Magnesium und seine Legierungen PDF
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Klassiker der Technik Die" Klassiker der Technik" sind unverdnderte Neuauflagen traditionsreicher ingenieurwissenschaftlicher Werke. Wegen ihrer didaktischen Einzigartigkeit und der Zeitlosigkeit ihrer Inhalte gehoren Sie zur Standardliteratur des Inge nieurs, wenn sie auch die Darstellung modernster Methoden neueren Buchern uberlassen. So erschlieflen sich die Hintergrunde vieler computergestutzter Ver fahren dem Verstdndnis nur durch das Studium des klassischen,fundamentale ren Wissens. Oft bietet ein "Klassiker" einen Fundus an wichtigen Berechnungs oder Konstruktionsbeispielen, die auch fur viele moderne Problemstellungen als Musterlosungen dienen konnen. Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH Magnesium und seine Legierungen Bearbeitet von H. Altwicker· A. Bauer· A. Beck· H. Bohner· W. Buchmann R. Fiedler· G. Gossrau . O. Keinert· P. Menzen . W. Moschel E. Nachtigall· E. J. de Ridder . W. Schultze . H. Seliger G. Siebel . P. Spitaler· R. Suchy . H. Vosskühler . W. H. O. Ziegler Herausgegeben von Dr.-Ing. E. h. Adolf Beck Mit 524 Abbildungen , Springer ISBN 978-3-642-62582-4 Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme Beck, Adolf: Magnesium und seine Legierungen 1A dolf Beck -2. Aufl. Berlin ; Heidelberg; New York; Barcelona; Hongkong; London; Mailand; Paris; Singapur; Tokio: Springer, 200 1 (KlassikerderTechnik ) ISBN 978-3-642-62582-4 ISBN 978-3-642-56708-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-56708-7 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Spei cherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbe halten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepu blik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. http://www.springer.de © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1939 and 2001 Softcover reprint ofthe hardcover 2nd edition 1939 and 2001 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Einbandgestaltung: Steinen, Barcelona Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: 10797659 62/3020hu-5 43210- Vorwort zur 2. Auflage In vielen Bereichen ist ein alter und zugleich neuer Werkstoff -MAGNESIUM als leichtester metallischer Konstruktionswerkstoff sehr aktuell geworden. Aus seiner Geschichte heraus ist es ein typisches "europaisches Metall", an dem viele namhafte Personlichkeiten arbeiteten: 1808 von dem Englander Sir Henry Davy entdeckt, und 1828 von dem Franzosen A. Bussy gewonnen, bestimmt 1830 der Deutsche J. v. Liebig seine Eigenschaften. 1833 produziert der Englander M. Faraday Magnesium mittels Elektrolyse und der Deutsche R. Bunsen entwickelt eine Elektrolysezelle. Sie schaffen damit die Grundlage, die auch heute noch flir die Gewinnung von von Magnesium GUltigkeit hat. Schlief3lich beginnt 1886 die erste industrielle Produktion von Magnesium in Hemelingen bei Bremen. In den 30-er Jahren unseres vorigen Jahrhunderts wird es in Deutschland sehr stark gebraucht und wird z.B. im VW Kafer in Grof3serie (21 kg Motorblock/Getriebegehause) eingesetzt. So befand sich im mitteldeutschen Industriegebiet nicht nur ein Zentrum der Magnesiumverarbeitung sondern auch ein Forschungszentrum zur Entwicklung von Magnesiumwerkstoffen. Hier entstand das Buch von A. Beck "Magnesium und seine Legierungen". FUr mich eine Faszination, welches Wissen und welche Applikationen von diesem Metall bereits 1939 bekannt waren und mit welcher Akribie die Entwicklung von Magnesiumlegierungen, die Verbesserung ihrer Eigenschaften und Einsatzbreite betrieben wurde. A. Beck hat sich mit diesem Buch selbst ein Denkmal gesetzt. Viele Erkenntnisse von ihm sind in das Werk miteingeflossen. Leider gingen viele Erfahrungen zu diesem hochwertigen WerkstofT durch die Wirren des 2. Weltkrieges verloren. Magnesium ist eine Herausforderung unserer Zeit und gehort bei we item nicht zum "alten Eisen". Masseeinsparungen bei guter mechanischer Festigkeit, Recyclefahigkeit sind in vielen Bereichen wie Automobilbau, Luft-und Rallmfahrt, Maschinenbau und Elektronik aktueller denn je. Das exzellente Buch von A. Beck ist nicht nur eine historische Nachauflage, es ist vielmehr auch heute noch ein hervorragendes Lehrbllch, das nicht in Vergessenheit geraten darf. Kerpen, im Miirz 200 I Prof. Dr. rer. nat. habil. Peter Kurze AHC Oberflachentechnik Holding GmbH. Kerpen Vorwort. Als vor nunmehr fast 3 Jahren die Verlagsbuehhandlung anregte, das Gesamtwissen urn die physikalisehen und teehnologisehen Eigen sehaften des Magnesiums und seiner Legierungen zu sammeln und in handbuehmiWiger Darstellung dem tiiglieh groBer werdenden Kreis der jenigen, die irgendwie an diesem Werkstoff interessiert sind, zugiinglieh zu machen, spraeh sie dadureh einen Gedanken aus, den wohl jeder von uns in irgendeiner Form schon selbst gehabt und aueh schon mit dem einen oder anderen seiner KoHegen durehgesproehen hatte. Wenn diese Absieht bisher nieht zur Durehfuhrung gekommen ist, so wohl nur aus zwei allerdings sehr triftigen Grunden: Zuniiehst einmal gab es noeh viele Fragen - weniger solehe der Verarbeitung und Ver wendung als vor allem der physikalisehen Eigensehaften -, die noeh zu kliiren waren, urn ein einigermaBen abgerundetes Bild zu geben; kurz gesagt, uns allen sehien die Zeit fUr eine zusammenfassende Dar steHung noeh nieht gekommen zu sein. Die zweite ebens o wiehtige Frage, die sofort bei dem leisen Gedanken an eine groBere literarisehe Arbeit auftauehen muBte, war die: Wie solI man die Zeit finden, um neben der berufliehen Uberlastung noeh in spiirliehen Drlaubstagen oder an freien Abendstunden ein Bueh zu schreiben ~ Einer allein hiitte es wohl nie fertiggebraeht, denn wenn die Gesehwindigkeit, mit der ein Manu skript ausgearbeitet wird, geringer ist als die, mit der die Entwieklung des betreffenden Gebietes voransehreitet, so wird das Bueh ja nie fertig. leh glaube, daB das erste Bedenken, naeh dem die Zeit fur eine zusammenfassende Darstellung noeh nieht reif sei, heute nieht mehr zu Recht besteht. Dnd was die Frage der berufliehen lnanspruehnahme betrifft, die heute bekanntlieh ja immer noeh im Anstieg ist, so daehten wir, daB es bei weitgehender Aufteilung des Stoffes an versehiedene Autoren wohl moglieh sein muBte, das Werk zu einem guten Ende zu fuhren. Wenngleieh die Gefahren eines solehen "Vielmiinner-Buehes" bekannt sind, so glaubten wir doeh Ihnen dadureh begegnen zu konnen, daB einmal fast aIle Autoren im selben Betriebe der I.G. Farbenindustrie AktiengeseIlsehaft in Bitterfeld tiitig sind, und somit die Mogliehkeit zum Gedankenaustauseh jederzeit gegeben ist, andererseits aber dadureh, daB jeder nur uber das Gebiet sehrieb, fur das er aueh im Laboratorium oder Betrieb verantwortlieh ist, und sehlieBlieh aueh noeh dureh eine VIII Vorwort. straffe Redaktion, bei der mich besonders Herr Dr.-lng. E. NACHTIGALL, dem ich hierfiir besonders danken mochte, in tatkraftiger Weise unter stiitzte. lch glaube, daB wir trotz der weitgehenden Arbeitsteilung die zu leistende Arbeit beinahe unterschatzt haben. Wir wuBten aber eines, daB gerade wir die Verpflichtung auf uns nehmen miissen, dieses Buch zu schreiben. Es wird mir niemand Unbescheidenheit vorwerfen, wenn ich glaube feststellen zu konnen, daB wir iiber das Magnesium und seine Legierungen vielleicht mehr wissen als sonst jemand. Diese Kenntnisse haben wir versucht, hier, soweit es uns moglich war, niederzulegen und fiir andere nutzbar zu machen. So wie bei unseren Entwicklungsarbeiten haben wir auch im Buch versucht, die wissenschaftlichen Grundlagen in den Vordergrund zu stellen. Diese genaue Kenntnis, die wir uns in den meisten Fallen erst selbst erringen muBten, hat uns in die Lage versetzt, den Werkstoff beherrschen zu lernen. So wie wir selbst die Physik, die physikalische Chemie, die Rontgenstrukturlehre nie als Luxus betrachtet haben, sondern zusammen mit ihren Nachbarwissen schaften als die wirkliche Grundlage iedes technischen Fortschrittes, so bitten wir auch den Leser, die ersten Kapitel des Buches nicht als iiber fliissiges Beiwerk. sondern als Grundlage fiir die folgenden Abschnitte anzusehen. lch mochte aus diesem Grunde meinen Dank in erster Linie unserem hochverehrten friiheren langjahrigen Direktor, Herrn Dr. phil. Dr.-lng. e. h. G. PISTOR, aussprechen, der auch auf dem Gebiete des Magnesiums Pionierarbeit geleistet und in weit vorausschauender Art immu und immer wie der die rein wissenschaftliche Erforschung.in den Vordergrund gestellt hat. Die lndustrie des Magnesiums ist zum groBen Teil eines seiner Werke und ich halte es fUr meine Pflicht, ihm hier an erster Stelle auch im Namen aller Mitarbeiter zu danken. Es ist mir des weiteren einaufrichtiges Bediirfnis, dem Reichsluft fahrtministerium und seinem technischen Amt fiir die Genehmigung zum Abdruck der sich an das Vorwort anschlieBenden Einfiihrung, die eine kurze Erlauterung der besonders in der Luftfllhrtindustrie gebrauchlichen Bezeichnungen enthalt, meinen Dank auszusprechen. In Anbetracht der groBen Bedeutung der Magnesiumlegierungen fiir die Luftfahrt wurden die yom RLM eingefiihrten Kennzahlen auch im Text des Buches zur naheren Bezeichnung der Werkstoffe beriick sichtigt. lch mochte ferner meinen Kollegen und Mitarbeitern, die trotz der anstrengenden Berufsarbeit ihre freie Zeit zur Verfiigung gestellt, und dadurch die Grundlage fiir das Gelingen des Werkes gelegt haben, Vorwort. IX danken. Ich glaube, daB wir auf die kameradschaftliche Zusammen arbeit, an der sich neben den Herren unserer Firma noch Herr Ober ing. BAUER, Cannstatt, und Herr Dr. MENZEN, Rackwitz-Leipzig, be teiligt haben, die ich in diesem FaIle glaube ruhig zu den Unseren zahlen zu duden, stolz sein konnen. Ich hoffe, daB das Buch sich viele Freunde erwerben wird und uns sowie der Verlagsbuchhandlung Julius Springer, der ich fur ihr verstandnisvoIles Eingehen auf unsere Wunsche und fur die rasche und sorgfaltige Drucklegung sehr zu Dank verpflichtet bin, noch viel Freude bereiten wird. Bitterfeld, im September 1939. A. BECK. Inhaltsverzeichnis. Zur Einfiihrung. Seite Die Magnesiumlegierungen als Fliegwerkstoffe . . XV Rohstoffe und Herstellung. Von Direktor Dr. phil. W. MOSCHEL, Dr.-lng. H. SELIGER und Direktor Dr. phil. R SUCHY, Bitterfeld. A. Geschichtliches. . . . . . . 1 B. Rohstoffe des Magnesiums. . . . . . . . . . . . 3 1. Vorkommen der Rohstoffe . . . . . . . . . . . . 3 2. Technisch wichtige Rohstoffe und ihre Aufbereitung . 4 C. Elektrolytische Herstellung des Magnesiums . . 6 1. Elektrolyse von waBrigen bzw. organischen Losungen der Magnesium- salze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2. Elektrolyse von geschmolzenen Magnesiumsalzen 7 a) Elektrolyse von Magnesiumoxyd in Fluoridschmelzen 7 b) Elektrolyse von Karnallit. . . . . . . . . . . . 7 c) Herstellung von wasserfreiem Magnesiumchlorid 8 d) Elektrolyse von geschmolzenem Magnesiumchlorid 11 D. Therrnische Herstellung des Magnesiums . . . . 13 1. Reduktion von Magnesiumoxyd mittels Kohle. . . . 13 2. Reduktion von Magnesiumverbindungen mittels Kalziumkarbid . 15 3. Reduktion von Magnesiumoxyd mittels Aluminium . . 16 4. Reduktion magnesiahaltiger Rohstoffe mittels Silizium . 16 E. Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Physikalische Eigenschaften des Magnesium.Einkristalls und ihre Bedeutung fUr den Vielkristall. Von Dr. phil. G. SIEBEL, Bitterfeld. A. Einlei tung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Herstellung von Einkristallen. . . . . . . . . . . . 18 B. Physikalische Eigenschaften des Mg-Kristalls. 19 1. Anisotropie des Mg-Kristalls. . . . . 19 2. Verformungsmechanismen, Translation und Zwillingsbildung 20 3. Verfestigung von Mg-Kristallen 24 a) Statische Beanspruchung 24 b) Wechselbeanspruchung 25 c) Legierungsbildung . . . 26 d) Kristallverletzung . . . 28 C. Bedeutung der hexagonalen Struktur fiir die Eigenschaften des Vielkristalls . . . . . . 29 1. Verfestigung des Vielkristalls 29 2. Verformnngstexturen . . . . 31 XII Inhaltsverzeichnis. Metallographie des MagnesiuIDs nnd seiner Legierungen. Von Dr.-Ing. H. VOSSKUHLER, Bitterfeld. A. Schliffherstellung ..... . 37 1. Mikroskopische Untersuchungen 37 a) Vorbereitung der Proben. 37 b) Schleifen 37 c) Polieren. . . . . . . . . 38 d) Xtzen ......... . 40 2. Makroskopische Untersuchungen 41 B. Gefiige des Magnesiums ... 42 C. Binare Legierungen . . . . . 46 Mg-Ag 46. Mg-Al47. Mg-As 53. Mg-Au 53. Mg-Ba 54. Mg-Be 54. Mg-Bi 55. Mg-Ca 57. Mg-Cd 58. Mg-Ce 59. Mg-Co 60. Mg-Cs 60. Mg-Cu 61. Mg-Fe 62. Mg-Ga 62. Mg-Ge 63. Mg-H 63. Mg-Hg 63. Mg-In 64. Mg-K 65. Mg-La 65. Mg-Li 65. Mg-Mn 67. Mg-N 68. Mg-Na 69. Mg-Ni 69. Mg-O 70: Mg-P 70. Mg-Pb 70. Mg-Pr 71. Mg-S 72. Mg-Sb 72. Mg-Si 73. Mg-Sn 74. Mg-Sr 75. Mg-Tl75. Mg-W 77. Mg-Zn 77. Mg-Zr 78. D. Ternare Legierungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Mg-Ag-Al 79. Mg-Ag-Cd 80. Mg-Ag-Tl 80. Mg-Ag-Zn 80. Mg-Al-Be 80. Mg-Al-Bi 80. Mg-Al-Cd 81. Mg-Al-Cu 82. Mg-Al-Fe 83. Mg-Al-Mn 83. Mg-Al-Ni 84. Mg-Al-Sb 84. Mg-Al-Si 85. Mg-Al-Tl 85. Mg-Al-Zn 86. Mg-Bi-Cu 90. Mg-Bi-Zn 90. Mg-Ca-Si 91. Mg-Ca-Zn 91. Mg-Cd-Pb 92. Mg-Cd-Tl 93. Mg-Cd-Zn 94. Mg-Cu-Ni 95. Mg-Cu-Si 95. Mg-Cu-Sn 96. Mg-Pb-Sb 96. Mg-Pb-Sn 96. Mg-Si-Zn 97. Mg-Sn-Zn 99. Mg-Tl-Zn 100. Physikalische Eigenschaften. Von Dr. phil. G. SIEBEL und Dr.-Ing. H. VOSSKUHLER, Bitterfeld. A. Physikalische KenngroBen des Reinmagnesiums 101 B. Rekristallisation. . 102 C. Volumen ............ _ . . . . . . . . 105 1. Spezifisches Gewicht . . . . . . . . . . . . . . . 105 2. Gitterkonstantenanderung durch Mischkristallbildung 107 3. Thermische Ausdehnung. . . 108 D. Thermische Eigenschaften. . . . . . . . . . . . 111 1. Warmeleitfahigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . 111 2. Spezifische Warme, Schmdzwarme, Schmelzpunkt, Siedepunkt, Ver- dampfungswarme, Dampfdruck. 114 3. Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4. Oberflachenspannung . . . . . . . . . . . . . . . 119 5. Bildungswarmen von intermetallischen Verbindungen 119 6. Brennbarkeit. . . . . . . . 120 E. Elektrische Eigenschaften . 122 1. Elektrische Leitfahigkeit . . 122 2. Thermokraft. . . . . . . . 128 F. Magnetische Eigenschaften 128 G. Reflexion. . . . . . . . . . 129 H. Elektrochemische Eigenschaften 130
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