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EP2839047B1 - Calcium als substitut für seltene erdelemente in magnesium-blechlegierungen mit guten umformeigenschaften - Google Patents

Calcium als substitut für seltene erdelemente in magnesium-blechlegierungen mit guten umformeigenschaften Download PDF

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EP2839047B1
EP2839047B1 EP13718547.6A EP13718547A EP2839047B1 EP 2839047 B1 EP2839047 B1 EP 2839047B1 EP 13718547 A EP13718547 A EP 13718547A EP 2839047 B1 EP2839047 B1 EP 2839047B1
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EP
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magnesium
magnesium sheet
calcium
sheet
sheet metal
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EP2839047A1 (de
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Jan Bohlen
Lennart STUTZ
Dietmar Letzig
Joachim Wendt
Karl Ulrich Kainer
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Helmholtz Zentrum Geesthacht Zentrum fuer Material und Kustenforschung GmbH
Original Assignee
Helmholtz Zentrum Geesthacht Zentrum fuer Material und Kustenforschung GmbH
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    • 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
    • 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 present invention describes a sheet consisting of a novel calcium-containing magnesium alloy which, together with the specially adapted rolling process, has potentially very good forming properties. It is only by using calcium as a substitute for rare earth metals that a more economical production of magnesium sheet alloys is made possible.
  • Magnesium is the metallic construction material with the lowest specific weight. It is 75% lighter than steel and 35% lighter than aluminum. This results in high weight-related strength values, which are of particular interest to motor vehicle and aircraft manufacturers.
  • the light metal has so far mainly been processed as a cast material: for example for chassis parts and engine blocks.
  • DE 10 2007 060 743 A1 discloses a rolled magnesium sheet.
  • Magnesium sheet can generally be produced by hot rolling.
  • the sheets produced then have, on the one hand, significantly finer-grained microstructures than the starting material and, on the other hand, a pronounced fiber texture, which can be characterized by a preferred orientation of the basal surfaces in the sheet metal plane.
  • This pronounced preferential orientation of the basal surfaces in the sheet plane significantly limits the deformation behavior at room temperature.
  • the basal guide In the case of a tensile load in the plane of the sheet, the basal guide, despite its unfavorable orientation, is the dominant deformation mechanism.
  • magnesium sheets This requires directly a very limited deep drawability of magnesium sheets at room temperature.
  • the forming behavior of magnesium sheets can be improved by weakening the strong basal texture as well as grain refining. A corresponding influence on the microstructure and texture development of the sheet is given by the choice of alloy and the process control.
  • the calcium content of the magnesium sheets is 0.3 to 1.0 wt.%, Particularly preferably 0.35 to 0.6 wt.%.
  • the manganese content of the magnesium sheets is 0.8 to 2.0 wt.%, Particularly preferably 1.2 to 2.0 wt.%.
  • the magnesium sheet according to the invention does not contain any addition of zinc, i. the zinc content is preferably 0% by weight (excluding unavoidable impurities).
  • the sheet metal is a flat rolled finished product made of metal, which is delivered as a sheet.
  • the magnesium sheets of the invention are selected from the group consisting of thin sheets having a thickness in the range of about 0.5 to about 2.99 mm, center sheets having a thickness in the range of about 3.00 to about 4.75 mm and heavy plates with a thickness in the range of about 4.76 mm to about 20 mm.
  • Sheet thicknesses in the range of about 0.5 to about 5.00 mm, in particular about 0.75 to about 3.00 mm, are particularly preferred preferably about 1.00 to about 2.00 mm, and most preferably about 1.5 mm.
  • the starting alloy is rolled in the form of cast-rolled strips, extruded flat profiles or as slabs or in a rolling process as a flat rolling mill finished product (so-called sheet metal) in the required thickness.
  • the rolling process is chosen so that it can be operated economically with a temperature in the range of 200 to 500 ° C.
  • a rolling degree of 0.05 to 0.5 is preferably used.
  • crystallographic texture One property that characterizes sheets and allows conclusions to be drawn about their forming behavior is the crystallographic texture.
  • texture in crystallography refers to the entirety of the orientations of the crystallites of a multi-crystalline solid. This results in particular in the anisotropy (directional dependence) of the mechanical properties of many metallic materials.
  • the crystallographic texture of the magnesium alloy sheet according to the invention corresponds qualitatively to the typical weakly pronounced textures of an aluminum-free magnesium alloy with metals of the rare earths, eg a ZE10 alloy.
  • the magnesium sheet according to the invention preferably has a crystallographic texture in which orientation of the basal surfaces parallel to the sheet plane is not preferred. These preferred sheets are characterized in that the intensity maximum in the basal pole figure does not coincide with the sheet normal direction but is deflected or split relative thereto (see Figures 1 and 2 ).
  • the magnesium sheets according to the invention are characterized in that they consist of the elements specified in claim 1 in the amounts indicated there. They therefore contain no additional elements, such as rare earth metals, unless they are unavoidable impurities.
  • the magnesium sheets according to the invention are produced by roll forming into a sheet (ready-to-roll product).
  • Roll forming is a massive forming process in which a material is deformed between two rolls at elevated temperature or at room temperature. The shape of the material is changed so that it decreases in thickness and is pulled in length. This process is usually multi-stage and is accompanied by intermediate annealing to prevent the temperature of the workpiece from dropping too much.
  • the sheet metal production takes place at a temperature of about 200 to 500 ° C.
  • microstructural processes take place, for example, the material recrystallizes.
  • the microstructure of the material is changed and, as a rule, re-formed.
  • new sheet metal structures are created, which are determined by different textures with different intensities.
  • the alloy according to the invention very homogeneous and fine-grained microstructure are achieved with a weak texture. On the one hand, this combination promises good mechanical properties and, on the other hand, improved formability.
  • the magnesium sheets according to the invention are made of cast-rolled strips, extruded flat profiles or of slabs consisting of the magnesium alloys according to the invention Using a rolling process at a temperature in the range of 200 to 500 ° C made. More preferably, the variable roll circumferential speed method, also referred to as “differential speed rolling (DSR)", is used for the final rolling step. In the DSR process, the upper and lower rollers are driven at different rotational speeds. This results in a shear deformation in the sheet thickness level. With this method, a tilt of the preferred orientation of the basal planes can be achieved from the sheet plane. Although a pronounced texture remains, the preferred orientation of the basal surfaces is changed with respect to the sheet plane and thus allows increased activation of the basal line. By this method increases in tensile strength of up to 50 MPa and elongation at break of up to 5% strain could be described.
  • DSR variable roll circumferential speed method
  • the rolled strips, slabs or flat profiles are rolled in a final rolling process to the final thickness, which is characterized in that the upper and lower rollers are operated at different peripheral speed.
  • the upper and lower rolls have a circulation speed ratio in the range of 1: 1.1 to 1: 3, preferably 1: 1.1 to 1.5.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Blech bestehend aus einer neuartigen Magnesiumlegierung mit Calciumanteil, das zusammen mit dem speziell abgestimmten Walzprozess potenziell sehr gute Umformeigenschaften aufweist. Erst durch Einsatz von Calcium als Substitut für Metalle der Seltenen Erden wird eine wirtschaftlichere Herstellung von Magnesiumblechlegierungen ermöglicht.
    • Beschreibung des Standes der Technik
  • Magnesium ist der metallische Konstruktionswerkstoff mit dem niedrigsten spezifischen Gewicht. Es ist 75% leichter als Stahl und 35% leichter als Aluminium. Dadurch ergeben sich hohe gewichtsbezogene Festigkeitswerte, die vor allem für Kraftfahrzeug- und Flugzeughersteller interessant sind. Jedoch wird das Leichtmetall bislang überwiegend als Gusswerkstoff verarbeitet: etwa für Fahrwerksteile und Motorblöcke. Für großflächige Karosserieteile aus Blech, bei denen durch das Leichtbaupotenzial von Magnesium noch mehr Gewicht eingespart werden könnte, fehlt es noch an Wirtschaftlichkeit. DE 10 2007 060 743 A1 offenbart ein gewalztes Magnesiumblech.
  • Es besteht ein großes Interesse an Magnesiumblechen, da aus der Gewichtsreduzierung von Bauteilen erhebliche Einsparpotentiale resultieren.
  • Es liegen Erkenntnisse vor, dass die Umformeigenschaften mit der Zugabe von Metallen der seltenen Erden verbessert werden können. Durch die hohen Kosten und begrenzte Verfügbarkeit der Metalle der Seltenen Erden ist die Herstellung dieser Bleche aber weiterhin wirtschaftlich unattraktiv.
  • Magnesiumblech kann im Allgemeinen durch Warmwalzen hergestellt werden. Die hergestellten Bleche weisen dann einerseits deutlich feinkörnigere Gefüge als das Ausgangsmaterial und andererseits eine stark ausgeprägte Fasertextur auf, die sich durch eine bevorzugte Orientierung der Basalflächen in der Blechebene charakterisieren lässt. Diese ausgeprägte Vorzugsorientierung der Basalflächen in der Blechebene schränkt das Verformungsverhalten bei Raumtemperatur signifikant ein. Bei einer Zugbelastung in der Blechebene ist die Basalgleitung trotz ihrer ungünstigen Orientierung der dominante Verformungsmechanismus.
  • Dies bedingt direkt eine sehr eingeschränkte Tiefziehbarkeit der Magnesiumbleche bei Raumtemperatur. Das Umformverhalten der Magnesiumbleche kann durch die Abschwächung der starken Basaltextur sowie durch Kornfeinung verbessert werden. Eine entsprechende Einflussmöglichkeit auf die Gefüge- und Texturentwicklung des Blechs ist durch die Legierungswahl und die Prozessführung gegeben.
  • Aktuelle Studien zeigen, dass eine Abschwächung und eine Veränderung der Blechtextur in aluminiumfreien Magnesiumlegierungen durch einen Zusatz seltener Erdelemente erreicht werden kann. So werden aufgrund der Rekristallisation während der Blechherstellung eine deutliche Abschwächung der basalen Textur und gelegentlich auch das Auftreten neuer, schwächerer Texturkomponenten beobachtet. Mit der legierungstechnischen Abschwächung des basalen Charakters der Blechtextur wurde ein Ansatz zur Verbesserung der Umformbarkeit von Magnesiumblechen aufgezeigt.
  • Mittels der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, Blech aus einer Magnesiumlegierung zur Verfügung zu stellen, das sehr gute Umformeigenschaften aufweist und eine wirtschaftliche Herstellung von Magnesiumblechlegierungen ermöglicht.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Durch Verwendung von Calcium als Substitut der Metalle der seltenen Erden (z.B. Cer, Lanthan, Neodym oder Yttrium) werden erfindungsgemäß gute Umformeigenschaften erreicht. Calcium ist ein preisgünstiges Element mit großer Verfügbarkeit.
  • Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe daher durch Magnesiumbleche (auch flaches Walzwerkfertigprodukt genannt) gelöst, die, bezogen auf deren Gesamtgewicht, aus:
    • 0,2 bis 2,2 Gew.% Mangan,
    • 0,05 bis 1,0 Gew.% Calcium,
    • 0 bis 0,5 Gew.% Zirkon sowie
    Magnesium und unvermeidliche Verunreinigungen als Rest
    bestehen.
  • Bevorzugt liegt der Calciumgehalt der Magnesiumbleche bei 0,3 bis 1,0 Gew.%, besonders bevorzugt bei 0,35 bis 0,6 Gew.%. Bevorzugt liegt der Mangangehalt der Magnesiumbleche bei 0,8 bis 2,0 Gew.%, besonders bevorzugt bei 1,2 bis 2,0 Gew.%. Bevorzugt enthält das erfindungsgemäße Magnesiumblech keine Zulegierung von Zink, d.h. der Zinkgehalt liegt bevorzugt bei 0 Gew.% (ausgenommen unvermeidliche Verunreinigungen).
  • Als Blech wird ein flaches Walzwerkfertigprodukt aus Metall bezeichnet, das als Tafel ausgeliefert wird. Vorzugsweise sind die erfindungsgemäßen Magnesiumbleche aus der Gruppe bestehend aus Feinblechen mit einer Stärke im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 2,99 mm, Mittelblechen mit einer Stärke im Bereich von etwa 3,00 bis etwa 4,75 mm und Grobblechen mit einer Stärke im Bereich von etwa 4,76 mm bis etwa 20 mm ausgewählt. Besonders bevorzugt sind Blechstärken im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 5,00 mm, insbesondere etwa 0,75 bis etwa 3,00 mm, besonders bevorzugt etwa 1,00 bis etwa 2,00 mm und ganz besonders bevorzugt etwa 1,5 mm.
  • Die Ausgangslegierung in Form von gießgewalzten Bändern, von strangepressten Flachprofilen oder als Brammen oder in einem Walzprozess als flaches Walzwerkfertigprodukt (sog. Blech) in erforderlicher Stärke ausgewalzt. Der Walzprozess ist dabei so gewählt, dass dieser mit einer Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C wirtschaftlich betrieben werden kann. Bei jedem Walzschritt wird bevorzugt ein Walzgrad von 0,05 bis 0,5 angewendet.
  • Eine Eigenschaft, die Bleche charakterisiert und Rückschlüsse auf deren Umformverhalten zulässt, ist die kristallographische Textur. Unter Textur versteht man in der Kristallographie die Gesamtheit der Orientierungen der Kristallite eines vielkristallinen Festkörpers. Aus ihr ergibt sich insbesondere die Anisotropie (Richtungsabhänigkeit) der mechanischen Eigenschaften vieler metallischer Werkstoffe.
  • Die kristallographische Textur des erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungsblechs entspricht dabei qualitativ der der typischen schwach ausgeprägten Texturen einer aluminiumfreien Magnesiumlegierung mit Metallen der Seltenen Erden, z.B einer ZE10-Legierung. Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Magnesiumblech eine kristallographische Textur auf, in der eine Orientierung der Basalflächen parallel zur Blechebene nicht bevorzugt vorliegt. Diese bevorzugten Bleche sind dadurch gekennzeichnet, dass das Intensitätsmaximum in der Basalpolfigur nicht mit der Blechnormalenrichtung zusammenfällt sondern diesem gegenüber ausgelenkt oder aufgespalten ist (siehe Figuren 1 und 2).
    • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäßen Magnesiumbleche zeichnen sich dadurch aus, dass sie aus den in Anspruch 1 angegebenen Elementen in den dort angegebenen Mengen bestehen. Sie enthalten folglich keinerlei zusätzliche Elemente wie Metalle der Seltenen Erden, es sei denn, als unvermeidbare Verunreinigungen.
  • Die erfindungsgemäßen Magnesiumbleche werden durch Walzumformung zu einem Blech (Walzfertigprodukt) hergestellt. Bei der Walzumformung handelt es sich um ein Massivumformverfahren, bei dem ein Werkstoff zwischen zwei Walzen bei erhöhter Temperatur oder bei Raumtemperatur verformt wird. Dabei wird die Form des Werkstoffs derart verändert, dass er an Dicke abnimmt und in die Länge gezogen wird. Dieser Prozess ist in der Regel mehrstufig und wird von Zwischenglühungen begleitet, um die Temperatur des Werkstücks nicht zu stark absinken zu lassen. Erfindungsgemäß findet die Blechherstellung bei einer Temperatur von etwa 200 bis 500°C statt.
  • Während der Umformung in der Walze finden mikrostrukturelle Vorgänge statt, beispielsweise rekristallisiert das Material. Bei der Rekristallisation wird das Gefüge des Materials verändert und in der Regel neu ausgebildet. Je nach Ausprägung der Rekristallisationsmechanismen entstehen neue Blechgefüge, die durch unterschiedliche Texturen mit verschiedenen Intensitäten bestimmt werden. Mit der erfindungsgemäßen Legierung werden sehr homogene und feinkörnige Gefüge mit einer schwach ausgeprägten Textur erzielt. Diese Kombination verspricht einerseits gute mechanische Eigenschaften und andererseits eine verbesserte Umformbarkeit.
  • Die erfindungsgemäßen Magnesiumbleche werden aus gießgewalzten Bändern, stranggepressten Flachprofilen oder aus Brammen bestehend aus den erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungen unter Anwendung eines Walzverfahrens bei einer Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C hergestellt. Besonders bevorzugt wird für den abschließenden Walzschritt ein Verfahren mit variierten Walzenumfangsgeschwindigkeit angewendet, das auch als "Differental Speed Rolling (DSR)" bezeichnet wird. Beim DSR-Verfahren werden die obere und untere Walze mit unterschiedlichen Umlaufgeschwindigkeiten angetrieben. Dadurch entsteht eine Scherverformung in der Blechdickenebene. Mit diesem Verfahren kann eine Verkippung der Vorzugsorientierung der Basalebenen aus der Blechebene erreicht werden. Obwohl eine ausgeprägte Textur bestehen bleibt, wird die Vorzugsorientierung der Basalflächen bezüglich der Blechebene verändert und so eine erhöhte Aktivierbarkeit der Basalgleitung ermöglicht. Durch dieses Verfahren konnten Steigerungen der Zugfestigkeit um bis zu 50 MPa und der Bruchdehnung um bis zu 5% Dehnung beschrieben werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die gewalzten Bänder, Brammen oder Flachprofile in einem abschließendem Walzverfahren zur Enddicke ausgewalzt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass obere und untere Walze mit unterschiedlicher Umfangsgeschwindigkeit betrieben werden. Vorzugsweise haben obere und untere Walze ein Verhältnis von Umlaufgeschwindigkeit im Bereich von 1:1,1 bis 1:3, vorzugsweise von 1:1,1 bis 1,5.

Claims (10)

  1. Magnesiumblech, bestehend aus, bezogen auf dessen Gesamtgewicht:
    0,2 bis 2,2 Gew.% Mangan,
    0,05 bis 1,0 Gew.% Calcium,
    0 bis 0,5 Gew.% Zirkon sowie
    Magnesium und unvermeidliche Verunreinigungen als Rest.
  2. Magnesiumblech nach Anspruch 1, mit einem Gehalt an Calcium von 0,3 bis 1,0 Gew.%, bevorzugt 0,35 bis 0,6 Gew.%.
  3. Magnesiumblech nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Gehalt an Mangan von 0,8 bis 2,0 Gew.%, bevorzugt 1,2 bis 2,0 Gew.%.
  4. Magnesiumblech nach einem der vorgehenden Ansprüche ohne Zulegierung von Zirkon.
  5. Magnesiumblech nach einem der vorgehenden Ansprüche mit einer Dicke von 0,5 mm bis 20 mm, bevorzugt 1 mm bis 15 mm.
  6. Magnesiumblech nach einem der vorgehenden Ansprüche mit einer kristallographischen Textur, in der eine Orientierung der Basalfläche parallel zur Blechebene nicht bevorzugt vorliegt.
  7. Verfahren zur Herstellung Magnesiumblechen gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem gießgewalzte Bänder, Brammen oder stranggepreßte Flachprofile dieser Legierung bei einer Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C einem Walzverfahren unterworfen werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7 bei dem Walzgrade (ϕ) im Bereich von 0,05 bis 0,5 angewandt werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem die gewalzten Bänder, Brammen oder Flachprofile in einem abschließendem Walzverfahren zur Enddicke ausgewalzt werden, dass dadurch gekennzeichnet ist, dass obere und untere Walze mit unterschiedlicher Umfangsgeschwindigkeit betrieben werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ein Verhältnis von Umlaufgeschwindigkeit der oberen zur unteren Walze von 1:1,1 bis 1:3, vorzugsweise von 1:1,1 bis 1,5 besteht.
EP13718547.6A 2012-04-18 2013-04-17 Calcium als substitut für seltene erdelemente in magnesium-blechlegierungen mit guten umformeigenschaften Active EP2839047B1 (de)

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