TWI427158B - 鎂合金及其製備方法 - Google Patents

Description

鎂合金及其製備方法

本發明涉及一鎂合金，尤其涉及一高強度鑄造用鎂合金及其製備方法。

鎂合金係工業應用中最輕之結構金屬，純鎂之密度為1.738g/cm3，為鋁密度之2/3，鋼之1/4。且鎂於地殼中之儲量較大，占2.7%，僅次於鋁和鐵。與其他金屬材料相比，鎂合金具有高比強度、比剛度，較強電磁遮罩與抗輻射能力，易切削加工、易回收等一系列優點，於汽車、電子、航天及國防工業領域具有極其重要之應用價值和廣闊應用前景。

由於鎂係密排六方晶體結構，其在室溫下只有單一滑移系，使得鎂合金於常溫下塑性較差，變形加工困難，因而鎂合金大多以鑄造方式生產。工業常用AZ91D、AM60B等壓鑄鎂合金具有優良室溫強度和良好鑄造性能，且成本低廉。惟該等鎂合金之強度和韌性難以進一步提高，大大限制了該等鎂合金之應用範圍。

有鑑於此，有必要提供一具備較高強度和韌性之鎂合金及製備該鎂合金之方法。

一鎂合金，按重量計，其含有10.8%~11.8%之鋁；01.54%~1.93%之鋅；0.19%~0.24%之錳；0.9%~0.94%之稀土金屬，其餘為鎂及 不可避免之雜質。

該鎂合金之製備方法，包含以下步驟：熔融鎂合金原材料，以獲得上述鎂合金；將該鎂合金鑄造成型；將該鎂合金加熱至330攝氏度至420攝氏度，升溫時間為30分鐘至180分鐘；保溫0至60分鐘；將該鎂合金冷卻至室溫。

本發明之鎂合金中較高含量之鋁和鋅係主要強化元素，錳可提高鎂合金之耐蝕性能，而稀土金屬之引入，一方面有利於提高鎂合金之鑄造性能，另一方面可提高鎂合金晶粒介面熱穩定性，阻礙晶粒在熱處理過程中尺寸增大。力學性能檢測結果顯示，該鎂合金之抗拉強度及延伸率較現有鎂合金有較大提高，具有較高強度及韌性。

圖1係牌號為AZ91D之鎂合金之金相圖。

圖2係按照本發明實施方式製備之鎂合金之金相圖。

下面將結合附圖對本發明之鎂合金及其製備方法作進一步詳細說明。

本發明提供一鎂合金，按重量計，其含有8.7%~11.8%之鋁(Al)；0.63%~1.93%之鋅(Zn)；0.1%~0.5%之錳(Mn)；0.51%~1.5%之稀土金屬(RE)，其餘為鎂(Mg)及不可避免之雜質。其中RE優選為Ce、La、Pr、Nd、Y中之一或其組合物。

Al係鎂合金主要強化元素之一。合金液緩慢冷卻至室溫時，Al與Mg發生共晶反應，生成α-Mg固溶強化相和β-Mg₁₇Al₁₂沉澱強化 相，可提高鎂合金之室溫強度和硬度。另，Al之加入還可提高鎂合金之鑄造性能。實驗證明：若Al之含量低於8.7%，則鎂合金無法顯示出良好流動性及鑄造性；而當Al之含量高於11.8%時，則會使鎂合金脆性提高。Al更為優選之範圍係於8.8%和10.8%之間。

Zn也為鎂合金中之強化元素。Zn於Mg-Al系合金中主要以固溶狀態存在於α-Mg相和β-Mg₁₇Al₁₂相中，其可提高鎂合金之室溫強度及改善鎂合金之塑性。Zn之另一作用係可使鎂合金之腐蝕電位正移，從而降低鎂合金之腐蝕速度。實驗證明：Zn之含量一般控制於1.93%以下，當其含量超過1.93%時，鎂合金於淬火過程中易發生裂紋。

Mn雖對鎂合金之強度影響較小，但可提高鎂合金之延伸率。在熔煉過程中添加Mn之一個重要作用係其可將部分有害之金屬分離出來。例如，熔煉時，Fe與Mn結合可生成沉澱進入渣中。另外Mn還可與合金中之Fe反應析出對耐蝕性影響較小之化合物相((Fe，Mn)Al₃)，有效地提高了鎂合金之耐蝕性。此外，Mn還能起到提高鎂合金可焊接性之作用。由於隨著Mn含量之增加，組織中將出現脆性之d-Mn相，降低鎂合金之延展性，故Mn之含量一般控制在0.5%以下。

添加在鎂合金中之RE主要具有細化晶粒之作用，使原來沿晶界網狀分佈之β-Mg₁₇Al₁₂相轉變為斷續、彌散分佈之短杆狀或粒狀，從而提高鎂合金之強度及延伸率。實驗證明：當RE含量小於0.51%時，晶粒細化效果不明顯；而當RE含量超過1.5%時，晶粒之進一步細化不明顯，反而會出現過多之Al₄RE相，使鎂合金鑄 造性下降，成型鑄件缺陷增加。RE更為優選之範圍係於0.51%和1.23%之間。

添加在於鎂合金中之RE還具有淨化合金之作用。在熔煉過程中，鎂合金中經常會生成主要為MgO之雜質。由於RE與氧之結合力大於Mg與氧之結合力，故，RE加入鎂合金液後將與氧生成稀土氧化物，從而起到去除雜質之作用。另，由於Mg與水氣之反應使鎂合金具有較強之吸氫傾向，而溶解於鎂合金熔湯中之氫，係鑄件產生氣孔、針孔及縮松等鑄造缺陷之原因。當RE加入鎂合金熔融液後，RE可與水氣和鎂液中之氫反應，生成稀土氫化物，從而達到除氫之目的。

本發明還提供一鎂合金之製備方法，其包括如下步驟：

步驟1，熔融鎂合金原材料，以獲得具有以下特徵之鎂合金：按重量計，其含有8.7%~11.8%之Al；0.63%~1.93%之Zn；0.1%~0.5%之Mn；0.51%~1.5%之RE，其餘為Mg及不可避免之雜質。

步驟2，將該鎂合金鑄造成型。鑄造方法可為壓鑄、澆鑄及觸變成型(Thixmolding)等，優選鑄造方法為觸變成型。

步驟3，將該鎂合金加熱至330攝氏度至420攝氏度，升溫時間為30分鐘至180分鐘。當加熱溫度低於330攝氏度時，固溶強化效果不太明顯，而當加熱溫度高於420攝氏度時，由於該溫度已經接近第二相之熔點，故固溶強化效果開始減弱。更為優選之加熱溫度在350至400攝氏度之間。升溫時間之延長有利於釋放鑄造成型鎂合金之殘餘應力，惟升溫時間過長會導致生產效率降低。更為優選之升溫時間在60分鐘至120分鐘。

步驟4，保溫0至60分鐘。保溫時間之延長有利於提高固溶效果，但過長時間會促使晶粒長大而導致鎂合金強度下降。更為優選之保溫時間在0至30分鐘。

步驟5，將該鎂合金冷卻至室溫。冷卻方式可為水冷或空冷。

請同時參閱圖1和圖2，所示為牌號為AZ91D之鎂合金之金相圖和本發明實施方式製備之鎂合金之金相圖。由圖可知，經過熱處理後，原來存在於晶界上因非平衡凝固而形成之β-Mg₁₇Al₁₂相由於分解並溶入α-Mg基體中而導致數量逐漸減少，且使原來呈網狀分佈之β-Mg₁₇Al₁₂相轉變為斷續、彌散分佈之短杆狀或粒狀。而具有表面活性之RE在合金凝固之過程將優先析出高熔點、高熱穩定之Al₄RE相。這些優先析出之Al₄RE相富集在晶界周圍，阻礙了二次相之生成，使晶粒得到細化。由於熱穩定相之存在及其釘紮作用，即使鎂合金於固溶溫度下保溫，晶粒尺寸仍不會有大幅增長。另，α-Mg基體能與RE中之Ce、Nd和La等元素形成固溶體，其富鎂區為低熔點簡單共晶，並在晶界處形成網路，抑制縮孔之形成。

以下通過具體實施例來對本發明作進一步說明。

本發明之鎂合金係於100kg之不銹鋼坩堝電阻爐內熔煉制得到。使用N₂+0.3%SF₆之混合氣體作為保護氣氛。使用原料如下：Mg：一級純鎂，鎂含量99.8%

Mn：於熔化溫度為710℃~730℃時，將Al-15%Mn中間合金加入溶液中，強烈攪拌20~30min直至完全熔解。

Al：純鋁，鋁含量99.7%，於熔化溫度為650℃~680℃時添加， 攪拌3~5分鐘。

Zn：純鋅，鋅含量99.995%，於熔化溫度為650℃~680℃時添加，攪拌3~5分鐘。

RE：富鈰稀土，於熔化溫度為690℃~710℃時添加，攪拌10~15分鐘。

按照表1所列之配方配製13例本發明之實施例和1對比例。配製完成後，保持熔湯溫度在660℃~670℃時澆鑄成7kg長方形鑄錠，於澆鑄過程中有吹保護氣體保護。所有試驗中所得鑄錠表面沒有灼燒和氧化。不同成分鑄錠經採樣後利用ICP-AES進行成分分析。

所得鑄錠採用切粒機器，將各種材料所得鎂錠切成觸變成型所使用之鎂粒。使用JLM280MGIIe型觸變成型設備將各鑄錠加工成標準拉伸測試試棒。

將實施例2、實施例6、實施例8及實施例10按照本發明之製備方法進行熱處理，其餘實施例及對比例不作任何處理。

為進一步驗證本發明之鎂合金具有較高之強度及韌性，特按照ASTM-B557-02標準對上述13實施例及對比例進行拉伸性能測試。所得測試資料見表2。

表1 各實施例及對比例化學成分(重量%，剩餘為Mg及不可避免之雜質)

表2 各實施例及對比例性能測試結果

結論：本發明實施例之鎂合金與現有鎂合金相比，抗拉強度及延伸率都有一定程度之提高，且按照本發明之製備方法製備出之鎂合金力學性能提高得更為明顯，具有較高之強度及韌性。另，與傳統之T4(固溶處理)，T6(固溶處理+人工時效)等處理方式相比，本發明之製備方法還具有耗時較少，生產效率較高等優點。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

Claims (6)

1. 一鎂合金，按重量計，其含有10.8%~11.8%之鋁；1.54%~1.93%之鋅；0.19%~0.24%之錳；0.9%~0.94%之稀土金屬，其餘為鎂及不可避免之雜質。
2. 一鎂合金之製備方法，包括如下步驟：(1)熔融鎂合金原材料，以獲得具有以下特徵之鎂合金：按重量計，含有10.8%~11.8%之鋁；1.54%~1.93%之鋅；0.19%~0.24%之錳；0.9%~0.94%之稀土金屬，其餘為鎂及不可避免之雜質；(2)將該鎂合金鑄造成型；(3)將該鎂合金加熱至330攝氏度至420攝氏度，升溫時間為30分鐘至180分鐘；(4)保溫時間為0至60分鐘；(5)將該鎂合金冷卻至室溫。
3. 如申請專利範圍第2項所述之鎂合金之製備方法，其中步驟(3)中該鎂合金之加熱溫度為350攝氏度至400攝氏度。
4. 如申請專利範圍第2項所述之鎂合金之製備方法，其中步驟(3)中該鎂合金之升溫時間為60分鐘至120分鐘。
5. 如申請專利範圍第2項所述之鎂合金之製備方法，其中步驟(4)中該鎂合金之保溫時間為0至30分鐘。
6. 如申請專利範圍第2項所述之鎂合金之製備方法，其中步驟(2)中該鎂合金之鑄造成型方法為觸變成型。