaben sich aufgrund des Zirkonium-Zusatzes sehr viel höhere Festigkeiten als bei der stranggepreßten Ausgangslegierung ZE10. Sie wies wie die zusätzlich Zr0.7 enthaltende stranggepreßte Legierung sehr hohe Werte der Bruchdehnung und der Kerbschlagarbeit auf. So konnte beim Abkühlen von Aluminium-freien Zirkonium-haltigen Schmelzen eine heterogene Keimbildung einsetzen, die aufgrund eines Korngrenzen-Pinnings zu einem besonders feinen Gefüge führte. Die Schlagarbeit an ungekerbten Proben war jedoch aufgrund der inhomogenen Verteilung der Zirkonium-haltigen Phase im Vergleich zu den Proben der Legierung ZE10 teilweise geringfügig gesunken. Bei der stranggepreßten Legierung ZE10ZrO,7 stabilisierte der Zirkonium-Zusatz das Gefüge. Es entstanden beim Strangpressen Gefüge mit mittleren Korngrößen im Bereich von 2,2 bis 4,5 μm. Diese geringen Korngrößen entstanden über einen weiten Strangpreßparameterbereich. Bei dieser Legierung war die geringe Variation der Korngrößen in Abhängigkeit von den Strangpreßparametern auffällig.
Ein Zusatz von SE0.7 oder insbesondere von Zr0.7 zur Legierung ZM21 wirkte sich nur wenig auf die mechanischen Eigenschaften aus.
Es wurde gefunden, daß die Hall-Petch-Beziehung auch für die erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungen im Trend gültig ist, nach der die mechanischen Eigenschaften mit kleineren Korngrößen verbessert werden. Das gilt in vielen Fällen vor allem für die Zug- und Druckfestigkeit, aber auch grundsätzlich für die Bruchdehnung und Schlagarbeit.
Bei diesen Versuchen wurden insbesondere Magnesiumlegierungen als geeignet ermittelt, bei denen je vorhandenem 1 Gew.-% AI ein Gehalt an Ca im Bereich von etwa 0,05 bis 0,2 Gew.-% Ca zugesetzt wurde, um eine Ausscheidung der AI2Ca-Phase zu ermöglichen. Die Phase AI2Ca erwies sich als temperaturstabiler als die Phase Mg17AI12 und konnte daher das Kornwachstum beim Strangpressen besser behindern als die Phase Mg17AI12. Auch die Ausscheidungsphase Mg2Si behinderte das Kornwachstum beim Strangpressen besser als die Phase Mg17AI12. Eine Zugabe von Ca zu AI-freien Legierungen führte zur Bildung von Mg2Ca- bzw. Ca5Zn2-Ausscheidungen. Es zeigte sich, daß die normalerweise bei Al-haltigen Magnesiumlegierungen erscheinende Phase Mg17AI12 zwar eine etwas erhöhte Festigkeit verursacht, aber auch für eine geringere Bruchdehnung verantwortlich ist. Da diese Phase noch spröder ist als als die reine hexagonale Mg-Phase, sollten größere Gehalte von Mgι7AI12 vermieden werden.
Mit den Beispielen wurde nachgewiesen, daß die erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungen zum Strangpressen günstig sind, aber sich grundsätzlich zusätzlich oder alternativ zum Strangpressen auch zu anderen Arten des Umformens und weiteren Verformens aufgrund ihrer Werkstoffeigenschaften eignen.
Tabelle 1 : Ergebnisse der Vorversuche zur Ermittlung der Strangpreßparameter mit der Legierung AZ31 bei einer Strangpreßtemperatur von 400 °C, einem Matrizendurchmesser von 16 mm, einem Rezipientendurchmesser von 74 mm und einem Verpressungsverhältnis von 1 : 21
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Tabelle 2: Einfluß des Verpressungsverhältnisses auf die mittleren Korngrößen und die mechanischen Eigenschaften aus dem Zugversuch bei einer Strangpreßtemperatur von 400 °C bei den Vorversuchen zum Ermitteln der Strangpreßparameter
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Bei den Tabellen 3a-f bedeuten "Guß" = Material im Gußzustand und "extr." = Gußmaterial, das anschließend durch Homogenisieren und Strangpressen (Extrudieren) umgeformt wurde, "B" = erfindungsgemäßes Beispiel und "VB" = Vergleichsbeispiel nach dem Stand der Technik.
Tabelle 3a: Mittelwerte der Meßergebnisse der mechanischen Versuche an verschiedenen Proben der Ca-. Sr-, SE- und Zr-haltigen Magnesiumlegierungen und deren Ausgangslegierungen:
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Tabelle 3b: Mittelwerte der aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm der Zugversuche für modifizierte Magnesiumlegierungen und deren Ausgangslegierungen bestimmbare Werte. F = Rpo2 = Fließspannung = elastischer Anteil der Spannung. V = Streckgrenzenverhältnis = F : Z. Rm = Zugspannung Z = elastischer + plastischer Anteil der Spannung:
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Tabelle 3c: Höchste Mittelwerte der Meßergebnisse der mechanischen Eigenschaften ausgewählt aus verschiedenen Einzelproben der modifizierten Magnesiumlegierungen:
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Tabelle 3d: Vorwiegend auftretende Korngrößen im Gußzustand nach dem Homogenisieren bei 350 °C 4 h bzw. nach dem Strangpressen bei den modifizierten Magnesiumlegierungen und deren Ausgangslegierungen
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Tabelle 3e: Verfahrensparameter zu verschiedenen Proben der modifizierten Magnesiumlegierungen und deren Ausgangslegierungen.
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Tabelle 3f: Herstellparameter und Werkstoffeigenschaften einzelner ausgewählter stranggepreßter Proben der modifizierten Legierungen und deren Ausgangslegierungen: Länge Bolzen 120 mm, Durchmesser Bolzen 70 mm, Formdurchmesser meistens 90 mm
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Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1 ,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Legierung auf Basis AM oder MA ist, daß ggf. ihr Gehalt an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La zusammen 0,1 bis 12 Gew.-% beträgt und daß ihre Druckfestigkeit mindestens 300 MPa, ihre Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 40 J und ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 16 % beträgt.
2. Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1 ,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Legierung auf Basis AS oder SA ist, daß ggf. ihr Gehalt an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La zusammen 0,1 bis 12 Gew.-% beträgt und daß ihre Druckfestigkeit mindestens 320 MPa und ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 12 % beträgt.
3. Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1 ,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Legierung auf Basis AZ oder ZA ist, daß ihr Gehalt an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La zusammen 0,1 bis 12 Gew.-% beträgt und daß ihre Druckfestigkeit mindestens 340 MPa und ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 16 % beträgt.
4. Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1 ,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Legierung auf Basis EM oder ME ist, daß ggf. ihr Gehalt an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La zusammen 0,1 bis 12 Gew.-% beträgt und daß ihre Druckfestigkeit mindestens 360 MPa und ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 12 % beträgt.
5. Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Legierung auf Basis MN ist, daß ihr Gehalt an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La zusammen 0,1 bis 12 Gew.-% beträgt und daß ihre Druckfestigkeit mindestens 300 MPa und ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 12 % beträgt.
6. Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Legierung auf Basis EZ oder ZE ist, daß ihr Gehalt an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La zusammen 0,1 bis 12 Gew.-% beträgt und daß ihre Druckfestigkeit mindestens 320 MPa und ihre Bruchdehnung mindestens 18 % beträgt.
7. Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1 ,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Legierung auf Basis MZ oder ZM ist, daß ihr Gehalt an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La zusammen 0,1 bis 12 Gew.-% beträgt und daß ihre Druckfestigkeit mindestens 300 MPa und ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 12 % beträgt.
8. Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Legierung auf Basis AM, AS, AZ31 , EM, EZ, MA, ME, MN, MZ, SA, ZE oder ZM ist, daß ihr Gehalt an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La zusammen 0,1 bis 12 Gew.-% beträgt und daß ihre Druckfestigkeit mindestens 350 MPa, ihre Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 50 J und ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 13 % beträgt.
9. Magnesiumlegierung, die Zusätze oder Spuren an Cd kleiner als 1 ,8 Gew.-% und die Spuren von bis zu 0,1 Gew.-% Cu, bis zu 0,05 Gew.-% Fe und bis zu 0,005 Gew.-% Ni enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Gehalt an Ca, Sr, Zr oder/und mindestens einem Seltenerdelement einschließlich Y und La zusammen 0,1 bis 12 Gew.-% beträgt und daß ihre Druckfestigkeit mindestens 350 MPa, ihre Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 50 J und ihre Bruchdehnung gemessen an Zugproben mindestens 13 % beträgt.
10. Magnesiumlegierung nach Anspruch 1, 8 oder/und 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben Mg 0.5 bis 10 Gew.-% AI, 0.1 bis 4 Gew.-% Mn und ggf. jeweils 0.1 bis 6 Gew.-% Ca oder/und Sr enthält und daß ihre Druckfestigkeit mindestens 320 MPa, ihre Bruchdehnung mindestens 16 % und ihre Schlagarbeit mindestens 25 J beträgt.
11. Magnesiumlegierung nach Anspruch 2, 8 oder/und 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben Mg 0.5 bis 10 Gew.-% AI, 0.1 bis 4 Gew.-% Si und ggf. jeweils 0.1 bis 6 Gew.-% Ca oder/und Sr enthält und daß ihre Druckfestigkeit mindestens 350 MPa, ihre Bruchdehnung mindestens 13 % und ihre Schlagarbeit mindestens 50 J beträgt.
12. Magnesiumlegierung nach Anspruch 4, 8 oder/und 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben Mg 0.1 bis 4 Gew.-% Mn und jeweils 0.1 bis 6 Gew.-% mindestens eines Seltenerdelementes oder/und Y enthält und daß ihre Druckfestigkeit mindestens 360 MPa, ihre Bruchdehnung mindestens 13 % und ihre Schlagarbeit mindestens 40 J beträgt.
13. Magnesiumlegierung nach Anspruch 5, 8 oder/und 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben Mg 0.2 bis 4 Gew.-% Mn und 0.2 bis 6 Gew.-% Ca oder/und 0.1 bis 6 Gew.-% Sr enthält und daß ihre Druckfestigkeit mindestens 300 MPa, ihre Bruchdehnung mindestens 15 % und ihre Schlagarbeit mindestens 20 J beträgt.
14. Magnesiumlegierung nach Anspruch 6, 8 oder/und 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben Mg 0.1 bis 5 Gew.-% Zn und jeweils 0.1 bis 6 Gew.-% mindestens eines Seltenerdelementes einschließlich Y und La sowie ggf. 0.1 bis 3 Gew.-% Zr enthält und daß ihre Druckfestigkeit mindestens 320 MPa, ihre Bruchdehnung mindestens 20 % und ihre Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben mindestens 50 J beträgt.
15. Magnesiumlegierung nach Anspruch 7, 8 oder/und 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben Mg 0.1 bis 5 Gew.-% Zn, 0.1 bis 4 Gew.-% Mn und ggf. jeweils 0.1 bis 6 Gew.-% Ca oder/und Sr enthält und daß ihre Druckfestigkeit mindestens 300 MPa, ihre Bruchdehnung mindestens 13 % und ihre Schlagarbeit mindestens 40 J beträgt.
16. Magnesiumlegierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen plastischen Anteil der Spannung bestimmt im Zugversuch nach dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm aus der Differenz von Zugspannung und Fließspannung von mindestens 40 MPa aufweist.
17. Magnesiumlegierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Gefüge mit einer mittleren Korngröße von höchstens 50 μm aufweist.
18. Magnesiumlegierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie umgeformt ist und ein feinkörniges, dynamisch rekristallisiertes Gefüge und einen Gehalt an Ausscheidungsphasen von nicht mehr als 5 Vol.-% aufweist.
19. Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein urgeformter oder kompaktierter Formkörper hergestellt und durch Umformen oder/und Verformen dynamisch rekristallisiert wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der umgeformte oder/und verformte Formkörper zu einem Halbzeug oder/und einem aus oder mit diesem Halbzeug gefertigten Bauteil bearbeitet bzw. verarbeitet wird.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß das hergestellte Halbzeug bzw. das aus oder mit dem Halbzeug hergestellte Bauteil gerichtet, z.B. durch Biegen, Drücken, Drückwalzen, Streckziehen, Tiefziehen, Innenhochdruckumformen oder Walzprofilieren weiter verformt, bearbeitet, gefügt oder/und oberflächenbehandelt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug oder das daraus oder damit hergestellte Bauteil durch mindestens ein wärmearmes Fügeverfahren wie z.B. Kleben, Nieten, Stecken, Anpressen, Einpressen, Clinchen, Falzen, Schrumpfen oder Schrauben oder/und mindestens ein wärmeeinbringendes Fügeverfahren wie z.B. Verbundgießen, Verbundschmieden, Verbundstrangpressen, Verbundwalzen, Löten oder Schweißen, insbesondere Strahlschweißen oder Schmelzschweißen, mit einem gleichartigen oder andersartigen Halbzeug oder Bauteil verbunden wird.
23. Halbzeug aus einer Magnesiumlegierung oder daraus oder damit hergestelltes Bauteil oder Verbund mit einem solchen Halbzeug oder Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß es/er nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche hergestellt wurde.
24. Verwendung einer Magnesiumlegierung, hergestellt nach mindestens einem der Ansprüche 19 bis 22 als Felge, Getriebegehäuse, Lenkradskelett, Querlenker, Rahmenelement, Element von Fahrzeugzelle oder Fahrzeugaußenhaut, Fahrzeugzelle oder Fahrzeugaußenhaut, Cockpitträger, Cockpithaut, Gehäuse, Bodenelement, Boden, Deckel, Tankelement, Tankklappe, Halterung, Stütze, Träger, Winkel, Hohlprofil, Rohr, Deformationselement, Crashelement, Crashabsorber, Pralldämpfer, Pralischild, Prallträger, Kleinteil, als geschweißte Profilkonstruktion, für die Fahrzeugkarosserie, für Sitz-, Fenster- oder/und Türrahmen, als Halbzeug, Bauteil oder Verbund am oder im Automobil oder Flugzeug.
25. Verwendung eines Halbzeuges aus einer Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, eines daraus oder damit hergestellten Bauteiles oder/und eines Verbundes mit mindestens einem derartigen Halbzeug oder/und Bauteil als Felge, Getriebegehäuse, Lenkradskelett, Querlenker, Rahmenelement, Element von Fahrzeugzelle oder Fahrzeugaußenhaut, Cockpitträger, Gehäuse, Bodenelement, Deckel, Tankelement, Tankklappe, Halterung, Stütze, Träger, Winkel, Hohlprofil, Rohr, Deformationselement, Crashelement, Crashabsorber, Pralldämpfer, Prallschild, Prallträger, Kleinteil, als geschweißte Profilkonstruktionen, für die Fahrzeugkarosserie, für Sitz-, Fenster- oder/und Türrahmen, als Halbzeug, Bauteil oder Verbund am oder im Automobil oder Flugzeug.
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