專利名稱：：高壓壓鑄鎂合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及鎂合金，更具體地是涉及能通過高壓壓鑄(HPDC)法鑄造的鎂合金。
背景技術(shù)：
：隨著限制燃樸消耗和降低向大氣排放有害物質(zhì)的要求日益提高，汽車制造商正在尋找發(fā)展燃料效率更高的車輛，降低車輛的總重量是實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。對于任何車輛的重量起主要作用的是發(fā)動機和動力傳動系的其它構(gòu)件。發(fā)動機最重要的構(gòu)件是汽釭體，它占發(fā)動機總重量的20~25%。過去顯著減少重量是以引進(jìn)鋁合金汽缸體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的灰口鐵體，假若使用能經(jīng)受發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的溫度和應(yīng)力的鎂合金，則可以實現(xiàn)重量進(jìn)一步減少約40%?？梢哉J(rèn)為這樣一種合金的研制，以成本有效的生產(chǎn)工藝結(jié)合所要求的高溫機械性能，在考慮適用的鎂發(fā)動機組制造之前是必須的。HPDC是用于輕合金構(gòu)件大量生產(chǎn)的高效生產(chǎn)方法。盡管砂型鑄造和低壓/重力金屬型鑄造的鑄造完整性一般高于HPDC,但是HPDC對于較大體積的大量生產(chǎn)是一種低廉的工藝。最普通的鎂基HPDC合金是AM50(95%Mg，5%A1),AM60(94%Mg,6。/。Al)和AZ91(90%Mg，9%A1和l%Zn)。不幸的是，在這些合金中沒有一種適用于提高的溫度下。HPDC在北美的汽車制造商中是普及的而在歐洲和亞洲成為用于鑄造鋁合金發(fā)動機組的主要工藝。近些年來，研制高溫鎂合金主要集中在HPDC處理路線上并且開發(fā)出了幾種合金。HPDC被認(rèn)為是實現(xiàn)高生產(chǎn)速率因此降低制造成本的良好選擇方案。要求優(yōu)先權(quán)日為1967年12月4日的US3718460涉及一種"特別適合壓鑄"的鎂-鋁-硅合金。該合金"基本上由含有約0.4~1.5%重量的硅，約3.5~約7%重量的鋁，最高達(dá)約1%重量的錳和最高達(dá)約2%重量的鋅的鎂所"組成。US3718460沒有提到釔。要求優(yōu)先權(quán)日為1995年2月6日的PCT/GB96/00261(WO96/24701)涉及一種適合HPDC的鎂-鋅-稀土(Mg-Zn-RE)合金，其中稀土從元素范圍角度進(jìn)行了特定的限定，但"不打算包括元素如釔。"因此釔作為這種HPDC合金的合金成分特別加以排除。要求1999年12月15日為優(yōu)先權(quán)的US6322644涉及一種具有改進(jìn)的高溫性能的鎂-基壓鑄合金，該合金由2~9%的鋁，0.5~7%的鍶，0~0.6%的錳，0~0.35%的鋅以及剩余部分鎂組成。在US6322644中沒有提到釔。含釔的各種鎂基合金已提出多年。要求優(yōu)先權(quán)日為1963年10月26日的GB1067915提到"現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)釔的加入能導(dǎo)致進(jìn)一步含鋯鎂合金的晶粒細(xì)化"。該專利廣泛涉及含有0.1~1。/o的鋯(Zr),0.1~10。/。的釔(Y)和最高達(dá)10。/。的至少一種選自鈹(Be)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、鈣(Ca)、鈰(Ce)、銅(Cu)、銀(Ag)、鉈(T1)、釷(Th)、鉍(Bi)和鋅(Zn)的附加合金元素的鎂合金。鎂合金MLIO,是前蘇聯(lián)研制的，已用于溫度最高達(dá)250。C的飛機中的鑄造零件多年，ML10是一種高強度的Mg-Nd-Zn-Zr合金。ML19合金同樣基于Mg-Nd-Zn-Zr系統(tǒng)但另外含Y。Mukhina等人的標(biāo)題為"InvestigationoftheMicrostmctureandPropertiesofCastableNeodymiumandYttnum-BeanngMagnesiumAlloysatElevatedTemperatures"的一篇論文發(fā)表在《科學(xué)和熱處理》，第39巻，1997年中，指出ML10和ML19合金的典型組成(。/o重量)為ML10ML19釹(Nd)2.2~2.81.6-2.3釔(Y)沒有1.4-2.2鋯(Zr)0.4~1.00.4-1.0鋅(Zn)0.1~0.70.1—0.6鎂(Mg)余量余量雜質(zhì)含量為鐵(Fe)<0.01硅(Si)<0.03銅(Cu)<0.03鎳(Ni)<0.005鋁(Al)<0.02鈹(Be)〈0.01ML10和ML19是兩種砂型鑄造合金，并且兩種合金均沒有發(fā)現(xiàn)作為HPDC合金而為工業(yè)所接受.要求優(yōu)先權(quán)日為1973年3月14日的GB1378281"涉及鎂基輕結(jié)構(gòu)合金，特別是那些用于生產(chǎn)在使用中經(jīng)受加熱的部件"。該合金含有0.8~6.0%Y,0.5~4.0%Nd，0.1~2.2%Zn,0.31~l.l%Zr,最高達(dá)0.05。/。Cu,最高達(dá)0.2。/。錳(Mn)和余量鎂。有關(guān)的US專利，US4116731,要求保護(hù)一種同樣組成的合金，這種合金是一種經(jīng)"熱處理和時效"的合金，其中"不低于釹和釔總量50%的釹和釔添加劑在熱處理后進(jìn)入固溶體"；該合金，在大約535'C下熱處理了4~8小時后，于空氣中冷卻，然后于大約200'C下時效12小時。要求優(yōu)先權(quán)日為1981年5月25日的US4401621涉及的娛合金由以下組成"(a)1.5~10%重量的釔成分，其由至少60%重量的釔和剩余部分(如果有的話)重稀土金屬組成，和(b)l~6%重量的釹成分，其由至少60%重量的釹，不大于25%重量的鑭和基本上所有的剩余部分(如果有的話)鐠組成，合金的剩余部分由鎂組成"。要求優(yōu)先權(quán)日為2002年1月10日的US6767506"涉及適合在高達(dá)250~300'C的溫度下使用的鎂基合金".US6767506的合金含有2.7~3.3%的Nd，Y的量最高達(dá)2.60/。，0.20.8。/。的Zr，0.2~0.8%的Zn，0.03~0.25%的Ca,0~0.001%的Be和至少92%的Mg。這些合金據(jù)說特別適于砂型鑄造、金屬型鑄造以及直接冷鑄，隨后擠壓和/或鍛造。在US6767506中沒有示意該合金適合于HPDC。Mg-RE-Y合金可作為重力鑄造和砂型鑄造合金使用，能被熱處理以達(dá)到所需特性。它們RE和Y兩者的添加量很高，目的在于在形成Mg-RE型晶界相，和兩個沉淀相，即Mg12Nd和Mg24YdS.即使在室溫下Y在Mg中也有很高的溶解度，并且如此高的Y含量是獲得高沉淀所必須的。就本發(fā)明人所知道來說，沒有發(fā)現(xiàn)含Y的Mg基合金能作為HPDC合金被工業(yè)接受。發(fā)明概述第一方面，本發(fā)明提供一種鎂-稀土-釔-鋅合金，其由以下組成稀土(RE)(—種或多種)和釔(Y),其量落入由線段AB、BC、CD和DA限定的四邊形內(nèi)，其中A為1.8%RE-0.05%Y,B為1.0%RE-0.05%Y，C為0.2%RE-0.8%Y，和D為1.8%RE-0.8%Y;0.2-1.5。/。的鋅(Zn);00.25。/。的鋁(A1);0~0.2%的鋯問；00.3。/。的錳(Mn);0~0.1%的氧化抑制元素(一種或多種)，以及除了偶存雜質(zhì)外余量為鎂(Mg)。除非另有陳述，本文中的所有百分比皆為重量百分比。在本說明書的整個過程中詞"稀土"應(yīng)理解成指具有原子序數(shù)為57~71,即鑭(La)~镥(Lu)的任何元素或元素的組合。由線段AB、BC、CD和DA限定的四邊形在圖1中說明，該圖是總稀土含量對釔含量的曲線。優(yōu)選的是，本發(fā)明的合金含有不大于0.15%的鈦，不大于0.15%的鉿，不大于0.1%的銅，不大于0.1%的鎳，不大于0.1%的硅，不大于0.1%的銀，不大于0.1%的釷，不大于0.1%的鍶、，和不大于0.01%的鐵。更為優(yōu)選的是，本發(fā)明的合金(a)含有低于0.1%的鈦，更好低于0.05%的鈦，更好低于0.01%的鈦，而最好基本上沒有鈦；(b)含有低于0.1%的鉿，更好低于0.05%的鉿，更好低于0.01%的鉿，而最好基本上沒有鉿；(c)含有低于0.05%的銅，更好低于0.02%的銅，更好低于0.01%的銅，而最好基本上沒有銅；(d)含有低于0.05°/。的鎳，更好低于0.02%的鎳，更好低于0.01%的鎳，而最好基本上沒有鎳；(e)含有低于0.05%的硅，更好低于0.02%的硅，更好低于0.01%的硅，而最好基本上沒有硅；(f)含有低于0.05%的銀，更好低于0.02%的銀，更好低于0.01%的銀，而最好基本上沒有銀；(g)含有低于0.05%的釷，更好低于0.02%的釷，更好低于0.01%的釷，而最好基本上沒有釷；和(h)含有低于0.05%的鍶，更好低于0.02%的鍶，更好低于0.01%的鍶，而最好基本上沒有鍶。優(yōu)選的是，本發(fā)明的合金含有其量落在由線段EF、FG、GH和HE限定的四邊形內(nèi)的稀土和釔(Y),其中E為1.5%RE~0.3%Y，F(xiàn)為1.0%RE~0.3%Y,G為1.0%RE—0.8%Y，和H為1.5%RE~0.8%Y。由線段EF、FG、GH和HE限定的四邊形在圖1中說明，圖1是總稀土含量對釔含量的曲線。優(yōu)選的是，本發(fā)明的合金含有至少96.7%的鎂，更優(yōu)選含97~98.5%的鎂，而最優(yōu)選含約98%的鎂.優(yōu)選的是，按本發(fā)明第一或第二方面的合金的稀土成分，選自釹(Nd)、鈰(Ce)、鑭(La)或其混合物.優(yōu)選的是，釹含量大于0.2%,更好大于0.4%,更優(yōu)選為0.4~1.8%,而最優(yōu)選為0.4-1.0%，盡管本發(fā)明的合金可以不含釹。釹含量可以來自純釹、含在稀土混合物如混合稀土合金中的釹或其組合物。優(yōu)選的是，除釹外的稀土含量為0~1.6%，更優(yōu)選為0.5~1.0%，盡管本發(fā)明的合金可不含除釹外的稀土.優(yōu)選的是，除釹外的任何稀土(多種)是鈰、鑭或其混合物。除釹外的稀土可來源于純稀土、稀土的混合物如混合稀土合金或其組合物。優(yōu)選的是，除釹外的稀土來源于含鈰、鑭、任選釹、適量的鐠(Pr)和痕量的其它稀土的鈰混合稀土合金。不希望受理論的束縛，認(rèn)為釔的摻雜對熔煉保護(hù)、延性和抗蠕變性是有益的。優(yōu)選的是，鋅含量為0.2~0.7%,更優(yōu)選為0.3~0.5%,尤其優(yōu)選為0.4~0,6%。鋯是本發(fā)明合金的任選成分。鐵含量的降低可通過添加鋯從熔融合金析出鐵來實現(xiàn).理想的是，合金含有最低量的鐵.優(yōu)選的是，本發(fā)明的合金含有低于0.005%的鐵，最好基本上沒有鐵。因此，本發(fā)明規(guī)定的鋯含量是殘余的鋯含量。然而，值得注意的是鋯可以在兩個不同的階段加入。首先，在合金制造時，其次，剛好在鑄造之前合金熔融之后。優(yōu)選的是，鋯含量是達(dá)到另人滿意地除鐵效果所需要的最低量。典型的是，鋯含量約為0.1%或以下。錳是合金的任選成分。當(dāng)存在時，錳含量典型地約為0.1%。防止或至少抑制熔融合金氧化的元素，如鈹(Be)和鈣(Ca),是任選成分，尤其當(dāng)通過保護(hù)氣氛控制(covergasatmospherecontrol)不能充分保護(hù)熔體時:合金可包含這些任選成分。特別是鑄造工藝不涉及封閉系統(tǒng)的情況下，更是如jt匕。當(dāng)存在時，鈹含量優(yōu)選低于50ppm,更優(yōu)選為4-25ppm,尤其優(yōu)選為4~20ppm,更4尤選為4~15ppm，尤其優(yōu)選為6~13ppm,如8~12ppm。典型地，借助于鋁-鈹母合金如Al-5%Be,引入鈹，這樣可使鋁以最高達(dá)0.25%的小量存在。優(yōu)選的是，鋁含量低于0.2%,更優(yōu)選低于0.1%。不希望受理論的束縛，認(rèn)為鈹和/或鈣的摻雜可以改進(jìn)合金的壓鑄性。理想地，偶存雜質(zhì)的含量為零，但是應(yīng)當(dāng)知道這實質(zhì)上是不可能的。因此，優(yōu)選偶存雜質(zhì)含量低于0.15%,更優(yōu)選低于0.1%,尤其優(yōu)選低于0.01%，更加優(yōu)選低于0.001%。對于HPDC合金，意外的是，至少本發(fā)明某些合金得益于熱處理，如T6熱處理，所述T6熱處理通常涉及在450550'C下固溶處理最高達(dá)6小時，接著淬火，之后再于15030(TC下人工時效最高達(dá)24小時。第二方面，本發(fā)明提供由本發(fā)明第一方面的合金制成的內(nèi)燃機的組件。內(nèi)燃機的組件可以是發(fā)動機組或其部件如覆蓋物。本發(fā)明第一方面的合金可以通過除HPDC以外的工藝，如砂型鑄造或低壓/重力金屬型鑄造進(jìn)行鑄造。第三方面，本發(fā)明提供一種用于由高壓壓鑄本發(fā)明第一方面的合金所生產(chǎn)的內(nèi)燃機的發(fā)動機組。上面已具體提及發(fā)動機組，但是值得注意的是本發(fā)明的合金可在其它高溫使用中獲得用途如在汽車動力傳動系以及在低溫使用中可以使用。上面也已具體提及HPDC,然而值得注意的是本發(fā)明的合金可以通過除HPDC外的技術(shù)而鑄造，這些技術(shù)包括觸變性澆鑄、觸變性鑄造、金屬型鑄造和砂型鑄造。本發(fā)明優(yōu)選實施方案的說明實施例1逸A1。加入除釹外的稀土作為鈰基混合稀土，其含鈰、鑭和一些釹。以其元素形式加入另外的釹和鋅。在整個的合金制備過程中使用標(biāo)準(zhǔn)的熔體處理程序。表1-制備的合金<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>以鑄造條件和T6熱處理條件在90MPa恒定負(fù)荷和177'C下進(jìn)行合金A和B的蠕變試驗以及以鑄造條件在75MPa負(fù)荷和200'C下進(jìn)行合金A的蠕變試驗。穩(wěn)態(tài)蠕變速率列于表3中。表3-穩(wěn)態(tài)蠕變速率<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>圖2表明以鑄造條件合金A和B于177'C和90MPa下的蠕變結(jié)果。從圖2可見，盡管兩種合金具有相似的二級蠕變速率，但合金A在這些條件下負(fù)荷時的瞬時應(yīng)變比合金B(yǎng)更具耐性。圖3表明在T6熱處理條件中合金A和B于177'C和90MPa下的蠕變結(jié)果。合金A和B于525'C下經(jīng)固溶處理8小時，接著用冷水淬火，之后于215'C下時效4小時。在這些條件下的合金A的抗蠕變性也明顯地大于合金B(yǎng)。T6熱處理對本發(fā)明合金A和B的HPDC試驗試樣的蠕變性能的影響通過圖2與圖3對比加以說明?？梢钥吹絋6熱處理對低Y含量的合金(〈0.4wt.%Y)幾乎沒有益處。然而，對于含有0.5wt.。/。Y或更大含量的組成，T6熱處理對于合金的蠕變性能具有顯著的有利影響。實施例2生產(chǎn)一系列本發(fā)明的合金及將其組成列于表4中，其包括實施例1中的合金A和B。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表4合金AV的化學(xué)組成對機械性能評價來說，通過在250噸的TOSHIBA冷室壓鑄機上高壓壓鑄(HPDC)這些合金而生產(chǎn)試驗用試樣。評價合金的性能包括鑄造質(zhì)量、鑄造狀態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)、室溫和177。C下的拉伸強度和177'C和20(TC下的蠕變性能。圖4表明以鑄造狀態(tài)的本發(fā)明合金(合金N)微觀結(jié)構(gòu)的典型實例。由于HPDC的性質(zhì)，存在靠近鑄造試樣的表面('表層，)的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)向中心區(qū)('芯，)較粗晶粒結(jié)構(gòu)的過渡。然而，兩個區(qū)都是由初生富鎂晶?；蛑ЫM成，在晶間和枝晶間區(qū)具有Mg-RE金屬間相。本發(fā)明的合金是阻燃高抗氧化性的，如圖5中所示.圖5(d)、5(e)和5(f)涉及與合金H組成非常相似的合金，而圖5(a)、5(b)和5(c)涉及除了不含釔的等效組成的合金。圖5(b)和5(e)是分別示于圖5(a)和5(d)經(jīng)鑄件中心拋光磨片的宏觀圖象，該圖象表明在表面上形成的氧化物滲入鑄件內(nèi)部的深度。圖5(c)和5(f)分別是圖5(b)和5(e)的相同的高倍放大圖象。在圖5(c)中可以看到無釔的合金呈現(xiàn)出氧化物發(fā)紋的強烈滲透；反之，在本發(fā)明合金的圖5(f)中證實存在滲透情況極微。對于具有本發(fā)明典型組成的合金來說，表面氧化的程度和氧化物發(fā)紋滲入鑄件主體的深度兩者極大地降低。這種阻燃作用能在所有實際鑄造操作中是非常有利的。表5給出本發(fā)明合金拉伸試驗數(shù)據(jù)的一覽表，從此可以看出在所考察的兩種試驗溫度下拉伸性能是合理的。合金N、合金O和合金P的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的實例示于圖6和圖7中，分別為室溫和177'C下進(jìn)行的試驗。組份的Y含量對拉伸應(yīng)力-應(yīng)變性能的影響示于圖8中，由此可見拉伸強度隨著Y含量的提高而改進(jìn)。表5于室溫和177。C下對于本發(fā)明實施例合金的范圍的典型拉伸性能<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表6包括在許多不同試驗條件下本發(fā)明合金(合金A，鑄造狀態(tài))的穩(wěn)態(tài)蠕變速率，以及有關(guān)的蠕變曲線的實例也示于圖9中。表6本發(fā)明合金A在各種試驗條件和在不同熱處理的同樣試驗條件下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率。<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表7包含在177'C和90MPa的相同條件下所有以鑄造條件下所測的組成變化的穩(wěn)態(tài)蠕變速率一覽表。表7許多本發(fā)明合金變量的穩(wěn)態(tài)蠕變速率。<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>對于組成含低總稀土(TRE)含量(在1.1~1.2wt,。/。范圍內(nèi))，中等TRE含量(在1.3~1.4wt,o/。范圍內(nèi))，以及高TRE含量(在1.5~1.6wt。/o范圍內(nèi))而Y含量提高的合金的所選蠕變曲線示于圖10、圖11和圖12。據(jù)一般觀察，提高本發(fā)明合金的Y含量能明顯改善在這些試驗條件下(177'C和90MPa)所觀察的蠕變行為。具有低TRE含量和低Y含量的合金組成在這些嚴(yán)格的試驗條件下呈現(xiàn)較差的蠕變性能，正如圖10中合金J的曲線所表明的。因此這樣的組成與發(fā)動機相比更適用要求不高的動力傳動系。對于含有超過0.45wt.%Y的組成來說，其蠕變性能非常好，正如由合金A、合金C和合金T所-〖正實的(分別見圖9、圖11和圖12)。應(yīng)當(dāng)清楚地理解，盡管本文引用了現(xiàn)有技術(shù)的出版物，但是這種引用并不是承認(rèn)這些，文件在澳大利亞或在任何其它的囯家中成為本領(lǐng)域的普通權(quán)利要求1.一種鎂-稀土-釔-鋅合金，由以下組成其量落入由線段AB、BC、CD和DA限定的四邊形內(nèi)的稀土(RE)和釔，其中A為1.8％RE-0.05％Y，B為1.0％RE-0.05％Y，C為0.2％RE-0.8％Y，和D為1.8％RE-0.8％Y；0.2～1.5％的鋅；0～0.25％的鋁；0～0.2％的鋯；0～0.3％的錳；0～0.1％的氧化抑制元素，以及除偶存雜質(zhì)外剩余量為鎂(Mg)。2.按照權(quán)利要求1所述的合金，含有其量落入由線段EF、FG、GH和HE限定的四邊形內(nèi)的稀土和^fc，其中E為1.5%RE-0,3%Y,F為1.0%RE-0.3%Y,G為1.0%RE—0.8%Y,和H為1.5%RE-0.8%Y。3.按照權(quán)利要求1或權(quán)利要求2中所述的合金，其含有至少96.7%的鎂。4.按照前述權(quán)利要求中的任一項所述的合金，其中，稀土元素選自釹、鈰、鑭、鐠或其組合.5.按照前述權(quán)利要求中的任一項所述的合金，其具有0.4~1.0%的釹含量。6.按照前述權(quán)利要求中的任一項所述的合金，其中，除釹外，稀土含量為0.5—1.0%。7.按照前述權(quán)利要求中的任一項所述的合金，其具有0.1~1.6%的釔含8.按照權(quán)利要求7所述的合金，其具有0.25~1.25%的釔含量。9.按照權(quán)利要求8所述的合金，其具有0.5~1.0%的釔含量。10.按照前述權(quán)利要求中的任一項所述的合金，其具有0.2~0.7%的鋅含量。11.按照權(quán)利要求10所述的合金，其具有0.4~0.6%的鋅含量。12.按照前述權(quán)利要求中的任一項所述的合金，其含有低于0.25%量的鋁。13.按照前述權(quán)利要求中的任一項所述的合金，其含有低于0.2%量的鋯。14.按照前述權(quán)利要求中的任一項所述的合金，其含有低于0.3%量的錳。15.按照前述權(quán)利要求中的任一項所述的合金，其含有低于50ppm量的鈹。16.按照前述權(quán)利要求中的任一項所述的合金，其含有低于0.1%量的4丐。17.—種內(nèi)燃機或汽車動力傳動系統(tǒng)的組件，其由前述權(quán)利要求中的任一項所述的合金構(gòu)成。18.—種發(fā)動機組或其部件，其通過高壓壓鑄權(quán)利要求1~16中的任一項所述的合金而制成。全文摘要鎂-稀土-釔-鋅合金由以下組成0.2～1.5％重量的鋅和其量落入由線段AB、BC、CD和DA限定的四邊形內(nèi)的稀土(RE)和釔，其中A為1.8％RE-0.05％Y，B為1.0％RE-0.05％Y，C為0.2％RE-0.8％Y，和D為1.8％RE-0.8％Y。文檔編號C22C23/00GK101228286SQ200680024328公開日2008年7月23日申請日期2006年5月26日優(yōu)先權(quán)日2005年5月26日發(fā)明者科琳·J·貝特爾斯,馬克·A·吉布森申請人:鑄造中心有限公司