Magnesium und seine Legierungen

539 Pages·2001·23.26 MB·English

by  W. Moschel, H. Seliger, R. Suchy (auth.), H. Altwicker, H. Bohner, R. Fiedler, G. Gossrau, O. Keinert, P. Menzen, E. Nachtigall, E. J. de Ridder, W. Schultze, G. Siebel, P. Spitaler, R. Suchy, H. Vos

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
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1939 and 2001
Softcover reprint ofthe hardcover 2nd edition 1939 and 2001
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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
Inhaltsverzeichnis.
XII
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