DE3888166T2

DE3888166T2 - Magnesiumlegierung.

Info

Publication number: DE3888166T2
Application number: DE19883888166
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Allan Chadwick
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-05-10
Filing date: 1988-05-10
Publication date: 1994-10-06
Anticipated expiration: 2008-05-11
Also published as: DE3888166D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnesiumlegierung.
Ein Ziel der Erfindung ist die Erzeugung einer Magnesiumlegierung zur Anwendung bei erhöhten Temperaturen bis zu etwa 200ºC. Es ist gewünscht, eine Legierung zu erzeugen, die hohe Zugfestigkeit und gute Ermüdungseigenschaften nicht nur bei Zimmertemperaturen sondern auch bei Temperaturen von so hoch wie 200ºC aufweist. Gleichzeitig muß die Legierung, um kommerziell lebensfähig zu sein, verhältnismäßig billig sein und exotische und teuere Legierungszusätze, wie Silber und Yttrium vermeiden.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Erzeugung einer Legierung, die besonders zur Verwendung beim Druckgießen angepaßt ist, obwohl sie auch für andere Anwendungszwecke verwendet werden kann, wie Hochdruckspritzguß und Schwerkraftguß. Eine solche Legierung ist sehr wertvoll bei der Erzeugung von Auto mobil- und Luft- und Raumfahrtkomponenten, insbesondere Komponenten von geringer sich hin- und her bewegender Masse.
Die GB-A-2 022 1 zeigt eine Magnesiumlegierung für das Gießen, die 2 bis 10% Zink und 0,5 bis 5% Kupfer enthält. Aluminium fehlt praktisch. Silicium kann zugesetzt werden, um die Hochtemperatureigenschaften zu verbessern und Mangan, um die Formänderungsfestigkeit zu verbessern. Auch andere Bestandteile können zugegeben werden, um besondere Eigenschaften zu verbessern.
Das Druckgießen ist ein Gießverfahren, bei welchem Metall unter der direkten Einwirkung eines hinreichenden Druckes verfestigt wird, um das Auftreten von entweder Gas- oder Schrumpfporösität zu verhindern. Das Druckgießen ist einmalig in dieser Hinsicht, da alle anderen Gießverfahren eine gewisse restliche Porösität zurücklassen. Während dieses Verfahren viele Jahre bekannt ist, wurde seine Wahl als kommerzielles Verfahren durch das Fehlen von geeigneten Legierungen behindert. Eine Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung soll dies sein und ist besonders brauchbar beim Druckgießverfahren.
Unter Berücksichtigung der Mikrostruktur der Legierung und durch ausgedehnte Versuche und Prüfungen wurde die vorliegende Erfindung gemacht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Magnesiumlegierung bereitgestellt, welche die folgenden Gewichtsbestandteile enthält:
Zink 1 1 bis 25%
Kupfer 0,5 bis 5%
Silicium 0,25 bis 4%,
wobei der Rest Magnesium, unvermeidbare Verunreinigungen und, gegebenenfalls, bis zu 1% Calcium und/oder 0,002 bis 0,005% Beryllium ist.
Vorzugsweise enthält die Magnesiumlegierung:
Zink 11 bis 20%
Kupfer 0,5 bis 2,0%
Silicium 0,25 bis 2,5%.
Ein weiterer bevorzugter Bereich der Bestandteile einer Magnesiumlegierung gemäß der Erfindung ist:
Zink 11 bis 15%
Kupfer 0,8 bis 1,5%
Silicium 1,0 bis 2,0%.
Eine bevorzugte Menge an Calcium ist 0,3% Calcium. Eine besonders bevorzugte Legierung enthält 12% Zink, 1% Kupfer, 1% Silicium und als Rest Magnesium neben irgendwelchen zufälligen Verunreinigungen. Vorzugsweise wird 0,3% Calcium mit einbezogen.
Die Legierung wird vorzugsweise durch Homogenisierungsglühen, Abschrekken in Wasser und Altern hitzebehandelt.
Das Homogenisierungsglühen sollte bei einem Maximum von 430ºC für maximal 24 Stunden erfolgen.
Das Altern sollte bei einem Maximum von 220ºC erfolgen.
Die Magnesiumlegierung kann z. B. für das Druckgießen verwendet werden und für die Herstellung von Komponenten für die Automobil- oder Luft- und Raumfahrt verwendet werden.
Im Vergleich zu Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung haben bekannte Magnesiumlegierungen, wie MEL's ZM61, die 6% Zink und 1% Mangan enthält und MEL ZCM 711, die 7% Zink, 1% Kupfer und 1% Mangan enthält, zwar hohe Zugfestigkeit und gute Ermüdungseigenschaften bei Zimmertemperatur jedoch schlechtes Kriechverhalten bei erhöhten Temperaturen. (MEL = Magnesium Elektron.)
Um die Kriecheigenschaften bei erhöhten Temperaturen gemäß der vorliegenden Erfindung zu verbessern, ist es notwendig, daß das Legierungssystem stabile intermetallische Verbindungen an den Korngrenzen bildet, um sie nicht gleiten zu lassen.
Durch Erhöhung des Zinkgehaltes im Vergleich mit den o.e. bekannten Legierungen wird die Ausfällung für die grundlegende mechanische Verfestigung bereitgestellt, und die Basis zur Bildung von intermetallischer Magnesium/ Zinkverbindungen.
Die Zugabe von Kupfer wird vorgenommen, um das Korn zu raffinieren und eine gleichmäßige Verteilung von feinen Ausfällungen zu erzeugen. Übermäßige Mengen an Kupfer über diejenigen gemäß der Erfindung führten zum Vorhandensein von intermetallischen Magnesium/Kupferverbindungen, die nachteilig sind. Silicium wird gemäß der Erfindung zugesetzt und hat eine sehr geringe Löslichkeit in Magnesium. Die kleine Menge an zugesetztem Silicium bildete intermetallische Magnesium-Siliciumverbindungen während der Verfestigung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurden Schmelzen aus reinem Magnesium, Kupfer, Zink und Silicium hergestellt. Das Magnesium wurde geschmolzen und das Kupfer zugesetzt und dann wurde das Silicium in kleinen zerquetschten Stücken, die in Kupferfolie gewickelt waren, zugesetzt. Ein Stößel wurde benutzt, um durch die Schmelze zu stoßen und in der Schmelze für eine Zeitspanne gehalten. Die Schmelze wurde für etwa vier Stunden bei 730ºC gehalten, um das Silicium zu lösen. Das Zink wurde zuletzt zugegeben. Die Schmelze wurde die gesamte Zeit unter einer Schutzatmosphäre von SF&sub6; plus CO&sub2; gehalten. Vor dem Gießen wurde die Abdeckung entfernt zum Abschäumen der Schmelze, und sie wurde gerührt um das schwere Zink vom Boden des Tiegels heraufzubringen.
Bei einer Legierungsherstellung gemäß der Erfindung wurde ein Block aus 12% Zink, 1% Kupfer, 1% Silicium bei 700ºC gegossen und unter einem Druck von 100 MPa verfestigt.
Vier weitere Zusammensetzungen wurden hergestellt und zu zylindrischen Gußblöcken, wie folgt, vergossen:
1. 15% Zink, 1% Kupfer, 1% Silicium - Dichte 1 ,986 g/cm³.
2. 12% Zink, 1% Kupfer, 1% Silicium - Dichte 1 ,936 g/cm³.
3. 9% Zink, 1% Kupfer, 1% Silicium - Dichte 1 ,890 g/cm³.
4. 6% Zink, 1% Kupfer, 1% Silicium - Dichte 1 ,840 g/cm³.
Die Legierungen 3 und 4 sind Vergleichslegierungen.
Beim Gießen der 15.1.1-Legierung (oben Nr. 1) wurde wegen des höheren Zinkgehaltes und demgemäß der tieferen Einfriertemperatur eine geringere Gießtemperatur von 650ºC angewandt.
Um die vermutete Wirkung der Gießtemperatur und/oder der Abkühlgeschwindigkeit zwischen dem Abschalten der Heizung und dem Erreichen der Gießtemperatur auf die Morphologie von Mg&sub2;Si zu bestätigen wurde die Legierung 2 hergestellt und bei 650ºC gegossen.
Dies ermöglichte die Bestätigung, daß bei einer tieferen Gießtemperatur die Morphologie von Mg&sub2;Si sich von einer feinarmigen "chinesische Schrift" Struktur im Falle der hohen Gießtemperatur zu einer klumpigeren winkeligen Struktur im Fall der tieferen Gießtemperatur ändert.
Die Legierung 3 wurde hergestellt und gegossen bei einer Gießtemperatur von 680 bis 690ºC. In der Mikrostruktur des erhaltenen Gießlings ist eine kombinierte winklelige und chinesische Schriftstruktur von Mg&sub2;Si vorhanden jedoch ist die Menge an Mg&sub2;Si sehr gering.
Eine weitere Legierung wurde hergestellt ähnlich der Legierung 2 oben jedoch unter Zugabe von 0,3% Calcium.
Die hergestellten Legierungen wurden dann in herkömmlicher Weise auf Kriechbeständigkeit und die Zugeigenschaften geprüft.
Tabelle 1 zeigt die Zeit zum Erreichen der verschiedenen Prozentsätze an Kriechdehnung von 0,1 bis 0,5 unter einer Belastung von 100 MPa bei einer Temperatur von 150ºC.
Tabelle 2 ist eine ähnliche Tabelle bei einer Belastung von 50 MPa bei 180ºC. Die Tabellen 3 und 4 zeigen die Zugeigenschaften bei Zimmertemperatur und bei 180ºC. Tabelle 5 vergleicht die Zugeigenschaften einer 12-1-1- Legierung mit und ohne 0,3% Calciumzugabe.
Tabellen 6 und 7 vergleichen die Anzahl von Zyklen bis zum Versagen bei spezifischer Belastung der fünf Legierungen bei Zimmertemperatur bzw. bei 180ºC.
Tabelle 8 ist eine Tabelle von Kriechdaten einer bevorzugten Legierung, d. h. einer mit 12% Zink, 1% Kupfer, 1% Silicium, Rest Magnesium.
Wo Lücken in den Ergebnissen sind, z. B. in der 6.1.1.-Zusammensetzung, die verwendet wird, um Legierungen innerhalb der Erfindung mit einer Legierung außerhalb dem Umfang der Ansprüche zu vergleichen, ist die Auslassung der Ergebnisse einfach deswegen erfolgt, weil keine meßbaren Ergebnisse erhältlich waren. Zum Beispiel in Tabelle 1 erreichte die 6.1.1.-Legierung die 0,1% Kriechdehnung in einer Zeit, die zu klein war, um gemessen zu werden, was die Tatsache anzeigt, daß ihre Kriecheigenschaften bei 150ºC unter 100 MPa so schlecht sind, daß die Legierung keinen Wert in der Anwendung, z. B. beim Druckgießen hat.
Alle gemäß der Erfindung hergestellten Legierungen wurden vor der Verwendung hitzebehandelt, wobei der Hitzebehandlungszyklusvorzugsweise Homogenisierungsglühen bei einem Maximum von 380ºC für 24 Stunden, Abschrecken in Wasser und Altern bei 185ºC für 10 Stunden umfaßt. Das Altern konnte auch bis zu 220ºC bei einer Verminderung der Zeit auf z. B. 4 Stunden durchgeführt werden. Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung sind leicht zu schmelzen und zu gießen und können unter einer SF&sub6; Atmosphäre an Luft erzeugt werden, während Legierungen nach dem Stand der Technik die Verwendung von SF&sub6; in CO&sub2; erfordern.
Außerdem ist keine Kornraffinierung bei Legierung gemäß der Erfindung nötig, weil die Legierung mit einer sehr feinen Korngröße fertiggestellt ist. Bei Druckgießen führt die Legierung nicht zur Bildung von Porösität und Hohlräumen. TABELLE 1 150ºC/100 MPa ZUSAMMENSETZUNG ZEIT IN STUNDEN, UM EINE KRIECHDEHNUNG ZU ERREICHEN TABELLE 2 180ºC/50 MPa ZUSAMMENSETZUNG ZEIT IN STUNDEN, UM EINE KRIECHDEHNUNG ZU ERREICHEN TABELLE 3 ZIMMERTEMPERATUR ZUSAMMENSETZUNG ZUGEIGENSCHAFTEN ZUGFESTIGKEIT 0,2% DEHNGRENZE %-DEHNUNG DIE OBIGEN WERTE SIND MEGAPASCAL TABELLE 4 bei 180ºC ZUSAMMENSETZUNG ZUGEIGENSCHAFTEN ZUGFESTIGKEIT 0,2% DEHNGRENZE %-DEHNUNG DIE OBIGEN WERTE SIND MEGAPASCAL TABELLE 5 ZUSAMMENSETZUNG ZUGEIGENSCHAFTEN PRÜFTEMPERATUR ZIMMERTEMP. ZUGFESTIGKEIT KEINE ERGEBNISSE ERHÄLTLICH 0,2% DEHNGRENZE DIE OBIGEN WERTE SIND MEGAPASCAL TABELLE 6 ZIMMERTEMPERATUR ZUSAMMENSETZUNG ZYKLEN BIS ZUM VERSAGEN BEI SPEZIFISCHER BELASTUNG DIE OBIGEN WERTE SIND MEGAPASCAL TABELLE 7 180ºC ZUSAMMENSETZUNG ZYKLEN BIS ZUM VERSAGEN BEI SPEZIFISCHER BELASTUNG DIE OBIGEN WERTE SIND MEGAPASCAL TABELLE 8 PRÜFBEDINGUNGEN ZEIT ZUM ERREICHEN VON % KRIECHDEHNUNG IN STUNDEN TEMP. ºC BEANSPRUCHUNG

Claims

1. Magnesiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgende Gewichtsbestandteile enthält:

Zink 11 bis 25%

Kupfer 0,5 bis 5%

Silicium 0,25 bis 4%,

wobei der Rest Magnesium, unvermeidbare Verunreinigungen und, gegebenenfalls, bis zu 1% Kalzium und/oder 0,002 bis 0,005% Beryllium ist.

2. Magnesiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie enthält

Zink 11 bis 20%

Kupfer 0,5 bis 2,0%

Silicium 0,25 bis 2,5%.

3. Magnesiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie enthält

Zink 11 bis 15%

Kupfer 0,8 bis 1,5%

Silicium 1,0 bis 2,0%.

4. Magnesiumlegierung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,3% Kalzium enthält.

5. Magnesiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 12% Zink, 1% Kupfer, 1% Silicium enthält und der Rest Magnesium ist, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen.

6. Magnesiumlegierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,3% Kalzium enthält.

7. Magnesiumlegierung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Homogenisierungsglühen, Abschrecken in Wasser und Altern hitzebehandelt ist.

8. Magnesiumlegierung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Homogenisierungsglühen bei einem Maximum von 430ºC für maximal 24 Stunden erfolgt.

9. Magnesiumlegierung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Altern bei einem Maximum von 220ºC erfolgt.

10. Magnesiumlegierung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie für das Druckgießen verwendet wird.

11. Magnesiumlegierung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Herstellung von Komponenten für die Automobil- oder Luft- und Raumfahrtverwendung benutzt wird.