CN1223692C - 具有高耐蚀性的镁合金和镁合金元件 - Google Patents

具有高耐蚀性的镁合金和镁合金元件 Download PDF

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Abstract

提供有一种含有以下质量百分率元素的镁合金：Al：5%～7%，Ca：2%～4%，Mn：0.1%～0.8%，Sr：0.001%～0.05%和稀土元素：0.1%～0.6%。必要时不可避免的杂质Si，Zn，Cu，Ni，Fe和Cl每一种的许用含量规定为：Si不大于0.01质量%，Zn不大于0.01质量%，Cu不大于0.008质量%，Ni不大于0.001质量%，Fe不大于0.004质量%，和Cl不大于0.003质量%。还提供有将这样一种合金注入模具的方法制得的镁合金元件。

Description

具有高耐蚀性的镁合金和镁合金元件
                       发明背景
发明领域
本发明涉及具有高耐蚀性和耐热性及铸造性能二者均佳的镁合金，以及利用上述镁合金通过诸如金属注模，压铸和挤压铸造等各种高压铸造法生产的镁合金元件。
相关技术
镁合金重量轻，不仅在室温下强度高而且在高温下强度亦高。因此，镁合金可预期用于各种用途。例如，已预期对要求耐蚀性高的耐热元件例如传动箱或油盘付诸于汽车领域的实际应用。上述耐热元件可以由镁合金制成以便使汽车车身制造得轻些。因此可预期耗油量将得到改进从而有助于遏制全球变暖。此外，在家用设备领域中，具有内置光源的液晶投影器的外壳要求耐蚀性和耐热性。此类外壳可以用镁合金制成。因此，镁合金可促进高强度便携式设备的发展。在其它领域，预期可将镁合金用于要求具有耐蚀性和耐热性的轻型元件，例如机械工具或休闲商品。
在常规技术中，作为这类镁合金的有称为AS41和AS21的Al-Si-基合金和称为AE42的Al-Mm-基合金。再则，已推荐如下各种合金，虽然它们尚未付诸实际应用。
附带说明，以下合金的含量以“质量百分率”作单位表示。
(1)含有1％～6％Al，0.5％～4％Ca，0.5％～1.5％Si，0.15％～0.5％Mn和0.1％～0.3％Zn的Mg合金(日本专利发布号17890/1991)。
(2)含有2％～10％Al，1.4％～10％Ca，2％或以下的Si，2％或以下的Zn和4％或以下的稀土元素的Mg合金，其中规定Ca/Al≥0.7(日本专利公开号25790/1994)。
(3)含有5％～10％Al，0.2％～1.0％Si，0.05％～0.5％Ca和Sr≤0.1％的Mg合金(日本专利发布号104942/1997)。
(4)含有2％～10％Al，1.0％～10％Ca，Si，Mn，Zn，Zr中至少一种≤2％，和稀土元素≤4％的Mg合金(日本专利公开号271919/1997)。
(5)含有2％～6％Al，0.5％～4％Ca的Mg合金，其中规定Ca/Al≤0.8和Sr≤0.15％(日本专利发布号272945/1997)。
以下，将就有关附加元素在相应的常规合金(包括所推荐的常规合金)中的操作进行叙述。
Al与Mg一起形成硬质金属间化合物(Mg17Al12)。因此，其增强的分散作用提高了该合金的屈服强度和抗拉强度。Ca与Al或Mg一起形成高熔点金属间化合物，从而提高了抗拉强度和抗蠕变性。Si和Mg一起形成高熔点金属间化合物(Mg2Si)，从而提高了抗拉强度和抗蠕变性。Zn改善了时效性能。稀土金属(主要是网状结构金属：Mm)与Al一起形成金属间化合物，从而改善了抗蠕变性和耐蚀性以及在高温下的延伸率。
以下叙述有关附加元素在常规合金中发生的一些问题。
Al是一种用于改善强度的元素。可是，过量的Al添加剂会导致Mg17Al12增加，而它是一种低熔点的脆性金属间化合物。因此，韧性会降低同时抗蠕变性也降低。
Ca或Si具有改善在提高温度下的抗拉强度和抗蠕变性的作用。但是，过量的Ca添加剂不仅会导致韧性下降，而且导致在铸造过程中裂缝敏感性增加。再则，当Ca的含量增加时，耐蚀性会骤然变坏。
Si与Ca很容易形成化合物，以致在熔化过程中该化合物被晶化了。因此，降低了熔融金属的屈强比。
Zn也是一种用于改善强度的元素。但是，Zn会降低抗蠕变性和增加在铸造过程中的裂缝敏感性。
稀土元素对改善蠕变特性是有效的。但是，稀土元素会增加材料的成本。另外，稀土元素易于氧化得足以粘附在模具上。并且常规合金通常熔点很高，以致于必须增加熔解温度。因此，熔融金属容易发生燃烧。另外，固相线温度也是如此之高，以致熔融金属的流动性降低。因而，易于发生铸造损伤。所以，这类合金制成的零件已达到了不能实际使用的程度。
上述合金中的Mg-Al-Ca合金，预期作为一种不含稀土元素的低成本耐热合金，有一显著缺点，即为获得满意的蠕变特性而要求添加2质量％或更高的Ca，会导致耐蚀性明显的降低。
                        发明概述
为解决常规合金存在的问题而开发了本发明。本发明的目的是要提供一种镁合金，在该合金中，所制订的方案特别考虑到了在常规合金中难以计及的耐蚀性问题，以便是即使在低的熔解温度下也能得到好的铸造特性，同时这种镁合金还具有极高的耐蚀性和极好的耐热性；并提供利用这种镁合金生产的镁合金元件。
注意到作为附加元素的Al，Ca，Mn，Sr和稀土元素后，在本发明中产生出了各个元素组成不同的各种锭料。进而，高压铸造方法之一的金属注模法所用的原材料碎屑由上述锭料形成，然后生产出各种试件。根据在提高温度下的盐雾试验，蠕变试验，抗拉试验，和最长达100小时的可成形性试验使各组分达到最佳。于是找出了能顾及耐蚀性和耐热性二者的镁合金。
根据本发明的第一方面，为了解决问题，本发明提供有一种耐蚀性和耐热性极高的镁合金，它含有5～7质量％的Al，2～4质量％的Ca，0.1～0.8质量％的Mn，0.001～0.05质量％的Sr和0.1～0.6质量％的稀土元素，镁合金的剩余部分由Mg和不可避免的杂质组成。
根据本发明的第二方面，如同在本发明的第一方面中的情况一样，规定了每种不可避免的杂质Si，Zn，Cu，Ni，Fe和Cl的施用含量，其中Si不高于0.01质量％，Zn不高于0.01质量％，Cu不高于0.008质量％，Ni不高于0.001质量％，Fe不高于0.004质量％和Cl不高于0.003质量％。
根据本发明的第三方面，如同在本发明的第一或第二方面的情况一样，提供有耐蚀性和耐热性极高的镁合金元件，该熔融合金的生产采用了将处于固相率为50％或以下的半固体状态的该合金注入模具的高压铸造方法。
                           附图简述
图1是表明Ca含量对腐蚀速率和最小蠕变速率影响的曲线图。
图2是表明Al含量对腐蚀速率和最小蠕变速率影响的曲线图。
图3是表明Sr含量对腐蚀速率和最小蠕变速率影响的曲线图。
图4是表明Mm含量对腐蚀速率和最小蠕变速率影响的曲线图。
图5是表明Al含量对腐蚀速率和最小蠕变速率影响的曲线图。
图6是表明Ca含量对腐蚀速率和最小蠕变速率影响的曲线图。
图7是表明Sr含量对腐蚀速率和最小蠕变速率影响的曲线图。
图8是表明在提高的温度下根据抗拉试验得到的本发明合金的屈服强度和抗拉强度的曲线图。
图9是表明Mm对填充速率影响的曲线图。
图10是表明在本发明的合金中平均注射速率和填充速率之间关系的曲线图。
                          优选实施方案详述
首先，将就有关在本发明中的附加元素的操作进行叙述。
Al：质量百分率5％～7％
Al在Mg基体相中难以溶解成固溶体，但却凝聚在Mg主晶体凝块的前面。因此，Al与Mg或Ca形成低共熔体才能得到良好的流动性。此时，如果Al含量小于5质量％，则它的熔点高。因此，在制造或铸造合金锭料的方法中，就必须增高熔解温度，以致可加工性降低。另一方面，如果Al含量超过7质量％，金属阀化合物便增加，以致在铸造过程中裂缝敏感性增加，并且耐蚀性降低。所以，Al的含量被限制于上述范围，附带说明，更优选的是将Al含量的下限定为5.2％，而将其上限则定为6.8％。
Ca质量百分率2％～4％
Ca与Mg和Al形成金属间化合物，同时在网状结构中首先在结晶界面处发生晶化。这金属间化合物起着阻碍为转位发生的上行运动的作用，以致使抗蠕变变形性增强。此时，如果Ca添加量小于2质量％，则此效果不充分。如果该添加量超过4质量％，则在铸造过程中容易产生裂缝。因此，Ca的含量被限制于上述范围。附带说明，更优选的是将Ca的下限定为2.2％而将其上限则定为3.8％。
Mn：质量百分率0.1％～0.8％
Mn与Al形成金属间化合物。因此，杂质元素Fe溶解成固溶体。于是，耐蚀性的下降受到了遏制。此时，如果Mn的含量小于0.1质量％，则此效果不充分。如果Mn的含量超过0.8质量％，则熔融合金的屈强比降低。因此，Mn的含量被限制在上述范围内。附带说明，更优选的是将Mn的下限定为0.2％，而将其上限定为0.6％。
稀土元素：质量百分率0.1％～0.6％
稀土元素与Al形成金属间化合物，从而显著地改善了耐蚀性。此时，如果稀土元素的含量小于0.1质量％，则不能获得足够的耐蚀性。如果稀土元素的含量超过2.0质量％，则熔融合金的屈强比会降低。另外，如果添加0.1质量％的稀土元素，则能大为改善抗蠕变性。但是，如果添加了1％或以上质量％的稀土元素，则性能就会降低。再则，如果稀土元素的含量超过0.5质量％，由于稀土元素含量增加导致流动性降低。可是，如果添加了后面将要述及的Sr，则由稀土元素添加引起的可成形性降低能得到改善。因此，如果稀土元素的含量不大于0.6质量％，则能得到良好的可成形性。附带说明，可以添加选自稀土元素中的一种元素，或者，可添加选自稀土元素中的二种或更多的元素作为上述稀土元素。再则，可以这些稀土元素可以铈镧稀土合金的形式添加。
Sr：质量百分率0.001％～0.05％
添加的微量Sr在晶化物体中的结晶界面处溶解成固溶体。Sr固溶体具有改善耐蚀性同时保持极好的蠕变特性的作用。此外，已发现，添加Sr能补偿由于稀土元素添加剂超过0.5质量％而引起的流动性降低。此时，如果Sr低于0.001质量％，则不能充分恢复降低了的耐蚀性和流动性。如果Sr超过0.05质量％，熔入了Sr的熔融金属的屈服比会降低。
Si：不大于0.01质量％
Zn：不大于0.01质量％
Cu：不大于0.008质量％
Ni：不大于0.001质量％
Fe：不大于0.004质量％
Cl：不大于0.003质量％
杂质元素Si，Zn，Cu，Ni，Fe和Cl会降低耐蚀性。所以，控制这些杂质元素的许用量非常重要。为了使耐蚀性不致降低，所有元素必须满足这些条件。
按照本发明的镁合金由含有指定值的上述组分的熔料制成。对本发明中采用的生产方法无特别限制，而是通常使用的任何方法均可采用。用熔料制成的镁合金适用于下述铸造方法，这是一种当它是扁锭时或在它形成为扁锭之后的后加工方法。
通常所知的铸造技术中的许多方法均可采纳作为铸造方法。但是，按照本发明的镁合金具有极好的铸造特性，因此，它是一种适用于诸如压铸法，挤压铸造法和金属注模法之类的高压铸造方法的材料，尽管要求高的铸造性能，但利用此类方法却能得到高质量的材料。
在本发明中，没有对这些铸造方法中的条件作特殊的限制，但是，在局部熔融制模法中优选将熔融金属的固相率规定为不大于50％。这是因为如果固相率超过50％，即使是对于按照本发明具有良好铸造特性的合金，也会担心由于熔融合金流动性降低而使获得良好的模制件变得困难了。
在高压铸造方法中，熔融合金(包括半固体状态的情况)具有高的流动性。因此，当将熔融合金模压成薄板产品时，借助于良好的熔料流动性能对该熔融合金进行铸造，从而能制得具有高屈服点的上述产品。此外，由于良好的熔料流动性，这样制得的元件几乎没有什么缺陷。因此，即使是高强度材料也能得到极好的性能。
因此，按照本发明的合金制得的模制产品可以用作在许多场合中要求重量轻，强度高，高温性能和耐蚀性高的元件。在需要上述特性的汽车零件或各种便携式设备中，上述产品的应用预期能得到推广。再则，预期还能将上述产品的应用推广到机械工具或休闲商品。另外，上述镁合金产品比常规塑料产品更易于重复利用，故而有助于全球环境保护。
实施例
下面将参照附图讲述本发明实例。
对按照本发明制得的合金锭料和用于对比的按照常规制得的合金锭料进行熔化和制造，然后进行切削以便生产出各种原料碎屑。表1表明了原料碎屑的化学分析结果。
采用高压铸造方法之一的金属注模法(模具夹紧力为450t)进行铸造。生产出若干件每件的平行部分直径为6mm的抗拉/蠕变试验用试件，若干件每件厚度为2mm的平板(作为盐雾试验用试件)和若干件每件厚度为1mm的平板(作为可成形性评定用试件)。为了单独测定组合物，模制条件中的筒体温度(903K)，模具温度(443K)和注射速度(1.7m/s)是恒定的，利用光学显微镜可以确认固相率为0％。只是在可成形性评定中注射速度是变化的，变化范围为0.5m/s～1.9m/s。耐热性采用在473K和90MPa下的蠕变试验和在室温～473K的提高温度条件下抗拉试验来评定。耐蚀性采用100小时的盐雾试验来评定。可成形性采用1mm厚平板的可填充性来评定。
                                                表1
                                                                                     质量％
类别  合金  Al  Mn  Ca  Sr  Mm  Mg
组合物1  ACa61  5.88  0.24  1.20  -  - 平衡量
组合物2  ACa62  5.84  0.32  1.88  -  - 平衡量
组合物3  ACa63  5.57  0.32  3.25  -  - 平衡量
组合物4  ACa43  3.99  0.26  3.04  -  - 平衡量
组合物5  ACa53  4.87  0.24  3.02  -  - 平衡量
组合物6  ACa73  6.76  0.20  3.02  -  - 平衡量
组合物7  ACa83  7.78  0.21  3.05  -  - 平衡量
组合物8  ACaSr6310p  6.00  0.27  2.94  0.0043  - 平衡量
组合物9  ACaSr6350p  6.06  0.23  2.76  0.0060  - 平衡量
组合物10  ACaSr63100p  6.27  0.30  2.95  0.0143  - 平衡量
组合物11  ACaSr63300p  6.02  0.25  2.97  0.0370  - 平衡量
组合物12  ACaE6301  6.16  0.44  3.30  -  0.14 平衡量
组合物13  ACaE6305  6.04  0.34  3.15  -  0.51 平衡量
组合物14  ACaE631  6.22  0.34  3.03  -  1.14 平衡量
组合物15  ACaE632  6.22  0.26  3.17  -  1.93 平衡量
实例1  ACaESr530550p  5.75  0.34  3.28  0.0072  0.57 平衡量
实例2  ACaESr630550p  6.16  0.32  3.20  0.0060  0.53 平衡量
组合物16  ACaESr730550p  7.86  0.28  3.27  0.0069  0.54 平衡量
组合物17  ACaESr830550p  8.63  0.26  3.22  0.0066  0.51 平衡量
组合物18  ACaESr61.50550p  6.08  0.33  1.48  0.0058  0.50 平衡量
实例3  ACaESr620550p  5.98  0.33  2.03  0.0062  0.53 平衡量
实例4  ACaESr62.50550p  5.90  0.33  2.51  0.0063  0.53 平衡量
实例5  ACaESr6305100p  6.23  0.33  3.20  0.0120  0.53 平衡量
实例6  ACaESr6305300p  5.91  0.32  3.20  0.0340  0.52 平衡量
组合物19  AE42  4.30  0.28  -  -  2.91 平衡量
图1表明了Ca含量与根据100小时盐雾试验前后的重量损失算出的腐蚀速率之间的关系，和Ca含量与根据对含有Al和Ca的Mg合金的蠕变试验算出的最小蠕变速率之间的关系。为了获得高耐蚀性和抗蠕变性。必须添加2％或更高的质量％的Ca。但是，如果Ca含量超过2质量％，则耐蚀性会骤然降低。
已知不含Ca的Mg-Al-基合金的耐蚀性可采用增加Al含量的方法得到改善。图2表明了Al含量对含有Al和Ca的Mg合金的耐蚀速率和最小蠕变速率的影响。Al含量的变化对含有Al和Ca的Mg合金的蠕变特性和耐蚀性没有引起差别。也就是说不能期望通过增加在含有Ca的合金中Al含量的方法来改善耐蚀性。
图3表明Sr含量对腐蚀速率和最小蠕变速率的影响。虽然在含有Al和Ca的Mg合金中添加Sr能改善耐蚀性，但与常规使用的合金AE42相比，其腐蚀速率和最小蠕变速率却大为恶化了。
图4表明Mm含量对腐蚀速率和最小蠕变速率的影响。已经证明采用在含有Al和Ca的Mg合金中添加Mm的方法能大规模改善耐蚀性。已认识到Mm含量为0.5质量％或更小能改善耐蚀性，而当Mm含量大于0.5质量％时则耐蚀性几乎没有变化。通过添加0.1质量％的Mm能改善蠕变特性，但是当添加的Mm超过1质量％时则会有降低的趋势。这就是说，虽已发现添加Mm能改善耐蚀性，但为了实际应用会要求进一步改善。常规使用的合金AZ91D，AM60B和AE42的腐蚀速率分别为0.02，0.06和0.08mg/cm2/天。为了实际应用，对在0.1mg/cm2/天条件下应具有的目标值进行了研究。
将极少量的Sr添加到含有Al，Ca和Mm的合金中以便达到目标值。图5表明Al含量对该合金的腐蚀速率和最小蠕变速率的影响。与不含Ca的Mg-Al-基合金相比，在Al含量不大于7质量％时，添加有极少量Sr的含Mm合金表明有极高的耐蚀性。当Al含量超过7质量％时，由于Al含量的增加，耐蚀性会骤然降低。可以认为这是因为Al-Ca-基晶间晶化物质由于Al含量的增加而增加，和耐蚀性由于具有低耐蚀性的上述金属间化合物的增加而降低。
因为Ca对耐蚀性有负影响，故试图在含有Al，Ca，Mm和Sr的Mg合金中减少Ca含量。图6表明了Ca含量对腐蚀速率和最小蠕变速率的影响。通过减少Ca含量达到的改善耐蚀性显得不象在不含Mm的合金中那样明显。不用说，Mm对耐蚀性的改善有着极大影响。
图7表明在含有Al，Ca，Mm和Sr的Mg合金中Sr含量对腐蚀速率和最小蠕变速率的影响。当Sr的含量不大于100ppm时，耐蚀性和蠕变特性有得到改善的趋势，而当Sr增加时则有降低的趋势。另外，当Sr含量为100ppm时，腐蚀速率0.1mg/cm2/天的目标值能达到。
图8表明了在提高温度下对含有6质量％的Al，3质量％的Ca，0.5质量％的Mm，0.01质量％的Sr和0.2质量％的Mn的本发明合金所进行的抗拉试验算出的屈服强度和抗拉强度，这种合金的耐蚀性和蠕变特性极佳。至于屈服强度，该合金的特性在任何温度下都优于AE42。至于抗拉强度，在室温下AE42是极高的，但是，对于本发明的合金来说，最高达到423K也很难判明强度的降低。
图9表明了在不含Sr的含Mm合金中平均注射速度和填充速率之间的关系。含有0.1质量％的Mm的合金(ACaE6301)表明具有极好的可成形性。可是，如果Mm含量超过0.5质量％(ACaE6305)，可成形性由于Mm含量的增加而降低。
图10表明在本发明的含有Sr合金中平均注射速度和填充速率之间的关系。图10还表明作比较用的现有合金AM60B的结果。已认识到由于添加的Mm超过0.5质量％造成的可成形性降低可通过增加Sr而得到改善(发明的合金：ACaESr6305100p)，可成形性等同于AM60B中能获得的可成形性。再则，也可用AE42在类似条件下进行这项试验，但是模制是困难的，所以不可能作出评估。
附带说明，有关金属注模法的数据资料表明在实例中。可是，如果本发明的合金如果在注射前固相率为能保证可成形性好的50％或更小，则该合金可适用于任何其它高压铸造方法，例如压铸法或挤压铸造法。
另外，在这些实例中Mm可用作稀土元素。不用说在本发明中的稀土元素不限于Mm。
如上所述，根据本发明，提供有包含以下质量百分率的镁合金：Al为5％～7％，Ca为2％～4％，Mn为0.1％～0.8％，Sr为0.001％～0.05％和稀土元素0.1％～0.6％，而此镁合金的剩余部分由Mg和不可避免的杂质组成。必要时，每种不可避免的杂质Si，Zn，Cu，Ni，Fe和Cl的容许含量规定为，Si不大于0.01质量％，Zn不大于0.01质量％，Cu不大于0.008质量％，Ni不大于0.001质量％，Fe不大于0.004质量％，和Cl不大于0.003质量％。此外，该合金能适用于运输工具的结构，例如需要常规合金难以达到的耐蚀性和耐热性的汽车零件。于是，能降低汽车车身的重量从而能预期改善耗油量以便有助于遏制全球变暖。另外，按照本发明制得的合金和合金元件还可用于其它领域，例如需要耐热性的家用设备。

Claims (4)

1.一种耐蚀性和耐热性极高的镁合金，它含有以下质量百分率的元素：Al：5％～7％，Ca：2％～4％，Mn：0.1％～0.8％，Sr：0.001％～0.05％和稀土元素：0.1％～0.6％，上述镁合金的剩余部分由Mg和不可避免的杂质组成。
2.按照权利要求1的具有高耐蚀性和耐热性的镁合金，其中所述不可避免的杂质Si，Zn，Cu，Ni，Fe和Cl每一种的许用含量规定为：Si不大于0.01质量％，Zn不大于0.01质量％，Cu不大于0.008质量％，Ni不大于0.001质量％，Fe不大于0.004质量％，和Cl不大于0.003质量％。
3.一种制备镁合金元件的方法，包括将处于固相率为50％或更小的半固体形态的镁合金注入模具中，
其中所述镁合金含有以下质量百分率的元素：Al：5％～7％，Ca：2％～4％，Mn：0.1％～0.8％，Sr：0.001％～0.05％和稀土元素：0.1％～0.6％，上述镁合金的剩余部分由Mg和不可避免的杂质组成。
4.按照权利要求3所述的制备镁合金元件的方法，其中所述不可避免的杂质Si，Zn，Cu，Ni，Fe和Cl每一种的许用含量规定为：Si不大于0.01质量％，Zn不大于0.01质量％，Cu不大于0.008质量％，Ni不大于0.001质量％，Fe不大于0.004质量％，和Cl不大于0.003质量％。
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