DE2558545A1

DE2558545A1 - Magnesiumlegierungen

Info

Publication number: DE2558545A1
Application number: DE19752558545
Authority: DE
Inventors: Stephen Lee Bradshaw; John Frederick King; William Unsworth
Original assignee: Magnesium Elektron Ltd
Current assignee: Magnesium Elektron Ltd
Priority date: 1974-12-30
Filing date: 1975-12-24
Publication date: 1976-07-08
Also published as: NO754344L; IT1052036B; DE2558545C2; DE2558915C2; SE7514709L; SE7514710L; DE2558519C2; IT1052037B; IN143219B; GB1463608A; IL48761A; BE837171A; FR2296696A1; NO754345L; AU8781475A; AU500182B2; DE2558519A1; NO142581C; FR2296698B1; FR2296696B1

Description

Die Erfindung betrifft Magnesiumlegierungen und schließt auch ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus diesen Magnesiumlegierungen ein.

Magnesiumlegierungen haben im Vergleich zu den Legierungen anderer Metalle ein sehr niedriges Gewicht und finden demgemäß dort Verwendung, wo, wie in der Luft- und Raumfahrtindustrie, ein niedriges Gewicht eine bedeutsame Rolle spielt. Zum Stande der Technik gehörende Legierungen mit vorteilhaften mechanischen Eigenschaften, insbesondere hoher Zugfestigkeit, werden in der GB-PS 875 929 beschrieben.

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Die mechanischen Eigenschaften dieser Legierungen sind weitgehend von der Gegenwart eines beträchtlichen Anteils an Silber abhängig, dessen Gehalt in der Regel 2 bis 3 Gew.% beträgt. Dadurch werden die Legierungen sehr teuer. Darüber hinaus ist der Marktpreis des Silbers wegen dessen Verwendung in Münzen sehr starken Schwankungen ausgesetzt. Da die Silberpreise einen wesentlichen Anteil an den Preisen der Legierungen haben, unterliegen deren Preise den gleichen Schwankungen.

In den erwähnten Legierungen werden die mechanischen Eigenschaften mit steigenden Silbergehalten besser. Die Erfindung hat zur Aufgabe, den Gehalt an kostenaufwendigem Silber zu senken, ohne daß eine Verschlechterung der Eigenschaften der Legierung in Kauf genommen werden muß. Wie nun überraschenderweise gefunden wurde, kann ein Teil des Silbers ohne eine wesentliche Verschlechterung der Eigenschaften durch Kupfer ersetzt werden.

Erfindungsgemäß wird eine Magnesiumlegierung bereitgestellt, die außer Eisen und anderen Verunreinigungen die folgenden Bestandteile enthält:

Magnesium mindestens 88 Gew.%

Silber 1 bis 3 Gew.%

Kupfer 0,05 bis 0,15 Gew.%

Metalle der Seltenen

Erden, davon mindestens

60 Gew.% Neodym 0,5 bis 3,0 Gew.%

Zirkon 0 bis 1 Gew.%

Mangan 0 bis 2 Gew.%

Zink 0 bis 0,5 Gew.%

Cadmium 0 bis 1,0 Gew.%

Lithium 0 bis 6,0 Gew.%

Calcium 0 bis 0,8 Gew.%

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Gallium O bis 2,0 Gew.t

Indium 0 bis 2,0 Gew.%

Thallium 0 bis 5,0 Gew.I

Blei 0 bis 1,0 Gew.I

Wismuth 0 bis 1,0 Gew.I ,

wobei die maximalen Anteile an Zirkon und Mangan durch den jeweiligen Anteil des anderen Metalls begrenzt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Silbergehalt 1 bis 2, vorteilhaft 1 bis 1,75 Gew.I.

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

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

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

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Um die optimalen mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen zu entwickeln, ist eine Wärmebehandlung erforderlich. Diese besteht normalerweise aus einem Lösungsglühen bei erhöhter Temperatur, dem Abschrecken und einer Warmauslagerung bei einer niedrigeren Temperatur. Das Lösungsglühen bei höherer Temperatur ermöglicht das Inlösunggehen solcher Legierungselemente wie Silber, Neodym und Kupfer; durch das rasche Abschrecken verbleiben diese Elemente in Lösung; durch die Warmauslagerung erfolgt eine Ausscheidungshärtung in eIAv¹UnScIitem Ausmaß. Es wurde gefunden, daß für das

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Lösungsglühen bei höheren Temperatur-' eine Temperatur von mindestens 520 ⁰C erforderlich ist, während die obere Grenze für diese Behandlung durch den Soliduspunkt der Legierung gegeben ist. Im allgemeinen ist eine Glühzeit von mindestens 2 Stunden erforderlich.

Die Ausscheidungshärtung kann durch mindestens 1/2-stündiges Auslagern auf eine Temperatur im Bereich 100 bis 275 ⁰C erfolgen, wobei für Temperaturen an der unteren Grenze des Bereichs längere Auslagerungszeiten erforderlich sind. Für die Wärmebehandlung typische Bedingungen sind: 8-stündiges Lösungsglühen bei 520 bis 525 C, Abschrecken und anschließendes Ausscheidungshärten durch 16-stündiges Auslagern bei 200 ⁰C.

Die vorstehend aufgeführten Bedingungen eignen sich für Legierungen, die bis zu 0,1 Gew.% Kupfer enthalten. Wenn der Kupfergehalt diesen Wert überschreitet, kann sich ein kupferreiches E_utektikum mit einem niedrigeren Schmelzpunkt bilden. Das Aufschmelzen dieser Phase während des Lösungsglühens kann zur Bildung von Rissen beim nachfolgenden Abschrecken führen. Um das anfängliche Schmelzen der kupferreichen Phase

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ο c £ ρ ς iς

/. vj ^J Ü ^ H U

~ J —

zu verhindern, kann das Lösungsglühen zunächst bei einer tieferen Temperatur erfolgen, vorzugsweise zwischen 400 und 485 °C, woran sich das eigentliche Lösungsglühen bei 485 C oder darüber anschließt. Das Vorglühen bei der niedrigeren Temperatur kann für mindestens eine Stunde erfolgen. Für eine Legierung mit 0,1 bis 0,15 Gew.i Kupfer besteht ein typischer Wärmebehandlungszyklus aus 16-stündigem Vorglühen bei 470 °C, 8-stündigem Lösungsglühen bei 520 ⁰C, Abschrekken und 16-stündigem Ausscheidungshärten bei 200 C.

Einige beispielhafte Ausführungsformen für Legierungen gemäß der Erfindung werden nachstehend beschrieben.

Beispiele

Legierungen der weiter unten angegebenen Zusammensetzungen wurden hergestellt durch Aufschmelzen des Magnesiums unter einem konventionellen Abdeckmittel, Steigern der Temperatur auf 800 C, Zugabe sämtlicher Legierungselemente, Durchrühren der Schmelze und Vergießen der Schmelze zu Probekörpern geeigneter Form und Abmessungen bei 780 C. Die Proben wurden den in der Tabelle 1 angegebenen Wärmebehandlungsbedingungen unterworfen.

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

Die Korrosionsbeständigkeit der Proben wurde mit Hilfe des Meerwassersprühtests des Royal Aircraft Establishment geprüft, in dem die Proben der Atmosphäre ausgesetzt, vor Niederschlagen jedoch geschützt, über eine Periode von 3 Monaten an jedem Arbeitstag dreimal mit natürlichem Meerwasser be-

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sprüht werden. Die Gewichtsverluste wurden ermittelt, die mittlere Korrosionsgeschwindigkeit wurde errechnet.

Die Gießbarkeit der Legierungen wurde ermittelt durch Gießen von 18 mm dicken Platten mit oder ohne Abschrecken entlang der äußeren Kante, beideitiges Bearbeiten der Platten und röntgenographische Untersuchung.

Die Ergebnisse der bei Raumtemperatur durchgeführten Festigkeitsprüfungen werden in der Abbildung 1 wiedergegeben, in der die Werte für die Zerreißfestigkeit und die 0,2 I-Grenze, gemessen bei Raumtemperatur, gegen den Silbergehalt von Magnesiumlegierungen mit 2 bzw. 2,5 Gew.! Neodym und 0,6 Gew.! Zirkon aufgetragen sind. Die durch verschiedenartige Symbole gekennzeichneten Meßpunkte beziehen sich auf Legierungen mit unterschiedlichen Kupfergehalten, die durch leere Quadrate gekennzeichneten Meßpunkte beziehen sich auf Vergleichsproben aus Legierungen ohne Kupfer.

Es ist ersichtlich, daß die Anwesenheit von Kupfer einen geringen Effekt auf die mechanischen Eigenschaften aller Legierungen hat, die mehr als 2,0 Gew.% Silber enthalten. Bei Silbergehalten zwischen 1,0 und 2,0 Gew.% übt einlegiertes Kupfer jedoch einen derartigen Einfluß aus, daß sowohl die Zerreißfestigkeit als auch die 0,2 !-Grenze von Legierungen mit 1,5 bis 1,75 Gew.% Silber im großen und ganzen die Werte von Legierungen mit bis zu 3 Gew.% Silber erreichen. Für Legierungen dieses Typs liegt der geforderte untere Wert für

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die 0,2 !-Grenze bei 175 N/mm . Wie der Abbildung 1 entnommen werden kann, liegt der Wert einer kupferfreien Legierung, die 1 Gew.! Silber enthält, weit unter diesem Minimalwert, während durch Zugabe von Kupfer Werte erreicht werden, die den Minimalwert übertreffen. Die kupferhaltigen Legierungen zeigen

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Zerreißfestigkeiten, die über dem für derartige Legierungen

2 erforderlichen MinimalAvert von 240 N/nun liegen.

Der Effekt von einlegiertem Kupfer auf die mechanischen Eigenschaften bei einer höheren Temperatur (250 ⁰C) wird in der Tabelle 1 zusammen mit den bei Raumtemperatur erhaltenen Ergebnissen wiedergegeben. Wie man sieht, führt die Einlegierung von Kupfer in Legierungen mit niedrigen Silbergehalten sowohl bei der hohen als auch bei der niedrigen Prüftemperatur zu Eigenschaften, die ebenso gut oder sogar noch besser sind als die von Legierungen mit hohen Silbergehalten.

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TABELLE 1

	ANALYSENWERTE	Seit.	Zr	{%)	09	WÄRMEBEHANDLUNG	h	525	ühen	Ausscheic	h	200	Jungs-	ZUGVERSUCH,	RAUMTEMPERATUR	Dehnung	4	ZUGVERSUCH, 250 °C	Zerreiß-	Dehnung
	Ag	Erden		Cu		Lösungsgi	h	470		harten				0,2%-Grenze	Zerreißfestig-	(*)	4	0,2-%Grenze	f.(Nmm"²)	(*)
		2,2	0,53						⁰C	16			⁰C	(Nmm~ )	keit (Nmm~2)	4	(Nmm-2)	164	19
	2,7	1,9	0,59	-	08	8			°C )		h	200		213	278	3	134	171	13
CD	2,6			0,		16	h	520						209	267		139
O							h	520	j	16	h	200	°C
CD CO		1,77	0,57		07		h	520	°c )		h	200				4		161	13
28/	1,04	1,75	0,51	0,	8	h	520	°c	16	h	200	°c	177	247	2	137	151	15
0G7	2,53	1,84	0,55	-	8		°c	16		°c	195	247	130 i	154	15
	1,69	1,62l 1,71	0,58	-	8	⁰C	16	⁰C	190	261	144 l	162	13
	0,	8		195	260	¹ 148

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

TABELLE 2

ANALYSENWERTE (I)	RÖNTGENOGRAPHISCHE BESTIMMUNG DER POROSITÄT	abgeschr.
Ag Seit. 'Erden	Zr Cu nicht abgeschreckt

2,7 1,9 0,55

porös auf 10,2 cm Note 7

shr gering; Note 0 !

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

keine

1,69 1,84 0,55

porös auf 8,9 cm Note 5

keine

1,62' 1,71 j 0,58 0,07 porös auf 6,4 cm Note 3

keine

Wie diese Ergebnisse zeigen, bewirkt die Zugabe von 0,1 Gew.% Cu eine deutliche Verbesserung in der Porosität nicht abgeschreckter und eine gewisse Verbesserung in der Porosität abgeschreckter Proben. Die Porositäten sind nach einer willkürlich festgelegten Skala bewertet worden, höhere Noten bedeuten größere Porositäten.

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2 5 5 ^p> B Λ 5

Die Ergebnisse der Korrosionsprüfung werden in Tabelle 3 wiedergegeben. Sie zeigen, daß die Legierungen mit niedrigen Silbergehalten, die Kupfer enthalten, verminderte Korrosionsgeschwindigkeiten aufweisen. Mit der Erfindung werden demgemäß Legierungen bereitgestellt, deren mechanische Eigenschaften so gut sind wie die bekannter Legierungen mit höheren Silbergehalten, die jedoch eine verminderte Korrosionsanfälligkeit aufweisen.

TABELLE 3

ANALYSENWERTE (%)	Seit. Erden	Zr	Cu	KORROSIONSGESCHWIN DIGKEIT (Mg/cm^/Tag)	MITTLERE KORRO SIONSGESCHWIND. (mg/cm²/Tag)	4,54	2,83
Ag	2,2	0,53	-	4,41	4,47	2,75
2,7				2,91	3,95
	1,77	0,57	0,08	3,94
1,04				3,96
	1,9	0,59	0,09
2,6

- Ansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1. Magnesiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie
außer Eisen und anderen Verunreinigungen die folgenden Bestandteile enthält:

Magnesium mindestens 88 Gew.%

Silber 1 bis 3 Gew.%

Kupfer 0,05 bis 0,15 Gew.I

Metalle der Seltenen

Erden, davon mindestens

60 Gew.% Neodym 0,5 bis 3,0 Gew.%

Zirkon 0 bis 1 Gew.I

Mangan 0 bis 2 Gew.%

Zink 0 bis 0,5 Gew.%

Cadmium 0 bis 1,0 Gew.%

Lithium 0 bis 6,0 Gew.I

Calcium 0 bis 0,8 Gew.%

Gallium 0 bis 2,0 Gew.%

Indium 0 bis 2,0 Gew.%

Thallium 0 bis 5,0 Gew.%

Blei 0 bis 1,0 Gew.%

Wismuth 0 bis 1,0 Gew.% ,

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 1,0 bis 1,75 Gew.% Silber enthält.

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3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens 0,4 Gew.% Zirkon enthält.

4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Neodym in Form eines Gemischs von Metallen der Seltenen Erden eingeführt wird, das mindestens 60 Gew.% Neodym enthält, und in dem die Summe des Lanthan- und Cer-Gehalts nicht mehr als 25 Gew.⁰* beträgt.

5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie bis zu 0,1 Gew.⁹ _o Kupfer enthält.

6. Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einer Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das aus der Legierung bestehende Werkstück mindestens eine Stunde lang bei einer Temperatur zwischen 400 und 485 ⁰C und anschließend mindestens 2 Stunden lang bei einer Temperatur zwischen 485 C und dem Soliduspunkt der Legierung hält, abschreckt und dann mindestens eine

halbe Stunde lang bei einer Temperatur zwischen 100 und 275 C ausscheidungshärtet.

7. Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einer Magnesiumlegierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das aus der Legierung bestehende Werkstück mindestens 8 Stunden lang bei einer Temperatur zwischen 485 C und dem Soliduspunkt der Legierung hält, abschreckt und mindestens eine halbe Stunde lang bei einer Temperatur zwischen 100 und 275 C ausscheüingshärtet.

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