高延展性/強度鎂合金的製作方法

2023-04-26 18:04:46 1

專利名稱：高延展性/強度鎂合金的製作方法
技術領域：
本發明總的涉及在室溫下具有改進的延展性和強度的經處理的鎂合金組合物。更特別地，將用鋅和鈰合金化的鎂經過高溫變形以改進該合金在室溫下的可成形性和耐久 性。
背景技術：
鎂是最輕的結構金屬。在工程應用中，其與一種或多種元素(例如鋁、錳、稀土金 屬、鋰、鋅和銀)形成合金。鎂通常構成這些合金的85襯％或更多。近年來鎂的成本大大降低，鎂及其合金成為用於廣泛應用的有吸引力的結構材 料，這部分是由於其適合的物理性質，例如重量輕、比強度和剛度高、可機械加工性、以及容 易循環利用的能力。然而，由於鎂鑄件較差的可加工性以及在初步製造階段中鎂較低的可 成形性和延展性，鎂在鍛件(例如片材和擠出物)中的應用受到了限制。在室溫下，由於 其六角密堆晶體結構以及由此導致的有限數量的活性滑移系，純鎂通常特徵為有限的延展 性。這種固有的限制通常阻礙了鎂在由片材和擠出物製成的鍛件中的廣泛應用，因為將該 具有較差加工性的金屬加工成可用的成品形狀是困難且昂貴的。已經顯示Mg-0. 2wt% Ce合金擠出物的延展性高於鎂以及其他已知的鎂合金。然 而，Mg-0. 2wt% Ce合金的屈服和抗拉強度仍較低。將鋁添加到該Mg-0. 2wt% Ce合金中提 高了其強度，但顯著降低了其延展性。因此，總的需要提供在初步製造階段中具有改進的延展性和強度以製造成鍛造鎂 金屬製品的鎂合金。

發明內容
我們發現鈰、鋅和鎂的合金可以鑄造並然後沿著該鑄件的選定方向或軸進行熱加 工以形成在室溫下具有良好的延展性和強度組合的初級材料(primary material)或成品 材料(finished material) 0具有正常附帶雜質的商品級鎂可以是該基礎成分。將不超過 約的適當量的鈰添加到鎂的熔體中。添加不超過約6襯％的選定量的鋅。鎂在該合 金中的含量可以為約85wt% 約98wt%。可以將該熔融組合物鑄造成其中所述主要組分溶解在該鎂中或通常均勻分散在 整個鎂基質相中的形狀。在本發明的很多實施方案中，該鑄件形狀可以是具有直縱軸的實 心圓柱體或管狀體。然後將該鑄造件加熱到適合的熱加工溫度並以例如一定的擠出速率擠 出，以使該圓柱體或管狀體的橫截面大大減小。在對該鑄造組合物進行適合的熱加工之後， 我們發現該材料在室溫下具有良好的延展性和強度的組合。這種延展性和強度的組合與商 品鎂、上述提及的母申請中的鎂-鈰合金、以及普通的商品鎂合金(例如AZ31)相比是有利的。在本發明的某實施方案中，將包含2wt%鋅和0. 2wt%鈰和剩餘為鎂的熔體 (「ZE20」)鑄造成圓柱狀坯段用於直通擠出(in-lineextrusion)。該鎂是具有少量來自錠 料製備的殘餘元素的商品級鎂。將該坯段預加熱到425°C 2小時，沿直軸推動通過圓形模 具，擠出比為約42 1，以製備具有25mm外徑和1.75mm厚度的管形體。在該管形體的熱 成形中，該坯段的橫截面積減小到約42分之一。同樣製備由鎂、4wt%鋅和0. 2wt%鈰構成 (「ZE40」)和由鎂、6wt%鋅和0.2wt%鈰構成(「ZE60」)的擠出管形體。為了比較所得到 的性質，以同樣的方式鑄造和擠出由3wt%鋁、鋅和剩餘為鎂構成的合金(「AZ31」) 的坯段以及由鎂(商品級)和0. 2wt%鈰構成的合金(「Mg-0. 2wt% Ce」)的坯段。我們發現添加不超過約6wt%量的鋅和不超過約量的鈰提高了鎂合金在合適的熱變形加工之後的室溫延展性和可加工性。在特別實施方案中，該熱變形是通過以下 實現的在約300°C 約475°C的坯段溫度下用在約10 1 約60 1範圍內的擠出比以 適合的擠出速度擠出。在該熱變形過程中，可以用石墨基潤滑劑或氮化硼對該坯段進行合 適地潤滑，儘管這可能並不需要。應當認識到該詳細描述和特別實施例儘管提供了本發明的示例性實施方案，但其 僅用於示例的目的，並不意於限制本發明的範圍。


現在通過非限定性的舉例方式並參照附圖描述本發明。以下是對附圖的簡要描 述。圖1是以下合金的擠出樣品的抗拉性質——屈服強度(MPa)、極限抗拉強度(MPa) 和斷裂拉伸率(％ )的柱狀圖4231、鎂-0.2襯％鈰、鎂-2襯％鋅-0.5襯％鈰(ZE20)、 鎂-4界1%鋅-0.(ZE40)和鎂-6界1%鋅-0.(ZE60)。圖2是鎂_2襯％鋅-0. 5襯％鈰合金在不同擠出速率(ft/min)下的強度——屈服 強度(MPa)、極限抗拉強度(MPa)和斷裂拉伸率(％ )的圖表。
具體實施例方式以下實施方案的描述性質上僅是示例性的，絕不意於限制要求保護的本發明、其 應用或其用途。主要包含鎂以及少量添加的鋅和鈰的鎂合金可以通過熱變形工藝形成在室溫下 具有改進的強度和延展性的鍛件。此處的室溫表示典型的室內環境溫度，例如約15 約 30°C。該鍛件可以為最終產品的形狀。然而，該鍛件的室溫延展性使其可用於進一步變形 加工成為所需的不同形狀。成形的鎂製品中較高的強度和延展性可以有利於影響在汽車應 用中的性能。該熱變形的鎂主體的未曾預期的延展性可歸因於其鋅和鈰含量以及熱變形加 工，該熱變形加工有助於改變滑移分布以及有利於基本位錯活性的再結晶織構。鋅和鈰是用於添加到鎂中以改進該鎂-鋅-鈰組合的延展性和強度的優選元素。 將舉例描述使用鋅和鈰作為鎂中用於顯著提高特定示例性鎂-鋅-鈰合金的室溫延展性和 強度的添加劑的本發明實施方案。在以下實施方案中，使用商品級的「純」鎂。該鎂錠典型地包含0.3wt%錳、0. 01wt%矽、0. 01wt%銅、0. 002wt%鎳、0. 002wt%鐵和0. 02wt%其他，都以最大量計。這些
「雜質」可能存在於本發明的組合物中。在一種實施方案中，包含少量的不超過約6wt%鋅和不超過約鈰的鎂合金 可以經過熱變形工藝以製造具有與鎂和常規鎂合金相比提高的室溫延展性和強度的鍛造 金屬製品。鋅在鎂中的溶解度在340°C約為6. 2%。鈰在鎂中的溶解度在500°C約為0. 1%。 任何過量的鋅和鈰最終在合金中與鎂和氧化物顆粒形成金屬間化合物。適於改進鎂-鋅-鈰合金中的延展性的熱變形技術可以是常規的直通熱擠出工 藝。在一種實施方案中，可以將包含不超過約6wt%鋅和不超過約鈰的鎂合金鑄造成 坯段。該初始鑄造坯段的橫截面適合地為圓形，其直徑例如為約50毫米 典型地約300毫 米，但是也擠出更大的坯段。將該鑄造坯段預加熱到在約300°C 475°C範圍的變形溫度。 可以採取預先措施來確保在擠出過程中用任意已知金屬潤滑劑(例如石墨或氮化硼)對該 鎂-鋅-鈰合金坯段充分潤滑。可以將該鎂合金坯段以在IOmm擠出物/秒 IOOOmm擠出 物/秒範圍的速度直接擠出通過具有在10 1 60 1範圍的擠出比的常規圓形或圓錐 形擠出模具。根據該擠出物製品的預期應用和/或最終產品的特別構造，可以將鎂_鋅-鈰 合金熱擠出成本領域普通技術人員已知的多種尺寸和形狀中的任意一種，例如但不局限於 實心或空心的棒狀物、工字梁或其他可達到的擠出形狀。然後可以通過在室溫下對該形狀 進行進一步加工(例如通過彎曲或液壓成形)利用這些形狀的提高的延展性。在一種實施方案中，將三種不同的包含鋅和鈰的鎂合金鑄造成坯段。ZE20合金包 含2wt%鋅和0. 2wt%鈰。ZE40鎂合金包含4wt%鋅和0. 2wt%鈰。ZE60鎂合金包含6wt% 鋅和0. 2wt%鈰。該初始鑄造坯段各自具有75毫米的直徑和230毫米的長度。將該鑄造坯 段預加熱到425°C。使用500噸衝壓機在400°C以範圍為3 25ft/min的不同擠出速度擠 出25毫米直徑和1. 75毫米壁厚的管狀體用於機械測試。擠出比約為42。測試結果示於圖 1和2中並描述於下。為了分析該擠出管狀體的室溫機械性質，測試該擠出管狀體的樣品，以評價屈服 強度、極限抗拉強度和斷裂拉伸百分率。首先，用Instron Universal Testing Machine 以1 X ΙΟ、—1的平均應變率測試具有25mm計算長度(gauge length)和6. 25mm計算直徑 (gauge diameter)的抗拉樣品。三個樣品取自沿該擠出管狀體的穩態部分的不同位置，報 道其平均值。圖1顯示了三種Mg-Zn-Ce合金與商品擠出合金AZ31和Mg_0. 2wt% Ce合金相比 的抗拉性質。如圖1中所示，在室溫下，對AZ31樣品進行的抗拉測試顯示了 166. 4MPa的屈 服強度、266. 7MPa的極限抗拉強度和16. 9%的拉伸率值。對Mg-0. 2wt% Ce樣品進行的相 應測試顯示了 68. 6MPa的屈服強度、170MPa的極限抗拉強度和31%的拉伸率值。對ZE20 樣品進行的相應測試顯示了 134. 5MPa的屈服強度、225. IMPa的極限抗拉強度和27. 4%的 拉伸率值。對ZE40樣品進行的相應測試顯示了 134. 7MPa的屈服強度、246. 6MPa的極限抗 拉強度和15. 4%的拉伸率值。對ZE60樣品進行的相應測試顯示了 136. 3MPa的屈服強度、 288. 5MPa的極限抗拉強度和15. 5%的拉伸率值。如圖1中所示，ZE20合金具有比Mg-0. 2wt% Ce合金顯著更高的強度。例如，與 Mg-0. 2wt% Ce合金的69MPa相比，ZE20合金具有135MPa的屈服強度。與Mg-0. 2wt% Ce 合金的170MPa相比，ZE20合金 具有225MPa的極限抗拉強度。與二元Mg-0. 2wt% Ce合金(31% )相比，ZE20合金具有略微降低的斷裂拉伸率(27.4% )。ZE20合金表現出比AZ31 合金顯著更高的延展性，與商品AZ31合金的16. 9%相比，其具有27. 4%拉伸率，拉伸率提 高62%。ZE20合金與AZ31合金相比抗拉強度得到約16%的較小降低。而且，如圖1中所 示，將Zn含量從2%提高到6%，提高了該Mg-Zn-Ce合金的極限抗拉強度，但拉伸率顯著降 低。圖2顯示了 ZE20(Mg_2wt% Zn-0. 2wt% Ce合金)在不同擠出速度下的抗拉性質。 最佳性質位於15 20ft/min的擠出速度，更特別地為18 20ft/min。儘管合金的強度 (屈服強度和極限抗拉強度)不會隨擠出速度而顯著改變，但在18 20ft/min的高擠出 速度下拉伸率得到了改進。擠出速度的進一步提高導致較差的擠出表面質量並降低了延 展性。值得一提的是，對於ZE20合金而言20ft/min的最大擠出速度比對於AZ31合金而言 15ft/min的最大擠出速度高約25%，這表明所述新ZE20合金具有更高的生產率。
為了分析擠出管狀體的微觀結構特徵，通過以下方法製備剖面與擠出軸平行和垂 直的拋光樣品首先從該擠出管狀體的前端切掉0. 50m以確保測試材料代表通過穩態擠出 形成的該管狀體的一部分。然後，製備所需類型的金相樣品，並用標準方法拋光。然後將該 樣品在包含20mL冰醋酸、50mL苦味酸、IOmL甲醇和IOmL去離子水的溶液中蝕刻。由兩種擠出棒狀物製備平行和垂直於擠出軸切割的拋光樣品，並用連接Leco 圖 像分析儀的Nikon 光學顯微鏡進行檢測，以在縱向和橫向上檢查微觀結構。並使用Cameca SX100 Electron ProbeMicroanalyzer對樣品進行電子探針顯微分析(EPMA)，以確定微觀 結構中的金相。該光學顯微照片顯示沿各方向的顆粒形態無各向異性，並顯示完全再結晶 的、接近等軸的晶粒結構，AZ91樣品的平均晶粒尺寸約為30 μ m，ZE20、ZE40和ZE60樣品為 45 μ m0該鎂固溶體中的鋅是該鎂-鋅-鈰合金中主要的強化元素。與ZE20合金相比ZE40 和ZE60的鎂固溶體中較高的鋅濃度在該合金中提供了較高的抗拉強度。一些鈰作為在鎂 中的固溶體存在，一些鈰作為細的獨立相存在。鈰被視作以兩種形式有助於該合金的延展 性和強度。由於鋅基本所有都在鎂基質的固溶體中的事實，添加少量鈰導致的高延展性(如 上面給出的母申請中所觀察和解釋的那樣)僅略微降低，在該分析倍數下在Mg-Zn-Ce合金 中沒有檢測到獨立的Zn-Ce相。本發明的實施並不局限於用於解釋其實施的特定示例性實施方案。
權利要求
對鎂-鋅-鈰合金處理以改進其室溫下延展性和強度的方法，該方法包括提供包含不超過約6wt％鋅、1wt％鈰和至少約85wt％鎂的鎂-鋅-鈰合金坯段，用用於熱變形的預設直線軸對該坯段成形；和在至少300℃的溫度沿該預設軸使該鎂-鋅-鈰合金坯段變形以形成工件。
2.根據權利要求1的方法，進一步包括在環境溫度下使該變形的鎂合金工件進行進一 步變形步驟。
3.根據權利要求1的方法，其中該鎂-鋅-鈰合金坯段包含約2wt%鋅。
4.根據權利要求1的方法，其中該鎂-鋅-鈰合金坯段包含約4wt%鋅。
5.根據權利要求3的方法，其中該鎂-鋅-鈰合金坯段包含約0.2wt %鈰。
6.根據權利要求4的方法，其中該鎂-鋅-鈰合金坯段包含約0.2wt %鈰。
7.根據權利要求1的方法，其中該鎂-鋅-鈰合金坯段基本上由約2wt%鋅、0.2wt% 鈰和其餘為鎂構成。
8.根據權利要求1的方法，其中該鎂-鋅-鈰合金坯段基本由約4wt%鋅、0. 2wt %鈰 和其餘為鎂構成。
9.根據權利要求1的方法，其中使該鎂-鋅-鈰合金坯段變形包括將該鎂-鋅-鈰合金坯段加熱到在約300°C 約500°C範圍內的變形溫度；將該坯段以在約IOmm擠出物/秒 IOOOmm擠出物/秒範圍內的速度擠出通過擠出模 具，以形成擠出工件，其中擠出比在10 1 60 1範圍；以及然後，在環境溫度下將該擠出工件進行進一步變形。
10.鎂基合金的擠出製品，包含不超過約6wt%量的鋅、不超過約量的鈰和至少 85wt%的鎂。
11.根據權利要求10的擠出製品，其中該鎂基合金包含約2wt%鋅。
12.根據權利要求10的擠出製品，其中該鎂基合金包含約4wt%鋅。
13.根據權利要求11的擠出製品，其中該鎂基合金包含約0.2wt%鈰。
14.根據權利要求12的擠出製品，其中該鎂基合金包含約0.2wt%鈰。
15.根據權利要求10的擠出製品，其中該鎂基合金基本上由約2wt%鋅、0.2wt%鈰和 其餘為鎂構成。
16.根據權利要求10的擠出製品，其中該鎂基合金基本上由約4wt%鋅、0.2wt%鈰和 其餘為鎂構成。
全文摘要
本發明涉及高延展性/強度鎂合金。具體而言，可以將包含不超過約6wt％鋅和不超過約1wt％鈰的鎂合金熱加工以製備具有提高的室溫延展性和強度的半成品或最終合金工件。添加鋅和少量鈰可以通過提高強度和延展性並改進加工硬化行為而影響該鎂合金。
文檔編號C22C23/06GK101812650SQ20091017403
公開日2010年8月25日 申請日期2009年10月20日 優先權日2008年10月20日
發明者A·A·羅, A·K·薩克德夫, R·K·米什拉 申請人:通用汽車環球科技運作公司