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Dokumentenidentifikation DE112005000511B4 22.11.2007
Titel Magnesiumknetlegierung mit verbesserter Extrudierbarkeit und Formbarkeit
Anmelder General Motors Corp. (n.d.Ges.d. Staates Delaware), Detroit, Mich., US
Erfinder Luo, Aihua A., Troy, Mich., US;
Sachdev, Anil K., Rochester Hills, Mich., US
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Anmeldedatum 23.02.2005
DE-Aktenzeichen 112005000511
WO-Anmeldetag 23.02.2005
PCT-Aktenzeichen PCT/US2005/005611
WO-Veröffentlichungsnummer 2005091863
WO-Veröffentlichungsdatum 06.10.2005
Date of publication of WO application in German translation 04.01.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse C22C 23/02(2006.01)A, F, I, 20060922, B, H, DE

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung und zur Verwendung von Metalllegierungen und insbesondere von auf Magnesium basierenden Metalllegierungszusammensetzungen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Auf Magnesium basierende Legierungen werden im Allgemeinen in zwei verschiedene Kategorien eingeteilt, nämlich Guss- oder Knetlegierungen. Beide Arten von Legierungen sind in vielen Industriezweigen, einschließlich der Automobilindustrie, in weit verbreitetem Einsatz. Auf Magnesium basierende Gusslegierungsteile können durch herkömmliche Gießverfahren, welche Druckguss, Sandguss, Dauerformguss oder semipermanenten Formguss ("semipermanent mold casting"), Gipsformguss und Wachsausschmelzguss einschließen, hergestellt werden. Gussteile werden im Allgemeinen durch Gießen eines geschmolzenen Metalls in eine Gießform, die dem geschmolzenen Material während des Abkühlens und des Verfestigens eine Form liefert, geformt. Die Form wird von dem Teil später nach der Verfestigung getrennt.

Gusslegierungsmaterialien zeigen eine Vielzahl von besonders vorteilhaften Eigenschaften, welche in der Automobilindustrie eine gesteigerte Nachfrage für auf Magnesium basierende Gusslegierungsteile veranlasst haben. Diese Eigenschaften schließen eine geringe Dichte, ein hohes Festigkeits-zu-Gewichts Verhältnis, eine leichte Bearbeitbarkeit und gute Dämpfungseigenschaften ein. Allerdings sind viele der Zusammensetzungen für Gusslegierungen nicht besonders gut für die Verwendung als Knetlegierung, bei der das Legierungsmaterial nach der Verfestigung durch einen Verformungsprozess weiter bearbeitet wird, angepasst. Ferner sind viele der kommerziell erhältlichen, auf Magnesium basierenden Knetlegierungen bezüglich der Leistungsfähigkeit nicht mit anderen Metallknetlegierungen (beispielsweise mit auf Aluminium basierenden Legierungen oder mit rostfreien Stahllegierungen) vergleichbar. Daher besteht ein Bedarf für ein Verfahren zur Herstellung einer verbesserten, auf Magnesium basierenden Legierung, welche für Knetlegierungsanwendungen geeignet ist.

Aus der DE 102 30 275 A1 ist eine AM-Druckgusslegierung bekannt, welche einen Aluminiumgehalt zwischen 3,5 Gew.-% und 4,5 Gew.-%, einen Mangangehalt zwischen 0,22 Gew.-% und 0,60 Gew.-% und einen Zinkgehalt von weniger als 0,22 Gew.-% aufweist.

In der EP 0 945 199 B1 wird ein dünnes geschmiedetes Gehäuse aus einer Magnesiumlegierung offenbart, wobei die Magnesiumlegierung 1 bis 6 Gew.-% Aluminium, 0 bis 2 Gew.-% Zink, bis zu 0,5 Gew.-% Mangan und Rest Magnesium aufweist.

Aus der JP 2002-266,057 A ist ein Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung bekannt, welche 1 bis 6,5 % Aluminium, 0,2 bis 2,5 % Zink, 0,1 bis 0,5 % Mangan und Rest Magnesium aufweist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Formen eines extrudierten röhrenförmigen Legierungselementes bereit umfassend: i) Formen eines geschmolzenen Legierungsmaterials mit einer Zusammensetzung enthaltend weniger als 4,0 Gew.-% Aluminium (Al), zwischen 0,26 und 0,6 Gew.-% Mangan (Mn) und weniger als 0,22 Gew.-% Zink (Zn), zusammen weniger als 0,1 Gew.-% einer oder mehrerer Verunreinigungen sowie dem Rest Magnesium (Mg) bei einer Gießtemperatur, ii) Abkühlen des Legierungsmaterials, um dieses zu verfestigen, und iii) Extrudieren des verfestigten Legierungsmaterials, wobei das Legierungsmaterial bei 360°C eine Extrusionsgeschwindigkeit von mehr als 305 mm pro Minute aufweist, durch Verformung, um dadurch das extrudierte röhrenförmige Legierungselement zu formen, das bei Raumtemperatur eine Dehnung von mehr als 8 % aufweist.

Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgend bereitgestellten detaillierten Beschreibung offensichtlich werden. Es sollte verstanden werden, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, während die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anzeigend, lediglich zum Zwecke der Illustration gedacht sind und nicht dazu beabsichtigt sind, den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu beschränken.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird aus der nachfolgenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verstanden werden, wobei:

1 ein Diagramm ist, welches die maximalen Extrusionsgeschwindigkeiten von Legierungen gemäß dem Stand der Technik zeigen,

2 ein Diagramm ist, welches die maximale Extrusionsgeschwindigkeit einer Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung (AM30) verglichen mit einer Legierung gemäß dem Stand der Technik (AZ31B) zeigt,

3 ein Dehnungskurvendiagramm der tatsächlichen Spannung gegenüber der tatsächlichen Dehnung ist, welches eine Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung (AM30) mit einer Legierung gemäß dem Stand der Technik (AZ31B) bei Raumtemperatur vergleicht,

4 ein Dehnungskurvendiagramm einer Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung (AM30) bei erhöhten Temperaturen ist,

5 ein Dehnungskurvendiagramm einer Legierung gemäß dem Stand der Technik (AZ31B) bei erhöhten Temperaturen ist und

6 den Effekt der Temperatur auf die Dehnung einer Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung (AM30) verglichen mit einer Legierung gemäß dem Stand der Technik (AZ31B) zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich exemplarischer Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die vorliegende Erfindung, deren Anwendung oder Verwendungen zu beschränken.

Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Formen eines extrudierten röhrenförmigen Legierungselements auf Basis einer festen, korrosionsbeständigen und leichtgewichtigen, auf Magnesium basierenden Legierung bereit. Mit "auf Magnesium basierend" ist gemeint, dass die Zusammensetzung vornehmlich Magnesium beinhaltet, und zwar im Allgemeinen mehr als 80 Gew.-% Magnesium. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff "Zusammensetzung" breit auf eine Verbindung enthaltend wenigstens die bevorzugten Metallelemente oder -verbindungen, welche aber ebenfalls zusätzliche Substanzen oder Verbindungen einschließlich Additive und Verunreinigungen enthalten kann. Der Begriff "Material" bezieht sich ebenfalls breit auf Stoffe enthaltend die bevorzugten Verbindungen oder Zusammensetzung.

Gemäß einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung Verfahren zum Formen einer auf Magnesium basierenden Knetlegierung bereit, welche im Hinblick auf eine verbesserte Extrudierbarkeit und Formbarkeit, obwohl immer noch Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufrechterhaltend, konzipiert ist. Wie hier verwendet, sind die Begriffe "bearbeitet" und "verarbeitet" Synonyme und beziehen sich, wie von einem Fachmann auf diesem Gebiet erkannt wird, auf eine Legierung, welche im Allgemeinen in zwei getrennten Schritten verarbeitet worden ist. Der erste Schritt umfasst das Formen von geschmolzenem Metall zu einem Barren, einem Rohling oder einer Vorform. Die in dem ersten Schritt geformte Vorform wird dann in einem zweiten Schritt durch Extrudieren der Vorform verarbeitet, um dadurch ein bearbeitetes Produkt zu bilden. Das bearbeitete Produkt kann dann eingesetzt werden, um ein Bauteil oder ein Teilstück eines Bauteils zu bilden.

Andererseits umfasst "Gießen", wie allgemein bekannt, das Gießen einer geschmolzenen Metalllegierung in eine Gießform, um im Wesentlichen ein verfestigtes Gussteil in nahezu endgültigem Zustand zu formen. Die geschmolzene Metalllegierung wird in eine Form gegossen, wo sich die Metalllegierung nach dem Abkühlen verfestigt, um ein Gussteil zu bilden. Die physikalischen Anforderungen für Gusslegierungen sind aufgrund der Unterschiede beim physikalischen Verarbeiten von den Anforderungen für Knetlegierungen verschieden. Während eine Knetlegierung zunächst im Wesentlichen als ein Barren oder eine Vorform gegossen wird, muss diese folglich auch weiterhin der zusätzlichen physikalischen Verformung und den entsprechenden Bearbeitungsbedingungen standhalten. Infolgedessen benötigen Knetlegierungen im Allgemeinen eine zusätzliche Optimierung einer größeren Anzahl von physikalischen Eigenschaften als diejenigen Eigenschaften, welche für eine Gusslegierung benötigt werden. Beispielsweise benötigen Knetlegierungen, während noch eine ausreichende Festigkeit und Gießbarkeit für den anfänglichen Gießprozess erfordernd, eine größere Biegbarkeit, Extrudierbarkeit und Formbarkeit.

Das Verringern des Gewichts der Komponenten in Bauteilzusammensetzungen ist bei vielen Anwendungen zur Verbesserung der Effizienz wichtig, wird aber bei mobilen Anwendungen, wie beispielsweise in Kraftfahrzeugen, von großer Wichtigkeit für die Treibeffizienz. Beispielsweise werden aufgrund der hohen Produktivität und guten Gießbarkeit von Magnesiumlegierungen derzeit Magnesiumteile im Allgemeinen durch das Druckgießen hergestellt. Allerdings können viele Metallteile für jede gegebene Anwendung aus Knetlegierungen hergestellt werden, was die Effizienz weiter verbessern kann. Beispielsweise werden in der Automobilindustrie zunehmend röhrenförmige Abschnitte aus Stahl und Aluminiumlegierungen eingesetzt, um gestanzte Komponenten zu ersetzen, was potenziell zu Gewichtseinsparungen, einer Teilekonsolidierung und einer verbesserten Kraftfahrzeugleistung beiträgt. Solche röhrenförmigen Komponenten können eingesetzt werden, um Trägerstrukturen, wie beispielsweise Lastkraftwagenrahmen, Vorderradträger, Dachrahmen, Träger für Querstreben sowie Armaturenbrett-Träger, zu formen.

Derzeit ist eine der am besten arbeitenden, erhältlichen Magnesiumknetlegierungen als AZ31B bekannt (welche gemäß der ASTM Kennzeichnung eine auf Magnesium basierende Legierung mit einer Zusammensetzung von ungefähr 3 Gew.-% Aluminium (Al), 1 Gew.-% Zink (Zn) und dem Rest Magnesium und Verunreinigungen ist, welche herkömmlich in dem Format Mg-3 Gew.-% Al-1 Gew.-% Zn ausgedrückt wird), welche von den erhältlichen Magnesiumknetlegierungen die beste Kombination von mechanischen Eigenschaften und Extrudierbarkeit bietet. Allerdings haben alle derzeit erhältlichen, auf Magnesium basierenden Knetlegierungen beispielsweise verglichen mit erhältlichen Aluminiumextrusionslegierungen eine relative geringe Extrudierbarkeit und Formbarkeit.

Die auf Magnesium basierenden Legierungen, welche gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, sind relativ kostengünstige, leichtgewichtige Legierungen, welche sich durch eine verbesserte Biegbarkeit und Extrudierbarkeit auszeichnen, während diese eine relativ hohe Festigkeit und Gießbarkeit über einen Temperaturbereich (beispielsweise zwischen Raumtemperatur von ungefähr 26°C bis ungefähr 200°C) aufrechterhalten. Die auf Magnesium basierenden Legierungen sind insbesondere gut für Knetlegierungsanwendungen geeignet. Ferner sind die Legierungen ebenfalls korrosionsbeständig. Als ein Ergebnis der zuvor beschriebenen Eigenschaften sind die Legierungen zum Einsatz in einer großen Vielzahl von Anwendungen einschließlich in verschiedenen Kraftfahrzeugkomponenten einschließlich beispielsweise Rahmen, Trägerbauteilen, Querträgern, Armaturenbrett-Trägern, Dachrahmen, Vorderradträgern, Verteilergetrieben und Steuerkomponenten geeignet.

Bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten als ein Legierungselement Aluminium, von dem allgemein geglaubt wird, dass es einen vorteilhaften Effekt auf die physikalischen Eigenschaften einer Magnesiumlegierung aufweist. Aluminium verbessert im Allgemeinen die Festigkeit und die Härte einer auf Magnesium basierenden Legierung, aber es verringert die Gesamtbiegbarkeit. Im Allgemeinen verbreitert ein ansteigender Aluminiumgehalt (das heißt oberhalb von ungefähr 5 Gew.-%) den Einfrierbereich für die auf Magnesium basierende Legierung, was es leichter macht, diese zu gießen. Allerdings besteht ein Kompromiss, weil ein ansteigender Aluminiumgehalt es aufgrund einer erhöhten Härte schwerer macht, die Legierung anschließend zu bearbeiten.

Folglich ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung das Optimieren des Aluminiumgehalts in der Legierung, um die Biegbarkeit und die Extrudierbarkeit zu maximieren, während eine vernünftige Festigkeit und Gießbarkeit (für das Barrengießen vor dem Bearbeiten oder vor der Extrusion) aufrecht erhalten wird. Folglich enthalten bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie nachfolgend in größerem Detail erörtert wird, einen Aluminiumgehalt von weniger als ungefähr 4 Gew.-%. Wenn auf Zahlenwerte angewendet, deutet "ungefähr" an, dass die Berechnung oder die Messung eine geringfügige Ungenauigkeit in dem Zahlenwert erlaubt (mit einiger Annäherung an die Exaktheit in dem Zahlenwert; ungefähr oder vernünftig nahe an dem Zahlenwert; nahezu). Wenn aus irgendeinem Grund die durch "ungefähr" ausgedrückte Ungenauigkeit mit dieser alltäglichen Bedeutung auf dem Fachgebiet andernfalls nicht verstanden werden sollte, dann deutet "ungefähr", wie hier verwendet, eine mögliche Abweichung von bis zu 5 % des angezeigten Zahlenwertes an. Beispielsweise könnte eine Komponente von ungefähr 10 Gew.-% zwischen 10 ± 0,5 Gew.-% variieren und liegt folglich in einem Bereich zwischen 9,5 und 10,5 Gew.-%. Besonders bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten einen Aluminiumgehalt zwischen ungefähr 2,5 und ungefähr 3,5 Gew.-%, um die Festigkeit und die Extrudierbarkeit zu optimieren. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der Aluminiumgehalt ungefähr 3 Gew.-%.

Ferner enthält der erfindungsgemäß bearbeitete Legierungsbestandteil Mangan in einer Menge von weniger als 0,6 Gew.-%. Während Mangan keinen großen Einfluss auf die Zugfestigkeit einer auf Magnesium basierenden Legierung aufzuweisen scheint, erhöht dieses die Streckfestigkeit der Magnesiumlegierungen. Ferner bewirkt Mangan eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit eines Magnesium-Aluminium-Legierungssystems durch Erleichtern der Entfernung von Eisen und anderen Schwermetallelementen als relativ inerte intermetallische Komponenten, von denen sich einige während des Schmelzens aus der Legierung abtrennen. Erfindungsgemäß enthält die Legierung zwischen 0,26 und 0,6 Gew.-% Mangan. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist Mangan mit ungefähr 0,4 Gew.-%, wie durch die ASTM Spezifikation B93-94a empfohlen, zugefügt.

Erfindungsgemäß enthält das bearbeitete Legierungsbestandteil weniger als 0,22 Gew.-% Zink als Verunreinigung.

Zink wurde typischerweise als ein Legierungsbestandteil zugefügt, um die auf Magnesium basierenden Legierungen gemäß dem Stand der Technik zu verfestigen; allerdings weisen solche Legierungen typischerweise eine signifikant niedrigere Extrudierbarkeit, Biegbarkeit und eine erhöhte Warmbrüchigkeit auf. Ferner neigen Zink enthaltende Magnesiumlegierungssysteme im Allgemeinen zu einer Mikroporosität und es wurde berichtet, dass das Zink während der Extrusion die Oberflächenrissbildung und die Oxidation von auf Mg-Al-Zn basierenden Legierungen erhöht, was in niedrigeren Extrusionsgeschwindigkeitsgrenzen resultiert.

Wie zuvor erörtert ist AZ31B eine bekannte Knetlegierung, welche Zink enthält. AZ31B weist eine der schnellsten Extrusionsgeschwindigkeiten unter den bekannten, auf Magnesium basierenden Knetlegierungen auf. Während der Evaluierung der bekannten Knetlegierungen wurde das Verhalten von AZ31B (welche eine Zusammensetzung von ungefähr 3,0 Gew.-% Al, ungefähr 1,0 Gew.-% Zn, ungefähr 0,20 Gew.-% Mn und dem Rest Mg und Verunreinigungen aufweist) mit dem Verhalten einer anderen bekannten Knetlegierung, nämlich von AZ61 (welche eine Zusammensetzung von ungefähr 5,0 Gew.-% Al, ungefähr 0,3 Gew.-% Mn und dem Rest Mg sowie Verunreinigungen aufweist), und mit einer bekannten, auf Magnesium basierenden Gusslegierung, nämlich AM50 (welche eine Zusammensetzung von ungefähr 5 Gew.-% Al, ungefähr 0,30 Gew.-% Mn und dem Rest Mg und Verunreinigungen aufweist) verglichen. Von solchen Gusslegierungen ist im Allgemeinen bekannt, dass diese für Knetlegierungsanwendungen geeignet sind.

Die 1 zeigt einen Vergleich der Extrusionsgeschwindigkeiten für Legierungen nach dem Stand der Technik, nämlich AZ31B, AZ61 und AM50, bei Extrusionstemperaturen von 450°C bzw. 500°C für Vierkantrohre von 25,4 mm × 25,4 mm mit 5 mm-Wänden mit einem Extrusionsverhältnis von 12,5. Wie aus den Daten beobachtet werden kann, weist die AZ31B verglichen mit entweder der AZ61 oder mit der Gusslegierung AM50 eine wesentlich höhere Extrusionsgeschwindigkeit auf. Die Entfernung von Zink aus der Legierungszusammensetzung, abgesehen von geringen Mengen an Verunreinigungen (durch Verwenden der Gusslegierung AM50), schien die Extrusionsgeschwindigkeit überhaupt nicht zu erhöhen und führte des Weiteren zu der niedrigsten Extrudierbarkeitsgeschwindigkeit, was die schlechte Leistungsfähigkeit von Gusslegierungszusammensetzungen in Knetlegierungsanwendungen bestätigt.

Durch Evaluieren dieser auf bekannten Legierungssystemen basierenden Ergebnisse optimieren bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung den Aluminiumgehalt durch Vorsehen eines ausreichenden Grades an Festigkeit und Gießbarkeit, wohingegen der Aluminiumgehalt derart minimiert wird, dass dieser die Biegbarkeit und Extrudierbarkeit nicht nachteilig beeinträchtigt. Im Einklang mit den Ergebnissen dieses Vergleiches ist es gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt, eine auf Magnesium basierende Legierung mit einem optimierten Aluminiumgehalt zwischen ungefähr 2,5 und ungefähr 4,0 Gew.-% an Aluminium herzustellen, wobei der am meisten bevorzugte Bereich an Aluminium zwischen ungefähr 2,5 und ungefähr 3,5 Gew.-% liegt. Andere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten, basierend auf dem vorhergesagten Legierungssystemverhalten, Aluminium in einer Menge von weniger als 4 Gew.-%. Von einer anderen bekannten Gusslegierung, nämlich AM20 (welche eine Zusammensetzung von ungefähr 2 Gew.-% Al, ungefähr 0,30 Gew.-% Mn mit dem Rest Mg und andere Verunreinigungen aufweist), mit einem niedrigeren Aluminiumgehalt wird vorhergesagt, dass diese als eine Knetlegierung zum Herstellen von Komponenten in gewissen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nützlich ist, diese aber aufgrund deren niedrigen Aluminiumgehalt eine relativ geringe Festigkeit aufweist.

Folglich stellt die vorliegende Erfindung im Einklang mit den zuvor erörtern Grundsätzen gemäß bevorzugten Ausführungsformen ein Verfahren bereit, bei dem eine auf Magnesium basierende Legierung, welche zwischen ungefähr 2,5 Gew.-% und ungefähr 4,0 Gew.-% Aluminium (Al), Mangan (Mn) und Zink (Zn), welche zusammengenommen in einer Menge von weniger als 1,0 Gew.-% vorliegen, eine oder mehrere Verunreinigungen, welche zusammengenommen weniger als 0,1 Gew.-% ausmachen, sowie dem Rest Magnesium (Mg) enthält, eingesetzt wird.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt nutzt eine Metalllegierung enthaltend ungefähr 3 Gew.-% Aluminium (Al), ungefähr 0,4 Gew.-% Mangan (Mn), weniger als ungefähr 0,22 Gew.-% Zink (Zn), weniger als ungefähr 0,1 Gew.-% einer oder mehrerer Verunreinigungen mit dem Rest Magnesium (Mg). Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung kann nominell gemäß der ASTM Formel für Magnesiumlegierungen als "AM30" wiedergegeben werden.

Folglich nutzt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine auf Magnesium basierende Legierung, welche des Weiteren Standardmengen an Verunreinigungen, welche herkömmlicherweise in Magnesiumlegierungen gefunden werden, enthält, wie beispielsweise Silizium (Si), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Eisen (Fe) sowie andere Spurenverunreinigungen. In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die zusätzlichen Verunreinigungen zusammengenommen in einer Maximalmenge von weniger als ungefähr 0,1 Gew.-% in der Legierung enthalten. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält die Legierung die folgenden Verunreinigungen: weniger als ungefähr 0,01 Gew.-% Si, weniger als ungefähr 0,01 Gew.-% Cu, weniger als ungefähr 0,002 Gew.-% Ni, weniger als ungefähr 0,002 Gew.-% Fe und weniger als ungefähr 0,02 Gew.-% aller anderen Spurenverunreinigungen.

BEISPIEL 1

Eine Legierung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde wie folgt hergestellt: 900 kg Schmelze wurden hergestellt und in Barren mit einer Ausmaßen von 178 mm Breite und 406 mm Länge gegossen, wobei die Legierung hier als "AM30" identifiziert wird. Für Vergleichszwecke wurde eine AZ31B-Legierung als Legierungsprobe des Standes der Technik gleichermaßen durch Gießen einer Schmelze von 900 kg zu Barren mit denselben Ausmaßen wie der Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt. Die Tabelle 1 zeigt die Spezifikationen für die erfindungsgemäße Legierung (AM30) und die Legierung gemäß dem Stand der Technik (AZ31B), wie hergestellt.

TABELLE 1

Der Rest beider Legierungen enthält Spurenelemente, welche in Magnesiumlegierungen typischerweise gefunden werden. Beide Barren wurden auf 360°C erhitzt und die Röhren wurden unter Einsatz einer 1400 Tonnenpresse extrudiert, um Röhren mit den Ausmaßen eines nominellen Außendurchmessers von 70 mm und einer nominellen Dicke von 4 mm zu pressen. Für jede Legierung wurde an dem Beginn der Oberflächenrissbildung der Röhren eine maximale Extrusionsgeschwindigkeit bestimmt. Ungefähr 200 Meter der Röhren wurden bei der maximalen Extrusionsgeschwindigkeit für jede Legierung hergestellt.

Die 2 zeigt einen Vergleich der bei 360°C durchgeführten maximalen Pressstempelgeschwindigkeiten für die AM30 Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber der AZ31B Legierung gemäß dem Stand der Technik. Die AM30-Legierung erreichte eine anhaltende Extrusionsgeschwindigkeit von 366 mm/Min. gegenüber einer Extrusionsgeschwindigkeit von 305 mm/Min für AZ31B. Folglich ist die Extrusionsgeschwindigkeit der neuen AM30-Legierung bei 360°C 20 % schneller als die Extrusionsgeschwindigkeit für die bisher als am schnellsten bekannte, auf Magnesium basierende Knetlegierung (AZ31B).

Die Dehnungseigenschaften (d.h. Dehngrenze, maximale Zugfestigkeit und Dehnung) wurden durch eine an den hergestellten, aus extrudierten Röhrenproben gefertigten Zugproben vorgenommene Untersuchung bestimmt. Die Röhrenproben wurden entlang der Längsachse/-richtung der Röhren bearbeitet. Lediglich die Griffabschnitte der Proben wurden abgeflacht und die gebogenen Messabschnitte wurden intakt belassen. Die Zugfestigkeitsuntersuchung wurde dann bei Umgebungsbedingungen (d.h. Raumtemperatur) und bei fünf erhöhten Temperaturen, nämlich 93°C, 121°C, 149°C, 177°C und 204°C, durch die ASTM E21-92 Spezifikation für das Zugfestigkeitstesten von Knetlegierungen durchgeführt. ASTM Standardproben mit 2'' Messstreifenlänge wurden für die Tests bei einer anfänglichen Dehnungsgeschwindigkeit von 0,001 Sek.–1 (d.h. 0,001/Sekunde) eingesetzt. Für jede Bedingung wurden wenigstens drei Proben vermessen und aus den gemessenen Zahlenwerten wurde ein Durchschnitt berechnet.

Die 3 zeigt typische Zugfestigkeitskurven sowohl für die AM30- als auch die AZ31B-Legierung bei Raumtemperatur. Beide Legierungen haben, wie durch eine 0,02 Dehnungsverschiebung bei A in der 3 bestimmt, sehr ähnliche Streckfestigkeiten (YS) von 168 MPa für AM30 und 171 MPa für AZ31B. Die maximale Zugfestigkeit (UTS) beträgt für die AZ31B, wie an der Position B angedeutet, 232 MPa und für die AM30, wie an der Stelle C angedeutet, 237 MPa, welche relativ ähnlich sind. Die Biegbarkeit beider Legierungen ist, wie in den Dehnungskurven gezeigt, durch die Dehnung der Proben dargestellt. AZ31B weist eine Dehnung von 8 % auf, wohingegen AM30 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Dehnung von 12 % zeigt. Folglich weist die AM30-Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung bei Raumtemperatur eine 50 % größere Biegbarkeit als die AZ31B gemäß dem Stand der Technik auf, wohingegen diese im Allgemeinen die gleiche Festigkeit aufweisen. Die 3 zeigt ebenfalls, dass die AZ31B in der Dehnungskurve Schrägverzahnungen aufweist, was einen diskontinuierlichen plastischen Fluss während der Verformung anzeigt. Allerdings wurden solche Schrägverzahnungen für die AM30-Legierung nicht beobachtet.

Die 4 zeigt die an den vorher für die AM30-Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung beschriebenen Proben durchgeführten Kurven der tatsächlichen Spannung gegenüber der tatsächlichen Dehnung bei erhöhten Temperaturen. Für das Untersuchen bei erhöhter Temperatur wurden die Proben vor der Beanspruchung für 30 Minuten bei einer ausgewählten Temperatur gehalten. Die Zugfestigkeitskurven wurden für die AM30-Proben bei 93°C, 121°C, 149°C, 177°C bzw. 204°C entwickelt. Die 5 zeigt die Dehnungskurven bei erhöhter Temperatur für die AZ31B gemäß dem Stand der Technik bei denselben Temperaturerhöhungen wie denen der 4 bei 93°C, 121°C, 149°C, 177°C und 204°C. Im Allgemeinen sind sowohl die Streckfestigkeit (YS) als auch die maximale Zugfestigkeit (UTS) für beide Legierungen relativ gleich und beide Eigenschaften nehmen mit ansteigender Temperatur ab.

Die 6 zeigt einen Vergleich des Effekts der Temperatur auf die Biegbarkeit der AM30-Legierungsprobe gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber der AZ31B-Probe gemäß dem Stand der Technik. Die prozentuale Dehnung, welche der Biegbarkeit des Legierungsmaterials entspricht, steigt im Allgemeinen an, wenn sich die Temperatur erhöht. Die Biegbarkeit der AM30 ist über die getesteten Temperaturbereiche geringfügig größer und ist an den unteren und oberen Enden der getesteten Temperaturbereiche (d.h. von einem niedrigeren Bereich von ungefähr 25°C bis 70°C und dann bei einem höheren Bereich von ungefähr 100°C bis 200°C) signifikant größer. Obwohl es nicht gewünscht ist, an irgendeine bestimmte Theorie gebunden zu werden, wird geglaubt, dass aufgrund der substanziellen Abwesenheit von Zink in der AM30-Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung eine weniger feste Lösungsfestigkeitssteigerung vorliegt als in der AZ31B Legierung gemäß dem Stand der Technik mit wenigstens 1 Gew.-% Zink, was folglich eine erhöhte Biegbarkeit bewirkt. Wie aus den Dehnungskurven beobachtet werden kann weisen die AM30-Legierung und AZ31B-Legierung bei Raumtemperatur im Allgemeinen dasselbe Verhältnis auf: diese beiden weisen untereinander relativ ähnliche Streckfestigkeiten (YS) und maximale Zugfestigkeiten (UTS) auf, wohingegen die AM30 bei fast allen Temperaturen eine größere Dehnung aufweist, was verglichen mit der AZ31B mit einer größeren Biegbarkeit der AM30-Legierung korreliert.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Formen eines Knetlegierungselementes bereit, umfassend das Formen eines Legierungsmaterials mit einer Zusammensetzung enthaltend weniger als 4,0 Gew.-% Aluminium (Al), zwischen 0,26 und 0,6 Gew.-% Mangan (Mn), weniger als 0,22 Gew.-% Zink (Zn), weniger als ungefähr 0,1 Gew.-% einer oder mehrerer Verunreinigungen und dem Rest Magnesium (Mg) bei einer Gieftemperatur. Die Gießtemperatur liegt im Allgemeinen oberhalb der Liquidustemperatur der Legierung, liegt aber wenigstens an dem Punkt, wo das Metall geschmolzen wird und in einem im Wesentlichen flüssigen Zustand vorliegt. Es ist bevorzugt, dass die Gießtemperatur mehr als 600°C und am meisten bevorzugt mehr als 640°C beträgt. Das Legierungsmaterial wird auf Umgebungsbedingungen abgekühlt.

Das Legierungsmaterial wird dann durch einen Extrusion bearbeitet.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für röhrenförmige Kraftfahrzeugkomponenten und -bauteile gut geeignet. Die Legierung kann zu einer Vielzahl von Kraftfahrzeugbauteilen und -komponenten, einschließlich beispielsweise Rahmen, Trägerbauteilen, Querstreben, Armaturenbrett-Trägern, Dachrahmen, Vorderradträgern, Verteilergetrieben und Steuerungskomponenten, geformt werden.


Anspruch[de]
Verfahren zum Formen eines extrudierten röhrenförmigen Legierungselementes umfassend:

Formen eines geschmolzenen Legierungsmaterials mit einer Zusammensetzung enthaltend weniger als 4,0 Gew.-% Aluminium (Al), zwischen 0,26 und 0,6 Gew.-% Mangan (Mn) und weniger als 0,22 Gew.-% Zink (Zn), zusammen weniger als 0,1 Gew.-% einer oder mehrerer Verunreinigungen und dem Rest Magnesium (Mg) bei einer Gießtemperatur,

Abkühlen des Legierungsmaterials, um dieses zu verfestigen, und

Extrudieren des verfestigten Legierungsmaterials, wobei das Legierungsmaterial bei 360°C eine Extrusionsgeschwindigkeit von mehr als 305 mm pro Minute aufweist, durch Verformung, um dadurch das extrudierte röhrenförmige Legierungselement zu formen, das bei Raumtemperatur eine Dehnung von mehr als 8 % aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die eine oder mehreren Verunreinigungen umfassen: weniger als 0,01 Gew.-% Silizium (Si), weniger als 0,01 Gew.-% Kupfer (Cu), weniger als als 0,002 Gew.-% Nickel (Ni), weniger als 0,002 Gew.-% Eisen (Fe) sowie weniger als als 0,02 Gew.-% an zusätzlichen Verunreinigungen. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das verfestigte Legierungsmaterial einen Barren umfasst. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das verfestige Legierungsmaterial einen Rohling umfasst. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gießtemperatur mehr als 600°C beträgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Gehalt des Aluminiums in der Zusammensetzung 3 Gew.-% beträgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Gehalt des Mangans in der Zusammensetzung 0,4 Gew.-% beträgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zusammensetzung 3 Gew.-% Aluminium (Al), 0,4 Gew.-% Mangan (Mn), weniger als 0,22 Gew.-% Zink (Zn), weniger als 0,1 Gew.-% einer oder mehrerer Verunreinigungen und Rest Magnesium (Mg) enthält. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das extrudierte Legierungsmaterial bei Raumtemperatur eine Dehnung von wenigstens 12 % aufweist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das extrudierte Legierungsmaterial eine Streckfestigkeit von mehr als 165 MPa aufweist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das extrudierte Legierungsmaterial eine maximale Zugfestigkeit von mehr als 230 MPa aufweist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das extrudierte Legierungsmaterial korrosionsbeständig ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus der Legierung eine röhrenförmige Struktur gebildet wird. Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus der Legierung ein Kraftfahrzeugbauteil gebildet wird, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Rahmen, Trägerbauteilen, Querträgern, Armaturenbrett-Trägern, Dachrahmen, Vorderradträgern, Verteilergetrieben und Steuerungskomponenten.






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