Leichtbauwerkstoff Magnesium

5. Lübecker Werkstofftag - 14. November 2013 IHK zu Lübeck
Leichtbauwerkstoff Magnesium
Dr. Jan Bohlen, Prof. Karl Ulrich Kainer,
Magnesium Innovation Centre MagIC, Helmholtz-Zentrum Geesthacht
Sie kennen Magnesium ….
Quelle: Internet
… aus der Apotheke …
… als brennendes Metall …
…. aber als metallischen Werkstoff ??
2
Motivation
Herausforderung
• Verringerung des Energieverbrauchs
• Emissionsreduktion
• Kosteneffiziente Produktion
• Ressourceneffizienter Umgang
(Recycling)
Quelle: Alkan
Karosserie (Aluminium)
Ansatz
• Metallischer Leichtbau
• Magnesium als metallischer Werkstoff
„Allard“ Sportfahrzeug (1952)
Karosserie (Magnesium)
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Vortragsübersicht
• Motivation
• Einleitung:
 Warum Magnesium?
 Leichtbaupotenzial
• Historie: Magnesiumanwendungen
• Stand der Forschung und Anwendung
• Anwendungen Magnesiumguss
• Anwendungen und Potentiale Magnesiumknetlegierungen
• Gießwalzen von Magnesium
• Life-Cycle-Aspekte
• Zusammenfassung und Ausblick
4
Nachteile:
• Eingeschränkte
Korrosionseigenschaften
• Limitierte Hochtemperatureigenschaften
• Eingeschränkte Verformbarkeit
(hex. Kristallstruktur)
Dichte (g/cm³)
Hauptbeanspruchung großflächig
dünnwandiger Blechbauteile
6
Leichtbaufaktor
(Normierung auf St14)
Vorteile:
• metallischer Werkstoff mit geringer
Dichte (1.8g/cm3)
• Hohe spez. Festigkeiten
• Gute Gießbarkeit
• Gute spanende Bearbeitbarkeit
• Praktisch unbegrenzt verfügbar
• Recyclebar
Festigkeit (MPa)
Warum Magnesium?
Zug-/DruckSteifigkeit
BiegeSteifigkeit
Zug-/DruckFestigkeit
3
E/r
5
E/r
Gegenüber Al
15-20%
4
3
2
Rp 0,2/r
E
= Elastizitätsmodul
r
= Dichte
Rp0,2 = Dehngrenze
Gegenüber
Stahl
50-60%
1
angelehnt an:
BMW-Studie
0
St14
höherfestes St-Blech (ZStE420)
Mg-Blech (AZ31)
Al-Blech (AlSi1,2Mg0,4)
Mg-Druckguß (AZ91)
5
Historie: Magnesiumanwendungen
Vor 1945
1939
1924
1941
1939
Nach 1945
1952
1995
1946-1978
6
Historie: Magnesiumanwendungen
Motor und Getriebegehäuse: Volkswagen Käfer und Bus
Motor und Getriebegehäuse 20kg/Auto
Volkswagen Käfer: Prototyp1934-1946
Serie 1946-1978/Cabriolet 1980/
Mexico/Brasilien 2003, Karman Ghia,
Bus, VW Typ 3 und 4, Porsche 911
1100, 1200, 1300, 1500, 1600 ccm
24.5, 30, 34, 44, 54 PS
1971: 42.000t Mg-Legierungen AS21/41
1993: 3.616t
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Stand der Forschung und Anwendung
 Magnesium-Legierungen haben ihren Durchbruch für Anwendungen als
druckgegossene Bauteile in der Automobiltechnik gefunden.
 Weitere Anwendungen finden sich in etablierten oder neueren Verfahren, z.B.
Kokillenguss, Sandguss, Thixomolding, Squeeze Casting.
 Ein Interesse an Halbzeugen aus Knetlegierungen ist gestiegen, um AluminiumWerkstoffe, Stähle oder Polymere zu substituieren und den Anwendungsbereich
zu erweitern.
 Erweiterung des Gestaltungsspielraums
 Verbesserte mechanische Eigenschaften
 Geringer Markt
 Anforderungen erfordern große F&E-Aktivitäten
unter Einbeziehung der kompletten
Wertschöpfungskette
 Die Verarbeitung von Magnesium als Knetleigerungen erfolgt in typischen
Prozessen, wie den Walzen, Strangpressen, Tiefziehen und Schmieden.
 Eine Besonderheit stellt die aktuelle Fokussierung auf die Herstellung von
Blechen mittels Gießwalzen dar.
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Magnesium-Druckgusslegierungen
• AZ (Mg-Al-Zn)
• AE (Mg-Al-SE)
- Gute Raumtemperatur-eigenschaften
• Gute Hochtemperatureigenschaften
- Geringe Warmfestigkeit
• Gutes Kriechverhalten
- Geringe Duktilität
• Eingeschränkte Gießbarkeit
- AZ91
• AE42/AE44
• AM (Mg-Al-Mn)
• AJ (Mg-Al-Sr)
- Höhere Duktilität
• Gute Hochtemperatur- Mäßige Raumtemperatureigenschaften
eigenschaften
• Gutes Kriechverhalten
- Eingeschränkte Gießbarkeit
• Eingeschränkte Gießbarkeit
- AM20/AM50/AM60
• AJ62X
• AS (Mg-Al-Si)
• MRI (Mg-Al-Mn-Ca-RE)
- Verbesserte Festigkeit
• Gute Hochtemperatur- Besseres Kriechverhalten
eigenschaften
- Eingeschränkte Gießbarkeit
• Gutes Kriechverhalten
- AS21/AS31/AS41
• Gute Gießbarkeit
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Anwendungstemperaturen im Antriebsstrang
Motorblock
T > 200 °C
Kolben
T > 250 °C
Kühler
T < 100 °C
Filtergehäuse
T = 150-200 °C
Quelle: Volkswagen AG
Zündung,
Katalysator
Getriebegehäuse
T < 175 °C
10
Magnesium - Anwendungen heute: Druckguss
11
Magnesium - Anwendungen heute: Druckguss
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Aktuelle Magnesium-Anwendungen
Interieur
Spiegelhalter
Dachhimmelträger
Türinnenrahmen
Interieur
Sitzteile
Instrumententräger
Kniepolster
Lenksäule
Lenkrad
Brems- und Gaspedale
Airbag-Halterungen
Träger
Radio-Rahmen
SonnendachKomponenten
Antriebsstrang
Getriebegehäuse
Differentiale für Allrad-Antriebe
Motor
Zylinderkopf
Ansaugstutzen
Elektrobauteile
Ölpfannen
Motorblock
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Verbundkurbelgehäuse: Magnesium / Aluminium
Vorteile:
 kriechbeständige Legierungen
 25% Gewichtsreduktion im Vergleich zu Alu-Motor
 Entspricht 10 kg Gewichtsersparnis auf der Vorderachse
 Recyclierbar
Automobile:
 BMW Fahrzeuge mit Sechszylinder- Motoren
Quelle: BMW
•
•
•
•
•
Druckgießer:
 BMW Landshut
 Brabant Alucast Oss
Magnesium/Aluminium- Motorblock
und Bodenplatte
Mg Gewicht: 15,6 kg
Mg Platte Gewicht: 4,0kg
HPDC
Legierung: AJ62x
Quelle: BMW
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Instrumenten -Tafelträger
Description:
Dimension: 1458 x 385 x 472 mm
Weight: 5.25 kg
High Pressure Die Casting
Advantages:
 Thin-walled application
 Function integration
 Weight reduction
 High NVH
 Machining and assembly
 High crash and safety performance
 Recyclability
Vehicle:
 Jaguar S Type
Die Caster:
 Meridian Technologies, Inc.
Material: Magnesium
Alloy: AM60B
Source: Magontec
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Instrumenten - Tafelträger (Funktionsintegration)
Stahl Design (Laserstrahl-Schweißen)
Re-design
Magnesium /Stahl Hybrid Design
Magnesium Design (HPDC)
Stahlrohr Design
AccelorMittal
Opel
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SLC Karosserie Konzept „Greenhouse Structure“
Eingesetzte Werkstoffe
Aluminium Blech (80kg)
Aluminium Guß (13kg)
Aluminium Profile (3kg)
Stahl (67kg)
Magnesium (11kg)
Faserverstärkte Polymere (7kg)
36%
Stahl
53%
Aluminium
4%
FR Polymere
SLC
7%
Magnesium
Gewichtsreduzierung:
100kg (35%)
Strukturelle Anforderungen:
Referenz (2005) Stahl Karosserie
281
BIW
Highlights:
• Größerer Anteil warmgeformter Stähle
• Intensive Aluminium Blechstrukturen
• Integrierter Al-HPDC hinterer Längsträger
• Magnesium-Blechdach/Dachträger
• Integrierter Magnesium HPDC
Federbeindom
• Hinterer Boden aus Langfaserverstärktem Polymer
181
76
Front
struktur
53
- -37%
35%
-34%
- 32%
101
Boden
struktur
--42%
42%
59
Greenhouse
103
69
0
Nach: Göde, VW AG 2009
-34%
- 34%
Vergleich
SLC Concept
25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
Gewicht [kg]
Studien zum Einsatz von Knetlegierungen
Rücksitzlehne für die neue BMW
3er-Modellreihe
Dachelement für Porsche
GT3 R Hybrid
Erfolgreicher Test im
24 Stunden Rennen
auf dem Nürburgring
1190
770
Innenteil für Cabrio-Hardtop SLK
Nach
Beschnitt
Gewichtseinsparung:
7,5  2,3 kg (- 69 %)
Stahl  Magnesium
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Anwendungen Magnesiumknetlegierungen
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Herausforderungen: Magnesiumblech
MgF Magnesium
Flachprodukte GmbH
Prototyp eines Dachinnenteils (Mercedes SLK)
Anforderungen
• gute Umformbarkeit
• isotrope Eigenschaften
• Korrosionschutz
• kostengünstig
Quelle: Daimler Benz
• Erfahrung im Bereich Gießen und konventionellem Walzen
• Beeinflussung der Mikrostruktur und Textur durch Legierungsdesign
True stress [MPa]
350
400
AZ31
350
300
250
200
Pol: 00.2
Imax = 11.3
45°
150
100
50
Walzrichtung
Rolling direction
45°
Transverse direction
0
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
True strain
True stress [MPa]
400
ZEK100
300
250
Pol: 00.2
Imax = 5.5
200
150
100
50
Rolling direction
45°
Transverse direction
Querrichtung 0
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
True strain
20
Vergleich der Prozessketten zur Blechherstellung
Konventioneller Walzprozess
Masseln
Strangguss
+
Homogenisation
Wärmebeh. + Warmwalz Schritte
Fertigwalzen
gespart
MgSchmelze
Gießwalzen
Gießwalzen



Fertigwalzen
Gießgewalztes Band hat eine feinkörnige, homogene Mikrostruktur
Der Gießwalzprozess benötigt weniger Walzschritte, was zu einer geringeren Gesamtverformung führt
Der Gießwalzprozess kann Energie und Kosten sparen
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Gießwalzanlage am HZG
Abstapeltisch
Gießwalze
Blechschere Klemmrollen Dünnband
Gießwalze
MasselnSchmelzofen vorwärmung
Gießofen Reinigungsofen
Ofenlinie
Technical Data
Max. Schmelzleistung:
Max. Temperatur:
Temperaturgenauigkeit:
1000 kg/h
750 °C
+/- 3 °C
StrikoWestofen GmbH
Technische Daten
Bandbreite:
Walzendurchmesser:
Max. Geschwindigkeit:
Min. Banddicke:
Walzkraft:
650 mm
600 mm
6 m/min
4 mm
7600 kN
22
Aktivitäten im Bereich Gießwalzen
ThyssenKrupp MgF
(Deutschland):
• Hersteller von
Magnesiumblechen
• Produktion von Blechen
mit max. Breite von 700 mm
• Legierung AZ31
CANMET Materials
Technology Laboratory
(Kanada):
• Forschungsinstitut
• Gießwalzen mit einer
Breite von 250mm
• Legierung AZ31
Brunel Centre for Advanced
Solidification Technology
(BCAST) (Großbritannien):
• Forschungsinstitut
• Schmelzeaufbereitung für den
Gießwalzprozess
• AZ-Legierungen
TUBITAK MRC, Materials
Institute (Türkei):
• Forschungsinstitut
• Upscaling des
Gießwalzprozesses auf eine
Breite von 1500 mm
• Legierung AZ31
CSIRO Materials Science and
Engineering (Australien):
• Forschungsinstitut
• Gießwalzen mit einer Breite
von 600 mm
• Legierung AZ31
Zahlreiche Aktivitäten in China
Legierungsfamilie AZ:
Legierungsfamilie AM:
Legierungsfamilie Z:
0,1Zr
POSCO / POSTECH (Korea)
• Hersteller /
Forschungsinstitut
• Produktion von Blechen bis zu
einer Breite von 2000 mm
• Neue Legierungen z.B. ZW61,
ZMA611, ZMA613
AZ21, AZ31, AZ41, AZ61, AZ91
AM50, AM50+0,3Cu+0,02Zr, AM60
ZK60, ZW41, ZW61, ZMA611, ZMA613, Mg-2,4Zn-0,1Ag-0,1Ca-
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Anwendungen Magnesiumknetlegierungen
“POSCO is developing market for applying Mg flat product to every mobile industry.”
Heat Spreader
Barbecue Grill
Form
Frying Pan
Soldering Pallet & Magazine Rack
Construction
Industrial
Equipment
Kitchenware
Train
Pedestal Cover
Laptop Reinforcement Panel
Seat Frame
Bicycle Frame
Mobile case
Metal PCB
Transportation
Electronics
others
Mg-Air Cell
Production
Knee Brace
Engine Hood
Dash Panel
Suitcase
Development
Quelle: POSCO
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Forschungsschwerpunkte bei der
Blechentwicklung
Strip AZ31
Material:
Pol: 00.2
Imax = 11,3
Legierungselemente
Viskosität der Schmelze
Blech AZ31
solidification
tip
melt
Blecheigenschaften
lubricant
Gießwalzbandeigenschaften
strip
Gießwalzprozess
Water cooling
Erstarrung
Textur
Walzprozess
Mikrostruktur
Umformbarkeit
Segregation
Mech. Eigenschaften
Mikrostruktur
Korrosion
Textur
Prozessparameter:
Walzgeschwindigkeit
Schmelzetemperatur
Metallfüllstand im Gießofen
Design der Gießdüse
Dünnband AZ31
Blech AZ31
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Greenhouse Gas Emissions
Haberling 2013
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Volkswagen XL1 Super Efficient Vehicle
• Weight: 795 kg, 2 seats,
• Fuel consumption of 0.9 l/100 km (approx. 261 mpg US),
CO2 emissions 21 g / km
• Two-cylinder 0.8-liter diesel TDI engine (35kW/47hp), Emotor (20 kW / 27 hp), 7-speed dual clutch gearbox (DSG)
and 5.5 kWh lithium-ion battery pack
• Range up to 499 km with a full tank of gas
• Distance of up to 50 km (31 miles) in all-electric mode
• Was presented at the 2013 Geneva Motor Show
Forged Mg wheels
Mg gearbox housing
Mg steering parts
jalopnik.com/this-is-volkswagens-crazy-awesome-261-mpg-car-328215660
http://www.greencarcongress.com/2013/02/xl1-20130221.html
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MagIC – Magnesium Innovation Centre
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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