專利名稱：抗蠕變鎂合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎂(Mg)合金且，更特別地涉及在高溫下抗蠕變的鎂合金。
背景技術(shù)：
鎂合金已在需要對(duì)重量比具有高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用中使用了很多年。一般由鎂合金制成的元件是類似體積的鋁(Al)合金元件重量的約70％。因此航空和航天工業(yè)是鎂合金的的主要客戶，并且鎂合金在現(xiàn)代防御的飛機(jī)和宇宙飛船的許多元件中使用。然而，一個(gè)阻止鎂合金更廣泛使用的限制是，當(dāng)與鋁合金相比時(shí)，它們一般在高溫下的抗蠕變性較低。
隨著對(duì)控制國際燃料消耗和降低向大氣有害排放的需要的增長(zhǎng)，汽車制造廠被迫研發(fā)更有效的燃料車輛。降低整個(gè)車輛的重量是達(dá)到這個(gè)目的的關(guān)鍵。任何車輛重量的主要貢獻(xiàn)者是發(fā)動(dòng)機(jī)本身，并且發(fā)動(dòng)機(jī)的最重要元件是汽缸體，其占全部發(fā)動(dòng)機(jī)重量的20-25％。在過去，重量的有效節(jié)約是通過引入鋁合金汽缸體來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的灰口鐵汽缸體，并且如果使用可以經(jīng)受在發(fā)動(dòng)機(jī)操作中所產(chǎn)生的溫度和壓力的鎂合金，則還可以降低約40％。然而，這種合金的研發(fā)，在可行的鎂汽缸體的生產(chǎn)線之前對(duì)所需高溫機(jī)械性能與成本有效生產(chǎn)過程相結(jié)合考慮是必要的。近些年，對(duì)高溫鎂合金的研究主要集中在高壓模鑄(HPDC)處理路線上，并且已經(jīng)開發(fā)了幾種合金。HPDC被認(rèn)為是以達(dá)到所需高生產(chǎn)力速率來抵消可能的基底鎂合金的高成本的最佳選擇。然而，HPDC不是汽缸體制造的必要的最佳方法并且，實(shí)際上，大多數(shù)汽缸體仍是通過重力或低壓砂鑄而精密鑄造。
有兩種主要的鎂砂鑄造合金種類。
基于鎂-鋁二元系的合金，通常具有少量用于改進(jìn)強(qiáng)度和可鑄性的添加劑鋅(Zn)。這些合金具有足夠的室溫機(jī)械性能，但在高溫下不能較好運(yùn)行，并不適于超過150℃的溫度。這些合金不包含昂貴的合金元素，并在不需要高溫強(qiáng)度的地方廣泛使用。
可通過添加鋯(Zr)而晶粒細(xì)化的合金。在這組中主要的合金元素是鋅、釔(Y)、銀(Ag)、釷(Th)和稀土(RE)元素如釹(Nd)。貫穿本說明書所表述“稀土”理解為具有原子序數(shù)57至71，即鑭(La)至镥(Lu)的任何元素或元素的組合物。由于正確選擇合金添加劑，這組合金具有極好的室溫及高溫的機(jī)械性能。然而，除了鋅，在這組中的合金添加劑，包括晶粒細(xì)化劑，是昂貴的，導(dǎo)致這些合金限于在航空應(yīng)用中。
在USSR開發(fā)的鎂合金ML10已經(jīng)在溫度達(dá)到250℃的飛機(jī)鑄件中使用了許多年。ML10是基于Mg-Nd-Zn-Zr系研制的高強(qiáng)度鎂合金。ML19合金還包括釔。
發(fā)表在“科學(xué)和熱處理”上的Mukhina等的題目為“高溫下可鑄造的含釹和釔的鎂合金的微觀結(jié)構(gòu)及性能的研究”的文章指出ML10和ML19合金的一般成分(重量％)是ML10 ML19Nd2.2-2.8 1.6-2.3Y 零 1.4-2.2Zr0.4-1.0 0.4-1.0Zn0.1-0.7 0.1-0.6Mg余量 余量雜質(zhì)量為Fe＜0.01Si＜0.03Cu＜0.03Ni＜0.005Al＜0.02Be＜0.01已經(jīng)開發(fā)的代用品在本領(lǐng)域公知的合金是QE22(一種Mg-Ag-Nd-Zr系合金)和EH21(一種Mg-Nd-Zr-Th系合金)。然而，當(dāng)這些可替換合金分別包含相當(dāng)量的銀和釷時(shí)，制造是昂貴的。
抗熱晶粒細(xì)化的鎂合金可以通過T6熱處理來加強(qiáng)，T6熱處理包括高溫固溶處理，接著淬火，接著在高溫下人工老化。在淬火前的加熱中，剩余相進(jìn)入固溶體中。在老化過程，析出呈精細(xì)分散的亞微粒子形式的難熔相，并且這些在固溶體的晶粒內(nèi)部產(chǎn)生顯微不均勻性，阻塞擴(kuò)散并高溫下的剪刀過程。這改善機(jī)械性能，即在高溫下合金的極限長(zhǎng)期強(qiáng)度及抗蠕變性。
迄今為止，難以以合理的成本獲得具有所需高溫(即150-200℃)性能的砂鑄鎂合金。至少本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案涉及這樣一種合金，并且本發(fā)明特別地，但不是專門地，針對(duì)具有精密鑄造操作的應(yīng)用。
發(fā)明概述第一方面，本發(fā)明提供一種鎂基合金，包含，以重量計(jì)1.4-1.9％釹，0.8-1.2％除釹以外的稀土元素，0.4-0.7％鋅，0.3-1％鋯，0-0.3％錳，和0-0.1％氧化抑制元素，除了不可避免的雜質(zhì)以外，剩余的為鎂。
第二方面，本發(fā)明提供一種鎂合金，包含，以重量計(jì)1.4-1.9％釹，0.8-1.2％除釹以外的稀土元素，0.4-0.7％鋅，0.3-1％鋯，0-0.3％錳，0-0.1％氧化抑制元素，不超過0.15％鈦，不超過0.15％鉿，不超過0.1％鋁，不超過0.1％銅，不超過0.1％鎳，不超過0.1％硅，不超過0.1％銀，不超過0.1％釔，不超過0.1％釷，不超過0.01％鐵，
不超過0.005％鍶，除了不可避免的雜質(zhì)以外，余量為鎂。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明第二方面的合金(a)包含小于0.1％鈦，更優(yōu)選小于0.05％鈦，更優(yōu)選小于0.01％鈦，且最優(yōu)選基本上沒有鈦；(b)包含小于0.1％鉿，更優(yōu)選小于0.05％鉿，更優(yōu)選小于0.01％鉿，且最優(yōu)選基本上沒有鉿；(c)包含小于0.05％鋁，更優(yōu)選小于0.02％鋁，更優(yōu)選小于0.01％鋁，且最優(yōu)選基本上沒有鋁；(d)包含小于0.05％銅，更優(yōu)選小于0.02％銅，更優(yōu)選小于0.01％銅，且最優(yōu)選基本上沒有銅；(e)包含小于0.05％鎳，更優(yōu)選小于0.02％鎳，更優(yōu)選小于0.01％鎳，且最優(yōu)選基本上沒有鎳；(f)包含小于0.05％硅，更優(yōu)選小于0.02％硅，更優(yōu)選小于0.01％硅，且最優(yōu)選基本上沒有硅；(g)包含小于0.05％銀，更優(yōu)選小于0.02％銀，更優(yōu)選小于0.01％銀，且最優(yōu)選基本上沒有銀；(h)包含小于0.05％釔，更優(yōu)選小于0.02％釔，更優(yōu)選小于0.01％釔，且最優(yōu)選基本上沒有釔；(i)包含小于0.05％釷，更優(yōu)選小于0.02％釷，更優(yōu)選小于0.01％釷，且最優(yōu)選基本上沒有釷；(j)包含小于0.005％鐵，最優(yōu)選基本上沒有鐵；且(k)包含小于0.001％鍶，最優(yōu)選基本上沒有鍶。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的合金包含至少95％鎂，更優(yōu)選95.5-97％鎂，且最優(yōu)選約96.3％鎂。
優(yōu)選地，釹含量多于1.5％，更優(yōu)選多于1.6％，更優(yōu)選1.6-1.8％，且最優(yōu)選約1.7％。釹成分可以從純釹、含稀土混合物如混合稀土或其組合物中所含的釹中衍生。
優(yōu)選地，除釹以外的稀土的含量為0.9-1.1％，更優(yōu)選大約1％。優(yōu)選地，除釹以外的稀土是鈰(Ce)、鑭(La)或其混合物。優(yōu)選地，鈰量超過除釹以外的稀土元素的重量的一半，更優(yōu)選60-80％，特別約70％，余量為鑭。除釹以外的稀土可以從純稀土、稀土混合物如混合稀土或其組合物中衍生。優(yōu)選地，除釹以外的稀土是從含鈰、鑭、任選地釹、適量的鐠(Pr)和痕量其它稀土的鈰混合稀土中衍生。
在Mg-Nd-Zn合金中沉淀相的慣態(tài)面涉及鋅含量，在Zn非常低的水平時(shí)為棱形的且在基面超過約1wt％的量。最佳強(qiáng)度結(jié)果是在促進(jìn)兩種慣態(tài)面組合的鋅量時(shí)獲得的。優(yōu)選地，鋅含量小于0.65％，更優(yōu)選0.4-0.6％，更優(yōu)選0.45-0.55％，最優(yōu)選大約0.5％。
鐵含量的降低可以通過添加鋯來達(dá)到，鋯從熔融合金中沉淀鐵。因此，這里具體的鋯含量是殘余鋯含量。然而，應(yīng)該注意的是鋯可以在兩個(gè)不同階段摻入。首先在合金的制造中，其次僅在鑄造前合金的熔融中。
本發(fā)明合金的高溫性能依賴于足夠的晶粒細(xì)化，并且因此在熔融狀態(tài)保持超過去除鐵所需的鋯的水平是必要的。為了所需抗張和耐壓強(qiáng)度性能，晶粒尺寸優(yōu)選小于200μm，更優(yōu)選小于150μm。在本發(fā)明的合金中，抗蠕變性和晶粒尺寸的關(guān)系是反直覺的。傳統(tǒng)的蠕變理論預(yù)測(cè)抗蠕變性將隨著晶粒尺寸的減小而減小。然而，本發(fā)明的合金顯示在晶粒尺寸為200μm時(shí)抗蠕變性最小，并且在晶粒尺寸較小時(shí)抗蠕變性增加。對(duì)于最適合的抗蠕變性，晶粒尺寸優(yōu)選為小于100μm，更優(yōu)選為小于50μm。優(yōu)選地，鋯含量是達(dá)到滿意去除鐵所需的最小量并為了這個(gè)目的而足夠的晶粒細(xì)化。一般，鋯含量大于0.4％，優(yōu)選0.4-0.6％，更優(yōu)選大約0.5％。
錳是合金中任選的成分，如果除了通過上述鋯完成的還需要額外去除鐵，特別是如果鋯量相對(duì)低，例如低于0.5wt％時(shí)則合金中可以包括錳。
阻止或至少抑制熔融合金氧化的元素，如鈹(Be)和鈣(Ca)，是任選的成分，特別地當(dāng)通過覆蓋氣體的大氣控制不能實(shí)施足夠的熔融保護(hù)的情況下可以包括這種成分。當(dāng)鑄造過程不包括封閉系統(tǒng)時(shí)，這是特別的情況。
理想地，不可避免的雜質(zhì)含量為零，但認(rèn)識(shí)到這基本上是不可能的。因此，優(yōu)選不可避免的雜質(zhì)的含量小于0.15％，更優(yōu)選小于0.1％，更優(yōu)選小于0.01％，且最好小于0.001％。
第三方面，本發(fā)明提供一種鎂基合金，其顯微結(jié)構(gòu)包括通過一般鄰接的晶間相在晶界上分離的鎂基固溶體等軸晶粒，晶粒包含在多于一個(gè)含鎂和釹的慣態(tài)面上均勻分布的納米尺寸沉淀片晶，晶間相幾乎完全由稀土元素、鎂和少量鋅組成，且稀土元素基本為鈰和/或鑭。
晶?？梢园∏驙詈颓蛐统恋淼拇?。球狀簇可以包括細(xì)小的棒狀沉淀。球型沉淀可以主要是以Zr∶Zn原子比約為2∶1的鋯和鋅。棒狀沉淀可以主要是以Zr∶Zn原子比約為2∶1的鋯和鋅。
在本說明書中使用的術(shù)語“一般連接”的意思是至少大部分晶間相是連接的，但是在不同的連接部分之間可以存在一些間隙。
第四方面，本發(fā)明提供一種生產(chǎn)鎂合金制品的方法，這個(gè)方法包括根據(jù)本發(fā)明的第一、第二或第三方面的合金，依照T6熱處理成一種制品鑄件。
第五方面，本發(fā)明提供一種制造鎂合金制品的方法，該方法包括的步驟為(a)在模具中固化根據(jù)本發(fā)明第一、第二或第三方面合金的鑄件，(b)在500-550℃溫度、第一時(shí)間段下加熱固化的鑄件，(c)淬火鑄件，(d)在200-230℃溫度、第二時(shí)間段下老化鑄件。
優(yōu)選地，第一時(shí)間段是6-24小時(shí)，第二時(shí)間段是3-24小時(shí)。
第六方面，本發(fā)明提供一種從鎂合金制造鑄件的方法，包括的步驟為(i)熔化根據(jù)本發(fā)明第一、第二或第三方面的合金，以形成熔融合金，(ii)將熔融合金引入砂模或永久模具中，并使熔融合金固化，(iii)從模具中取出獲得的固化鑄件，并(iv)保持鑄件在第一溫度范圍以第一時(shí)間段，在此期間部分鑄件的晶間相溶解，隨后保持鑄件在低于第一溫度范圍的第二溫度范圍以第二時(shí)間段內(nèi)，在此期間導(dǎo)致納米尺寸的沉淀片晶在鑄件晶粒內(nèi)和晶界上進(jìn)行沉淀。
第一溫度范圍優(yōu)選500-550℃，第二溫度范圍優(yōu)選200-230℃，第一時(shí)間段優(yōu)選為6-24小時(shí)，第二時(shí)間段優(yōu)選3-24小時(shí)。
第七方面，本發(fā)明提供一種根據(jù)本發(fā)明第四、五或六方面的方法生產(chǎn)的用于內(nèi)燃機(jī)的汽缸體。
第八方面，本發(fā)明提供一種根據(jù)本發(fā)明第一、二或三方面的鎂合金形成的用于內(nèi)燃機(jī)的汽缸體。
對(duì)汽缸體的具體依據(jù)如上述，但應(yīng)該注意的是本發(fā)明的合金可以在其它高溫應(yīng)用中使用，也可以在低溫應(yīng)用中使用。
發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的描述實(shí)施例1樣品是從六種合金組合物(見表1)在具有5mm到25mm階厚的階梯式板模中形成如

圖1所示鑄件的重力鑄件。加入除釹以外的稀土，如含有鈰、鑭和一些釹的鈰基混合稀土。以其元素的形式加入額外的釹和鋅。通過有專利權(quán)的Mg-Zr合金加入鋯。在全部整鑄模板的制備中使用標(biāo)準(zhǔn)的熔融處理過程。個(gè)別的樣品再經(jīng)過表2第3種的T6熱處理，這提供最佳結(jié)果。在受控的大氣環(huán)境中進(jìn)行固溶體熱處理，以阻止在熱處理期間表面層的氧化。再檢測(cè)和測(cè)試獲得的熱處理樣品，以測(cè)定硬度、抗張強(qiáng)度、蠕變性能、抗腐蝕性、疲勞性能和螺栓載荷保持性能。詳情情況示于下面的表1和2中。
表1-組合物評(píng)估
表2-T6熱處理評(píng)估
下面的結(jié)論是從結(jié)果分析中得出的。
顯微照片顯示對(duì)比組合物B在晶界和三相點(diǎn)具有最大量的金屬間相，這是與它具有最高的總稀土含量是相一致的。對(duì)比組合物C和發(fā)明組合物1具有最少量的金屬間相，這也是與它們具有低的總稀土含量相一致的。發(fā)明組合物2的顯微照片清楚地顯示比任何其它組合物具有大得多的和更易變化的晶粒尺寸。這可能是由于這種組合物中略低的Zr含量。所有這六種組合物在接近晶粒中心處具有沉淀云，這在本說明書的其它地方描述為Zr-Zn化合物。
進(jìn)行硬度測(cè)量，發(fā)明組合物1和2始終與發(fā)明組合物3一樣好或優(yōu)于發(fā)明組合物3，表明0.4-0.6wt％的Zn量是可以接受的。對(duì)比組合物C始終具有低硬度值，表明高Zn和低稀土的結(jié)合是不太適合的。對(duì)比組合物A和B與發(fā)明組合物非常相似，這表明高Zn含量的有害效應(yīng)可以通過非常高的稀土含量來補(bǔ)償。然而，由于稀土金屬的高成本，使得這在工業(yè)上沒有吸引力。
在室溫、100℃、150℃和177℃下測(cè)定拉伸性能。選擇組合物變量以便研究幾種相互的作用，接著進(jìn)行觀察。
發(fā)明組合物1，它的Nd含量類似于發(fā)明組合物3，但Zn和其它稀土元素較低，其機(jī)械性能與發(fā)明組合物3一樣好或優(yōu)于發(fā)明組合物3，這表明低Zn和/或稀土含量對(duì)機(jī)械性能的損害不是必需的。
對(duì)比組合物A和發(fā)明組合物1具有非常類似的低Zn含量，同時(shí)對(duì)比組合物A具有較低Nd含量，較高其它稀土含量和較高總稀土含量。在室溫下，發(fā)明組合物1具有更好的屈服應(yīng)力和略高的延伸性，這與額外的Nd提供加固性和較少Ce/La晶界金屬間是相一致的。在高溫下，保持室溫趨勢(shì)。
發(fā)明組合物1、2和對(duì)比組合物C成分上非常相似，除了在對(duì)比組合物C中Zn含量較高。對(duì)比組合物C含有比發(fā)明組合物1或2略高的Nd和其它稀土含量。在室溫和高溫下均發(fā)現(xiàn)隨著Zn含量的增加，屈服應(yīng)力降低，延伸性增加。在0.4和0.67％Zn之間的屈服應(yīng)力下降最顯著。
對(duì)比組合物B和C都含有非常類似(高)的Zn含量，對(duì)比組合物B含有比對(duì)比組合物C含有更高的總稀土含量(源于較高的Nd和較高的Ce/La)。在所有溫度下，對(duì)比組合物B的屈服應(yīng)力和延伸性始終優(yōu)于對(duì)比組合物C；這兩個(gè)性質(zhì)極大影響蠕變行為。
對(duì)所有組合物在90Mpa的恒負(fù)載和150℃及177℃溫度下進(jìn)行蠕變測(cè)試。穩(wěn)定狀態(tài)的蠕變速率列于表3中。
表3
當(dāng)對(duì)比不同抗蠕變鎂合金時(shí)，通常引用100小時(shí)后給出0.1％蠕變應(yīng)變的應(yīng)力。在150℃、90Mpa下100小時(shí)后，六種組合物中一個(gè)也沒有這個(gè)等級(jí)的蠕變應(yīng)變。類似地，在177℃時(shí)，在100小時(shí)后沒有一個(gè)組合物超過這個(gè)值，雖然達(dá)到的蠕變應(yīng)變?cè)跍y(cè)試時(shí)間長(zhǎng)得多時(shí)超過該值。在150℃時(shí)，所有六種組合物就其蠕變行為方面是可以接受的。
在拉伸結(jié)果中值得注意的鋅影響在150℃的蠕變結(jié)果中也是明顯的，特別是就初蠕變延伸來說，發(fā)明組合物1優(yōu)于發(fā)明組合物2，還優(yōu)于對(duì)比組合物C。穩(wěn)態(tài)蠕變速率在這三種組合物中是類似的。含有最高Zn含量但也含有高稀土含量的對(duì)比組合物B也是可以接受的，這又表明高Zn含量的有害作用可以通過高稀土含量抵消。
對(duì)比組合物A具有比發(fā)明組合物1更高的初響應(yīng)，和略高的穩(wěn)定態(tài)蠕變速率，這表明雖然1.4％的Nd水平是可以接受的，但是1.5％是優(yōu)選最小值，1.6％更為優(yōu)選的。
實(shí)施例2實(shí)驗(yàn)過程如圖1所示，從重力鑄造階梯式板制備稱為SC1(96.3％Mg，1.7％Nd，1.0％RE(Ce∶La為70∶30)，0.5％Zn和0.5％Zr)的合金樣品。以也含有一些Nd的Ce基混合稀土加入Ce和La。以其元素形式加入額外的Nd和Zn。通過有專利權(quán)的Mg-Zr中間合金加入鋯。測(cè)定從15mm階切下的樣品的機(jī)械性能，這里獲得的晶粒尺寸大約為40μm。在全部整鑄模板的制備過程中使用標(biāo)準(zhǔn)熔融操作程序和受控的環(huán)境熱處理?xiàng)l件。
顯微結(jié)構(gòu)-用于金相學(xué)檢驗(yàn)的樣品是用金剛石研膏拋光至1μm，接著用0.05μm硅膠拋光。在乙二醇和水中的硝酸溶液中進(jìn)行蝕刻大約12秒。
拉伸和壓力測(cè)試-根據(jù)ASTM E8在20、100、150和177℃下，在空氣中使用Instron Testing Machine測(cè)定拉伸性能。測(cè)試之前，樣品在溫度中保持10分鐘。測(cè)試樣品具有矩形橫截面(6mm×3mm)，標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為25mm(圖2(a))。在同樣的溫度下根據(jù)ASTM E9使用直徑為15mm、長(zhǎng)為30mm的柱形樣品測(cè)定壓縮屈服強(qiáng)度。在室溫和高溫下使用壓電超聲復(fù)合振蕩技術(shù)(PUCOT)[Robinson，WH和Edgar A，對(duì)音速和超音速的IEEE處理，SU21(2)，1974，98-105]測(cè)定合金的彈性模量。
蠕變測(cè)試-在150和177℃溫度下，46、60、75和90Mpa應(yīng)力下的恒負(fù)載儀器中，在溫度受控的硅油浴內(nèi)測(cè)定蠕變行為。測(cè)試樣品是與在拉伸測(cè)試中使用的樣品的幾何形狀相同，并且從樣品的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度直接測(cè)定在蠕變中的延伸。
疲勞測(cè)試-在25和120℃下，在空氣中測(cè)定106和107周期的疲勞強(qiáng)度。樣品具有圓形橫截面，直徑為5mm，標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為10mm(圖2(b))，拋光至1μm，這近似相應(yīng)于在主軸承-汽缸體的最高受力部分的表面拋光。樣品是在完全相反的拉伸-壓縮(即零平均應(yīng)力)下軸向地加載，且測(cè)試頻率為60Hz，相應(yīng)于標(biāo)稱操作條件。有幾個(gè)用于評(píng)定給定壽命的疲勞強(qiáng)度方法，并且這里使用階梯方法(BS 3518部分5)。
螺栓載荷保持(BLR)測(cè)試-可使用螺栓載荷維持測(cè)試以模擬在壓縮裝載下使用中可能發(fā)生的松弛。測(cè)試方法[Pattersen K和Fairchild S SAE技術(shù)論文970326]包括應(yīng)用初始負(fù)載(8kN下)，通過由兩個(gè)同樣的凸起部組成的組件，15mm厚且外徑為16mm，由測(cè)試材料制成和具有以張力儀裝備的高強(qiáng)度M8螺栓(圖3)。持續(xù)測(cè)量在高溫(150℃和177℃)下超過100小時(shí)負(fù)載的變化。兩個(gè)重要的負(fù)載，依據(jù)限定的BLR行為，在環(huán)境溫度的初始負(fù)載，PI，和返回環(huán)境條件后完成測(cè)試的負(fù)載，PF。這兩個(gè)值的比(PF/PI)是合金螺栓載荷保持行為的量度。通常是在螺栓組件加熱至測(cè)試溫度時(shí)，初始負(fù)載增加。這是螺栓組件的熱膨脹與在合金凸起部產(chǎn)生變形相結(jié)合的結(jié)果。
導(dǎo)熱性-在直徑為30mm、長(zhǎng)為30mm的樣品上測(cè)定導(dǎo)熱性。
抗蝕性-室溫下使用標(biāo)準(zhǔn)鹽水浸漬測(cè)試，比較AZ91與SC1的抗蝕性。測(cè)試是在具有使用1M NaOH溶液穩(wěn)定pH至11.0的鹽水環(huán)境中(3.5％NaCl溶液)進(jìn)行，超過七天。使用鉻酸沖洗，接著用乙醇沖洗，從試樣中去除腐蝕產(chǎn)品。
結(jié)果和討論顯微結(jié)構(gòu)-作為砂鑄合金，SC1需要T6處理(在受控大氣下固溶體熱處理，冷或熱水淬火，且高溫退火)以完全發(fā)展其機(jī)械性能。建議的熱處理制度是在鑄造后，機(jī)械性能需求和工業(yè)可接受的存放時(shí)間之間的平衡。如圖4所示，SC1的T6顯微結(jié)構(gòu)包含由在晶界和三相點(diǎn)的鎂-稀土金屬間相(B)鎖定的α-Mg相晶粒(A)。在大部分晶粒中心區(qū)域內(nèi)有棒狀沉淀簇(C)。金屬間相，B，的化學(xué)計(jì)量接近為Mg12(La0.43Ce0.57)。
拉伸和抗壓強(qiáng)度-圖5(a)顯示作為溫度函數(shù)的拉伸性能(0.2％的屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度)和壓力屈服強(qiáng)度兩者。圖5(b)顯示作為溫度函數(shù)的拉伸延伸。應(yīng)該注意的是SC1的機(jī)械性能在高溫下非常穩(wěn)定，其拉伸和壓縮時(shí)的屈服強(qiáng)度在室溫服和177℃之間相對(duì)地不變化。SC1的室溫性能沒有一點(diǎn)與大部分其它鎂砂鑄合金一樣高，但高至177℃時(shí)這些性能的穩(wěn)定性，使得這種合金在發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸體中的應(yīng)用特別誘人。
彈性模量測(cè)定的結(jié)果列于表4中，應(yīng)該注意的是彈性模量顯示在177℃的下降小于10％，超過室溫的值。
表4-使用PUCO技術(shù)測(cè)定的SC1的彈性模量
蠕變和螺栓載荷保持行為-SC1的顯微結(jié)構(gòu)在高至177℃時(shí)非常穩(wěn)定，這與晶界金屬間相的形成和分布一起是達(dá)到必要的抗蠕變性的一個(gè)重要因素。使用是在100小時(shí)后在溫度下產(chǎn)生0.1％蠕變應(yīng)變形的應(yīng)力的蠕變應(yīng)變作為抗蠕變性的量度是任意的，但是對(duì)于比較合金行為仍是一種有用的方法。使用這個(gè)概念，SC1的行為可以與A319(圖6)的行為相比，并且很清楚兩種合金在150至177℃溫度范圍內(nèi)的蠕變響應(yīng)是非常相似的。然而更重要的是，應(yīng)該注意的是在150和177℃下在100小時(shí)后SC1產(chǎn)生0.1％蠕變應(yīng)變的所需應(yīng)力接近該材料的拉伸屈服強(qiáng)度(0.2％偏差)。
對(duì)SC1、A319和AE42在150℃和8kN負(fù)載下的一般螺栓載荷保持曲線如圖7(a)所示。SC1是在T6條件下，A319作為砂模鑄件，AE42是高壓鑄件(即所有三種合金在它們的正常操作條件下)。發(fā)生在測(cè)試開始時(shí)的負(fù)載增長(zhǎng)是螺栓組件的熱膨脹低于在合金凸起部的屈服變形的最終結(jié)果。兩個(gè)重要的負(fù)載是在環(huán)境溫度的初始負(fù)載PI(在這情況下是8kN)，和在返回環(huán)境條件后完成測(cè)試的負(fù)載PF。這兩個(gè)值的比作為合金的螺栓載荷保持行為的量度，并在這種情況下用于150和177℃比較SC1和壓鑄件AE42(圖7(b))。在高溫下螺栓載荷保持行為還反映這種合金的高溫穩(wěn)定性，并且很清楚在這個(gè)方面SC1與鋁合金A319一樣好，且優(yōu)于AE42。
疲勞性能-發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體在運(yùn)行中連續(xù)地經(jīng)受周期應(yīng)力，因此需要確保用于汽缸體的所選材料可以經(jīng)受得住這種疲勞負(fù)載。SC1在106和107周期的疲勞強(qiáng)度是在24和120℃測(cè)定的，并且在表5中引用的數(shù)據(jù)是給出斷裂50％可能性的應(yīng)力。極限代表斷裂10％和90％可能性的應(yīng)力。應(yīng)該注意的是這些結(jié)果是對(duì)107周期的最大值，而不是在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中具體的5×107。但是，對(duì)于合金需要達(dá)到的目標(biāo)，這強(qiáng)度是足夠高的。
表5-兩種溫度下SC1的疲勞強(qiáng)度(R＝-1)
-表示僅有12種樣品被檢測(cè)，而不是標(biāo)準(zhǔn)所需的15種。
腐蝕性-合金內(nèi)部和外部的腐蝕行為是極為重要的。在內(nèi)表面的腐蝕可以通過使用適當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑與仔細(xì)地設(shè)計(jì)相結(jié)合來控制，以確保所有金屬成分與冷卻劑液體接觸的兼容性。外表面的抗蝕性極大依賴于合金本身的成分。沒有一個(gè)試驗(yàn)可以測(cè)定在所有環(huán)境中合金的抗蝕性，因此使用標(biāo)準(zhǔn)鹽水浸漬試驗(yàn)比較SC1和AZ91。這兩種合金在T6熱處理?xiàng)l件下，并發(fā)現(xiàn)在這個(gè)時(shí)間過程中SC1的平均重量損失速率為0.864mg/cm2/天，AZ91為0.443mg/cm2/天。
導(dǎo)熱性-發(fā)現(xiàn)SC1的導(dǎo)熱性為102W/mK，這略低于在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的原來的規(guī)定值。然而，利用這個(gè)信息，不難修改發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體的設(shè)計(jì)，以適應(yīng)導(dǎo)熱性值。
結(jié)論SC1符合下列說明·0.2％屈服強(qiáng)度在室溫下為120Mpa和在177℃下為110Mpa。
·在150℃和177℃的抗蠕變性可與A139相比。
·室溫下，疲勞極限超過50Mpa。
結(jié)合較高溫度機(jī)械性能和計(jì)算的成本效率，建議SC1作為發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體材料是商業(yè)可行的選擇。
在下面的權(quán)利要求書和前面的發(fā)明描述中，除了由于語言表達(dá)或必要含意的上下文需要不同的地方，詞“包含(comprise)”或變體如“包含(comprises)”或“包含(comprising)”是用于包含的意思，是說明狀態(tài)特征的存在，但不排除在本發(fā)明的不同實(shí)施方案中存在或額外的其它特征。
很顯然，雖然這里提到公開的現(xiàn)有技術(shù)，但是這些參考不能構(gòu)成允許任何這些文件在澳大利亞或任何其它國家技術(shù)中形成公知常識(shí)部分。
權(quán)利要求
1.一種鎂基合金，包含，按重量1.4-1.9％釹，0.8-1.2％除釹以外的稀土元素，0.4-0.7％鋅，0.3-1％鋯，0-0.3％錳，和0-0.1％氧化抑止元素除了不可避免的雜質(zhì)，其余為鎂。
2.一種鎂合金，包含，按重量1.4-1.9％釹，0.8-1.2％除釹以外的稀土元素，0.4-0.7％鋅，0.3-1％鋯，0-0.3％錳，0-0.1％氧化抑制元素，不超過0.15％鈦，不超過0.15％鉿，不超過0.1％鋁，不超過0.1％銅，不超過0.1％鎳，不超過0.1％硅，不超過0.1％銀，不超過0.1％釔，不超過0.1％釷，不超過0.01％鐵，不超過0.005％鍶，除了不可避免的雜質(zhì)，余量為鎂。
3.權(quán)利要求1或2的合金，其中鎂含量為95.5-97重量％。
4.如前述任一權(quán)利要求中的合金，其中釹含量為1.6-1.8重量％。
5.如前述任一權(quán)利要求中的合金，其中除釹以外的稀土元素的含量為0.9-1.1重量％。
6.如前述任一權(quán)利要求中的合金，它包含多種除釹以外的稀土元素，并且其中鈰量超過除釹以外的稀土元素的重量的一半。
7.如前述任一權(quán)利要求中的合金，其中鋯含量多于0.4重量％。
8.如前述任一權(quán)利要求中的合金，其中鋅含量為0.4-0.6重量％。
9.一種鎂基合金，其顯微結(jié)構(gòu)包括通過一般連接的晶間相在晶界處分離的鎂基固溶體的等軸晶粒，晶粒在多于一個(gè)含鎂和釹的慣態(tài)面上包含均勻分布的納米尺寸的沉淀片晶，晶間相幾乎完全由稀土元素、鎂和少量鋅組成，且稀土元素基本上為鈰和/或鑭。
10.一種生產(chǎn)鎂合金制品的方法，該方法包括如前述任一權(quán)利要求的從合金進(jìn)行T6熱處理而成為制品鑄件。
11.一種制造鎂合金制品的方法，該方法包括的步驟為(a)在模具中固化如權(quán)利要求1-9中任一合金的鑄件，(b)在500-550℃溫度、加熱固化鑄件第一時(shí)間段，(c)淬火鑄件，并且(d)在200-230℃溫度、老化鑄件第二時(shí)間段。
12.一種制造由鎂合金組成的鑄件的方法，包括的步驟為(i)熔化如權(quán)利要求1-9中的任一合金，以形成熔融合金，(ii)將熔融合金引入砂?；蛴谰媚＞咧?，并使熔融合金固化，(iii)從模具中取出獲得的固化鑄件，并(iv)在第一溫度范圍保持鑄件、第一時(shí)間段，在此期間鑄件的部分晶間相溶解，隨后在低于第一溫度范圍的第二溫度范圍保持鑄件、第二時(shí)間段，在此期間引起在鑄件晶粒內(nèi)和晶界上沉淀為納米尺寸的沉淀片晶。
13.如權(quán)利要求12的方法，其中第一溫度范圍為500-550℃，第二溫度范圍為200-230℃，第一時(shí)間段為6-24小時(shí)，且第二時(shí)間段為3-24小時(shí)。
14.一種用于內(nèi)燃機(jī)的汽缸體，由權(quán)利要求10-13中任一方法生產(chǎn)。
15.一種用于內(nèi)燃機(jī)的汽缸體，由權(quán)利要求1-9中任一鎂合金形成。
全文摘要
一種鎂基合金，包含，按重量1.4－1.9％釹，0.8－1.2％除釹以外的稀土元素，0.4－0.7％鋅，0.3－1％鋯，0－0.3％錳，和0－0.1％氧化抑制元素，除了不可避免的雜質(zhì)，其余為鎂。
文檔編號(hào)C22F1/00GK1675395SQ03818939
公開日2005年9月28日 申請(qǐng)日期2003年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月21日
發(fā)明者科琳·J·貝特爾斯, 克里斯托弗·T·福伍德 申請(qǐng)人:鑄造中心有限公司