Technologie der Fertigungsverfahren Magnesium - … · 8.1 Verfahrensprinzip und Aufbau des temperierten Clinchwerkzeuges 50 8.1.1 Einfluß der Temperatur auf die Fügelementausbildung

Technologie der FertigungsverfahrenMagnesium – Technologie

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1 EINLEITUNG 42 EIGENSCHAFTEN VON MAGNESIUMWERKSTOFFEN 6

2.1 Gewinnung von Magnesium 62.2 Physikalische, chemische und mechanische Eigenschaften von Magnesiumlegierungen 10Magnesiumgusslegierungen 16

2.2.1 Legierungen mit Aluminium als Hauptlegierungselement 162.2.2 Legierungen mit Zink als Hauptlegierungselement 182.2.3 Legierungen mit seltenen Erden und/oder Zirkon als Hauptlegierungselement 19

2.3 Magnesiumknetlegierungen 242.3.1 Legierungskennzeichnung von Mg-Werkstoffen 25

3 METALLMATRIX – VERBUNDWERKSTOFFE AUF MAGNESIUMBASIS 304 SCHWEIßEN VON MAGNESIUMWERKSTOFFEN 33

4.1 Laserstrahlschweißen 335 HERSTELLUNG UND EIGENSCHAFTEN STRANGGEPREßTER UND GESCHMIEDETERMAGNESIUM-BAUTEILE 26

5.1 Herstellung des Strangpreß- und Schmiedevormaterials 295.2 Strangpressen von Magnesiumwekstoffen 30

5.2.1 Legierungen und Grundlagen 305.2.2 Der Strangpreß-Prozess 315.2.3 Wärmebehandlung 335.2.4 Biegen 33

5.3 Mechanische Eigenschaften von Strangpreßprofilen 345.3.1 Festigkeit 345.3.2 Zähigkeit 365.3.3 Dynamische Festigkeit 375.3.4 Anwendungsbeispiele 37

6 SCHMIEDEN VON MAGNESIUM - WERKSTOFFEN 386.1 Legierungen und Grundlagen 386.2 Der Schmiede-Prozeß 39

6.2.1 Werkstoffeigenschaften und ihre metallkundlichen Grundlagen 417 TIEFZIEHEN VON MAGNESIUMBLECHEN 43

7.1 Verfahrensprinzip und Aufbau des temperierten Tiefziehwerkzeuges 437.1.1 Ermittlung temperaturabhängiger Grenzziehverhältnisse 44

7.2 Blechumformung 488 CLINCHEN VON MAGNESIUMBLECHEN 50

8.1 Verfahrensprinzip und Aufbau des temperierten Clinchwerkzeuges 508.1.1 Einfluß der Temperatur auf die Fügelementausbildung 528.1.2 Einfluß der Temperatur auf den Fügekraftbedarf 538.1.3 Zusammenfassung 55

9 ANWENDUNGSBEISPIELE IN DER KRAFTFAHRZEUGTECHNIK 569.1 Magnesium als potentieller Leichtbauwerkstoff für die Automobilindustrie 589.2 Beispiele für KFZ-Bauteile aus Magnesiumwerkstoffen 599.3 Herausforderungen für Magnesiumdruckguß im Automobilbau 60

9.3.1 Schlussfolgerungen 6410 ZUSAMMENFASSUNG 6411 LITERATURVERZEICHNIS 65

11.1 Fachbücher 6511.2 Fachzeitschriften 6511.3 Firmen und Institute 66

12 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 6713 TABBELLENVERZEICHNIS 68

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Einleitung

Vor dem Hintergrund sich verknappender Ressourcen, wachsender

Umweltbelastungen und dem daraus resultierenden Zwang zur Energieeinsparung

gewinnt der Einsatz von Konstruktionswerkstoffen, die es erlauben, bewegte Massen

zu reduzieren, zunehmend an Bedeutung. Neben Kunststoffen, die zumeist nicht

wiederverwertbar sind, finden verstärkt die Leichtmetalle Titan, Aluminium und

Magnesium im allgemeinen Maschinenbau sowie in der Luft- und Raumfahrttechnik

Verwendung. Insbesondere für die Kraftfahrzeugindustrie ist eine Substitution des

klassischen Konstruktionswerkstoffs Stahl durch leichtere Materialien von großer

Bedeutung, um die Umweltverträglichkeit des steigende Individualverkehrs durch

eine Verringerung des Kraftstoffsverbrauchs zu gewährleisten und gesetzlichen

Auflagen zu erfüllen.

Dadurch haben sich mittlerweile Aluminiumwerkstoffe für Bauteile in Fahrwerk, Motor

und Getriebe sowie der Karosserie in Form von gewalztem und gepreßtem Halbzeug

bewährt, so erlebt Magnesium in diesen Tagen eine Renaissance, nachdem der

Werkstoff bereits in den dreißiger Jahren des letzten Jahrhunderts in vielfältigen

Einsatzfeldern Verwendung fand.

Magnesium wird aufgrund seiner eingeschränkten Kaltumformbarkeit hauptsächlich

als Gußwerkstoff, insbesondere im Druckguß, eingesetzt und zeichnet sich durch

seine gute Gießbarkeit, eine schnelle Gußfolge und eine hohe Lebensdauer der

eingesetzten Gießformen aus. Trotz der hohen Genauigkeit der Gußstücke ist eine

abschließende spanende Bearbeitung von Funktionsflächen jedoch zumeist

unumgänglich. In diesem Beitrag werden Prozesse der Bearbeitungsverfahren,

insbesondere der Umformtechniken, Schweißtechniken, vorgestellt.

Weiterhin werden erste Ergebnisse zum Einfluß von Schneidstoff und Beschichtung

beim Spanen des Metallmatrix - Verbundwerkstoffs ( Metal Matrix Composite, MMC )

vorgestellt.

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Eigenschaften von Magnesiumwerkstoffen

2.1 Gewinnung von Magnesium

Die Verfahren zur Gewinnung reinen Magnesiums lassen sich in zwei Klassen

einteilen. Zum einen sind die Elektrolytischen Verfahren, die auf der Elektrolyse

schmelzflüssigen Magnesiumchlorid ( MgCl2 ) beruhen zu nennen, zum anderen

werden Prozesse zur Thermischen Reduktion von Magnesiumoxid ( MgO )

Eingesetzt. Als Rohstoffe für die erste Gruppe kommen Meerwasser,

Magnesiumoxidhaltige Erze, Dolomit usw. in Frage, die Verfahren der zweiten

nutzen vor allem Magnesiumhaltige Mineralien wie Dolomit. Bei einer Weltweit

erzeugten Menge von etwa 300.000 Tonnen erfolgt die Magnesiumgewinnung heute

zu etwa 75 % über Schmelzflusselektrolyse.

Abbildung1 illustriert den Prozessverlauf am Beispiel eines von der Firma Norsk

Hydro- angewandten Verfahrens, das Ähnlichkeiten mit dem in den 20er und 30er

Jahren entwickelten I.G. Farben – Prozess Aufweist. Als Rohstoff dienen hier

Dolomit, ein auf Calcium- und Magnesiumcarbonat bestehendes Mineral, sowie

Meerwasser. Der Dolomit wird zunächst kalziniert, d.h. geröstet. Ziel ist die

Umwandlung der Carbonate in feinkörnige Oxide. Diese Werden im nächsten

Verfahrensschritt, der Flokulation, mit Meerwasser vermischt, was eine Fällung der in

Lösung gegangenen Magnesiumsalze als Magnesiumhydroxid bewirkt. Das

Magnesiumhydroxid wird einer erneuten Kalzination Unterzogen, die wiederum zur

Bildung von Magnesiumoxid führt. Nach der Zugabe von Koks und

Magnesiumchloridlauge sowie dem Pelletieren und Chlorieren liegt schließlich

Wasserfreies Magnesiumchlorid vor. Aus ihm kann über Schmelzflusselektrolyse

Primärmagnesium gewonnen werden, dessen Reinheitsgrad über die

Nachgeschalteter Schmelzraffination kontrolliert wird. Das während der Elektrolyse

gebildete Chlorgas wird im Prozess zurückgeführt und zu Chlorieren genutzt.

Primärmagnesium findet im folgenden als Legierungselement insbesondere für

Aluminiumwerkstoffe Verwendung oder dient als Basis für Magnesiumlegierungen.


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Abbildung 1:MagnesiumproduktionGegenüber den ebenfalls zu den Leichtbauwerkstoffen zählenden Kunstoffen

besitzen Leichtmetalle wie Aluminium und Magnesium bei der Bearbeitung und bei

der Wiederverwendung deutliche Vorzüge. Eine Erschöpfung der Ressourcen ist

nicht vorauszusehen, da Magnesium mit zirka 2 % am Aufbau der Erdrinde Beteiligt

ist und somit das sechshäufigste Element ist. Die zur Primärherstellung von

Magnesium erforderliche Energie ist mit ca. 63 KWh/dm3 etwas geringer als die von

Aluminium. Bei der Herstellung von Sekundäraluminium und –magnesium sind nur

fünf bis zehn Prozent dieser Energiemenge einzusetzten. Die zu erwartende

Gesamtenergiebilanz bei Ausgedehnten Recyclingkonzepten ist daher für

Magnesium geringfügig günstiger als die von Aluminium, so das Magnesium über

den Lebenszeitraum eines Produktes hinaus Vorteile gegenüber den anderen

Leichtbauwerkstoffen besitz.


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Tabelle 1: Magnesiumerzeugung in Deutschland

2.2


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Physikalische, chemische und mechanische Eigenschaften vonMagnesiumlegierungen

Tabelle 2: Eigenschaften von AZ91 HP

Abbildung 2 gibt eine Übersicht über die wesentlichen Eigenschaften der

untersuchten Magnesiumlegierungen im Vergleich zu AlMgSi1 und St 37. Der

wesentliche Vorteil der Leichtmetalle gegenüber dem klassischen

Konstruktionswerkstoff Stahl ist selbstverständlich die geringe Dichte von 2,7 g/cm3

(Aluminium) bzw. 1,7 g/cm3 (Magnesium). Trotz der geringeren Dichte besitzen

beide Metalle vergleichsweise hohe Festigkeiten, insbesondere der spezifischen

Festigkeit ist die Magnesiumlegierung den Vergleichswerkstoffen deutlich überlegen.

Bei einer Substitution von Aluminium durch Magnesium sind unter Berücksichtigung

der spezifischen Materialeigenschaften Gewichtseinsparungen von ca. 25 %

möglich. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den Leichtmetallegierungen auf

Basis von Aluminium und Magnesium liegt im kristallographischen Aufbau des

Grundmaterials. Aluminium kristallisiert in einem kubisch-flächenzentrierten Gitter.

Aufgrund dieser Gitterstruktur mit insgesamt 12 Gleitmöglichkeiten ist erst bei

Temperaturen


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> 220°C eine befriedigende Umformbarkeit erzielbar. Für die Herstellung von

Halbzeugen wie z.B. dünnen Blechen, ist daher ein häufiges Zwischenglühen

erforderlich, wodurch die Herstellungskosten beträchtlich steigen. Aus diesem

Grunde wird Magnesium hauptsächlich als Gußwerkstoff, insbesondere im Druckguß

eingesetzt, wobei sich diese Werkstoffe durch eine hervorragende Gießbarkeit, eine

schnelle Gießfolge und eine hohe Lebensdauer der eingesetzten Gießformen

auszeichnet. Die hohe Genauigkeit der Gußstücke und die daraus resultierenden nur

geringen Nacharbeiten führen zu Herstellungskosten, die die Minderkosten des

Werkstoffs Aluminium von ca. 50 % gegenüber Magnesium häufig bereits

kompensieren. Die Ausbildung einer dichten und stabilen Oxiddeckschicht ist

Ursache für das gute Korrosionsverhalten von Aluminium. Magnesium bildet

aufgrund seiner hohen Affinität zu Sauerstoff Hydroxid- oder Oxiddeckschichten aus,

die jedoch nicht die Stabilität der Aluminiumoxiddeckschichten erreichen und somit

eine geringere Schutzwirkung besitzen. Bei Magnesiumlegierungen kann durch eine

Verminderung von Metallischen Verunreinigungen bei sogenannten

High-Purity-(HP)-Legierungen sowie durch angepasste Verarbeitungsverfahren, z.B.

dem Thixomolding, die Korrosionsneigung des Werkstoff vermindert werden. Bei den

metallischen Verunreinigungen sind insbesondere Nickel, Eisen und Kupfer zu

nennen, die durch die Erstarrung des Gusses als kathodisch wirkende Verbindungen

ausgeschieden werden und zu einer interkristallinen Korrosion führen. Die

Korrosionsbeständigkeit von Magnesiumlegierungen ist mit denen von

Aluminiumlegierungen durchaus vergleichbar, sodaß der Einsatz von

Magnesiumwerkstoffen diesbezüglich keine Einschränkung findet.

Durch Zusatz von Mangan läßt sich die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffs

weiter steigern. Metallische Verunreinigungen werden in Intermetallische Phasen

umgewandelt und aus der Schmelze ausgeschieden. Jedoch bildet Mangan in

Anwesenheit von Aluminium hochharte, unlösliche MnAl-Ausscheidungen, die sich

negativ auf die Zerspanbarkeit von Magnesiumlegierungen auswirken, da sie die

Entstehung von Scheinspänen fördern.Eine Verbesserung der Mechanischen

Eigenschaften des Werkstoffs Reinmagnesium ist einerseits durch Zulegieren von

z.B. Aluminium, Zink, oder Mangan, anderseits durch die Entwicklung von


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Metallmatrix- Verbundwerkstoffen ( Metal Matrix Composite, MMC ) möglich. MMC

Werkstoffe auf Magnesiumbasis sind mittlerweile Kommerziell Verfügbar ( z.B.

MELRAM 072TS ), haben sich in der Praktischen Anwendung jedoch, nicht zuletzt

aufgrund der schweren Spanenden Bearbeitbarkeit, noch nicht Durchsetzten

können. Im Automobilbau weit verbreitete Gußlegierungen, sind z.B. AZ91, AM20,

AM50 und AM60.

Das binäre Magnesium – Aluminium - System ist die Basis für eine Vielzahl von

Magnesium - Gußlegierungen.


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Tabelle 3: Eigenschaften von Magnesium und Aluminium

2.3


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Magnesiumgusslegierungen

Die Magnesiumgußlegierungen lassen sich anhand ihrer Hauptlegierungselemente

in drei Legierungsgruppen unterteilen. Den Hauptanteil besitzen hierbei die

aluminiumhaltigen Legierungen. Daneben gibt es die Gruppe der zinkhaltigen

Legierungen und solche Legierungen, die Seltene Erden und/oder Zirkon enthalten.

Des Weiteren existieren Legierungen, die Thorium zur Verbesserung von

Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit enthalten. Diese Legierungen können

aufgrund ihrer schwachen Radioaktivität nicht als allgemein anwendbare

Konstruktionswerkstoffe eingesetzt werden. Ihre Anwendung ist einigen speziellen

Bauteilen in der Kern- und Wehrtechnik vorbehalten. Die Verarbeitung der

Magnesiumgußlegierungen erfolgt vorwiegend im Sandguß und Druckguß.

2.3.1 Legierungen mit Aluminium als Hauptlegierungselement

Diese Legierungsgruppe umfaßt die am häufigsten verwendeten Gußlegierungen.

Aluminium bildet mit Magnesium ein doppelt eutektisches System, bei dem auf der

Mg-reichen Seite ein Mischkristall mit einer maximalen Löslichkeit von 12,6 Gew.%

bei 437 °C existiert. Dieser steht mit der intermediären Phase Mg17AI12 im

Gleichgewicht. Die Zugabe des Aluminiums zum Mg-Mischkristall führt zu einer

beträchtlichen Festigkeitssteigerung bei gleichzeitig leicht verbesserter Duktilität. Des

Weiteren führt das Aluminium zu einer Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit

des Magnesiums. Aluminiumhaltige Legierungen besitzen in der Regel ein

ausreichend feinkörniges Gefüge, das die Zugabe kornfeinender Legierungsele-

mente überflüssig macht.

Allen aluminiumhaltigen Mg-Legierungen wird zusätzlich bis zu 0,5 % Mangan

zugesetzt. Mangan bildet mit Aluminium eine intermediäre Phase, in die eventuell in

der Legierung enthaltenes Eisen eingebaut wird. Hierdurch steigt die

Korrosionsbeständigkeit des Magnesium-Mischkristalls stark an. Legierungen des


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Typs AM, die nur AI und Mn als Legierungselemente enthalten besitzen einen

großen Marktanteil auf dem Gebiet der Magnesiumdruckgußlegierungen.

Die wichtigste Gruppe der Magnesiumgußwerkstoffe stellen jedoch die Legierungen

vom Typ AZ dar. Neben den oben genannten Elementen enthalten sie noch bis zu 1

Gew.% Zink, das sowohl die Festigkeit als auch die Duktilität geringfügig steigert.

Diese im Vergleich zu anderen Mg-Werkstoffen sehr preisgünstigen Legierungen

besitzen bei Raumtemperatur ein gutes Eigenschaftsprofil, zeigen jedoch bereits bei

Temperaturen oberhalb 100 °C starke Einbußen in der Festigkeit. Die Legierung AZ

91 nimmt heute den größten Anteil der industriellen Anwendungen ein. Diese

Legierung kann sowohl im Sandguß als auch im Druckguß verarbeitet werden.

Im Rahmen der Entwicklung ähnlich preiswerter Magnesiumdruckgußlegierungen

wurde zur Erhöhung der Warmfestigkeit Zink durch Silizium oder Selten Erden

ersetzt, wobei gleichzeitig der Aluminiumgehalt gesenkt wurde. Dies führte zur

Entwicklung der Legierungsgruppen AS und AE, die heute fast ausschließlich im

Druckguß verarbeitet werden.

2.3.2 Legierungen mit Zink als Hauptlegierungselement

Neben den aluminiumhaltigen Legierungen gibt es als weitere wichtige Gruppe die

Legierungen mit Zink als Hauptlegierungselement. Hier gibt es die

Legierungsgruppen ZK, ZC und ZE. In den ZK-Legierungen ist neben 5 - 6 Gew.%

Zink nur Zirkon (< 0,7 Gew.%) als Legierungselement enthalten, das eine stark

kornfeinende Wirkung besitzt. Die wichtigste Legierung der ZC-Gruppe enthält

neben 6 Gew.% Zn bis zu 3 Gew.% Cu. Kupfer bildet mit Mg und Zn ternäre

Ausscheidungsphasen, die zur Erhöhung der Warmfestigkeit beitragen. Die

Legierungen des Typs ZE enthalten bis zu 3 Gew.% Seltene Erden, die über die

Bildung hoch magnesiumhaltiger Ausscheidungen zu einer deutlichen Verbesserung

sowohl der Raumtemperatur- als auch der Hochtemperaturfestigkeiten führt.

2.3.3


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Legierungen mit seltenen Erden und/oder Zirkon als

Hauptlegierungselement

Im Rahmen der Entwicklung warmfester und kriechbeständiger

Magnesiumwerkstoffe kam es zu der Entwicklung von Legierungen die mit Metallen

aus der Gruppe der Seltenen Erden (SE) legiert sind (ZE, QE und WE). Nachdem

anfänglich Cer als Legierungselement verwendet wurde, werden heute vorwiegend

Mischungen der schwereren Seltenen Erden verwendet, die hauptsächlich Neodym

und Praseodym enthalten. Die Seltenen Erden bilden mit Magnesium binäre

Verbindungen der Typen Mg12SE, die einen hohen Anteil an Mg besitzen. Hierdurch

lassen sich im Rahmen einer Wärmebehandlung zur Ausscheidungshärtung bereits

mit niedrigen Legierungsgehalten große Mengen der festigkeitssteigernden

Ausscheidungen bilden. Diese Ausscheidungen sind zusätzlich stabil gegen

Überalterung, sodaß auch bei erhöhten Einsatztemperaturen die Festigkeit nur

relativ gering abfällt. Diese temperaturbeständigen Ausscheidungen sorgen in

Verbindung mit ebenfalls stabilen Korngrenzausscheidungen für eine deutlich

verbesserte Kriechbeständigkeit. Da die Seltene Erden enthaltenden Legierungen

stark zu Grobkornbildung neigen, enthalten sie ca. 0,7 Gew.% Zirkon zur Korn-

feinung. Die oben bereits erwähnten Legierungen des Typs ZE besitzen eine mittlere

bis hohe Raumtemperaturfestigkeit (300 MPa für ZE 63), während die

Hochtemperatureigenschaften nur geringfügig über denen anderer Zn-haltigen

Legierungen liegt. Deutlich besser liegen die Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit

der Silber enthaltenden Legierungen vom Typ QE, wobei jedoch die

Raumtemperaturfestigkeiten nicht wesentlich oberhalb der Al- oder Zn-haltigen

Legierungen liegen. Hier bildet das Silber mit Magnesium und Seltenen Erden kom-

plexe Ausscheidungsphasen. Eine weitere Steigerung der

Hochtemperatureigenschaften konnte durch die Verwendung von Yttrium als

Legierungselement erzielt werden. Hierdurch wurden gleichzeitig die Korrosions- und

die Oxidationsbeständigkeit erhöht. Zum heutigen Zeitpunkt stellen die Legierungen

WE 54 und WE 43 die kriechbeständigsten und warmfestesten kommerziell

erhältlichen Magnesiumlegierungen dar. Diese Legierungen können bei


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Temperaturen bis zu 250 °C eingesetzt werden, was lediglich von den aufgrund ihrer

schwachen Radioaktivität nicht universell anwendbaren thoriumhaltigen Legierungen

übertroffen wird. Der entscheidende Nachteil der Y-haltigen Legierungen liegt jedoch

in ihrem ausgesprochen hohen Preis, der mit 50,- – 55,- DM/kg etwa das zehnfache

der AZ-Legierungen beträgt. Dies führte bisher nur zu einer geringen Zahl

technologischer Anwendungen und läßt diese Legierungen für Großserienbauteile

nicht wirtschaftlich erscheinen.

Tabelle 4: Zusammensetzung der europäisch genormte Magnesium-Gußwerkstoffe


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Tabelle 5:Werkstoffdaten verschiedener Mg-Legierungen


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2.4 Magnesiumknetlegierungen

Aufgrund seiner hexagonalen Struktur kann Magnesium bei Raumtemperatur nur

geringfügig verformt werden, da im Kristallgitter nur die Basisebene als Gleitebene

zur Verfügung steht. Eine Verarbeitung als Knetlegierung erfordert daher

Temperaturen deutlich oberhalb von 225 °C, da erst dann weitere Gleitsysteme

angesprochen werden können. Aus diesem Grund werden Mg-Legierungen

vorwiegend durch Strangpressen verarbeitet. Des Weiteren ist auch Schmieden oder

Warmwalzen möglich, was aber weitaus seltener eingesetzt wird.

Die Einteilung der Knetlegierungen erfolgt in die gleichen Legierungsgruppen wie bei

den Gußlegierungen. Bei den aluminiumhaltigen Legierungen beschränkt sich

jedoch der Al-Gehalt auf maximal 8 Gew.%, da die Legierungen sonst durch das

Auftreten der Phase Mg17A12 zu spröde für einen Umformprozeß werden. Aus der

Gruppe der zinkhaltigen Legierungen existiert die Knetlegierung ZC 71, die die

höchsten Raumtemperaturfestigkeiten der konventionellen Mg-Legierungen aufweist.

Zur Zeit gibt es von einem Hersteller Bestrebungen, die hochwarmfesten

Legierungen WE 54 und WE 43 als Knetlegierungen am Markt zu etablieren.

2.4.1


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Legierungskennzeichnung von Mg-Werkstoffen

In der Regel werden die Legierungsbezeichnungen nach ASTM, bestehend aus zwei

Buchstaben und zwei Ziffern, verwendet. Hierbei stehen die Buchstaben für die

beiden Hauptlegierungselemente, während die Ziffern den jeweiligen

Legierungsgehalt gerundet auf 1 Gew.% angeben, z.B. AZ61 besteht aus

Magnesium legiert mit 6% Aluminium und 1% Zink.

A Aluminium H Thorium R ChromB Wismut K Zirkon S SiliziumC Kupfer L Lithium T ZinnD Cadmium M Mangan W YttriumE s e l t e n e

ErdenN Nickel Y Antimon

F Eisen P Blei Z ZinkG Magnesium Q Silber

Tabelle 6:Ziffern der Hauptlegierungselemente

Zusätzlich werden hier noch Buchstaben bzw. Ziffern zur Kennzeichnung des

jeweiligen Wärmebehandlungszustandes angehängt. Die nachfolgende Tabelle

stellt die Kennzeichnungen der häufig vorkommenden Legierungszustände dar:

F T4 T5 T6Wie hergestellt Lösungsgeglüht

(homogenisiert)Nach Herstellung nurausscheidungsgehärtet

Lösungsgeglüht undausscheidungsgehärtet

Tabelle 7:Kennzeichnung der Legierungszustände


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Intern.Bezeichnung

chem. Zusammensetzung Rp0.2 / Rm (Mpa) Materialeigenschaften

M 2 Mg-2Mn 160 / 215AZ 31 Mg-3Al-1Zn 160 / 240AZ 61 Mg-6Al-1Zn 190 / 270AZ 80 Mg-8Al-0,5Zn 215 / 300ZK 30 Mg-3Zn-0,6Zr 215 / 300 sehr gute

SchmiedeeigenschaftenZK 60 Mg-6Zn-0,6Zr 235 / 315WE 43 Mg-4Y-3R.E.-0,5Zr 160 / 260W 54 Mg-5,25Y-3,5R.E.-0,5Zr 180 / 280

Tabelle 8:Zugfestigkeit von verschiedenen Mg-Legierungen

3 Metallmatrix – Verbundwerkstoffe auf Magnesiumbasis

Um die mechanischen, aber auch die Thermischen Eigenschaften von

Magnesiumwerkstoffen über das durch die Beschriebene Legierungsbildung möglich

maß zu verbessern, kann in den metallischen Matrixwerkstoff eine

Verstärkungskomponente eingelagert werden. Diese Verstärkungskomponenten

lassen sich zunächst in zwei Kategorien Einteilen:

Kontinuierliche Verstärkungskomponenten

D i s k o n t i n u i e r l i c h e V e r s t ä r k u n g s k o m p o n e n t e n

Unter Kontinuierlichen Verstärkungskomponenten werden lange Fasern verstanden,

die besseren Handhabung zu Strängen, Geweben, Matten oder Vlies

zusammengefaßt sind. Kurzfaser, Whisker und Partikel werden als Diskontinuierliche

Verstärkungskomponenten bezeichnet. Häufig werden keramische Materialien wie

Oxide, Karbide und Nitride Verwendet. Eine Einlagerung der

Verstärkungskomponente erfolgt in das Feste

( Diffusionsschweißen, Pulvermetallurgie ) oder Schmelzflüssige Matrixmetall

( Infiltration, Squeeze Casting, Rheocasting ).

Am Beispiel von MELRAM 072TS dient als Matrixmaterial die

Magnesiumknetlegierung ZC91 mit einem Anteil einer Keramischen


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Verstärkungskomponente ( SiC ) von 12 Volumenprozent.

Zn Cu Mn SiC Partikelgröße

MELRAM 072TS 6,5 % 1,3 % 0,8 % 12 Vol. % 10 m

Tabelle 9:Zusammensetzung von MELRAM 072 TS

Werkstoff MELRAM 072TSVickershärte HV 87

Dichte [ g/cm3 ] 2,0

Zugfestigkeit Rm [ MPa ] 398

Bruchdehnung A5 [ % ] 0,8

Elastizitätsmodul E [ GPa ] 63

Schmelztemperatur [ °C ] 455

Wärmeausdehnung [ K-1 18,5 * 10-6

Tabelle 10:Festigkeitskenndaten von MELRAM 072 TS

4


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Schweißen von Magnesiumwerkstoffen

4.1 Laserstrahlschweißen

Heute werden grundsätzlich zwei Arten der Laserstrahlerzeugung für technische

Anwendungen eingesetzt. Dies sind zum einen Laser mit einem gasförmigen

Lasermedium wie z. B. die CO2 , HeNe- oder Excimerlaser. Die zweite Gruppe

verwendet kristalline Lasermedien wie z. B. die Rubin- oder Nd:YAG Laser

(Festkörperlaser). In neuerer Zeit ist hierzu ein weiterer Lasertyp gekommen, der die

Laserstrahlung über lichtemittierende Halbleitermaterialien erzeugt, die sogenannten

Diodenlaser.

Allen Lasertypen haben einige wichtige Aspekte gemeinsam, die erst ihren Einsatz

als Werkzeug in der Materialbearbeitung ermöglichen. Da ist zuerst die Emission

einer monochromatischen kohärenten Strahlung, die es theoretisch ermöglicht, den

Strahl bis auf einen Durchmesser entsprechend der jeweiligen Wellenlänge zu

fokussieren. In der Praxis erreichen die erzielbaren Fokusdurchmesser je nach

Lasertyp Werte von einigen bis zu mehreren 100 m. Dies ermöglicht sowohl die

Materialbearbeitung im Mikrobereich als auch die Erzielung extrem hoher

Energiedichten von bis zu 1010 W/cm2. Ein weiterer Vorteil ist die geringe Divergenz

des erzeugten Laserstrahls, wodurch der Transport des Strahls auch über Strecken

von mehreren Metern ohne eine signifikante Strahlaufweitung ermöglicht wird. Der

Aufbau einer Laserbearbeitungsstation besteht in der Regel aus drei Baugruppen.

Da ist zuerst die eigentliche Strahlquelle (Laserkavität) mit der dazugehörigen

Peripherie wie Energieversorgung, Gasversorgung und Kühlung. Die zweite

Baugruppe umfaßt Komponenten zur Strahlführung an den Bearbeitungsort und zur

Strahlformung (Fokussierung oder Erzeugung bestimmter Brennfleckgeometrien).

Die dritte Gruppe ist eine Einheit zur Realisierung der Bewegung von Laserstrahl und

Bauteil in Verbindung mit einer Steuerungseinheit. Dies kann ein CNC-gesteuerter

Koordinatentisch oder ein Bearbeitungsroboter sein. Die Steuereinheit übernimmt

dabei in der Regel auch die Koordinierung zwischen der Strahlfreigabe und dem


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Bearbeitungsprozeß (gleichzeitige Steuerung von Laser und Bewegungseinheit über

ein Programm). Abb. 2 zeigt den typischen Aufbau einer solchen

Laserbearbeitungsstation, der jedoch mit der Art des eingesetzten Lasertyps und der

durchzuführenden Bearbeitungsprozesse stark variiert.

Die oben genannten Lasertypen unterscheiden sich zunächst einmal durch die

Wellenlänge der emittierten Laserstrahlung. Während alle Lasertypen gepulst

betrieben werden können, so ist nur bei den CO2- und den Nd:YAG-Lasern ein

kontinuierlicher Betrieb möglich. Bei den gepulst betriebenen Lasern gibt es

zusätzlich deutliche Unterschiede in der Pulslänge, der Wiederholfrequenz und der

erzielbaren Pulsenergie.

Abbildung 2:Schematischer Aufbau einer Laserschweißmaschine

Der bisher am weitesten entwickelte Lasertyp ist der CO2 Laser. Er besitzt eine

Wellenlänge von 10,6 m und emittiert somit Laserstrahlung im unsichtbaren fernen

Infrarotbereich. Dieser Lasertyp ist heute mit Ausgangsleistungen bis zu 25 kW


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kommerziell erhältlich, es existieren aber bereits Prototypen mit Ausgangsleistungen

deutlich über 100 kW. Von allen zur Zeit in der Materialbearbeitung eingesetzten

Lasertypen besitzen die CO2 Laser mit Werten von über 10 % nach den neu

entwickelten Diodenlasern die höchsten Wirkungsgrade im Bezug auf die zur

Strahlerzeugung aufgewendete Energie.

Der entscheidende Vorteil der industriell eingesetzten CO2 Laser liegt heute neben

der hohen verfügbaren Leistung und den verhältnismäßig hohen Wirkungsgraden

besonders in der im Vergleich zu den anderen Lasertypen außerordentlich hohen

Strahlqualität. Sie weisen aber gegenüber den konkurrierenden Systemen auch

einige Nachteile auf. So ist zum Beispiel der Absorptionsgrad der erzeugten

Wellenlänge bei Aluminium oder Kupfer extrem gering, sodaß bei dessen

Bearbeitung ein Großteil der aufgebrachten Laserstrahlung reflektiert wird. Dies

bedeutet, daß für die Bearbeitung dieser Werkstoffe der Einsatz von Hilfsmitteln zur

Verbesserung der Absorption notwendig wird. Dies geschieht über das Aufbringen

absorbierender Schichten (z. B. Graphit) oder die Aufrauung der Oberfläche (z. B.

durch Sandstrahlen). Der Absorptionsgrad für die Wellenlänge des C02 Lasers bei

den in dieser Arbeit untersuchten Magnesiumbasiswerkstoffen ist in der Literatur

nicht angegeben. Er dürfte aber aufgrund der bei den hier durchgeführten Versuchen

beobachteten Wechselwirkungsprozesse im Bereich zwischen den Werten von

Aluminium und Eisenbasiswerkstoffen liegen.

Ein weiterer Nachteil der erzeugten Wellenlänge ist die Tatsache, dass nur durch

spezielle Linsen (bei niedrigeren Leistungen) oder über aufwendig zu fertigende

Kupferspiegel geführt und fokussiert werden kann, die noch einer Kühlung bedürfen.

Hierdurch sind die Abmessungen der Bearbeitungsoptiken zur Ausbringung eines

entsprechend geformten und fokussierten Laserstrahles relativ groß, sodaß eine

Automatisierung der Fertigung z. B. mit entsprechenden Robotern sehr aufwendig

ist. Somit stellt die langwellige Strahlung hier den entscheidenden Nachteil dar, da

die CO2 Laserstrahlung nicht wie bei anderen Lasersystemen durch flexible

Lichtleitfasern an den Bearbeitungsort geführt werden kann. Die bei gepulst


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betriebenen CO2 Lasern erzielbare Pulsleistung liegt heute bei einigen 10 kW, was

deutlich geringer ist als bei den anderen Lasersystemen.

Der Nd:YAG-Laser hat gegenüber dem CO2 Laser zwei entscheidende Vorteile.

Diese liegen zum Einen in der kürzeren Wellenlänge von 1,06 m begründet.

Hierdurch liegt einerseits der Absorptionsgrad bei Aluminium und Kupfer deutlich

höher als bei der Wellenlänge des CO2 Lasers. Andererseits ermöglicht diese

Wellenlänge auch den Strahltransport über entsprechende Lichtleitfasern was die

Integration dieses Lasertyps in die automatisierte Fertigung wesentlich erleichtert.

Ein anderer Vorteil des Nd:YAG-Lasers ist die im gepulsten Betrieb ermöglichte

Pulsleistung von einigen 100 kW. Dies führt zu deutlich anderen Möglichkeiten der

Wechselwirkung mit den zu bearbeitenden Materialien. So wird beispielsweise beim

Schweißen von Al-Legierungen die dort immer vorhandene Oxidschicht durch hohe

Pulsenergien besser aufgebrochen als mit einem Laser im cw-Betrieb.

Als Hauptnachteil der Nd:YAG-Laser ist hier der relativ niedrige Wirkungsgrad von

2-5 % zu nennen. Die Ursache hierfür liegt in der Anregung der Laserstäbe durch

Blitzlampen (optisches Pumpen) mit einer geringen Strahlungsausbeute. Dieser

Nachteil wurde in jüngster Zeit jedoch durch die Verwendung von Laserdioden zum

optischen Pumpen beseitigt. Hiermit lassen sich Wirkungsgrade von bis zu 20 %

erzielen. Auch die bislang als Nachteil dieses Lasertyps angesehene schlechtere

Strahlqualität konnte im Lauf der letzten Jahre durch umfangreiche Maßnahmen der

Laserhersteller deutlich verbessert werden.

Auf die ebenfalls in der Materialbearbeitung eingesetzten Excimerlaser soll an dieser

Stelle nicht näher eingegangen werden, da aufgrund ihrer Eigenschaften das

Laserschweißen mit diesem Lasertyp nicht realisieren ist.

Die jüngste Entwicklung auf dem Gebiet der Laserstrahlerzeugung sind die

Diodenlaser. Zur Strahlerzeugung bedient man sich hier lichtemittierender


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Halbleiterwerkstoffe (z. B. AlGaInP) in Form mikroskopisch kleiner Dioden. Von

diesen wird dann eine größere Anzahl zu sogenannten Paketen zusammengefaßt.

Die Fokussierung erfolgt hier durch mikroskopisch feine Linsen, mit denen jedes

einzelne Diodenpaket versehen wird. Zur Erzeugung der entsprechenden

Ausgangsleistungen werden dann mehrere dieser Pakete zu einer Lasereinheit

zusam mengefaßt. Dies ermöglicht heute bereits die Herstellung von

Diodenlasern mit Ausgangsleistungen im Kilowattbereich. Neben der geringen

Wellenlänge im Bereich um 650 nm, die den Strahltransport über Lichtleitfasern

ermöglicht, stellen vor allem die geringen Abmessungen der Diodenlaser einen

entscheidenden Vorteil dar. Dieser Lasertyp wird zur Zeit besonders für

Fügevorgänge im mikroskopischen aber auch bereits im makroskopischen Bereich

eingesetzt.

Die nachfolgende Tabelle stellt noch einmal die wichtigsten Eigenschaften der in der

Materialbearbeitung eingesetzten Lasertypen gegenüber:

Tabelle 11: Eigenschaften der verschiedenen Lasertypen


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Tabelle 12:Technologische Kennwerte von Laserstrahlschweißamarturen

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Herstellung und Eigenschaften stranggepreßter undgeschmiedeter Magnesium-Bauteile

Magnesium ist als Konstruktionswerkstoff zwar in Rheinheiten bis zu 99,8%

verfügbar, findet jedoch in unlegierter Form nur selten Verwendung. Für technische

Anwendungen müssen bestimmte Eigenschaftsprofile erfüllt werden, die sich nur

durch Zulegieren einstellen lassen. Als Legierungselemente werden deshalb

hauptsächlich Aluminium, Zink, Mangan, Zirkon, Seltene Erden, Yttrium und Silber

zugesetzt, die über Mischkristall- oder Ausscheidungshärtung zu einer

Eigenschaftsverbesserung beitragen.

Bei der Herstellung von Bauteilen aus Magnesium-Werkstoffen dominiert derzeit das

Druckgußverfahren, das insbesondere die guten Fließ- und

Formfüllungs-eigenschaften dieser Legierungen nutzt. Andere

Verarbeitungsverfahren wie Strangpressen und Schmieden haben dagegen nur eine

untergeordnete Bedeutung, da sich beim Umformen keine Spezifischen

Verarbeitungsvorteile gegenüber Konkur-renzwerkstoffen (z:B:Aluminium) ergeben

und deshalb der hohe Werkstoffpreis überwiegend kostenbestimmend ist. Von daher

ist der Einsatz umformtechnisch hergestellten Bauteilen aus Magnesiumlegierungen

bislang auf Einzelanwendungen beschränkt.

Das Verformungsverhalten metallischer Werkstoffe wird maßgeblich durch die

Anzahl verfügbarer Gleitebenen bestimmt. Aufgrund seiner hexagonal dichtest

gepackten (hdp)-Kristallstruktur verfügt der Magnesiumkristall bei Raumtemperatur

mit der (0001)-Basisfläche nur über eine Gleitebene, weshalb die

Verformungsfähigkeit entsprechend stark eingeschränkt ist. Um aber eine für

technische Umformprozesse ausreichende Verformungsfähigkeit zu erreichen,

müssen zusätzliche Gleitebenen aktiviert werden, was durch Erwärmung auf

Temperaturen oberhalb von 220 °C möglich ist.


- 26 -

Das Fließverhalten von Magnesium-Werkstoffen läßt sich durch Drei Phasen

beschreiben:

I. Kristallgleitung erfolgt fast ausschließlich über die Basisflächen, d.h. nur die

besonders günstig orientierten Kristalle nehmen die Verformungsarbeit auf

II. Fließen des gesamten Kristallkonglomerates

III. Reduzierung des Fließvermögens durch zunehmende Verfestigung

Aus diesem Zusammenhang wird deutlich, daß den Parametern Korngröße,

Umformtemperatur und Umvormgeschwindigkeit maßgebliche Bedeutung zukommt,

zumal sich diese Faktoren im Gegensatz zu kubischen Metallen bei

Magnesiumlegierungen in sehr viel engeren Grenzen bewegen müssen. Dadurch

erhalten die Umfromprozesse ein hohes Maß an kostenbeeinflussender Komplexität,

insbesondere im Vergleich zum konventionellen Druckguß. Allerdings besitzen

umgeformte Magnesiumknetlegierungen auch besondere Vorzüge, wie z.B.

Druckdichtheit durch lunker- und porenfreie Gefüge sowie ausgezeichnete

mechanische Eigenschaften, die sich durch spezielle thermo-mechanische

Behandlungen einstellen lassen (vgl.Abb. 3 und Tabelle 1).

Abbildung 3:Dehngrenzen von Guß- und Knetlegierungen


- 27 -

InternationaleBezeichnung

ChemischeZusammensetztung

Zugversuchs--kennwerteRp0,2/Rm/A5(Mpa/Mpa/%)

Merkmale

M2 Mg-2Mn 160/215/4 Strangpreßlegierung für hohePreßleistung mit guterSchweißbarkeit undKorrisionbeständigkeit

Az 31 Mg-3Al-1Zn 160/240/10 Strangpreß- undSchmiede-legierungen mitgünstiger Festigkeit undDuktilität in Kombination und alsHP-Typ mit VerbesserterKorrosionsbeständigkeit

Az 61 Mg-6Al-1Zn 190/270/9Az 80 Mg-8Al-0,5Zn 215/300/8

ZK 30 Mg-3Zn-0,6Zr 215/300/9 hervorragendeSchmiedefähigkeitZK 60 Mg-6Zn-0,6Zr 235/315/8

WE 43 Mg-4Y-3R.E.-0,5Zr 160/260/6 Strangpreß- undSchmiedelegierung mit gutemWarmfestigkeitsverhaltenWE 54 Mg-5,25Y.3,5R.E.-0,5Zr 180/280/6

Tabelle 13:Magnesiumknetlegierung für Strangpreß- und Schmiedeprodukte

Vor diesem Hinergrund gibt die vorliegende Zusammenfassung einen Überblick über

Herstellung und Eigenschaften von Strangpreß- und Schmiedeprodukten sowie

Bei-spiele für technische Anwendungen in unterschiedlichen Einsatzbereichen.

III.1


- 28 -

Herstellung des Strangpreß- und Schmiedevormaterials

Fast alle Magnesium-Knetlegierungen werden über ein Wasserstranggußverfahren,

wie es bevorzugt auch für Al-Knetlegierungen Anwendung findet, zu Strangpreß- und

Schmiedevormaterials abgegossen. Dabei wird sowohl mit dem klassischen Düsen-

Schwimmer-Verfahren als auch mit dem Hot-Top-Verfahren gearbeitet.

Gegenüber Aluminium ergeben sich beim Schmelzen und Gießen von Magnesium

folgende Besonderheiten:

durch Einsatz von Salz und Schutzgas muß die

Magnesiumschmelze aufgrund ihrer hohen Affinität zu

Sauerstoff vor Oxidation geschützt werden,

durch eine Absetzbehandlung kann bei vielen

Mg-Legierungen das korrosionsfördende Elemente Fe

auf Gehalte bis zu 0,001% reduziert werden,

durch Zugabe von kohlenstoffhaltigen Mitteln in

MgAlZn-Legierungen bzw. Zugabe von Zr in

MgZn-Legierungen können feinkörnige Gußgefüge

eingestellt werden.

Unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen lassen sich zylindrische Stangen

mit Durchmessern bis zu 500 mm herstellen, die in der Regel für die nachfolgende

Umformung durch Strangpressen bzw. Schmieden überdreht und homogenisiert

werden.

III.2


- 29 -

Strangpressen von Magnesiumwekstoffen

III.2.1Legierungen und Grundlagen

Mg-Knetlegierungen lassen sich nach einem Vergleichbaren Ablauf wie

Al-Werkstoffe strangpressen. Im Industriellen Einsatz findet heute durchweg das

direkte Strangpreßverfahren ohne Schmiermittel mit Schale Anwendung. Wie bei

Al-Werkstoffen sind die Werkzeuge als Flachmatrize ausgelegt, durch die sich beim

Pressen eine „tote Zone“ vor dem Werkzeug ausbildet. Schale und „tote Zone“

gewährleisten Saubere metallische Profiloberflächen.

Die typischen Blocktemperaturen beim Strangpressen von Mg-Legierungen liegen in

einem Bereich von 300 bis 400 °C. Dabei ist es aufgrund der geringen

Wärmekapazität der Mg-Legierungen notwendig, daß auch die Temperaturen von

Rezipient und Werkzeug auf diesem Niveau liegen (isotherme Arbeitsweise). Die

Grenzen für die obere Blocktemperatur und Preßgeschwindigkeit werden durch den

Beginn der Warmrißbildung festgelegt. Die untere Bolzentemperatur resultiert in der

Regel aus dem verfügbaren Pressdruck und sollte zur Gewährleistung einer

hinreichenden Umformbarkeit der Mg-Legierungen einen Grenzwert von 300 °C nicht

U n t e r s c h r e i t e n .

Für Strangpreßprodukte werden im allgemeinen die M-, AZ- und ZK-Legierungen

eingesetzt, während bei besondern Anforderungen an die Warmfestigkeit

WE-Legierungen bevorzugt werden. Von diesem Legierungsspektrum finden vor

allem die AZ-Legierungen breite Verwendung, da diese bei Raumtemperatur eine

günstige Eigenschaftskombination aufweist. Mit der Legierung AZ 31 lassen sich

dabei z.B. ohne weiteres Preßgeschwindigkeiten bis 20 m/min erzielen, die mit

ansteigendem Legierungszusatz (z.B. in AZ 80) bis um Faktor 10 abfallen können.

III.2.2


- 30 -

Der Strangpreß-ProzessBei Mg-Profilen können wie auch bei Al-Profilen die Querschnitte in weiten Grenzen

frei gestaltet werden. Unter dem Gesichtspunkt einer Einteilung der

Querschnittsgestaltung nach Schwierigkeitsgrad werden Vollprofile und Hohlprofile

unterschieden.(Abb.4).

Abbildung 4:Stranggepreßte Profile

Zu den Vollprofilen zählen Stangen und geometrische Querschnittsformen ohne

eingeschlossene Flächen, die mit Flachmatrizen-Werkzeugen gepreßt

werden.Hohlprofile mit einer Hohlkammer werden zum einen durch Strangpressen

über Dorn hergestellt.(Abb.7).

Abbildung 5:Flachmatrizenwerkzeuge


- 31 -

Für die Legierungen M2, AZ 31 und bedingt AZ 61 findet auch das Pressen über

Kammerwerkzeug Anwendung. Die Außenkontur wird dabei wie bei Vollprofilen von

der Matrize geformt. Die Erzeugung der Innenkontur der Hohlkammer erfolgt im

Kammerwerkzeug über Dorn, der sich über Brücken auf der Matrize abstützt (vgl.

Abb. 5). Der Stranggußbolzen muß sich beim Preßvorgang an diesen Brücken in

mehrere Materialstränge teilen, die sich in den dahinterliegenden Kammern

(„Schweißkammern") wieder vereinigen und durch die Öffnung zwischen Dorn und

Matrize zum Profil geformt werden. Die Verbindung der Materialteilstränge erfolgt

durch Preßschweißen. Da die Schweißkammern mit Metall gefüllt sind und somit

kein Luftsauerstoff Zutritt hat, wird eine Oxidhautbildung vermieden. Die bei

Hohlprofilen immer vorhandenen Strangpreßnähte zeichnen sich dabei aufgrund

guter Verschweißbarkeit des Magnesiums durch hohe Qualitätsstabilität aus und

sind von daher nur bei Gefügeuntersuchungen sichtbar. Mit dieser Verfahrensweise

können wie bei AlMgSi-Legierungen Hohlprofile

mit mehreren geschlossenen Hohlkammern,

mit sehr dünnen Wandstärken (bis min. 1mm) und geringen

Wanddickentoleranzen sowie

mit komplizierten Kammerformen dargestellt werden.

Durch einen Reckvorgang werden die Profile nach dem Strangpressen in der Länge

gerichtet. Dieser Vorgang erfolgt in der Regel bei 200-300 °C, um insbesondere bei

komplizierten Querschnitten eine Hinreichende Duktilität zu gewährleisten.

III.2.3


- 32 -

Wärmebehandlung

Eine Wärmebehandlung auf den Zustand T 5, d.h. Warmaushärten, bzw. auf den

Zustand T 6, d.h. Lösungsglühen und Warmaushärten wird bevorzugt bei den

Legierungen ZK 60, WE 43 und WE 54 vorgenommen. In Profilen aus

ZK-Legierungen resultiert aus der Behandlung eine zunehmende Isotropie der

Festigkeitseigenschaften und ein Anstieg der Duktiliät. Profile aus WE-Legierungen

ändern mit der Behandlung ihre Eigenschaften bei Raumtemperatur nur

unwesentlich, zeigen aber bei erhöhter Betriebstemperatur eine größere

Temperaturstabilität.

Auch die Legierungen AZ61 und AZ80 haben die Voraussetzungen für eine

Aushärtung. Im Zustand T5 und T6 ist bei mäßigem Festigkeitsanstieg allerdings ein

hoher Duktilitätsverlust feststellbar. Da sich im Preßzustand das Verhältnis von

Festigkeit und Duktilität sehr viel günstiger darstellt, wird auf eine Wärmebehandlung

der MgAlZn-Legierungen deshalb im allgemeinen verzichtet.

III.2.4Biegen

Das Biegen von Mg-Profilen bei Raumteperatur ist nur eingeschränkt möglich, da die

Verformung konzentriert über wenige Gleitebenen abläuft. Die Grenzen in

Abhängigkeit von der Legierung gibt Tabelle 7 am Beispiel einer Rundstange wieder.

Legierung BiegewinkelD=d D=5d

M2AZ31AZ61AZ80

26773330

2618018077

Tabelle 14: Biegen von Rundstangen mit 20mm aus VerschiednenMg-Knetlegierungen bei Raumtemperatur

III.3


- 33 -

Mechanische Eigenschaften von Strangpreßprofilen

III.3.1Festigkeit

Legierung Zust. Zug(L) Druck(L) Zug(T)Rp0,2(Mpa)

Rm(Mpa)

A5(%)

Rp0,2 (D)(Mpa)

Rp0,2(Mpa)

Rm(Mpa)

A5(%)

M2 F 180 250 4 110 50 150 3AZ31 F 180 250 14 110 110 225 13AZ61 F 220 300 12 130 137 294 12AZ80 F 240 340 10 145 170 323 11ZK30 T6 240 290 14 190 220 280 16ZK60 T6 280 320 12 230 250 310 14WE43 T6 170 260 12 165 165 250 14WE54 T6 190 280 10 180 185 275 13

Tabelle 15: Zug- und Druckfestigkeitswerte von Strangpreßprodukten aus verschiedneneMg-Knetlegierungen

Für eine erste Bewertung der Belastbarkeit von Werkstoffen werden in der Regel die

Zugvergleichskennwerte aufgeführt. Tabelle 4 zeigt typische Werte der Längs- und

Querrichtung von stranggepreßten Stangen, die unter Zugbelastung ermittelt

wurden. In Ergänzung zu den Zugwerten sind auch die Druckdehngrenzen für die

Längsrichtung der Profile aufgelistet. Ein Vergleich der Werte zeigt, daß sich Zug

und Druckwerte der Längsrichtung als auch die Zugwerte der Längs- und

Längstangetialrichtung deutlich voneinander unterscheiden. Während in

Längsrichtung unter Zugbelastung das Spektrum der Dehngrenzenwerte von

180-280 MPa und 250-320 MPa reicht, liegen bei Druckbeanspruchung in

Längsrichtung die Werte um 30-40% und bei Zugbelastung in Querrichtung um

20-40 % und im Fall von M2 sogar um 70 % niedriger. Ursächlich hierfür sind die

Verformungsmechanismen der hexagonalen Gitterstruktur.

Unmittelbare praktische Bedeutung haben vorgenannte Unterschiede für die

Berechnung der zulässigen Flächenpressung und Knicklast eines Profils. Den

unterschiedlichen Festigkeitswerten in Abhängigkeit von der Belastungsrichtung ist


- 34 -

hierbei besondere Beachtung zu schenken. Für besondere Anforderungen an die

Festigkeit bei erhöhten Temperaturen bis zu 300 °C eignen sich „Seltene Erden"

(z. B. Yttrium usw.) als Legierungselement, insbesondere in Verbindung mit einem

feinkörnigen Gefüge. So zeigt z. B. die mit Zr gefeinte Legierung WE 54 mit einem

Legierungszusatz von 9 % „Seltenen Erden" im Temperaturbereich von

Raumteperatur bis 300 °C eine nahezu konstante Festigkeit (Abb. 6). Die Festigkeit

der Legierungen aus der AZ- und ZK-Gruppe fällt dagegen von RT bis 300 °C

nahezu linear ab.


- 35 -

Abbildung 6:Warmzugversuchskennwerte von stranggepreßten Stangen

Auch auf das Kriechverhalten im Falle einer Langzeitbeanspruchung bei erhöhter

Temperatur wirken sich die „Seltenen Erden“ als Legierungselement äußerst günstig

aus, wie Abb. 7 am Beispiel der Legierung WE 54 im Vergleich zur Legierung AZ 80

verdeutlicht. Das Tieftemperaturverhalten von Magnesiumlegierungen kann

grundsätzlich ebenfalls als günstig beurteilt werden. Eine Sprödbruchneigung (vgl.


- 36 -

Übergangstemperatur bei krz-Stählen) wird bis zu Temperaturen von minus 200 °C

nicht beobachtet.

Abbildung 7: Kriechverhalten von stranggepreßten StangenIII.3.2ZähigkeitEine Aussage über die Empfindlichkeit eines Werkstoffs gegenüber Kerben kann

über das Bruchzähigkeitsverhalten gewonnen werden. Tabelle 5 zeigt

Bruchzähigkeitswerte von stranggepreßten Flachstangen aus den Legierungen

AZ80, AZ61, ZW3 und WE54, die in eigenen Untersuchungen nach ASTM E 399

ermittelt wurden. Von den aufgelisteten Knetlegierungen zeigen Vertreter der

AZ-Gruppen im Zustand F die günstigsten Werte, die allerdings immer noch unter

dem Wert von ausgehärteten Al-Legierungen, wie 6082-T6 und 7075-T6 liegen. Mit

Aushärtung der Mg-Legierungen fallen die Werte von AZ 80-T6 als auch von WE

54-T6 auf ein sehr mäßiges Niveau ab. Das heißt Magnesiumkomponenten zeigen

bei Vorliegen von inneren Fehlstellen und Anrissen ein weniger gutmütiges Verhalten

als Bauteile ins Al-Knetwerkstoffen.

III.3.3


- 37 -

Dynamische Festigkeit

Einen Eindruck über die dynamische Belastbarkeit von Magnesium-Knetlegierungen

geben im folgenden Ergebnisse, die ebenfalls in Untersuchungen an Längsproben

aus stranggepreßten Stangen im Umlaufbiegeversuchen ermittelt wurden. Wie

Tabelle 5 zeigt, liegt die Dauerfestigkeit von AZ 80 im Zustand F und T6 und von

ZK 60 und WE 54 im Zustand16 mit Schwingfestigkeitsamplituden von

140—160 Mpa durchweg auf dem Niveau der mittelfesten Al-Legierung AA 6082-T6

III.3.4AnwendungsbeispieleMagnesiumprofile bieten ein enormes Leichtbaupotential für die unterschiedlichsten

Anwendungsbereiche:

schnell laufende Komponenten mit wechselnder Bewegungsrichtung in

Computerhardware und Textil-, Druck- und Verpackungsmaschinen

Strukturprofile in Luft- und Raumfahrtgerät

Aggregategehäuse im Automobil- und Flugzeugbau sowie im militärischen

Bereich

Rahmenprofile für Koffer und Gepäckbehälter.

Gute Perspektiven mißt man in jüngster Zeit nicht nur den Mg-Profilen als

Einzel-komponente, sondern auch Mg-Profilen im System bei, wie z. B.

Profilrahmenstrukturen im Automobilbau, die mit schweißbaren Guß- und

Schmiedeteilen verbunden werden. Wenn dieses Konzept in den vielerorts

laufenden Vorentwicklungsprogrammen Erfolg zeigt, wird der Einsatz von

Magnesiumprofilen stark zunehmen.

6


- 38 -

Schmieden von Magnesium - Werkstoffen

Durch Anwendung der SchmiedetechnoIogie ergeben sich bei

Magnesiumlegierungen eine Reihe interessanter Vorteile im Vergleich zum weitläufig

eingesetzten Druckgußverfahren:

ausgezeichnete statische und dynamische Festigkeitseigenschaften,

insbesondere wenn die Hauptbeanspruchungsrichtung der Faserorientierung folgt

sehr gute Eigenschaften für Druckdichte Komponenten aufgrund der durch den

Schmiedeprozeß erzielten porenfreien Gefüge

6.1 Legierungen und Grundlagen

Für die Herstellung geschmiedeter Magnesium-Halbzeuge sind nur Legierungen mit

ausreichender Verformungsfähigkeit einsetzbar, so daß sich die Legierungsauswahl

vorwiegend auf die Systeme Mg-Al-Zn und Mg-Zn-Zr beschränkt. Daneben bieten

sich die sogenannten WE-Legierungen mit den Hauptlegierungselementen Yttrium

und anderen Seltenen Erden an, wenn gute Festigkeitseigenschaften bei erhöhten

Einsatztemperaturen gefordert werden. Einen allgemeinen Überblick sowie Hinweise

zur Verarbeitung der genannten Knetlegierungen gibt Tabelle 1. Als Vormaterial für

die Herstellung Von Schmiedeprodukten werden überwiegend hochreine

Mg-Legierungen (HP-Qualität) eingesetzt, die mit Hilfe spezieller Raffinier- und

Absetztechniken einen sehr geringen Fe- und Ni-Gehalt aufweisen und damit die

Voraussetzungen für einen hohen Korrosionswiderstand liefern. Die Herstellung

geeigneter Einsatzformate erfolgt mit dem halbkontinuierlichen Stranggußverfahren.

Der direkte Einsatz abgelängter Stranggußstutzen im Schmiedeprozeß ist nur

möglich, wenn das Gußvormaterial über eine ausreichende Feinkörnigkeit verfügt,

damit die notwendige Verformungsfähigkeit gewährleistet wird. Diese Voraussetzung

ist derzeit nur bei den ZK-Legierungen (Mg-Zn-Zr) erfüllt, bei denen unter

Verwendung spezieller Schmelz- und Gießtechniken die erforderliche Korngröße

reproduzierbar eingestellt werden kann. Allerdings empfiehlt sich im Einzelfall eine


- 39 -

Homogenisierung des Gußmaterials, insbesondere wenn bei komplizierteren

Gravuren höhere Anforderungen an das FIießvermögen gestellt werden. Aufgrund

ihrer begrenzten Verfügbarkeit in Kombination mit ihrem vergleichsweise hohen

Preis werden diese Werkstoffe leider nur für spezielle Anwendungsbereiche

eingesetzt.

Weit mehr Verwendung für die Herstellung von Schmiedeteilen finden Legierungen

auf der Basis Mg-Al-Zn (AZ), die sich sowohl durch vergleichsweise geringe

Werkstoffkosten als auch durch ausreichende Verfügbarkeit auszeichnen. Obwohl

AZ-Legierungen bereits beim Schmelz- und Gießprozeß einer Kornfeinung

unterzogen werden, können sie aufgrund ihrer gröberen, mehrphasigen

Gefügestruktur nicht im Gußzustand in der Schmiede eingesetzt werden. Von daher

ist ein vorheriges Strangpressen zwingend erforderlich, um ein feineres Gefüge

einzustellen. Dies ist in jedem Fall sinnvoll, denn mit abnehmender Korngröße kann

die Umformgeschwindigkeit und damit die Ausbringung gesteigert werden.

6.2 Der Schmiede-Prozeß

Die schmiedetechnische Verarbeitung von Magnesium stellt an die technische

Ausrüstung im wesentlichen die gleichen Anforderungen wie das Schmieden von

Aluminiumlegierungen. Aufgrund des begrenzten Verformungsvermögens von

Mg-Legierungen sind hydraulische Pressen empfehlenswert, da sie im Vergleich zu

mechanischen Pressen mit geringeren Umformgeschwindigkeiten arbeiten. Dadurch

wird die während der Warmumformung auftretende Kristallerholung als

diffusionsgesteuerter Prozeß begünstigt und eine Verbesserung der

Verformungsfähigkeit erreicht.

Einen weiteren Vorteil bieten hydraulische Pressen durch eine kontrolliertere

Prozeßführung hinsichtlich Umformgrad und -temperatur sowie insbesondere durch

die MögIichkeit des definierten Haltens bei Maximalkraft, was das Auspressen

komplexer Gravuren maßgeblich verbessert.

Grundsätzlich lassen sich geschmiedete Halbzeuge bzw. Bauteile in Abhängigkeit

ihrer Endkonturnähe in drei Kategorien unterteilen:


- 40 -

1. Freiformschmiedestücke: Schmiederohlinge, aus denen Bauteile durch

komplette mechanische Bearbeitung hergestellt werden können

2. Gesenkschmiedestücke: weitgehend endkonturnahe Bauteile, bei denen nur

noch Teilbereiche mechanisch bearbeitet werden müssen,

3. Genauschmiedestücke: über mehrstufige Präzisionsgesenke hergestellte

endkonturnahe Bauteile, die nur im Einzelfall mechanisch bearbeitet werden

müssen.

Die für die Verarbeitung von Magnesium üblichen Schmiedetemperaturen richten

sich nach den vorhandenen Pressen (erzielbare Umformgeschwindigkeit) und nach

den eingesetzten Legierungen. Für die aluminiumhaltigen AZ-Legierungen liegt die

obere Grenze der Schmiedetemperaturen bei etwa 420 °C. Die Minimaltemperatur

liegt theoretisch bei 225 °C, da bei dieser Temperatur die Pyramidenebenen des

hexagonalen Kristalls für den Gleitungsprozeß zusätzlich aktiviert werden und zu

einer deutlichen Verbesserung der Umformbarkeit führen. Von daher stellt für die

gebräuchlichen Mg-Al-Zn und Mg-Zn-Zr-Legierungen der Temperaturbereich von

250 bis 400 0C einen geeigneten Rahmen für Schmiedeprozeßes im industriellen

Maßstab dar.

Für das Schmieden von kriechbeständigen WE-Legierungen sollten die Werkzeug-

und Werkstücktemperaturen in einem Bereich von 400 bis 450 °C liegen. Zu niedrige

Temperaturen sind häufige Ursache für Rißbildung oder ungenügende Formfüllung,

während zu hohe Temperaturen zu einem Festigkeitsabfall im Bauteil führen

könne.Die Darstellung komplexer Bauteilgeometrien kann üblicherweise über

mehrere Schmiedestufen realisiert werden. Dabei wird über eine

Materialvorverteilung der Werkstoff entsprechend dosiert in die Gravur gepreßt. Je

nach Komplexität des Bauteils kann es sich dabei um zwei oder drei

Schmiedeoperationen handeln. Wird dieses mehrstufige Verfahren angewandt, muß

nach dem „Prinzip der fallenden Temperaturen“ verfahren werden, um unerwünschte

Rekristallisation zu vermeiden, da sie vorzugsweise in Bereichen geringer

Umformgrade zu starkem Kornwachstum und damit zu einem Festigkeitsabfall führt.

Die einzelnen Schmiedeoperationen müssen deshalb auf fallenden

Temperaturniveaus durchgeführt werden, unter Beachtung der zulässigen Maximal-


- 41 -

und Minimaltemperaturen. Gleiches ist zu beachten bei Verwendung vorgepreßter

Stutzen. Hier müssen aus genannten Gründen die Schmiedetemperaturen unterhalb

der gewählten Strangpreßtemperatur liegen.

Aufgrund der geringen Wärmekapazität von Magnesiumlegierungen kann auf ein

Vorwärmen der Schmiedegesenke nicht verzichtet werden. Ohne geeignete

Vorwärmung erfolgt bei Zuführung des vorgewärnten Einsatzformates unmittelbar

eine Wärmeabfuhr in die Gesenke. Dies führt zu einer vorzeitigen Abkühlung der

Randbereiche und damit zu Rissen oder zu ungenügender Formfüllung. In diesem

Zusammenhang ist auch die Auslegung von Gesenken mit offenen Gratbahnen zu

sehen, bei denen überschüssiges Material hinter der sog. Reibkante frei austreten

kann, ohne zusätzlichen Preßdruck zu absorbieren. Ist die Gratbahn zu schmal,

erkaltet das in den Grat fließende Metall relativ schnell, was eine erhebliche

Erhöhung des Preßdrucks erforderlich macht.

6.2.1 Werkstoffeigenschaften und ihre metallkundlichen Grundlagen

Die in Schmiedestücken erreichbaren Festigkeitseigenschaften werden maßgeblich

beeinflußt durch die Parameter Umformgrad, Temperatur der letzten

Umformoperation und eingestellter Textur. Mit zunehmendem Umforrngrad werden

die Festigkeitseigenschaften durch Verfestigungsprozesse grundsätzlich verbessert.

Dagegen führt eine steigende Umformtemperatur zu reduzierten

Festigkeitseigenschaften, während die Neigung zur Vorzugsorientierung im

allgemeinen zunimmt.

Aufgrund des hexagonalen Gitteraufbaus zeigen Magnesium-Werkstoffe ein

charakteristisches Umformverhalten, d. h. bei plastischer Verformung wird eine

Orientierung der Hauptgleitebene (0001) parallel zur Fließrichtung begünstigt.

Dadurch ergeben sich notwendigerweise anisotrope, d. h. richtungsabhängige

Eigenschaften. In diesem Zusammenhang führt beispielsweise das Stauchen eines

Stutzens zu einem Materialfluß senkrecht zur aufgebrachten Kraft, wobei im

Ergebnis die Druckfestigkeit in Stauchrichtung und die Zugfestigkeit in Fließrichtung

hohe Werte erreichen.


- 42 -

Allerdings werden bei technischen Anwendungen überwiegend isotrope

Festigkeitseigenschaften gefordert, insbesondere wenn mehrachsige

Beanspruchungen auf ein Bauteil wirken. Zur Vermeidung anisotroper Eigenschaften

ist ein mehrfaches Umschmieden erforderlich, das im Freiformschmiedeprozeß

durch gezieltes Umformen mit definierten Stauchgraden in allen Raumrichtungen

realisert werden kann. In diesem Zusammenhang tut als Faustregel: bei

Umformgraden größer 50 % wird die durch vorherige Umformschritte eingebrachte

KristalIorientierung aufgehoben.

Bei speziellen Anwendungen können jedoch höhere Festigkeiten in bestimmten

Bauteilrichtungen notwendig werden, wie z.B. bei radial belasten Verdichterrädern.

Vor diesem Hintergrund können durch gezielte Umformung eingestellte, anisotrope

Festigkeitseigenschaften einen großen Vorteil darstellen, insbesondere wenn die

Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften konsequent ausgenutzt wird, indem

beispielsweise beim Strangpressen (des Vormaterials) und nachfolgendem

Schmieden die Fließrichtung in die Hauptbeanspruchungsrichtung des Bauteils

gelegt wird.

7


- 43 -

Tiefziehen von Magnesiumblechen

7.1 Verfahrensprinzip und Aufbau des temperierten Tiefziehwerkzeuges

Beim Tiefziehen wird aus einem Blechzuschnitt ein Hohlkörper erzeugt, wobei es zur

Ausbildung des charakteristischen Zug-Druck-Spannungszustands in der

Umformzone kommt. Kennzeichnend für das Tiefziehen ist zudem die mittelbare

Krafteinwirkung. Die zur Umformung nötige Kraft wirkt nicht unmittelbar vom

Werkzeug auf die Umformzone ein, sondern mittelbar vom Stempel über den Boden

und die Zarge des Napfes. Die eigentliche Umformung findet unter radialen Zug- und

tangentialen Druckspannungen im Flansch statt (Abb.:8). Als Maß für die

Tiefzieheignung eines Werkstoffes kann das Grenzziehverhältnis ß0,max

herangezogen werden.

Abbildung 8:Bezeichnungen und Spannungen beim Tiefziehen


- 44 -

Zur Untersuchung des Temperatureinflusses auf die Umformbarkeit der

Magnesium-legierungen wurden am IFUM Tiefziehversuche mit beheizbaren

Werkzeugsystemen durchgeführt. Abbildung 9 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines

solchen beheizbaren Werkzeugsystems.

Abbildung 9:Aufbau eines beheizbaren Tiefziehwerkzeugs

Für die Ermittlung der im folgenden Kapitel dargestellten temperaturabhängigen

Grenzziehverhältnisse kam ein beheizbares rotationssymmetrisches

Werkzeug-System (ø 100 mm) zum Einsatz. Sowohl der Stempelkantenradius als

auch der Ziehkantenradius betrugen 12,0 mm.


- 45 -

7.1.1 Ermittlung temperaturabhängiger Grenzziehverhältnisse

Zur Beurteilung der Tiefzieheigenschaften der untersuchten Magnesiumlegierungen

wurde das werkstoffabhängige Grenzziehverhältnis herangezogen. Um den Einfluß

der Temperatur auf die Tiefzieheigenschaften zu analysieren, wurde das

beschriebene Werkzeug ausgehend vom unbeheizten Zustand (T = 25 C) in

25 C~ bzw. 50 C-Schritten bis zu einer Temperatur von T 300 C im Niederhalter- und

Ziehringbereich erwärmt. Bei den unterschiedlichen Temperaturen wurde jeweils der

maximale noch versagensfreiziehbare Rondendurchmesser ermittelt und somit das

Grenzziehverhältnis bestimmt. Der Niederhalterdruck wurde dabei so eingestellt, daß

die Faltenbildung im Flanschbereich gerade unterdrückt wurde.

In Tabelle 16 sind die Ergebnisse der Untersuchungen zusammenfassend

dargestellt. Bei einer Temperatur von T=50 °C im Flanschbereich der Platinen

wurden nur geringe Grenzziehverhältnisse erreicht, die je nach Legierung zwischen

ß0,max = 1,38

(Legierung MN15O) und ßo,max= 1,48 (Legierung AZ31B, s0= 1,0 mm) liegen.


- 46 -

Tabelle 16: Temperaturabhängige Grenzziehverhältnisse,Stempeldurchmesser d0 = 100 mm, Ziehgeschwindigkeit v = 5 mm/s

Bei Versuchen wurde festgestellt, daß einige Ziehteile aus verschiedenen

Magnesiumlegierungen die bereits bei geringer Ziehtiefe Versagenserscheinungen in

Form von Reißern aufweisen. Im Vergleich zu den Magnesiumlegierungen zeigt die

Aluminiumlegierung AIMg4,5MnO,4 bei einer Temperatur von 150°C ein gutes

Umformverhalten, das sich in einem erreichbaren Grenzziehverhältnis von ß0max=

2,08 widerspiegelt.


- 47 -

Oberhalb von T=100°C kommt es bei allen untersuchten Magnesiumlegierungen zu

einem starken Anstieg des Grenzziehverhältnisses, bis schließlich von allen

Legierungen im Temperaturbereich zwischen T=200 und T=250°C ein absolutes

Maximum durchlaufen wird (siehe Bild 7).Auch die Aluminiumlegierung zeigt hier das

gleiche charakteristische Verhalten, jedoch verläuft der Anstieg des

Grenzziehverhältnisses über der Temperatur deutlich flacher. Das größte

Grenzziehverhältnis von ß0max=2,53 wurde für die Legierung AZ31B (s0= 1,0 mm)

bei einer Temperatur von T 200 C ermittelt. Der Wert liegt somit deutlich oberhalb

des maximalen Grenzziehverhältnisses der Aluminiumlegierung (ß0max=2,41),

welches ebenfalls bei einer Temperatur von ca. 200 °C erreicht wurde. Die

Magnesiumlegierungen AZ61B sowie MN15O erreichen geringere maximale

Grenzziehverhältnisse von ßo,max 2,25 (Legierung AZ61B) und ßo,max = 2,21

(Legierung MN15O). Weiterhin wurde bei diesen Magnesium-legierungen

festgestellt, daß die Temperaturen, bei der die maximalen Grenzziehverhältnisse

erreicht werden, im Vergleich zum Werkstoff AZ31 B größer sind. Für die

Legierungen AZ61B und MN15O wurde der optimale Temperaturbereich für das

Tiefziehen zu

225 °C T 250 °C ermittelt.

Die ausgeprägten Maxima in den Verläufen der Grenzziehverhältnisse ergeben sich

aus der Überlagerung zweier gegensätzlicher Effekte, die aus der

Temperaturerhöhung resultieren. Einerseits steigt das Formänderungsvermögen der

untersuchten Werkstoffe mit dem Anstieg der Temperatur, was insbesondere bei

den Magnesiumlegierungen zu einer deutlichen Verbesserung der

Formänderungsfähigkeit führt Dieser Effekt bewirkt zunächst den steilen Anstieg des

Grenzziehverhältnisses mit steigender Temperatur. Andererseits nimmt die

Festigkeit der Werkstoffe, insbesondere die der Magnesiumlegierungen, mit

steigender Temperatur ab, so daß mit steigender Temperatur eine geringere

Ziehkraft über die Ziehteilzarge in die Umformzone, den Flanschbereich, übertragen

werden kann. Darüber hinaus bewirkt eine Temperaturerhöhung eine signifikante


- 48 -

Verringerung der infolge der Umformung auftretenden Werkstoffverfestigung. Dies

bedeutet, daß der vom Flansch über die Ziehkante in die Zarge einfließende

Werkstoff mit größerer Temperatur eine deutlich verminderte Festigkeit aufweist, die

schließlich die Ursache für das Reißen des Werkstoffes im Zargenbereich bei hohen

Temperaturen darstellt.

Ziehteile aus der Magnesiumlegierung AZ31 B (s0 = 1,0 mm und s0 = 1,3 mm) sowie

der Aluminiumlegierung AlMg4,5MnO,4, die bei der Temperatur von T = 200 C im

Niederhalter und Ziehring mit einem Ausgangsziehverhältnis von ß0 = 2,5 umgeformt

wurden.

Entsprechend der in Tabelle 16 dargestellten Grenzziehverhältnisse konnten die

Ziehteile aus den Magnesiumlegierungen versagensfrei hergestellt werden, während

es bei der Aluminiumlegierung bereits nach 28 mm Ziehtiefe zum Versagen des

Werkstoffes kam.

Die Untersuchungen am IFUM haben gezeigt, daß durch eine temperierte

Prozeßführung die Herstellung von Bauteilen aus Magnesium-Feinblechen möglich

ist. Eine notwendige Voraussetzung für die Nutzung und Akzeptanz von Magnesium

als Leichbauwerkstoff ist die Existenz von geeigneten Verbindungstechniken für die

umformtechnisch hergestellten Bauteile, insbesondere in Hinblick auf moderne

Leichtbaukonzepte in Mischbauweise. Umformtechnische Fügeverfahren besitzen

diesbezüglich ein großes Entwicklungspotential, das zur Umsetzung dieser

Leichtbaukonzepte genutzt werden kann. Insbesondere die rein umformtechnisch

hergestellten Clinchverbindungen, die sich durch ihre einfache Handhabung und ihre

hohen Wirtschaftlichkeit auszeichnen, werden vor diesem Hintergrund immer mehr

an Bedeutung erlangen.

Gegenwärtig bestehen jedoch noch erhebliche Wissensdefizite hinsichtlich der

Auslegung und Temperierung der Clinchwerkzeuge, der optimalen Prozeßparameter

sowie der anwendungstechnischen Grundlagen für die Herstellung von

Fügeverbindungen an Magnesiumbauteilen. Diese gilt es durch systematische

Untersuchungen zu beseitigen.


- 49 -

7.2 Blechumformung

Zur genaueren Beurteilung der Umformeigenschaften von Magnesiumblechen unter

Tief- und Streckziehbedingungen ist die Bestimmung der für die Blechumformung

relevanten Kwennwerte, wie z.B. Anisotropiewerte, Verfestigungsexponent,

Gleichmaßdehnung und Sreckgrenzenverhältnis erforderlich. Eine systematische

Unterscuchung unterschiedlicher Magnesium-Feinblechwerkstoffe hinsichtlich ihrer

spezifischen Kennwerte ist aus der internationalen bzw. nationalen Literatur nicht

bekannt. Ein Schwerpunkt der gegenwärtigen Untersuchungen am Institut für

Umformtechnik und Umformmaschinenbildet daher die Ermittlung umformtechnisch

relevanter Kennwerte für Magnesiumlegierungen, wobei zukünftig insbesondere der

Temperatur einfluß genauer zu analysieren ist. Die senkrechte Anisotropie r ist ein

Maß für die Richtungsabhängigkeit der Formänderung eines Werkstoffs. Der

Kennwert ist als Verhältnis der Formänderungen in breiten- und Dickenrichtung einer

Flachzugprobe definiert und wird als Maß für die Tiefziehfähigkeit von Feinblechen

angesehen (Abb.:xx). Für das Tiefziehen ist eine mittlere senkrechte Anisotropie von

r > 1 erwünscht, weil damit das Fließen des Werkstoffes vorzugsweise aus der

Blechebene unter gerunger Abnahme der Blechdicke erfolgt.


- 50 -

Abbildung 10:Verlauf der senkrechten Anisotropie r für AZ31B-O


- 51 -

Der Blechwerkstoff AZ31B-O weißt eine mittlere senkrechte Anisotropie von rm=2,06

bei Raumtemperatur auf. Dieser vergleichsweise große Wert läßt auf gute

Tiefzieheigenschaften schließen. Demgegenüber steht eine sehr starke Streuung der

Anisotropiewerte in verschiedenen Orientierungen zur Walzrichtung, die im Hinblick

auf die Umformeigenschaften negativ zu bewerten ist.

Der n-Wert kennzeichnet das Verfestigungsverhalten eines Werkstoffes (Abb.:hhg).

Er ist gleichbedeutend mit der Steigung der Fließkurve im doppeltlogarithmischer

Darstellung. Der Verfestigungsexponent ist ein Maß für den beim Umformen zu

beobachtenden Festigkeitsanstieg. Eine große Werkstoffverfestigung verhindert die

vorzeitige lokale Einschnürung und führt daher zu größeren erreichbaren

Grenzformänderungen bei Streckziehbeanspruchung.

Der über die Walzrichtung gemittelte Verfestigungsexponent n ist im Vergleich zu

den in der Blechuimformung üblichen Tiefziehstählen wie DCO5 oder IFO3 deutlich

geringer und läßt auf eingeschränkte Streckzieheigenschaften bei Raumtemperatur

schließen.

Abbildung 11:Verlauf der Verfestugnung für AZ31B-O


- 52 -

8 Clinchen von Magnesiumblechen

8.1 Verfahrensprinzip und Aufbau des temperierten Clinchwerkzeuges

Aufgrund der wirtschaftlichen Vorteile und der positiven Funktionseigenschaften

gewinnt das umformtechnische Fügeverfahren ohne Hilfsfügeteil „Clinchen

zunehmend an Bedeutung. Beim Clinchen werden überlappend angeordnete Blech-,

Rohr- und Profilteile durch Kaltumformen mittels Stempel und Matrize form- und

kraftschlüssig miteinander verbunden. Dabei können sowohl unterschiedliche

Blechdicken als auch -werkstoffe miteinander geclincht werden. Das Clinchen gehört

nach DIN 8593 zu den Verfahren des Fügens durch Umformen. Aus konstruktiver

Sicht sind Clinchverbindungen unlösbare, starre. punktförmige

Verbindungselemente. Die Clinchverbindung wird durch eine Kombination von Form-

und Kraftschluß hergestellt. Abbildung 10 zeigt am Beispiel des R-DF-Clinchens der

Fa. Eckold GmbH, St. Andreasberg den prinzipiellen Ablauf eines Fügevorgangs.

Abbildung 12: Funktionsablauf des Clinchens am Beispiel des R-DF Verfahrens


- 53 -


- 54 -

Durch die Wirkbewegung des Stempels wird zunächst ein Durchsetzvorgang des

vom Werkzeug erfaßten Blechvolumens eingeleitet. Im nächsten Schritt beginnt ein

Stauchvorgang zwischen Stempel und Amboß. Durch ein radiales Fließen des

Werkstoffs im Napfboden entsteht ein formschlüssiger Zusammenhalt unterhalb der

Teilungsebene der Fügeteile. Als Fertigungsergebnis entsteht durch diesen

umformtechnischen Fügevorgang ein rundes, napfförmiges und gasdichtes

Fügeelement mit kleiner matrizenseitiger Erhabenheit.

Abbildung 13:Stößelkühlung mit Stempelwerkzeug und Heizung ineingefahrenem Zustand

Die für das Clinchen von Magnesium-Feinblechen erforderliche Temperierung der

Fügewerkzeuge erfolgt indirekt durch zwei Heizblöcke, die beidseitig an die

Werkzeughalterung angebracht sowie zusammen mit dem Werkzeug gegenseitig

verspannt wurden (Abb.:11). Um eine exakte Prozeßführung zu gewährleisten

wurden die Heizblöcke an eine Temperaturregeleinheit angeschlossen. Zur

Vermeidung des Wärmeüberganges in die Maschine wurde darüber hinaus eine

Kühlung installiert.

8.1.1 Einfluß der Temperatur auf die Fügelementausbildung

Am IFUM wurden experimentelle Untersuchungen zum Clinchen von

Magnesium-Feinblechen mit den in Tabelle 1 aufgeführten Werkstoffen

durchgeführt. Diese haben die eingeschränkte Fügbarkeit bei Raumtemperatur,

zurückzuführen auf das temperaturabhängige Materialverhalten. bestätigt und

verdeutlicht, daß bei erhöhten Temperaturen von ca. 250°C bis 350 °C eine sehr

gute Ausformung der Clinchverbindung erreicht werden kann.


- 55 -

In Bild 12 ist die Ausformung eines Clinchpunktes für die Magnesiumlegierung

AZ31B in Abhängigkeit der Temperatur dargestellt.

Abbildung 14:Ausbildung des Fügepunktes in Abhängigkeit der Temperatur fürdie Magnesiumknetlegierung AZ 31; Fügeverfahren R-DF 8

Es wird deutlich, daß bei Raumtemperatur die temperaturabhängige Duktilität des

Werkstoffs nicht ausreicht um eine Fügepunktausbildung zu. Die beiden zu

verbindenden Bleche werden lediglich gelocht. Gleicher Sachverhalt gilt für den

Temperaturbereich von 100°C bis 200°C, wenngleich für diesen Temperaturbereich

eine ansatzweise Fügepunktausbildung festzustellen ist. Erst bei Temperaturen von

250°C bis 350°C wird eine vollständige Ausbildung des Fügepunktes erreicht. Dieser

Umstand ist durch die thermische Aktivierung von zusätzlichen Gleitsystemen im

Werkstoff zu erklären. Die zur Umformung notwendige Fließspannung kf wird

reduziert und der Werkstoff läßt sich leichter plastisch verformen.


- 56 -

8.1.2 Einfluß der Temperatur auf den Fügekraftbedarf

Abbildung 13 und Abbildung 14 zeigen die charakteristischen Fügekraft-Wegverläufe

der untersuchten Legierungstypen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus (200°C

und 350°C). Bei aIlen vier Werkstoffen sinkt bei erhöhten Temperaturen die zur

Umformung notwendige Kraft. Die höchsten Fügekräfte weist der zu

Vergleichszwecken eingesetzter Aluminiumwerkstoff AIMg4,5MnO,4 auf, gefolgt von

den Magnesiumlegierungen AZ61B, AZ31B und MN15O.

Abbildung 15:Fügekraft - Weg - Verlauf für T=200°C

Für die Fügetemperatur von 200°C weisen die Werkstoffe AZ61B und AZ31B im

unteren untersuchten Temperaturspektrum eine Besonderheit auf. Der Übergang

von der Durchsetzphase zum Stauchen bei einem Fügeweg zwischen 1,25 und 1,5


- 57 -

mm wird von einem deutlichen Kraftabfall begleitet. Diese offensichtliche

Abweichung vom prozeßtypischen Kraft-Weg-Verlauf läßt auf eine

Versagensinitiierung während des Fügevorgangs schließen. Bereits in dieser frühen

Phase des Fügevorgangs ist das zulässige Verformungsvermögen des Werkstoffes

erreicht, so daß bei weiterer Krafteinleitung Risse im Material initiiert werden, die

einen schlagartigen Krattabfall zur Folge haben. Mit steigendem Stößelweg

verringert sich der Durchsetzanteil am Umformprozeß. Sobald der Stempel das

Material auf den Amboß der Matrize drückt, steigen die Druckspannungen im

Werkstoff stark an und der Kraftbedarf für die Umformung erhöht sich entsprechend.

Das Blech wird gestaucht und anschließend radial nach außen zur Ausformung des

Hinterschnitts gebreitet. Dies bedeutet eine Änderung der Belastungsrichtung

während der Umformung. Dabei verbleiben die entstandenen Risse im Material.

Dieser oben beschriebene Effekt des Krafteinbruchs ist bei Temperaturen von 350°C

nicht mehr zu beobachten (Abb.: 14).


- 58 -

Abbildung 16:Fügekraft- Weg- Verlauf für T=350°C

8.1.3


- 59 -

Zusammenfassung

Der Werkstoff Magnesium wird in zunehmendem Umfang von der Industrie als

Leichtbauwerkstoff wiederentdeckt. Um die vorteilhaften Eigenschaften von

Werkstoffen auf Magnesiumbasis in Bezug auf die geringe Dichte bzw. das günstige

Verhältnis von Dichte zu Festigkeit voll ausnutzen zu können, muß auf dem Gebiet

der Anwendungs- und Fertigungstechnologien eine Basis geschaffen werden, die es

dem Konstrukteur ermöglicht, den Werkstoff Magnesium vielseitiger und universeller

einsetzen zu können.

Die hier vorgestellten Untersuchungen haben gezeigt, daß Bauteile aus

Magnesium-Feinblechen mit den Verfahren der Blechumformung herstellbar sind. Es

muß hierbei allerdings mit beheizbaren Werkzeugen gearbeitet werden, um

technisch verwertbare Ziehverhältnisse erreichen zu können. Die industrielle

Akzeptanz der temperierten Umformung von Magnesiumblechen wird aber nicht

zuletzt davon abhängen. welche Fertigungstechniken für die gesamte

Verarbeitungskette zur Verfügung stehen. Vor diesem Hintergrund konnten die

durchgeführten Untersuchungenden ersten experimentellen Nachweis der

prinzipiellen Herstellbarkeit von temperierten Clinchverbindungen an

Magnesiumwerkstoffen erbringen.

9


- 60 -

Anwendungsbeispiele in der Kraftfahrzeugtechnik

Die Geschichte der Anwendung der Magnesiumtechnologie in der Automobilindustrie

begann, als Professor Ferdinand Porsche im Jahre 1933 den Auftrag erhielt, ein

Auto fürs Volk zu entwerfen - einen Volkswagen.

Die allgemeine Spezifikation dieses Fahrzeugs enthält Tabelle 17. Zu der damaligen

Zeit waren diese Forderungen außergewöhnlich, und die meisten Automobilfachleute

hielten sie für nicht realisierbar. Die erfolgreiche Entwicklung des Wagens durch

Porsche beruhte u. a. auf einem sehr fortschrittlichen Konstruktionsprinzip und der

Anwendung von Leichtmetallen, insbesondere Magnesium.

Tabelle 17: Allgemeine Spezifikation für Porsches VW

Die Wahl von Magnesium war eine Frage der Verfügbarkeit. Zu dieser Zeit war

Magnesium in Deutschland reichlich vorhanden, während der Rohstoff für die

Aluminiumerzeugung Bauxit importiert werden mußte, was wegen des damals in

Deutschland herrschenden Devisenmangels als unmöglich angesehen wurde.

Der Motor und das Getriebegehäuse des Käfers bestanden aus Magnesium. Dies

bedeutete eine Magnesiummenge von 20 kg je Fahrzeug. Um diese Zahl zu

würdigen, sollte man daran denken, daß heute der durchschnittliche

Magnesiumeinsatz je Fahrzeug 1 kg beträgt.

Volkswagen entwickelte sich zu dem weltweit größten Magnesiumverbraucher. Im

Jahre 1991 erreichte die Produktion des luftgekühlten VW-Motors ihren Höhepunkt,

und der Bedarf an Gußstücken aus Magnesium stieg bis auf 42 000 t pro Jahr. Dies

Reisegeschwindigkeit 100 km/h

Treibstoffverbrauch 7 l/ 100 km

Zahl der Sitzplätze 4 bis 5

Luftgekühlter Motor

Der Preis soll nicht mehr als die Hälfte des billigsten Ford

Model T betragen


- 61 -

entspricht - nebenbei gesagt - etwa der gesamten Produktion an Magnesiumguß auf

der Welt im Jahre 1994.

Die erste "Magnesiumzeit" in der Automobilindustrie endete im Jahre 1982, als

Volkswagen die Produktion der luftgekühlten Motoren in Deutschland einstellte. Es

wird sich zeigen, ob wir in eine neue Magnesiumzeit eintreten werden.

9.1


- 62 -

Magnesium als potentieller Leichtbauwerkstoff für die Automobilindustrie

Die Triebkraft für den Einsatz von Magnesium im Automobilbau ist natürlich das

Streben nach Gewichtsminderung des Fahrzeugs. Um die mögliche

Gewichtsminderung bei Einsatz von Magnesium abzuschätzen, sollen einige

allgemeine Überlegungen angestellt werden.

Mit einer Dichte von 1,8 g/cm3 ist Magnesium der leichteste metallische

Konstruktionswerkstoff. Dies bedeutet nicht automatisch, daß die Verwendung von

Magnesium das leichteste Bauteil ergeben wird. Das Gewicht eines Bauteils hängt

von den Anforderungen, den Werkstoffeigenschaften und der für das gewählte

Material verfügbaren Fertigungstechnik ab.

Um einen neutralen Gewichtsvergleich verschiedener Werkstoffe für ein bestimmtes

Bauteil durchführen zu können, muß dieses Bauteil für jeden Werkstoff speziell unter

Berücksichtigung der jeweiligen konstruktions- und fertigungsbedingten

Einschränkungen konstruiert und anschließend als Prototyp geprüft werden. Dies ist

ein äußerst aufwendiges Verfahren, das nur in wenigen Fällen zum Einsatz kommt.

In der Regel wird der Gewichtsvergleich bei dem bestehenden Bauteil an aus dem

alten und aus dem neuen Werkstoff hergestellten Teilen vorgenommen. Ein

derartiger Gewichtsvergleich ist in den meisten Fällen nicht fair und führt oft zu

falschen Schlußfolgerungen.

Um abzuschätzen, welches Potential zu einer Gewichtsminderung Magnesium

bietet, soll ein sehr einfaches Teil, nämlich ein fest eingespannter Träger, betrachtet

werden. Im Vergleich zu Stahl bietet Aluminium eine Gewichtsminderung um etwa

50 %. Magnesium ergibt eine weitere, aber kleinere Gewichtsminderung. Der

nächste größere Schritt bei der Gewichtsminderung erfolgt bei der Substitution von

Aluminium oder Magnesium durch hochwertige faserverstärkte Kunststoffe.

Bei einer Karosserie wurde eine detaillierte FEM-Analyse durchgeführt. Dabei wurde

angenommen, daß für Magnesium eine Fertigungstechnologie existiert, die für das

Space-Frame-Konzept geeignet ist, d. h., es stehen Strangpreßprofile und


- 63 -

Druckgußknoten für die Rahmenkonstruktion, Bleche für die Haut, das Dach, die

Türen,

den Kofferraumdeckel usw. zur Verfügung, die mit Fügeverfahren wie

Schutzgasschweißen und Nieten mit dem Rahmen und untereinander verbunden

werden können.

Diese Untersuchung ergibt, daß im Vergleich zur Alnminiumtechnologie des heutigen

Audi 8 mit Magnesium eine zusätzliche Gewichtsminderung um 5 bis 6 % möglich

werden könnte. Allerdings sollte man die Ergebnisse dieser komplizierten und

umfangreichen Berechnungen mit einer gewissen Skepsis betrachten, da sie sich

nicht auf eine für Magnesium optimierte Karosseriekonstruktion beziehen.

9.2 Beispiele für KFZ-Bauteile aus Magnesiumwerkstoffen

Abbildung 17: Türe

Abbildung 18:Tankabdeckung


- 64 -

9.3


- 65 -

Herausforderungen für Magnesiumdruckguß im Automobilbau

Aus den obigen Überlegungen ergibt sich, daß Magnesium eine mäßige, aber doch

wichtige Möglichkeit bietet, das Gewicht gegenüber Aluminium weiter zu senken.

Dies stellt ein sehr überzeugendes Argument für die Verwendung von Bauteilen aus

Magnesium anstelle von solchen aus Aluminium dar, vorausgesetzt, die Kosten des

Bauteils sind attraktiv. Man muß sich darüber klar sein, daß der Spielraum für eine

weitere Preissteigerung zur Gewichtsminderung durch die Einsparung an

Treibstoffkosten für den Käufer begrenzt wird.

Um diese Wechselwirkung zwischen Kosten und Gewichtsminderung besser zu

verstehen, sollen die folgenden Überlegungen angestellt werden. Bei einem

typischen Mittelklassewagen mit einem dem heutigen technischen Stand

entsprechenden Otto-Motor wird durch eine Gewichtsminderung um 1 kg der

Treibstoffverbrauch über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs um 3 bis 5 I

gesenkt. Die gesamte Lebensdauer beträgt gewöhnlich über 200 000 km. Wenn der

Wagen überwiegend in der Stadt im Stop-and-go-Verkehr gefahren wird, fällt die

Treibstoffersparnis durch 1 kg Gewichtsminderung erheblich höher aus.

Gewöhnlich nimmt man an, daß die Mehrkosten für eine Gewichtsminderung vom

Erstbesitzer beim Tanken nach zwei bis drei Jahren, d. h:, nach 30000 bis 40000

km, hereingeholt werden müssen. Daher muß der Mehrpreis für den Käufer je kg

Gewichtsminderung niedriger sein als der Preis für 0,6 bis 0,8 1 Treibstoff. Zur Zeit

bedeutet dies einen Betrag von 0,90 bis 1,20 DM je kg.

Falls der gleiche Wagen mit einem äußerst sparsamen Triebwerk wie dem

Turbodiesel mit Direkteinspritzung ausgestattet ist, beträgt die Treibstoffersparnis

innerhalb von zwei bis drei Jahren nur 0,4 bis 0,5 l/kg Gewichtsminderung.

Diese Überlegungen berücksichtigen nicht die durch eine erhebliche

Gewichtssenkung möglich gemachten sekundären Gewichtsminderungen. Bei

gleicher Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs können Motor, Getriebe, Fahrwerk und

Treibstofftank kleiner, leichter und billiger gemacht werden. Der Audi 8 mit seinem

Space-Frame aus Aluminium und dem V6-Motor ist hierfür ein gutes Beispiel.


- 66 -

In vielen Fällen können die neueren Fortschritte beim Druckgießen von Magnesium

trotz höherer Werkstoff kosten zu erheblichen Kostensenkungen durch

hochkomplexe, dünnwandige Bauteile mit vermindertem Bearbeitungsaufwand

führen.

Tabelle 18: Gewichtstabelle von Kfz-Teilen aus Mg-Legierungen

Typische Anwendungen von Magnesiumdruckgußteilen, die z. Z. von der

Automobilindustrie in Erwägung gezogen werden, sind Getriebegehäuse,

Armaturenbretter, Gehäuse für Elektronik und Sitzrahmen.

Alle bisher besprochenen Anwendungen von Magnesiumlegierungen sind Teile, die

auf mäßig hohe Temperaturen beansprucht werden. Übliche, genormte

Magnesiumlegierungen unterliegen bei erhöhten Temperaturen einem steilen


- 67 -

Festigkeitsabfall (Tab.:19). Dieses Verhalten begrenzt ihre

Verwendungsmöglichkeiten auf max. 120 °C.

Ein weiterer Nachteil von Magnesiumlegierungen ist ihre im Vergleich zu

Aluminiumlegierungen niedrigere Kriechfestigkeit (Tab.:20). Sie setzt die Möglichkeit

der Gewichtsminderung bei hochbeanspruchten Bauteilen wie Gehäusen für

Getriebe herab, da die Wanddicken in den Bereichen der Verschraubungen verstärkt

werden müssen. Um diese Probleme zu lösen und die Einsatzmöglichkeiten von

Magnesiumlegierungen in der Automobilindustrie zu erweitern, müssen Forschungs-

und Entwicklungsarbeiten an den Magnesiumlegierungen durchgeführt werden, um

ihre mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen zu verbessern. Um

weitere Magnesiumanwendungen im Motorenbau, wie Zylinderblöcke, zu

erschließen, ist die Entwicklung einer kriechbeständigen, kostengünstigen

Magnesiumlegierung erforderlich.

Tabelle 19: Temperaturabhänigkeit der Zugfestigkeitseigenschaften vonMgAl9Zn1 (Az91)


- 68 -

Tabelle 20:Kriechverhalten von Mg-Leg. und einer Al-Leg., gemessen alsAbbau einer Druckspannung nach 1000h auf Temperatur


- 69 -

Um Magnesium im Karosseriebau einsetzen zu können, müssen an Blechen und

Profilen noch umfangreiche Untersuchungen über Fügetechnik und

Fertigungsverfahren vorgenommen werden. Ein erster Schritt in diese Richtung

würde die Entwicklung von schweißbaren Druckgußteilen darstellen, die es

ermöglichen, tragende Teile der Karosserie zu konstruieren, die die für eine

ausreichende Steifigkeit erforderlichen geschlossenen Querschnitte aufweisen.

Die Daten über das Verhalten von Magnesiumlegierungen bei schwingender

Beanspruchung sind noch sehr spärlich. Mit den heute verfügbaren Kennwerten ist

der Entwurf von gewichtsmäßig optimierten Sicherheitsteilen unmöglich. Daher sind

noch umfangreiche Untersuchungen erforderlich, um die für die Konstruktion von

Sicherheitsteilen notwendigen Kenntnisse über die Schwingfestigkeit von

Magnesiumlegierungen zu gewinnen.

Als einen Beitrag, die möglichen Engpässe bei der Versorgung des Markts mit

Magnesium sowie die im Vergleich zu Aluminium hohen Werkstoffkosten von

Magnesium zu senken, muß in den kommenden fünf bis zehn Jahren eine

leistungsfähige Recyclingindustrie aufgebaut werden, die, wie wir alle wissen, bei

Aluminium bereits Stand der Technik ist.

Da Einschlüsse und Verunreinigungen sich sowohl auf die mechanischen

Eigenschaften, insbesondere bei der Schwingfestigkeit und der Zähigkeit, als auch

auf das chemische Verhalten (Korrosionsbeständigkeit) stark auswirken, muß auch

auf diesem Gebiet schnellstens mit Forschungsarbeiten begonnen werden, um ein

zukünftiges Wachstum der Anwendung von Magnesium zu sichern.

Die Automobilmdustrie erwartet ein verstärktes Engagement der Magnesiumindustrie

und der Hochschulen bei den erwähnten Forschungsarbeiten. Der

wissenschaftlich-technische Fortschritt auf dem Gebiet des Magnesiums ist zu

langsam, was dazu führen kann, daß von der Automobilindustrie auf hochwertige

faserverstärkte Kunststoffe zurückgegriffen wird, um das Ziel der geforderten

Gewichtsminderung und Treibstoffersparnis in zukünftigen Fahrzeugen zu erreichen.

Diese Alternative in der Werkstoffwahl kann sich für die Magnesiumhersteller in den

kommenden zehn Jahren zu einer erheblichen Bedrohung entwickeln.

9.3.1


- 70 -

Schlussfolgerungen

Unter dem Zwang, den Treibstoffverbrauch zu senken, arbeitet die gesamte

Automobilindustrie an der Entwicklung von Großserienfahrzeugen mit niedrigem

Gewicht. Bei diesen Konstruktionen nehmen Leichtmetalle, wie Aluminium und

Magnesium, einen wichtigen Platz ein. Anderseits hat der Preisfaktor infolge der

weltweiten Konkurrenz der Automobilindustrie einen hohen Stellenwert gewonnen.

Die Käufer werden, wie oben ausgeführt, nur geringe Mehrkosten für eine

Gewichtsminderung akzeptieren.

Die Konkurrenz zwischen den Konstruktionswerkstoffen, insbesondere zwischen

Stahl, Aluminium und Magnesium, wird die Erzeuger und Verarbeiter jedes dieser

Werkstoffe dazu zwingen, ihre Produkte zu verbessern.

Eine fortschrittliche Gießereitechnologie für Magnesiumlegierungen verspricht

erhebliche Kostensenkungen, da hochkomplexe, dünnwandige Bauteile auf diesem

Weg erzeugt werden können.

Aufgrund dieser Vorteile ist man überzeugt, daß Magnesium einen wichtigen Platz in

der Werkstoffpalette der zukünftigen Serienautos einnehmen wird.

10 Zusammenfassung

Innovationen sind die basis

11


- 71 -

Literaturverzeichnis

11.1 Fachbücher

(1) B.L.Mordike, K.U. Kainer : Magnesium Alloys and their Applications,

Werkstoff Informationsgesellschaft 1998

(2) M.M. Avedesian : Magnesium and Magnesium Alloys, 1999

(3) R. Galun : werkstoffkundl. Untersuchungen zur

Laserstrahloberflächenbearbeitung und zum Laserstrahlschweißen von

Magnesiumwerkstoffen, TU Clausthal 1998

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Utz Verlag, 1998

(5) W. Beitz, K.H. Grothe : Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau,

Springer Verlag, 1997

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(8) A. Beck : Magnesium und seine Legierungen, Springer Verlag 1939

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Müller-Späth u.a. : Innovative Gießtechnologie für die Zukunft

(12) Materiaux & Techniques, 1997, Nr 7-8, E. Doege, K. Dröder :

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(13) Advanced Engineering Materials, Heft 1, 1999, Seite 53-57,


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(14) Advanced Engineering Materials, Heft 1, 1999, Seite 11-33, G. L. Song,

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(15) Advanced Engineering Materials, Heft 3, 4, Dez 1999, Seite 183-186,

T.Friemuth, J. Winkler: Machining of Magnesium Workpieces

(16) Giessereirundschau 45 Heft 7/8 1998, Seite 16-18, Seite 23-28 : W.

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(17) Surface & Coatings Technology 94-95, 1997, Seite 610-616, H. K.

Tönshoff, J. Winkler : The influence of tool coatings in machining of

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(18) Metall, Seite 528-536, 52. Jahrgang, Nr. 9/98, J. Becker, G.Fischer,

K.Schemme: Herstellung und Eigenschaften stranggepreßter und

geschmiedeter Magnesium-Bauteile

(19) St. Janssen, F. Meiners: Umformen von Leichtmetallknetlegierungen,

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(20) Ingenieur-Werkstoffe 4, Seite 60-61, 1992, B.Böndel: Magnesium im

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(20).3 Firmen und Institute

(21) Universität Hannover, TU Clausthal : Sonderforschungsbereich 390

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(22) Universität Hannover, Institut für Vertigungstechnik und Spanenede

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(23) Honsel AG Meschede, MADICA Verbundprojekt, 1999: Sichere

produktionsprozesse für die Magnesiumver- und –bearbeitung

(24) DaimlerChrysler Aerospace Airbus, 1999: Rumpf neuer Technologien

(25) KUKA Schweißanlagen und Roboter GmbH, Augsburg 1996: Das schnelle

und vielseitige Fügeverfahren: Reibschweissen


- 73 -

(26) Volkswagen AG, 1995, Informationsblatt: Magnesiumguss im

Automobilbau

12 AbbildungsverzeichnisAbbildung 1:Magnesiumproduktion, Universität Hannover SFB390 8Abbildung 2:Schematischer Aufbau einer Laserschweißmaschine, R.Galun, TU-Claustahl 1998 35Abbildung 3:Dehngrenzen von Guß- und Knetlegierungen, B.L.Mordike, Magnesium Alloys and their

Applications, Werkstoffinformationsgesellschafft 1998 27Abbildung 4:Stranggepreßte Profile, B.L.Mordike, Magnesium Alloys and their Applications,

Werkstoffinformationsgesellschafft 1998 31Abbildung 5:Flachmatrizenwerkzeuge, B.L.Mordike, Magnesium Alloys and their Applications,

Werkstoffinformationsgesellschafft 1998 31Abbildung 6:Warmzugversuchskennwerte von stranggepreßten Stangen, B.L.Mordike, Magnesium Alloys and

their Applications, Werkstoffinformationsgesellschafft 1998 35Abbildung 7:Kriechverhalten von stranggepreßten Stangen, B.L.Mordike, Magnesium Alloys and their

Applications, Werkstoffinformationsgesellschafft 1998 36Abbildung 8:Bezeichnungen und Spannungen beim Tiefziehen, magnesium, Eigenschafften, Anwendungen und

Potentiale, TU-Clausthal 1997 43Abbildung 9:Aufbau eines beheizbaren Tiefziehwerkzeugs, , magnesium, Eigenschafften, Anwendungen und

Potentiale, TU-Clausthal 1997 44Abbildung 10:Verlauf der senkrechten Anisotropie r für AZ31B-O, , magnesium, Eigenschafften, Anwendungen

und Potentiale, TU-Clausthal 1997 48Abbildung 11:Verlauf der Verfestugnung für AZ31B-O, , magnesium, Eigenschafften, Anwendungen und

Potentiale, TU-Clausthal 1997 49Abbildung 12: Funktionsablauf des Clinchens am Beispiel des R-DF Verfahrens, , magnesium, Eigenschafften,

Anwendungen und Potentiale, TU-Clausthal 1997 50Abbildung 13:Stößelkühlung mit Stempelwerkzeug und Heizung in eingefahrenem Zustand, , magnesium,

Eigenschafften, Anwendungen und Potentiale, TU-Clausthal 1997 51Abbildung 14:Ausbildung des Fügepunktes in Abhängigkeit der Temperatur für die Magnesiumknetlegierung AZ

31; Fügeverfahren R-DF 8 52Abbildung 15:Fügekraft - Weg - Verlauf für T=200°C, magnesium, Eigenschafften, Anwendungen und

Potentiale, TU-Clausthal 1997 53Abbildung 16:Fügekraft- Weg- Verlauf für T=350°C, , magnesium, Eigenschafften, Anwendungen und

Potentiale, TU-Clausthal 1997 54Abbildung 17: Türe, B.L.Mordike, Magnesium Alloys and their Applications,

Werkstoffinformationsgesellschafft 1998 59Abbildung 18:Tankabdeckung, B.L.Mordike, Magnesium Alloys and their Applications,

Werkstoffinformationsgesellschafft 1998 59

13


- 74 -

Tabbellenverzeichnis

Tabelle 1: Magnesiumerzeugung in Deutschland, Gieserei-Praxis Nr.5, 1996 9Tabelle 2: Eigenschaften von AZ91 HP, Universität Hannover IFW, 1998 10Tabelle 3: Eigenschaften von Magnesium und Aluminium, Gieserei-Praxis Nr.5, 1996 15Tabelle 4: Zusammensetzung der europäisch genormte Magnesium-Gußwerkstoffe, Gieserei-Praxis Nr.5, 199621Tabelle 5:Werkstoffdaten verschiedener Mg-Legierungen, Gieserei-Praxis Nr.5, 1996 24Tabelle 6:Ziffern der Hauptlegierungselemente, R.Galun, TU-Claustahl 1998 25Tabelle 7:Kennzeichnung der Legierungszustände, R.Galun, TU-Claustahl 1998 26Tabelle 8:Zugfestigkeit von verschiedenen Mg-Legierungen, B.L.Mordike, Magnesium Alloys and their

Applications, Werkstoffinformationsgesellschafft 1998 30Tabelle 9:Zusammensetzung von MELRAM 072 TS, J.Winkler, TU-Clausthal 1997 31Tabelle 10:Festigkeitskenndaten von MELRAM 072 TS, J.Winkler, TU-Clausthal 1997 32Tabelle 11: Eigenschaften der verschiedenen Lasertypen, R.Galun, TU-Claustahl 1998 39Tabelle 12:Technologische Kennwerte von Laserstrahlschweißamarturen, R.Galun, TU-Claustahl 1998 41Tabelle 13:Magnesiumknetlegierung für Strangpreß- und Schmiedeprodukte, Metall 52 Nr 9/98 28Tabelle 14: Biegen von Rundstangen mit 20mm aus Verschiednen Mg-Knetlegierungen bei Raumtemperatur,

Metall 52 Nr 9/98 33Tabelle 15:Zug- und Druckfestigkeitswerte von Strangpreßprodukten aus verschiednene Mg-Knetlegierungen,

Metall 52 Nr 9/98 34Tabelle 16: Temperaturabhängige Grenzziehverhältnisse, Stempeldurchmesser d0 = 100 mm,

Ziehgeschwindigkeit v = 5 mm/s, Metall 52 Nr 9/98 45Tabelle 17: Allgemeine Spezifikation für Porsches VW, Gieserrei-Praxis Nr. 5 1996 56Tabelle 18: Gewichtstabelle von Kfz-Teilen aus Mg-Legierungen, Gieserrei-Praxis Nr. 5 1996 61Tabelle 19: Temperaturabhänigkeit der Zugfestigkeitseigenschaften von MgAl9Zn1 (Az91) , Gieserrei-Praxis Nr.

5 1996 62Tabelle 20:Kriechverhalten von Mg-Leg. und einer Al-Leg., gemessen als Abbau einer Druckspannung nach

1000h auf Temperatur, Gieserrei-Praxis Nr. 5 1996 62

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Technologie der Fertigungsverfahren Magnesium - … · 8.1 Verfahrensprinzip und Aufbau des temperierten Clinchwerkzeuges 50 8.1.1 Einfluß der Temperatur auf die Fügelementausbildung