專利名稱：含鈹?shù)逆V合金和該合金的半固態(tài)制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鈹鎂合金。更具體地說，本發(fā)明是一種制造含鈹?shù)逆V合金及將其成形為有用結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的方法。
目前，還沒有報道過已知的實用鈹鎂結(jié)構(gòu)合金。該技術(shù)領(lǐng)域中可得到的情報報導(dǎo)了MgB13的生產(chǎn)。它是一種脆性的金屬互化物，因此，不能以任何已知的實用方式使用(Stonehouse，Distribution ofImpurity Phases，Beryllium Science.& Tech.，1979，Vol.1，Pages 182—185)。市售的鈹一般含有低于1000重量ppm的鎂，它是在常規(guī)提煉過程中用作還原BeF2的組分殘留的，而且這種痕量的鎂也是以金屬互化物(Intermetallic compound)MgB13的形式存在(Walsh，Production of Metallic Beryllium，Beryllium Science &Tech.，1979，Vol2，Page8)。
F.H.Ellinger等人的研究小組在the Los Alamas科學(xué)實驗室進(jìn)行的早期工作表明，用熔融鎂還原BeF2，結(jié)果產(chǎn)生了金屬互化物MgBe13，而用鎂稀釋鋁鈹預(yù)合金產(chǎn)生的整體材料中主要為MgB13枝晶，這種枝晶含有34.4％鈹(Elliott，Preparation and Identificationof MgBe13，Metallurgy and Ceramics，13th Ed.，1958，Pages 1—10)。英國人證實了用熔融鎂浸滲多孔鈹粉制得的金屬互化物MgB13的缺點是脆性(Jones，Preparation of Beryllium—Magnessium Al-loys by Powder Metal—Lurgical Methods，United Kingdom Atom-ic Energy Authority Memorandum，1961，AERE M828)。Jones觀察到這種合金具有圍繞著鈹晶粒的MgBe13網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，正是這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了其脆性和很大的硬度。
鈹在制造富鎂母合金時作為保護(hù)性氧化物，這個用途是眾所周知的。這種鈹可用于防止在向下流加工裝置遠(yuǎn)送和加入鎂時鎂的氧化。例如，俄亥俄州埃爾莫市的Brush Wellman有限公司生產(chǎn)和銷售含5％或更少量鈹?shù)母绘V球團(tuán)，這種球團(tuán)是將鎂合金粉未和鈹粉熱壓制成的。在下流加工裝置的最終鎂產(chǎn)品中，殘余鈹?shù)暮可儆?.01％。
金屬的常規(guī)半固態(tài)制造即觸變成形是一種利用熱熔化的金屬在其冷卻過程中對其連續(xù)而激烈地攪拌時所表現(xiàn)的低表觀粘度的制造方法(Brown，Net—Shape Forming Via Semi—Solid Processing，Advanced Material & Processes，Jan.1993.，pages 327—338)。目前用了各種術(shù)語用來描述半固態(tài)加工金屬制造有用產(chǎn)品，包括流變鑄造、料漿鑄造、觸變鍛造和半固態(tài)鍛造等術(shù)語。每一個術(shù)語都與半固態(tài)加工步驟的不同特點或使用設(shè)備類型的差異有關(guān)。
一般地說，半固定加工的首先步驟是加熱一種或多種金屬，使其溫度超過它們的液相線溫度形成熔融金屬或合金。在慢慢冷卻過程中，可使用該領(lǐng)域中已知的各種方法在液化的金屬中引入剪切力，以便在原處(in situ)形成分散在熔體中的等軸(equiaxed)晶粒。在這種條件下，該金屬稱為處于“觸變”性料漿狀態(tài)或半固態(tài)料漿狀態(tài)。觸變料漿是以非樹枝狀顯微結(jié)構(gòu)為特征的，它可以在能自動操作和精確控制，而又能提高鑄造材料產(chǎn)率的大型生產(chǎn)設(shè)備中相當(dāng)容易地加以處理(Kenny，Semisolid Metal Casting and Forging，Metals Hand-book，9 the ed.，1988，Vol.15，pages 327—338)。
半固態(tài)金屬料漿的非樹枝狀顯微結(jié)構(gòu)在Flemings所擁有的專利3,902,544中有所描述。該專利中公開的方法堪稱這一技術(shù)領(lǐng)域的代表，該專利著重于在熔體慢慢冷卻過程中產(chǎn)生激烈的對流現(xiàn)象，使得產(chǎn)生的是具有非樹枝狀顯微結(jié)構(gòu)的等軸晶粒分散體。(Flem-ings，Behavior of Metal Alloys in the Semisolid State，Metallurgi-cal Transactions，1991，Vol.22A，pages 957—981)。
在本申請前公開的研究，是集中在設(shè)法了解用高溫剪切使樹枝狀生長結(jié)構(gòu)變形和分裂過程中涉及的一些力的大小。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，半固態(tài)合金顯示了高達(dá)幾百，甚至幾千泊的粘度，具體視剪切速率而異(Kenny，Semisolid Metal Casting and Forging，Metal Hardbook，9th Ed.，1988，Vol.15 pages 327)。還發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)冷卻過程中測量的半固態(tài)料漿的粘度與施加的剪切力有很強(qiáng)的函數(shù)關(guān)系，測得的這種粘度隨著剪切速率的增加而降低(Flemings，Behavior of MetalAlloys in the Semisolid State，A&M News，Spet.1991，pages 4—5)因此，隨后的商業(yè)性研究集中于開發(fā)在模具中成形之前或幾乎同時攪拌液化金屬的種種方法，以便在半固態(tài)料漿中獲得近似球狀或細(xì)小晶粒的顯微結(jié)構(gòu)。兩種已開發(fā)的通用成形方法是，(1)流變鑄造，它是在專用的混合器中先產(chǎn)生料漿，然后輸入模具中，(2)半固態(tài)鍛造，它是用裝有混合器以便直接產(chǎn)生球狀顯微結(jié)構(gòu)的模具中的澆鑄成球團(tuán)。
例如，Winter所擁有的專利4,229,210揭示了一種使用分離的混合器用電動力在逐漸冷卻的金屬中引起湍動的方法，而Winter所擁有的專利4,434,837和4,457,355揭示一種裝有磁流體動力攪拌器的模具。
現(xiàn)已開發(fā)了各種在冷卻的金屬中產(chǎn)生剪切力形成半固態(tài)料漿的攪拌方法，例如，Young所擁有的專利4,482,012、Dantzig的專利4,607,682和Ashok的專利4,642,146都描述了用于在液化金屬中產(chǎn)生必需剪切力的電磁攪拌裝置。產(chǎn)生必需剪切速率的機(jī)械攪拌是在Kenney的專利4,771,818、Gabathuler的專利5,186,236和Col-lot的專利4,510,987中揭示的。
將目前已知的半固態(tài)制造技術(shù)應(yīng)用于含鈹鎂合金是行不通的，因為鈹?shù)娜埸c超過1280℃。在這個溫度和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力條件下，鎂在1100℃沸點的溫度汽化(Elliott，Preparation and Identificationof MgB13，Metallurgy and Ceramics，13 th Ed.，1958，pages 1—10)。目前已知的觸變成形方法是需要鈹在超過1200℃的高溫起始液化的，而這時鎂會蒸發(fā)掉。事實上，這恰是目前從鈹中除去鎂雜質(zhì)的鈹提純工業(yè)方法(Stonehouse，Distribution of Impurity Phase，Beryllium Science & Tech，1979 Vol.1，pages 184)。
本申請描述了解決上述的制造含鈹鎂合金問題的方法，并進(jìn)一步介紹金屬合金半固態(tài)制造方法的一種新的改進(jìn)。
因此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種加入1至99重量％鈹?shù)膶嵱面V基合金。
本發(fā)明的第二個目的在于提供彈性模量超過鎂100至400％的實用含鈹鎂合金。
本發(fā)明的第三個目的在于提供一種半固態(tài)制造方法，這種方法不需要加熱至對于某些金屬如鈹必需的很高的液相線溫度。
本發(fā)明的第四個目的在于提供一種不需采用剪切力的半固態(tài)制造方法。
本發(fā)明的第五個目的在于提供一種制造含1至99重量％鈹?shù)逆V合金的半固態(tài)制造方法，在此方法中用的是鈹粉，因此，這樣就不需要對完全液化的金屬進(jìn)行處理。
本發(fā)明的第六個目的在于提供一種可以成形含顯著量鈹?shù)男螤罹艿逆V部件的方法。
本發(fā)明的第七個目的在于提供密度很低近似于鎂，而彈性模量很高近似于鈹?shù)暮辖稹?br> 本發(fā)明的第八個目的在于提供生產(chǎn)含1至99重量％鈹?shù)逆V基合金精密零件的技術(shù)，這種技術(shù)防止了有害的鎂鈹金屬互化物的形成。
本技術(shù)領(lǐng)域中熟練技術(shù)人員在研究了下面的公開后，本發(fā)明的其他目的就顯而易見了。
本發(fā)明包括制造實用含鈹鎂基母合金的方法和制造含顯著量鈹?shù)膬粜螤?net—shape)鎂—鈹部件的裝置。這里所用的術(shù)語“凈形狀”是表示一個部件，已具有非常接近于最終要求的形狀，即在使用前不需或僅需很少切削加工的精密部件。
參看

圖1，它是最新認(rèn)可的鎂鈹合金相圖(Nayeb—Hashemi，The Beryllium—Magesium System，Alloy Phase Diagrams Mono-graph，ASM International，1987，page 116))。與其他合金系的相圖比較，Mg-Be相圖是相當(dāng)不完全的，它反映了人們對Mg-Be體系的知識和實驗還很不夠(Brophy，Diffusion Couples and the PhaseDiagram，Thermodynamics of structure，1987，91—95頁)。然而，圖1相圖中有一個清楚的特征，它預(yù)測了金屬互化物MgB13的存在。
本發(fā)明描述了一種使用分散在液態(tài)鎂或鎂粉中的固態(tài)鈹粉制造含鈹鎂合金的新方法，這種方法令人驚奇地避免了有害的金屬互化物MgB13的形成，并且可以用半固態(tài)的方法制造這種新穎的含鈹鎂合金。
這里要求保護(hù)的合金，其密度接近于其他已知的鎂合金，而彈性模量卻可近于鈹，這種模量隨著含鈹量增加而增加。彈性模量隨組成的變化大致為鎂的值6.6百萬PSI與鈹?shù)闹?4百萬PSI的線性組合。這與適用于具有相似結(jié)構(gòu)的鋁-鈹合金的性質(zhì)預(yù)測的“混合原則”是一致的。
本發(fā)明不能用常規(guī)的錠料冶金技術(shù)或已知的霧化技術(shù)制造。這里描述的方法是利用將固態(tài)的鈹顆粒和液態(tài)或固態(tài)鎂的結(jié)合。將鈹粉加入，良好地分布在液態(tài)鎂或鎂粉中，生產(chǎn)所需的混合物材料而不致形成金屬互化物，這個技術(shù)由本申請獨一無二地進(jìn)行描述并作為專利要求保護(hù)。下表概括了按本發(fā)明方法制造的各種含鈹鎂合金的性質(zhì)。
表IAZ-91D/Be合金性質(zhì)的比較Be 密度 彈性模量 E/Rho 熱膨脹系數(shù)(重量％) (磅/英寸3)(MSI)(英寸×106) (英寸/英寸/°F×10-60 0.065 6.5 99.6 14.55 0.065 8.3 127.6 14.110 0.065 10.2 155.6 13.715 0.065 12.0 183.6 13.320 0.066 13.9 239.6 12.525 0.066 15.7 211.6 12.930 0.066 17.6 267.6 12.135 0.066 19.4 295.6 11.740 0.066 21.3 323.6 11.345 0.066 23.2 351.6 10.950 0.066 25.0 379.6 10.562 0.066 29.6 446.8 9.570 0.066 32.6 491.6 8.980 0.066 36.4 547.6 8.590 0.067 40.2 603.6 7.21000.067 44.0 659.7 6.4因為起始原料是兩種粉末的混合物，而且在操作過程中兩種粉末沒有明顯的分離傾向，所以可以制造出含1至99％鈹和余量為鎂的合金組合物。市場上一個最迫切的需求就是有較高彈性模量但密度不增加的鎂基合金。
正如表I所示，鈹鎂合金從含鈹量的一端到另一端，其性質(zhì)是連續(xù)的變化。例如，與合金基的鎂相比，含有5％鈹，密度相同，彈性模量卻高28％。因此根據(jù)本申請公開的方法，可以用含最少加入量5％鈹?shù)逆V基合金，就得到至少高于25％的彈性模量。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，是將球狀顆粒的鈹粉與鎂進(jìn)行混合，該種鈹粉最好是由鈹熔體用霧化方法制造，而鎂的形態(tài)或為粉未、或為切屑、或為其它粗分散狀態(tài)。球粒鈹粉已可用惰性氣體霧化法制造，這是一種本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的技術(shù)。在本申請的半固態(tài)制造技術(shù)中，最好使用霧化法鈹粉，因為其球狀顆粒能提高成形過程中的流動性，同時減少對所用設(shè)備表面的磨蝕。
制造鈹粉的其他方法記載在Stonehouse，Distribution of Impu-rity Phases，Beryllium Sciene & Tech.，1979，Vol.1，182—184頁這篇文章中)，該文獻(xiàn)本發(fā)明是參考使用了的。磨碎法鈹粉可與球粒鈹粉混合使用，也可完全代替球粒鈹粉而使用。粉碎法鈹粉的一般制法是用本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員熟知的沖擊粉碎法，例如冷氣流粉碎法。在粉碎技術(shù)領(lǐng)域中已有種種粉碎制造鈹粉的標(biāo)準(zhǔn)方法可用于本發(fā)明。這些方法可見于例如Marder，P/M Lightweight Metals，Metal Handbook，9th Ed.，1984，Vol.7，755—763頁；Stone-house and Marder，Beryllium，ASM International Metals Hand-book，10th Ed.，1990，vol.2，683—687頁；以及Ferrera，RockyFlats Beryllium Powder Production，United Kingdom Atomic.En-ergy Authority Memorandum，1984，Vol.2.，JOWOG 22/M20，這些文獻(xiàn)參考引用于本發(fā)明中。上述出版物的研究中使用的鈹原料都是由Brush，Wellman Inc.，Elmore，ohio提供的。
工業(yè)純的鎂粉或鎂合金粉可購自如Reade Manufacturing Co.of Lakehurst，New Jersoy，該公司供應(yīng)本行業(yè)中稱為AZ-91D的含9％鋁和1％鋅的鎂基合金。包含工業(yè)純鎂的其他已知的鎂產(chǎn)品(如購自Dow chemical Co.，Midland，Michingan的鎂產(chǎn)品)同樣可以用作本方法的原料。
在優(yōu)選的實施方案中，將球狀鈹粉和鎂屑的固體混合物加熱到僅鎂基組分熔化的溫度(一般需超過650℃)，這樣就產(chǎn)生了鈹粉顆粒分散在鎂熔體中懸浮液。因此，不用將溫度升得很高就可得到半固態(tài)的Mg-Be料漿，同時不用在熔體中施加外加剪切力就可得到非樹枝狀的顯微結(jié)構(gòu)。
圖2是表示一種鈹鎂合金不含化合物的結(jié)構(gòu)中所需的非樹枝狀鈹部分的顯微照片，這種合金是按照本發(fā)明在650℃以上將鎂合金粉和等軸顆粒的鈹粉真空熱壓制得的。圖2中所示的結(jié)構(gòu)可用于一些直接的工程用途，如現(xiàn)場固化制造部件，或可進(jìn)行常規(guī)的金屬加工處理，如隨后的軋制，鍛造或擠壓。
圖2所示的結(jié)構(gòu)也可用作生產(chǎn)凈形狀部件的半固態(tài)制造過程的前體原料。圖3是對圖2所示顯微結(jié)構(gòu)的鈹鎂合金進(jìn)行半固態(tài)加工處理后的顯微結(jié)構(gòu)照片。這種所用的方法不采用任何剪切性的處理，如固化前的攪拌。圖2和圖3都表明，這些結(jié)構(gòu)中都沒有不合需要的金屬互化物。具有與圖3相似結(jié)構(gòu)的觸變性混合物，可以用適當(dāng)改進(jìn)的擠壓或型鑄設(shè)備進(jìn)行擠壓式塑鑄成型，所用的一般設(shè)備類似于塑料注塑所用的裝置。
常規(guī)的半固態(tài)制造工藝可分為兩大部分(1)為產(chǎn)生適當(dāng)?shù)某跏硷@微結(jié)構(gòu)所需的原料制備步驟，(2)半固態(tài)成形步驟。不象已知的方法，這里公開的本發(fā)明方法無需常規(guī)的原料制備步驟，因為將兩組分粉末的混合物加熱到僅其中一個組分的固相線溫度以上，就可直接而自動地得到所需的合適結(jié)構(gòu)。
鈹在鎂中或鎂在鈹中，溶解限度很小或者幾乎沒有。因此，可用本發(fā)明獨特的半固態(tài)方法觸變成形處理的材料，其操作溫度仍等于，乃至低于富鎂組分的液相線溫度(650℃)。這樣就可以使用比較簡單和低廉的工程材料制成的設(shè)備，因為這種材料無需經(jīng)受熔化鈹所需的很高溫度。
選擇的操作溫度是由固體在漿料中所需的體積分?jǐn)?shù)而確定的。漿料中固體的凈量是由加入的固態(tài)鈹以及已部分熔融鎂組分所殘留的固體部分(如有的話)的量而確定。
本發(fā)明采用的溫度較低，這也限制了鎂和鈹金屬互化物的形成。如果在鎂中加入諸如鋁之類的元素，可進(jìn)一步降低操作溫度，這樣也就實際上去除了鎂與鈹之間余下的那么一點點潛在的反應(yīng)活性。這些創(chuàng)新的概念使得在一般鎂產(chǎn)品特有的低的加工溫度下也有可能對鎂—鈹合金進(jìn)行凈形狀半固態(tài)加工。
兩種通常已知的半固態(tài)成形方法是(1)，觸變鍛造(半固態(tài)鍛造)，這時是合金工件通過封閉模具中的擠壓或藉一柱塞推入一固定的模腔而成形；(2)觸變鑄造(半固態(tài)模制)，這時是半固態(tài)金屬藉旋轉(zhuǎn)螺旋進(jìn)料器的沖程送入固定模腔中的。這兩種方法，如后面的實施例所示，都可適用于本發(fā)明。
圖1是一張目前的鎂—鈹相圖。
圖2是一張說明用本發(fā)明方法制得的鈹鎂合金的鈹部分中非樹枝狀顯微結(jié)構(gòu)照片。
圖3是一張表示圖2所示結(jié)構(gòu)的鎂—鈹合金進(jìn)行半固態(tài)加工后，其鈹部分的非樹枝狀顯微結(jié)構(gòu)照片。
進(jìn)行了如下實施例1～7所概括的一些試驗，以便生產(chǎn)鈹鎂合金凈形部件，其中鈹?shù)脑鲜怯免敺?。這些鎂—鈹合金是用(1)觸變模制TM法；(2)現(xiàn)場凝固；(3)閉模鍛造法，從半固態(tài)制成的，這些實施例清楚地表明，通過加入固態(tài)鈹，觸變制造鎂基合金在沒有外加剪切力的情況下是切實可行的。
所有的環(huán)境保護(hù)和安全設(shè)備，包括輔助的HEPAVAC通風(fēng)設(shè)備，都在試驗開始前安裝好。在試驗中和最后的清洗操作中，都要定期進(jìn)行空氣中塵粒計數(shù)的檢測，在試驗過程中所有的工作人員都要戴合適的空氣過濾口罩和穿防護(hù)服(其他的安全細(xì)節(jié)可從BrushWellman Inc.，Cleveland，Ohio獲知)。
觸變模制是一個由the Thixomat Corporation，Ann Arbor，Michigan在美國專利4,694,881、4,694,882,和5,040,589的許可下開發(fā)的一種半固態(tài)模制方法，這三個專利都轉(zhuǎn)讓給了Dow Chem-ical Compary，Midland，Michigan。這些專利公開了用于金屬合金射壓造型(injection molding)的方法和設(shè)備，并且都結(jié)合用于本發(fā)明中。正如背景技術(shù)部分指出的那樣，現(xiàn)有技術(shù)，包括該三個專利的揭示，都需要在基本上液化的金屬中施加剪切力，以形成必要的非樹枝狀顯微結(jié)構(gòu)。對觸變模制方法有關(guān)的設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，以適合于實施例1～5中的試驗，但不用那些在液化金屬中引入剪切力以產(chǎn)生非樹枝狀顯微結(jié)構(gòu)的觸變模塑方法部分。實施例1.制備起始原料所用的基本原料是以AZ-91D表示的富鎂組合物，加入的鈹為S-200F粉末。鎂原料是Dow Magnesium of Freeport，Texas提供的屑狀Thixomag AZ—91D。下表列出AZ-91D的組成。
表IIAZ-91D標(biāo)準(zhǔn)組成元素 重量百分?jǐn)?shù)鋁 8.5-9.5鈹 0.0004-0.001鋅 0.5-0.9銅 0.00-0.01鎳 0.00-0.001硅 0.00-0.02錳 0.17-0.32鐵 0.000-0.004所有其他元素 0.01(最大)鎂 余量加入鈹?shù)男问绞怯糜?0％鈹真空熱壓件制成的碎屑。該真空熱壓件是由過200目的AZ-91D粉末(由Reade Manufacturing Co.，Lakehurst，New Jersey提供)和S-200F沖擊粉碎鈹粉(購自BrushWellman Inc.，Elmore，ohio)制成。
粉末在10立方英尺容積的雙錐形混合器中混10分鐘。真空熱壓在566℃(1050°F)進(jìn)行4至6小時以達(dá)到86％的理論密度。除去熱壓件的表皮，以排除來自模的所有碳污染，然后將它加工成碎屑。由62％鈹熱壓件制成的碎屑再用Thixomag AZ—91D碎屑稀釋，以便制造較低含鈹量的合金。這些碎屑都在the Thixomat Corpora-tion，Racine，Wisconsin進(jìn)行了滾軋摻合。實施例2初次試驗首先在不加鈹?shù)那闆r下用AZ-91D為材料進(jìn)行操作，使條件穩(wěn)定。沿圓筒(barrel)和進(jìn)料螺桿(auger)溫度是AZ-91D典型所用的溫度，而排出口(nozzle)的溫度為約577 ℃(1070°F)。當(dāng)操作條件達(dá)到穩(wěn)定時，在進(jìn)料斗中就加入含鈹碎屑。第一次加料是將大約44磅未加稀釋的60％鈹原料加到已有約15磅的Thixomag的進(jìn)料斗的當(dāng)中，一時加得太多，使系統(tǒng)的運行阻塞。盡管將溫度升高至AZ-91D的液相線以上，也未能使螺桿能自由轉(zhuǎn)動。
將設(shè)備折卸以后，發(fā)現(xiàn)進(jìn)料螺桿的凹槽上和止逆閥中都塞滿了幾乎很純的鈹粉。金相分析揭示在機(jī)器停止前制造的部件中鈹?shù)南喈?dāng)大一部分是聚集成團(tuán)的，這是由高壓下顆粒的相互結(jié)合，并且加入了過量鈹粉造成的。掉換螺桿，重新調(diào)整機(jī)器，繼續(xù)試驗。實施例3第二次試驗正如第一次試驗一樣，在系統(tǒng)中加入鈹之前，仍先用AZ-91D進(jìn)料使操作穩(wěn)定化。所有各區(qū)的溫度都保持在AZ-91D的液相線，即597(℃)(1107°F)以上。在只進(jìn)行30次Thixomag的完全沖擠(full-shot)后，關(guān)掉進(jìn)料器，并使設(shè)備運轉(zhuǎn)以清潔系統(tǒng)。筒內(nèi)空了以后，在進(jìn)料斗中加入25.5磅含30％鈹?shù)牧虾?.5磅純Thixomag，總的料中估計含有約16磅Thixomag。這就成了含鈹量很稀即15％(重量)的料。重新開動進(jìn)料斗，經(jīng)10次沖擠(shots)后，制出完整的部件。制造了20多個完整部件后，就關(guān)機(jī)一天以便對輔助設(shè)備進(jìn)行維修。實施例4第三次試驗在進(jìn)料斗中有余下的15％(重量)鈹?shù)脑?，進(jìn)行正常起動。30次完全沖擠后，進(jìn)料斗中加入25磅30％(重量)的原料，這是為了制出估計約22～28％(重量)鈹?shù)漠a(chǎn)品，實際如何取決于進(jìn)料斗混合系統(tǒng)的效率。在第58次沖擠時，在進(jìn)料斗中再加入19.5磅的30％(重量)鈹?shù)脑稀＝?jīng)5次沖擠以后，螺桿壓力開始上升。于是就制出幾個完整的部件，但是發(fā)現(xiàn)了加入碎屑和加入部件有困難。使用了610℃(1130F)的排出口溫度，但正如在第一次試驗一樣，材料也塞住了排出口。停止操作，隨后分析合金，結(jié)果它含的鈹約為12.5％。
制成了12.5％的鈹鎂合金，其意義重大。它表明本方法是可行的，并也指明了進(jìn)一步改進(jìn)的方向。在機(jī)械應(yīng)用中這種合金的性能優(yōu)點可以從表1(它是個總結(jié)表)中的數(shù)據(jù)看出。在12.5％鈹時，彈性模量約為13.5×106psi，比鎂高約70％，而保留了可比的密度和熱膨脹系數(shù)。實施例5薄載面部件用和實施例4中相同的模具，但裝了一個薄的腔體，目的是試驗本發(fā)現(xiàn)的半固態(tài)合金能否填充生產(chǎn)出很薄的部件。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在與實施例4相同的條件下，可以成功地制造薄達(dá)0.019英寸的試件。其金相表明，其組成與實施例4的大型部件大致相同，即在鎂合金基體中是鈹相的均勻分布，這說明薄的精密部件也可以用本方法制備。實施例6從半固狀態(tài)現(xiàn)場凝固圖2表示將鎂合金粉和等軸形顆粒的鈹粉真空熱壓后現(xiàn)場固化產(chǎn)生的鎂—鈹合金的非樹枝狀顯微結(jié)構(gòu)，其中明顯不含有MgBe13金屬互化物。因為在整個過程中第二相(鈹)一直保持固態(tài)，所以無需剪切力的情況下也得到了非樹枝狀結(jié)構(gòu)。
圖2所示結(jié)構(gòu)的合金制法，是用含40％(重量)霧化法鈹粉(200目)和60％(重量)的AZ-91D鎂合金粉未(325目)混合。在真空下加熱至593℃(1100°F)(這樣僅使鎂合金熔化)，同時施加壓力使半固態(tài)的料變得更為緊密，然后冷卻，此時，其中的部份液相也就凝固起來。這種合金用作在下面實施例7所述半固態(tài)加工的前體。實施例7閉模鍛造圖3表明實施例6中制備的鎂—鈹合金甚至在經(jīng)過半固態(tài)鍛造后仍保持其沒有MgBe13金屬互化物的非樹枝狀顯微結(jié)構(gòu)。象實施例6的方法一樣，這里的半固態(tài)鍛造也不需外加剪切力。
從實施例6制成的前體切削制成一些Mg-Be實心坯料。用氬氣作為防氧化保護(hù)氣氛，在爐中將這些坯料加熱至566℃(1050°F)。再將經(jīng)預(yù)熱的坯料用鋏子轉(zhuǎn)移到模具中，然后擠壓注入封閉的模腔中，然后令其固化。圖3表示了這種擠壓注入/鍛造過程后產(chǎn)生的顯微結(jié)構(gòu)。因為在整個過程中鈹仍保護(hù)固態(tài)，鈹相的大小和形狀不因以后附加的加工處理而有所改變。實施例8鎂合金的制造本實施例展示用標(biāo)準(zhǔn)粉未冶金技術(shù)隨后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的后加工處理，由鎂或鎂鋁合金和鈹制造構(gòu)件的方法。首先，將鎂粉與40％(重量)的沖擊粉碎鈹粉混合。然后將混合物放入直徑約為6.5英寸的氯丁二烯橡膠或其它柔韌材料制成的柱狀容器中，然后在40千磅/英寸2的壓力下進(jìn)行等靜壓制，得到孔隙率約為20％的壓件，然后除去柔韌材料的容器，將鎂鈹壓件放入銅質(zhì)圓罐中，供擠壓之用。
將該圓罐通過一合適的氣密附件與真空泵連接，然后從粉未和圓罐中除去空氣和其它氣體，接著封住已抽真空的圓罐。在300-600°F溫度用一模具擠壓到1.5英寸最終擠壓直徑，這樣就把經(jīng)混合和均等靜壓的粉末充分壓實成一密致的棒，它很易切削制成產(chǎn)品。由表III可見，充分密致的棒料的彈性模量為21.2×106psi，密度為0.0646磅/英寸3。
可用的另一種辦法是，在300～600°F溫度通過模具擠壓到1.5英寸最終擠壓直徑的棒后，將它切成2～3英寸長。將這些較短棒料加熱到1120°F，并半固態(tài)鍛造成凈形狀部件。經(jīng)過這種高密度鍛造，彈性模量為21.2×106psi，密度為0.0646磅/英寸。
表IIIMg/Be合金性質(zhì)的比較Be 密度 彈性模量 E/Rho熱膨脹系數(shù)(重量％) (磅/英寸3) (MSI)(英寸×106) (英寸/英寸/°F×10-600.063 6.4 102.0 14.050.063 8.2 129.9 13.610 0.063 10.0 157.8 13.315 0.063 11.8 185.7 12.920 0.063 13.6 213.5 12.625 0.064 15.4 241.4 12.230 0.064 17.2 269.3 11.835 0.064 19.0 297.2 11.440 0.064 20.9 325.1 11.145 0.064 22.8 353.0 10.750 0.065 24.6 380.8 10.362 0.065 29.2 447.7 9.470 0.065 32.2 492.4 8.880 0.066 36.1 548.1 8.090 0.066 40.0 603.9 7.2100 0.067 44.0 659.7 6.4實施例9鎂合金的半固態(tài)制造本實施例概括了是如何對混合粉未進(jìn)行改進(jìn)的半固態(tài)處理，繼從熱等靜壓制得到高密度，再經(jīng)常規(guī)鍛造成型制造部件的。
將鎂粉與40％(重量)鈹粉混合，裝入真空熱壓模具中。然后在1120°F溫度和1000psi壓力下進(jìn)行真空熱壓，其密度達(dá)到理論密度的95％(孔隙率為5％)。
然后將熱壓成的料坯放入熱等靜壓機(jī)中，并在15千磅/時2和850°F溫度下壓至更高密度。然后將所得部件在它是完全固態(tài)的溫度(如850°F)下進(jìn)行鍛造，然而切削加工成最終部件，其性質(zhì)與表III中就實施例8所述的性質(zhì)非常相似。
另一個辦法是，可以對混合粉未進(jìn)行改進(jìn)的半固態(tài)加工，隨后進(jìn)行熱等靜壓達(dá)到高密度，再進(jìn)行半固態(tài)鍛造制造出部件。在1120°F和1000psi壓力進(jìn)行真空熱壓，使密度達(dá)到理論密度的95％(孔隙率為5％)后，將熱壓成的料坯再在1050°F進(jìn)行半固態(tài)鍛造成近似凈形狀的部件，其性質(zhì)與表III中所列的性質(zhì)相似。
對本發(fā)明的處理混合鎂粉(或鎂合金粉)與鈹粉的方法加以修改，即用常規(guī)的制造方法，也不難制造可用的部件。因此，采用如真空熱壓(VHP)、熱等靜壓(HIP)或擠壓之類的標(biāo)準(zhǔn)粉未冶金技術(shù)對混合粉未進(jìn)行壓實，可產(chǎn)生用于制造部件所需組成的有用材料。
半固態(tài)加工對于按本方法制造鎂或鎂合金/鈹?shù)牧慵⒎鞘潜匦璧?。如果常?guī)的半固態(tài)方法加以改進(jìn)采用的話，鎂或鎂合金和鈹?shù)幕旌戏壑荒茉谛纬杀冉饘倩セ锏臏囟雀偷臏囟葪l件下操作。該溫度位于鎂和大多數(shù)鎂合金的熔點之上。
制備了壓實的合金材料之后，按如下步驟對其再進(jìn)行加工處理(i)對由粉未經(jīng)常規(guī)混合和壓實制成的料坯，直接切削加工成最終部件；(ii)對由粉未經(jīng)常規(guī)混合和壓實制成的料坯，常規(guī)(完全固態(tài))鍛造成部件；(iii)對由粉未經(jīng)常規(guī)混合和壓實制成的料坯常規(guī)(完全固態(tài))擠壓成部件；(iv)對由粉未經(jīng)常規(guī)混合和壓實制成的料坯常規(guī)(完全固態(tài))軋制成部件。
用真空熱壓，熱等靜壓或其他粉未壓實方法制成的含鈹鎂合金的預(yù)制品可隨后用如(a)至(d)所述的常規(guī)金屬加工方法或下列(e)至(g)的半固態(tài)加工方法作進(jìn)一步加工(a)對用半固態(tài)加工方法制成的料坯直接加工成最終部件；(b)對用半固態(tài)加工法制成的料坯常規(guī)(完全固態(tài))鍛造成最終部件；(c)對用半固態(tài)加工方法制成的料坯常規(guī)(完全固態(tài))擠壓成部件；(d)對用半固態(tài)加工方法制成的料坯常規(guī)(完全固態(tài))軋制成零件；(e)觸變鍛造(半固態(tài)鍛造，柱塞式方法)；(f)觸變模制，觸變鑄造(半固態(tài)模制，螺旋加料器法)；(g)觸變擠壓(半固態(tài))。
在研究了本說明書以后，可以對本發(fā)明作各種修改和變化。但這些變化和補(bǔ)充應(yīng)包括在如下權(quán)利要求書所確定的本發(fā)明的保護(hù)范圍和發(fā)明構(gòu)思中。
權(quán)利要求
1.一種含鈹鎂合金，其特征在于它包含1～99％(重量)鈹，余量為鎂組份，上述合金不含MgBe13金屬互化物。
2.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于上述的鈹是分散在上述鎂組份中的等軸的固態(tài)鈹。
3.如權(quán)利要求2所述的合金，其特征在于它包含5～80％(重量)鈹。
4.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于它包含5～80％(重量)分散在基本上純的鎂中的等軸的固態(tài)鈹。
5.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于它包含5～80％(重量)分散在富鎂組合物中的等軸固態(tài)鈹。
6.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于上述合金的鈹部分是非樹枝狀顯微結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于上述合金可以用改進(jìn)的半固態(tài)方法作進(jìn)一步加工。
8.如權(quán)利要求7所述的合金，其特征在于上述改進(jìn)的半固態(tài)方法選自閉模鍛造、半固態(tài)鍛造和半固態(tài)模制。
9.如權(quán)利要求2所述的合金，其特征在于上述等軸的鈹選自機(jī)械粉碎鈹粉和霧化法球狀鈹粉。
10.如權(quán)利要求3所述的合金，其特征在于上述合金的彈性模量比鎂至少高25％。
11.一種如權(quán)利要求1所述的合金的制成品，其特征在于此制成品具有(a)6.5至14.4英寸/英寸/°F×10-6之間的熱膨脹系數(shù)；(b)43.9至6.8MSI之間的彈性模量；以及(c)0.067至0.063磅/英寸3之間的密度。
12.一種制備含鈹鎂合金的方法，其特征在于它包括如下步驟(a)提供粉狀的鎂組份和粉狀的鈹組份；(d)混合上述鎂組份和鈹組份；(c)在高于鎂固相線溫度的溫度熔化上述鎂組份。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于上述鈹組份是分散在上述鎂組份中的等軸固態(tài)鈹顆粒。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于上述等軸固態(tài)鈹顆粒選自機(jī)械粉碎鈹粉和霧化法球狀鈹粉。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于上述鎂組份為基本上純的鎂。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于上述鎂組份為富鎂組合物。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于上述熔化其中鎂組分的步驟是一種選自真空熱壓、熱等靜壓和熱擠壓的方法。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于它還包括選自閉模鍛造、半固態(tài)鍛造和半固態(tài)模制的步驟。
19.一種制備含鈹鎂合金的方法，其特征在于它包括如下步驟(a)提供粉狀鎂組份和粉狀鈹組份；(b)混合上述鎂組份和鈹組份；(c)在鎂的固相線溫度之上的溫度熔化上述鎂組份，以產(chǎn)生固態(tài)鈹分散在液態(tài)鎂中的半固態(tài)料漿。(d)現(xiàn)場鑄造步驟(c)中制得的半固態(tài)料漿。
全文摘要
公開一種含1～99％(重量)鈹?shù)膶嵱面V基合金和一種對含鈹鎂合金進(jìn)行半固態(tài)制造的改進(jìn)方法。本發(fā)明使用霧化法鈹粉或粉碎法鈹粉與固體鎂顆?；蛞簯B(tài)鎂混合，結(jié)果無需對熔融合金進(jìn)行攪拌，也不需施加剪切力。
文檔編號C22C1/04GK1119460SQ94191504
公開日1996年3月27日 申請日期1994年11月7日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月21日
發(fā)明者J·M·瑪?shù)聽? W·J·海斯 申請人:勃勒許·威爾曼股份有限公司