专利名称：高延展性/强度镁合金的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及在室温下具有改进的延展性和强度的经处理的镁合金组合物。更特别地，将用锌和铈合金化的镁经过高温变形以改进该合金在室温下的可成形性和耐久 性。
背景技术：
镁是最轻的结构金属。在工程应用中，其与一种或多种元素(例如铝、锰、稀土金 属、锂、锌和银)形成合金。镁通常构成这些合金的85衬％或更多。近年来镁的成本大大降低，镁及其合金成为用于广泛应用的有吸引力的结构材 料，这部分是由于其适合的物理性质，例如重量轻、比强度和刚度高、可机械加工性、以及容 易循环利用的能力。然而，由于镁铸件较差的可加工性以及在初步制造阶段中镁较低的可 成形性和延展性，镁在锻件(例如片材和挤出物)中的应用受到了限制。在室温下，由于 其六角密堆晶体结构以及由此导致的有限数量的活性滑移系，纯镁通常特征为有限的延展 性。这种固有的限制通常阻碍了镁在由片材和挤出物制成的锻件中的广泛应用，因为将该 具有较差加工性的金属加工成可用的成品形状是困难且昂贵的。已经显示Mg-0. 2wt% Ce合金挤出物的延展性高于镁以及其他已知的镁合金。然 而，Mg-0. 2wt% Ce合金的屈服和抗拉强度仍较低。将铝添加到该Mg-0. 2wt% Ce合金中提 高了其强度，但显著降低了其延展性。因此，总的需要提供在初步制造阶段中具有改进的延展性和强度以制造成锻造镁 金属制品的镁合金。
发明内容
我们发现铈、锌和镁的合金可以铸造并然后沿着该铸件的选定方向或轴进行热加 工以形成在室温下具有良好的延展性和强度组合的初级材料(primary material)或成品 材料(finished material) 0具有正常附带杂质的商品级镁可以是该基础成分。将不超过 约的适当量的铈添加到镁的熔体中。添加不超过约6衬％的选定量的锌。镁在该合 金中的含量可以为约85wt% 约98wt%。可以将该熔融组合物铸造成其中所述主要组分溶解在该镁中或通常均勻分散在 整个镁基质相中的形状。在本发明的很多实施方案中，该铸件形状可以是具有直纵轴的实 心圆柱体或管状体。然后将该铸造件加热到适合的热加工温度并以例如一定的挤出速率挤 出，以使该圆柱体或管状体的横截面大大减小。在对该铸造组合物进行适合的热加工之后， 我们发现该材料在室温下具有良好的延展性和强度的组合。这种延展性和强度的组合与商 品镁、上述提及的母申请中的镁-铈合金、以及普通的商品镁合金(例如AZ31)相比是有利的。在本发明的某实施方案中，将包含2wt%锌和0. 2wt%铈和剩余为镁的熔体 (“ZE20”)铸造成圆柱状坯段用于直通挤出(in-lineextrusion)。该镁是具有少量来自锭 料制备的残余元素的商品级镁。将该坯段预加热到425°C 2小时，沿直轴推动通过圆形模 具，挤出比为约42 1，以制备具有25mm外径和1.75mm厚度的管形体。在该管形体的热 成形中，该坯段的横截面积减小到约42分之一。同样制备由镁、4wt%锌和0. 2wt%铈构成 (“ZE40”)和由镁、6wt%锌和0.2wt%铈构成(“ZE60”)的挤出管形体。为了比较所得到 的性质，以同样的方式铸造和挤出由3wt%铝、锌和剩余为镁构成的合金(“AZ31”) 的坯段以及由镁(商品级)和0. 2wt%铈构成的合金(“Mg-0. 2wt% Ce”)的坯段。我们发现添加不超过约6wt%量的锌和不超过约量的铈提高了镁合金在合适的热变形加工之后的室温延展性和可加工性。在特别实施方案中，该热变形是通过以下 实现的在约300°C 约475°C的坯段温度下用在约10 1 约60 1范围内的挤出比以 适合的挤出速度挤出。在该热变形过程中，可以用石墨基润滑剂或氮化硼对该坯段进行合 适地润滑，尽管这可能并不需要。应当认识到该详细描述和特别实施例尽管提供了本发明的示例性实施方案，但其 仅用于示例的目的，并不意于限制本发明的范围。
现在通过非限定性的举例方式并参照附图描述本发明。以下是对附图的简要描 述。图1是以下合金的挤出样品的抗拉性质——屈服强度(MPa)、极限抗拉强度(MPa) 和断裂拉伸率(％ )的柱状图4231、镁-0.2衬％铈、镁-2衬％锌-0.5衬％铈(ZE20)、 镁-4界1%锌-0.(ZE40)和镁-6界1%锌-0.(ZE60)。图2是镁_2衬％锌-0. 5衬％铈合金在不同挤出速率(ft/min)下的强度——屈服 强度(MPa)、极限抗拉强度(MPa)和断裂拉伸率(％ )的图表。
具体实施例方式以下实施方案的描述性质上仅是示例性的，绝不意于限制要求保护的本发明、其 应用或其用途。主要包含镁以及少量添加的锌和铈的镁合金可以通过热变形工艺形成在室温下 具有改进的强度和延展性的锻件。此处的室温表示典型的室内环境温度，例如约15 约 30°C。该锻件可以为最终产品的形状。然而，该锻件的室温延展性使其可用于进一步变形 加工成为所需的不同形状。成形的镁制品中较高的强度和延展性可以有利于影响在汽车应 用中的性能。该热变形的镁主体的未曾预期的延展性可归因于其锌和铈含量以及热变形加 工，该热变形加工有助于改变滑移分布以及有利于基本位错活性的再结晶织构。锌和铈是用于添加到镁中以改进该镁-锌-铈组合的延展性和强度的优选元素。 将举例描述使用锌和铈作为镁中用于显著提高特定示例性镁-锌-铈合金的室温延展性和 强度的添加剂的本发明实施方案。在以下实施方案中，使用商品级的“纯”镁。该镁锭典型地包含0.3wt%锰、0. 01wt%硅、0. 01wt%铜、0. 002wt%镍、0. 002wt%铁和0. 02wt%其他，都以最大量计。这些
“杂质”可能存在于本发明的组合物中。在一种实施方案中，包含少量的不超过约6wt%锌和不超过约铈的镁合金 可以经过热变形工艺以制造具有与镁和常规镁合金相比提高的室温延展性和强度的锻造 金属制品。锌在镁中的溶解度在340°C约为6. 2%。铈在镁中的溶解度在500°C约为0. 1%。 任何过量的锌和铈最终在合金中与镁和氧化物颗粒形成金属间化合物。适于改进镁-锌-铈合金中的延展性的热变形技术可以是常规的直通热挤出工 艺。在一种实施方案中，可以将包含不超过约6wt%锌和不超过约铈的镁合金铸造成 坯段。该初始铸造坯段的横截面适合地为圆形，其直径例如为约50毫米 典型地约300毫 米，但是也挤出更大的坯段。将该铸造坯段预加热到在约300°C 475°C范围的变形温度。 可以采取预先措施来确保在挤出过程中用任意已知金属润滑剂(例如石墨或氮化硼)对该 镁-锌-铈合金坯段充分润滑。可以将该镁合金坯段以在IOmm挤出物/秒 IOOOmm挤出 物/秒范围的速度直接挤出通过具有在10 1 60 1范围的挤出比的常规圆形或圆锥 形挤出模具。根据该挤出物制品的预期应用和/或最终产品的特别构造，可以将镁_锌-铈 合金热挤出成本领域普通技术人员已知的多种尺寸和形状中的任意一种，例如但不局限于 实心或空心的棒状物、工字梁或其他可达到的挤出形状。然后可以通过在室温下对该形状 进行进一步加工(例如通过弯曲或液压成形)利用这些形状的提高的延展性。在一种实施方案中，将三种不同的包含锌和铈的镁合金铸造成坯段。ZE20合金包 含2wt%锌和0. 2wt%铈。ZE40镁合金包含4wt%锌和0. 2wt%铈。ZE60镁合金包含6wt% 锌和0. 2wt%铈。该初始铸造坯段各自具有75毫米的直径和230毫米的长度。将该铸造坯 段预加热到425°C。使用500吨冲压机在400°C以范围为3 25ft/min的不同挤出速度挤 出25毫米直径和1. 75毫米壁厚的管状体用于机械测试。挤出比约为42。测试结果示于图 1和2中并描述于下。为了分析该挤出管状体的室温机械性质，测试该挤出管状体的样品，以评价屈服 强度、极限抗拉强度和断裂拉伸百分率。首先，用Instron Universal Testing Machine 以1 X ΙΟ、—1的平均应变率测试具有25mm计算长度(gauge length)和6. 25mm计算直径 (gauge diameter)的抗拉样品。三个样品取自沿该挤出管状体的稳态部分的不同位置，报 道其平均值。图1显示了三种Mg-Zn-Ce合金与商品挤出合金AZ31和Mg_0. 2wt% Ce合金相比 的抗拉性质。如图1中所示，在室温下，对AZ31样品进行的抗拉测试显示了 166. 4MPa的屈 服强度、266. 7MPa的极限抗拉强度和16. 9%的拉伸率值。对Mg-0. 2wt% Ce样品进行的相 应测试显示了 68. 6MPa的屈服强度、170MPa的极限抗拉强度和31%的拉伸率值。对ZE20 样品进行的相应测试显示了 134. 5MPa的屈服强度、225. IMPa的极限抗拉强度和27. 4%的 拉伸率值。对ZE40样品进行的相应测试显示了 134. 7MPa的屈服强度、246. 6MPa的极限抗 拉强度和15. 4%的拉伸率值。对ZE60样品进行的相应测试显示了 136. 3MPa的屈服强度、 288. 5MPa的极限抗拉强度和15. 5%的拉伸率值。如图1中所示，ZE20合金具有比Mg-0. 2wt% Ce合金显著更高的强度。例如，与 Mg-0. 2wt% Ce合金的69MPa相比，ZE20合金具有135MPa的屈服强度。与Mg-0. 2wt% Ce 合金的170MPa相比，ZE20合金 具有225MPa的极限抗拉强度。与二元Mg-0. 2wt% Ce合金(31% )相比，ZE20合金具有略微降低的断裂拉伸率(27.4% )。ZE20合金表现出比AZ31 合金显著更高的延展性，与商品AZ31合金的16. 9%相比，其具有27. 4%拉伸率，拉伸率提 高62%。ZE20合金与AZ31合金相比抗拉强度得到约16%的较小降低。而且，如图1中所 示，将Zn含量从2%提高到6%，提高了该Mg-Zn-Ce合金的极限抗拉强度，但拉伸率显著降 低。图2显示了 ZE20(Mg_2wt% Zn-0. 2wt% Ce合金)在不同挤出速度下的抗拉性质。 最佳性质位于15 20ft/min的挤出速度，更特别地为18 20ft/min。尽管合金的强度 (屈服强度和极限抗拉强度)不会随挤出速度而显著改变，但在18 20ft/min的高挤出 速度下拉伸率得到了改进。挤出速度的进一步提高导致较差的挤出表面质量并降低了延 展性。值得一提的是，对于ZE20合金而言20ft/min的最大挤出速度比对于AZ31合金而言 15ft/min的最大挤出速度高约25%，这表明所述新ZE20合金具有更高的生产率。
为了分析挤出管状体的微观结构特征，通过以下方法制备剖面与挤出轴平行和垂 直的抛光样品首先从该挤出管状体的前端切掉0. 50m以确保测试材料代表通过稳态挤出 形成的该管状体的一部分。然后，制备所需类型的金相样品，并用标准方法抛光。然后将该 样品在包含20mL冰醋酸、50mL苦味酸、IOmL甲醇和IOmL去离子水的溶液中蚀刻。由两种挤出棒状物制备平行和垂直于挤出轴切割的抛光样品，并用连接Leco 图 像分析仪的Nikon 光学显微镜进行检测，以在纵向和横向上检查微观结构。并使用Cameca SX100 Electron ProbeMicroanalyzer对样品进行电子探针显微分析(EPMA)，以确定微观 结构中的金相。该光学显微照片显示沿各方向的颗粒形态无各向异性，并显示完全再结晶 的、接近等轴的晶粒结构，AZ91样品的平均晶粒尺寸约为30 μ m，ZE20、ZE40和ZE60样品为 45 μ m0该镁固溶体中的锌是该镁-锌-铈合金中主要的强化元素。与ZE20合金相比ZE40 和ZE60的镁固溶体中较高的锌浓度在该合金中提供了较高的抗拉强度。一些铈作为在镁 中的固溶体存在，一些铈作为细的独立相存在。铈被视作以两种形式有助于该合金的延展 性和强度。由于锌基本所有都在镁基质的固溶体中的事实，添加少量铈导致的高延展性(如 上面给出的母申请中所观察和解释的那样)仅略微降低，在该分析倍数下在Mg-Zn-Ce合金 中没有检测到独立的Zn-Ce相。本发明的实施并不局限于用于解释其实施的特定示例性实施方案。
权利要求
对镁-锌-铈合金处理以改进其室温下延展性和强度的方法，该方法包括提供包含不超过约6wt％锌、1wt％铈和至少约85wt％镁的镁-锌-铈合金坯段，用用于热变形的预设直线轴对该坯段成形；和在至少300℃的温度沿该预设轴使该镁-锌-铈合金坯段变形以形成工件。
2.根据权利要求1的方法，进一步包括在环境温度下使该变形的镁合金工件进行进一 步变形步骤。
3.根据权利要求1的方法，其中该镁-锌-铈合金坯段包含约2wt%锌。
4.根据权利要求1的方法，其中该镁-锌-铈合金坯段包含约4wt%锌。
5.根据权利要求3的方法，其中该镁-锌-铈合金坯段包含约0.2wt %铈。
6.根据权利要求4的方法，其中该镁-锌-铈合金坯段包含约0.2wt %铈。
7.根据权利要求1的方法，其中该镁-锌-铈合金坯段基本上由约2wt%锌、0.2wt% 铈和其余为镁构成。
8.根据权利要求1的方法，其中该镁-锌-铈合金坯段基本由约4wt%锌、0. 2wt %铈 和其余为镁构成。
9.根据权利要求1的方法，其中使该镁-锌-铈合金坯段变形包括将该镁-锌-铈合金坯段加热到在约300°C 约500°C范围内的变形温度；将该坯段以在约IOmm挤出物/秒 IOOOmm挤出物/秒范围内的速度挤出通过挤出模 具，以形成挤出工件，其中挤出比在10 1 60 1范围；以及然后，在环境温度下将该挤出工件进行进一步变形。
10.镁基合金的挤出制品，包含不超过约6wt%量的锌、不超过约量的铈和至少 85wt%的镁。
11.根据权利要求10的挤出制品，其中该镁基合金包含约2wt%锌。
12.根据权利要求10的挤出制品，其中该镁基合金包含约4wt%锌。
13.根据权利要求11的挤出制品，其中该镁基合金包含约0.2wt%铈。
14.根据权利要求12的挤出制品，其中该镁基合金包含约0.2wt%铈。
15.根据权利要求10的挤出制品，其中该镁基合金基本上由约2wt%锌、0.2wt%铈和 其余为镁构成。
16.根据权利要求10的挤出制品，其中该镁基合金基本上由约4wt%锌、0.2wt%铈和 其余为镁构成。
全文摘要
本发明涉及高延展性/强度镁合金。具体而言，可以将包含不超过约6wt％锌和不超过约1wt％铈的镁合金热加工以制备具有提高的室温延展性和强度的半成品或最终合金工件。添加锌和少量铈可以通过提高强度和延展性并改进加工硬化行为而影响该镁合金。
文档编号C22C23/06GK101812650SQ20091017403
公开日2010年8月25日 申请日期2009年10月20日 优先权日2008年10月20日
发明者A·A·罗, A·K·萨克德夫, R·K·米什拉 申请人:通用汽车环球科技运作公司