專利名稱：含鋁、硅、錳和稀土金屬的耐蝕鎂基合金的制作方法
這樣的合金被用于如汽車部件、傳動(dòng)部件和發(fā)動(dòng)機(jī)部件的模鑄。因此，合金必須在升高的溫度下也具有良好的機(jī)械性能。目前可在市場(chǎng)上買到的用于此的合金包括AS21、AS41和AE42。AS21合金具有以下成分(海德羅鎂產(chǎn)品)1.9wt％-2.5wt％的Al，最少0.2wt％的Mn，0.15wt％-0.25wt％的Zn，0.7wt％-1.2wt％的Si，最多0.008wt％的Cu，最多0.001wt％的Ni，最多0.004wt％的Fe，最多0.01wt％的其它元素。合金AS41B(ASTM B93-94a)含有3.7wt％-4.8wt％的Al、0.35wt％-0.6wt％的Mn、最多0.10wt％的Zn、最多0.60wt％-1.4wt％的Si、最多0.015wt％的Cu、最多0.001wt％的Ni、最多0.0035wt％的Fe、最多0.01wt％的其它元素。合金AE42(海德羅鎂產(chǎn)品)含有3.6wt％-4.4wt％的Al、最少0.1wt％的Mn、最多0.20wt％的Zn、最多0.04wt％的Cu、最多0.001wt％的Ni、最多0.004wt％的Fe、2.0wt％-3.0wt％的RE和最多0.01wt％的其它元素。RE指稀土元素。這些合金含有一些鐵，由于鐵對(duì)鎂鋁合金的耐蝕性能有害，所以錳被用于控制和減少合金中的鐵含量。
盡管如此，例如AS21的耐蝕性能如在用于汽車時(shí)也是不夠高的。尤其是在冬季，當(dāng)除雪劑被灑到道路上時(shí)，汽車部件經(jīng)受著嚴(yán)酷的環(huán)境條件。合金AE42在這樣的環(huán)境下也具有良好的耐蝕性能，但是它比AS21昂貴得多。此外，尤其是由于會(huì)粘附焊著在鑄模上，其鑄造性能不如其它兩種合金。
例如，在挪威專利號(hào)N0121753、美國(guó)專利號(hào)US3718460和法國(guó)專利號(hào)FR1555251中也描述了這一類型的合金。
本發(fā)明的目的是不降低鎂鋁硅合金的基本性能地改善耐蝕性能。另一個(gè)目的是避免增加合金成本。
通過(guò)下述的合金而實(shí)現(xiàn)了這些和其它的目的。通過(guò)附屬來(lái)進(jìn)一步描述并歸納出本發(fā)明的特點(diǎn)。
本發(fā)明涉及一種耐蝕性能得到提高的鎂基合金，它含有1.5wt％-5wt％的Al、0.6wt％-1.4wt％的Si、0.01wt％-0.6wt％的Mn、0.01wt％-0.4wt％的RE。雜質(zhì)的含量應(yīng)該保持得較低，其中所述合金含有最多0.008wt％的Cu、最多0.001wt％的Ni、最多0.004wt％的Fe和最多0.01wt％的其它元素。尤其是，0.05wt％-0.2wt％的錳含量是最好的。此外，最好添加最多為0.5wt％的Zn且尤其是添加0.1wt％-0.3wt％的Zn。Zn對(duì)耐蝕性能有著積極的影響。優(yōu)選的合金含有1.9wt％-2.5wt％的Al、0.7wt％-1.2wt％的Si、0.15wt％-0.25wt％的Zn、0.01wt％-0.2wt％的Mn、0.01wt％-0.3wt％的RE。本發(fā)明還涉及一種改善鎂鋁硅合金的耐蝕性能，由于添加少量RE地使錳鐵含量保持較低水平，所以在這種合金中加入錳以便減少鐵雜質(zhì)。最好把錳含量保持在0.01wt％以上并且把RE保持在0.01wt％-0.4wt％范圍內(nèi)。
進(jìn)一步參見(jiàn)附

圖1-9來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，其中圖1表示在所調(diào)查的樣品中發(fā)現(xiàn)的Mn與RE含量的組合，這些成分跨越了650℃-720℃的溫區(qū)，Mn與RE的相互限制的溶解性把調(diào)查限制在圖的左下部；圖2表示在試驗(yàn)程序中接受分析的試樣中的鐵含量；圖3與調(diào)查試樣的RE、Mn含量對(duì)比地示出了重力鑄造圓盤(pán)試樣的浸泡試驗(yàn)的腐蝕速率(MCD＝mg/cm2天)；圖4與所調(diào)查試樣的錳鐵含量對(duì)照地示出了腐蝕速率，試驗(yàn)結(jié)果來(lái)自重力鑄造圓盤(pán)試樣的72小時(shí)浸泡試驗(yàn)；圖5與含最少為0.045wt％的Mn的重力鑄造圓盤(pán)試樣的RE含量和鑄造溫度對(duì)照地示出了腐蝕速率；圖6與所調(diào)查的模鑄板的Mn和RE含量對(duì)照地示出了腐蝕速率，在這次調(diào)查中，Mn和RE含量在0.05wt％-0.35wt％范圍內(nèi)變化；圖7與Mn和Fe含量對(duì)照地示出了模鑄板的腐蝕速率，所述試樣在根據(jù)ASTM B117的鹽霧中進(jìn)行40小時(shí)試驗(yàn)，在這里也發(fā)現(xiàn)了在重力鑄造圓盤(pán)試樣的浸泡試驗(yàn)中觀察到的趨勢(shì)；圖8與兩個(gè)系列合金的鋁含量對(duì)照地示出了各腐蝕試驗(yàn)結(jié)果；圖9在排除了超眾結(jié)果的情況下與兩個(gè)系列合金的Al含量對(duì)照地示出了腐蝕試驗(yàn)結(jié)果的平均值。
這些試驗(yàn)結(jié)果顯示出了，可以通過(guò)添加少量稀土元素明顯改善含鋁、硅的鎂合金的耐蝕性能?？梢詫c、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tu、Yb、Lu中的至少一種元素用作稀土元素。但是，分離出單獨(dú)的稀土元素是昂貴的，因此，可以優(yōu)選比較便宜的混合稀土合金。
在鎂鋁硅基合金中，Mn、RE、Fe的溶解性相互約束。此外，降低的溫度抑制了其互溶性。
已經(jīng)進(jìn)行了幾種試驗(yàn)并且在以下例子中進(jìn)行了說(shuō)明。
例1利用不同的Mn和RE組合方式制備出AS21型鎂合金。表1和圖1示出了接受調(diào)查的Mn與RE的不同組合形式。按照混合稀土合金形式添加稀土元素，即Ce、LaPr和Nd的混合物(約55wt％的Ce，25wt％的La，15wt％的Nd，5wt％的Pr)。其它稀土元素混合物有望產(chǎn)生相同效果。
在合金規(guī)格中保持其它元素Al、Si、Zn不變并分別保持在約2.2wt％、1.0wt％、0.2wt％。通過(guò)在740℃下(對(duì)于某些成分，在約760℃下)給合金添加Mn和RE控制量并隨后在鑄造試樣前讓合金在特定溫度下穩(wěn)定以便進(jìn)行化學(xué)分析和腐蝕試驗(yàn)而制備出合金。試樣的鐵含量是所建立的平衡條件的結(jié)果。
此外，也試驗(yàn)未改良的AS21，結(jié)果列于表1中。
通過(guò)在將其浸泡在25℃的5％氯化鈉溶液中達(dá)72小時(shí)來(lái)測(cè)定重量鑄造圓盤(pán)試樣的耐蝕性能。試驗(yàn)溶液和試樣表面之間的關(guān)系在所有試驗(yàn)中都是10ml/cm2。重力鑄造圓盤(pán)試樣的鑄造溫度和腐蝕速率列于表1中。通過(guò)重量損失測(cè)量來(lái)確定腐蝕速率并按照MCD(mg/cm2天)來(lái)測(cè)定。
表1 此次調(diào)查所包括的永久模鑄像章的鑄造溫度、成分和腐蝕速率
圖2示出了對(duì)應(yīng)的鐵含量。圖2包括來(lái)自不同溫度的數(shù)據(jù)。它顯示出了其RE含量超過(guò)0.05wt％的所有試樣具有少于40ppm的Fe，而不含RE的試樣可能含有更多的Fe。
表1、2也列出了腐蝕速率。在圖3中，對(duì)照Mn、RE地示出了腐蝕速率。對(duì)于Mn含量為0.05wt％-0.2wt％且RE含量大于0.05wt％的化合物來(lái)說(shuō)，腐蝕速率最低。對(duì)比圖2、3將發(fā)現(xiàn)，鐵含量與腐蝕速率之間沒(méi)有直接關(guān)系，Mn和RE含量也具有明顯的影響。
可以從圖4中看到，其中對(duì)照Mn和Fe地繪出了腐蝕速率，當(dāng)錳和鐵元素最少時(shí)，腐蝕速率達(dá)到最低。但在不添加其它合金元素如RE元素的情況下，這是不可能做到的。此外，當(dāng)錳含量小于0.05wt％時(shí)，腐蝕速率提高。因此，存在少量錳對(duì)獲得最佳效果來(lái)說(shuō)是必須的。
不能寄希望于獲得高溫添加RE的效果。圖5對(duì)照其錳含量最低為0.045wt％的重力鑄造圓盤(pán)試樣的RE含量和鑄造溫度地示出了腐蝕速率。由于錳和鐵的溶解性隨溫度升高而增強(qiáng)，所以升高的溫度對(duì)未改良的AS21的耐蝕性能有強(qiáng)烈的負(fù)面影響。在添加RE元素的情況下，在高溫下，錳鐵的平衡量也明顯降低，由此一來(lái)，腐蝕速率顯著降低。
例2為用作模鑄合金地制備出合金AS21。因此，一組如表2所示的選定成分被模鑄成試樣板并且在根據(jù)ASTM的標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)B117-90的鹽霧中進(jìn)行試驗(yàn)。腐蝕結(jié)果列于表2中并且如圖6、7所示。在根據(jù)模鑄板和重力鑄造圓盤(pán)試樣而確定的腐蝕速率之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)最佳成分范圍是含0.05wt％-0.2wt％的RE和0.05wt％-0.2wt％的Mn的成分。
表2 此次調(diào)查所包括的模鑄試樣板的鑄造溫度、成分和腐蝕速率，在鹽霧處理240小時(shí)后測(cè)定腐蝕速率
除了試樣板模鑄外，鑄造重量為20公斤的大型發(fā)動(dòng)機(jī)部件也是由這種合金鑄成的。與未改良的AS21相比，鑄造能力沒(méi)有受到明顯影響。
通過(guò)鋁、硅、鋅的含量來(lái)控制這些合金的機(jī)械性能并且添加RE元素而進(jìn)行的改良沒(méi)有明顯影響到其機(jī)械性能。
例3在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室中分別生產(chǎn)出兩種含150公斤鎂合金的熔融物。將熔融物分別制成含1.5wt％的鋁、1.0wt％的硅及0.2wt％的鋅。其中一種熔融物含0.4％的添加錳，另一種熔融物含0.3RE+0.1錳。在740℃下生產(chǎn)出這些合金，隨后，在680℃下進(jìn)行穩(wěn)定至少1小時(shí)，隨后進(jìn)行永久模鑄圓盤(pán)和3毫米模鑄試樣板的鑄造。在每種熔融物中每次1％地進(jìn)一步加入超純鋁，以便覆蓋權(quán)利要求1所述的鋁范圍。這種合金化是在680℃下進(jìn)行的并且合金在進(jìn)一步鑄造前被穩(wěn)定1小時(shí)。在表3中列出了每種成分的化學(xué)分析。通過(guò)發(fā)火花光譜儀來(lái)進(jìn)行分析并利用ICP-AES測(cè)定稀土元素。
表3 所調(diào)查試樣的化學(xué)成分
根據(jù)ASTM B117，由每種成分制成的四個(gè)模鑄試樣板在鹽霧中進(jìn)行10天試驗(yàn)。結(jié)果列于表4和圖8中。對(duì)于其中一些成分來(lái)說(shuō)，存在明顯不同于該系列其余結(jié)果簡(jiǎn)單結(jié)果。在這里，超眾結(jié)果被定義為簡(jiǎn)單結(jié)果，它們大于在其它結(jié)果平均值外的標(biāo)準(zhǔn)偏差的四倍。在表4中也標(biāo)出了這些結(jié)果。
表4 按照MCD(mg重量損失/cm2天)的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果，用粗斜體字表示超眾結(jié)果
這兩個(gè)系列的成分很近似，除了Mn和RE含量外。即便使用了超級(jí)純鋁，但鐵含量隨著添加鋁而增大。對(duì)這兩個(gè)系列來(lái)說(shuō)，除了在鋁最高含量的情況下外，鐵吸收情況極為相似，在這里，與未改良中的56ppm相比，RE改良型合金獲得了123ppm的鐵。對(duì)于不含RE的系列來(lái)說(shuō)，腐蝕速率隨著鋁添加量增大而降低，盡管加入了鐵。對(duì)于利用RE改良的系列合金來(lái)說(shuō)，腐蝕速率明顯較低，看不到鋁鐵有變化的明顯趨勢(shì)。結(jié)果清楚地表明了，在整個(gè)鋁成分范圍內(nèi)，RE改良合金的腐蝕速率明顯比未改良合金的慢。對(duì)于幾種成分來(lái)說(shuō)，存在著腐蝕速率明顯高于該系列其它試樣的超眾者。我們沒(méi)有調(diào)查研究這些完全獨(dú)立結(jié)果的背景。這些超眾者對(duì)我們的研究結(jié)論沒(méi)有影響。因此，在1.5wt％-5wt％的鋁含量范圍內(nèi)，用RE元素代替一些錳地改良AS合金對(duì)耐蝕性能有著明顯的積極影響。
通過(guò)添加RE而明顯改善了鎂鋁硅基合金的耐蝕性能，這是因?yàn)?)降低了錳的溶解性；2)降低了鐵的溶解性；3)由于存在RE而改良了耐蝕性能，存在少量錳(高于0.01wt％)對(duì)獲得最佳的改良效果而言是必須的。
RE元素對(duì)耐蝕性能的積極作用也適用于AS合金中的其它的硅和鋅的含量。
權(quán)利要求
1.一種耐蝕性能得到改善的鎂基合金，它含有1.5wt％-5wt％的Al、0.6wt％-1.4wt％的Si、0.01wt％-0.6wt％的Mn、0.01wt％-0.4wt％的RE。
2.如權(quán)利要求1所述的鎂合金，其特征在于，合金含有最高為0.5wt％的Zn。
3.如權(quán)利要求2所述的鎂合金，其特征在于，Zn含量為0.1wt％-0.3wt％。
4.如權(quán)利要求1所述的鎂合金，其特征在于，Mn含量為0.01wt％-0.3wt％。
5.如權(quán)利要求1所述的鎂合金，其特征在于，稀土元素是混合稀土合金。
6.如權(quán)利要求1-2所述的鎂合金，其特征在于，它含有1.9wt％-2.5wt％的Al、0.7wt％-1.2wt％的Si、0.15wt％-0.25wt％的Zn、0.01wt％-0.3wt％的RE和0.01wt％-0.2wt％的Mn。
7.一種通過(guò)添加少量RE而使Mn、Fe的含量保持低水平地改善其中添加了錳以減少鐵雜質(zhì)的鎂鋁硅合金的耐蝕性能的方法。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，Mn含量保持在0.01wt％以上。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，RE含量保持在0.01wt％-0.4wt％的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種耐蝕性能得到改善的鎂基合金,它含有1.5wt%－5wt%的Al、0.6wt%－1.4wt%的Si、0.01wt%－0.6wt%的Mn、0.01wt%－0.4wt%的RE。本發(fā)明還涉及一種通過(guò)添加少量RE而使Mn、Fe的含量保持低水平地改善其中添加了錳以減少鐵雜質(zhì)的鎂鋁硅合金的耐蝕性能的方法。
文檔編號(hào)C22C23/02GK1354805SQ99816783
公開(kāi)日2002年6月19日 申請(qǐng)日期1999年10月25日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月2日
發(fā)明者K·彼得森, M·維德姆, J·I·斯卡 申請(qǐng)人:挪威海德羅公開(kāi)有限公司