用于鍛造應(yīng)用的鎂基合金的制作方法

技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)型鍛造鎂合金。本發(fā)明的申請(qǐng)進(jìn)一步涉及一種制造鎂基合金板材產(chǎn)品的方法。本發(fā)明具有生產(chǎn)用于汽車應(yīng)用和多種電子外殼的板材的特定應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：鎂合金被視為是21世紀(jì)的多種先進(jìn)材料之一。它們不僅重量輕(其中密度約是鋁密度的三分之二)，而且它們具有高比強(qiáng)度、剛度以及抗凹性、良好阻尼特征以及極佳可鑄性的益處。它們對(duì)于電子、空間、以及防御應(yīng)用特別有吸引力。近年來(lái)，鍛造鎂合金板材在電子裝置外殼和電池領(lǐng)域中的使用已經(jīng)歷了顯著的增長(zhǎng)。此外，美國(guó)汽車研究協(xié)會(huì)(UnitedStatesCouncilforAutomotiveResearch)已啟動(dòng)了表明鍛造鎂合金在汽車中的應(yīng)用的多個(gè)研究項(xiàng)目。經(jīng)指明的適于由鍛造鎂合金制造的產(chǎn)品包括：內(nèi)板組件、蓋罩、底盤部件以及保險(xiǎn)杠加固件。典型地，一定量的合金被生產(chǎn)成一種板材，該板材接著可以使用不同的板材產(chǎn)品成形技術(shù)進(jìn)行整形以形成所希望的產(chǎn)品，這些技術(shù)包括：沖裁、彎曲、板材沖壓、以及深拉(cupdrawing)(深度拉伸)。在常規(guī)通過(guò)直接冷卻(DC)板坯澆鑄來(lái)生產(chǎn)鎂合金板材的過(guò)程中，提供呈典型地截面為300mm×1m并且長(zhǎng)度為2m到6m的板坯形式的鎂合金。這些板坯首先 被均質(zhì)化或預(yù)熱(例如對(duì)于AZ31是在480℃下)數(shù)小時(shí)，并且接著在可逆式熱軋機(jī)上連續(xù)熱軋直到減小到約5mm到6mm厚為止。在最終精軋機(jī)中減小約20％的各個(gè)道次之前，在340℃下再加熱該板材金屬。新型改進(jìn)型的生產(chǎn)技術(shù)(像雙輥澆鑄(TRC))能夠直接從厚度小于10mm的熔融金屬來(lái)生產(chǎn)鎂合金板材，從而消除了常規(guī)板材制造方法中所用的反復(fù)軋制、再加熱以及不時(shí)的中間退火中的多項(xiàng)操作的需要。具有密排六方(HCP)晶體結(jié)構(gòu)的鎂具有在室溫下對(duì)于成功軋制而言可操作的非常有限的滑移系數(shù)目。因此，將250℃到450℃之間的溫度用于軋制鎂合金。盡管使用了一個(gè)寬范圍的溫度，但合金板材的制造商需要適于在適當(dāng)?shù)蜏叵萝堉频暮辖稹？蓮V泛用于板材金屬成形的鍛造鎂合金是稱為AZ31B的合金。這種合金的按重量計(jì)算的標(biāo)稱組成是約三個(gè)百分比的鋁、一個(gè)百分比的鋅、受控并且有限量的雜質(zhì)、以及余量的鎂。限制鍛造鎂合金材料(例如AZ31B)的使用的常見問(wèn)題是與現(xiàn)有商業(yè)生產(chǎn)技術(shù)有關(guān)的鎂板材物料的原始成本，以及其與常規(guī)材料(例如鋁)相比在相對(duì)較低的溫度下降低的可成形性和可加工性。因此，有必要開發(fā)在較低溫度下具有良好延展性、可成形性以及可加工性并且更適于商業(yè)用途的新型鍛造鎂合金。已包括在本說(shuō)明書中的對(duì)于多個(gè)文獻(xiàn)、行為、材料、裝置、物品等的任何討論僅出于為本發(fā)明提供一個(gè)背景的目的。它不應(yīng)被視為承認(rèn)任何或所有這些內(nèi)容構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)的一部分或是與本發(fā)明有關(guān)的領(lǐng)域中的常見一般知識(shí)，因?yàn)樗诒旧暾?qǐng)的各項(xiàng)權(quán)利要求的優(yōu)先權(quán)日之前就存在。貫穿本說(shuō)明書，“包含(comprise)”一詞或其變化形式(例如“包含了”或“包含著”)應(yīng)被理解為意指包括所陳述的要素、完整的事物或步驟、或者多個(gè)要素、多個(gè)完整的事物或多個(gè)步驟的群組，但不排除任何其他要素、完整的事物或步驟、或者多個(gè)要素、多個(gè)完整的事物或多個(gè)步驟的群組。概述一些實(shí)施方案涉及一種用于諸多鍛造應(yīng)用的鎂基合金，該鎂基合金由 以下各項(xiàng)組成：0.5重量％到4.0重量％的鋅；0.02重量％到0.70重量％的稀土元素或其混合物；以及除了多種附帶雜質(zhì)之外，其余是鎂。該鎂基合金可能包含：約1.0重量％到約4.0重量％的鋅，任選地約1.0重量％到約3.0重量％的鋅，任選地約1.0重量％到約2.5重量％的鋅。鎂基合金可能包含0.10重量％到0.65重量％的稀土元素或其混合物。稀土組分可能包含鑭系稀土元素或釔。出于本說(shuō)明書的目的，這些鑭系元素包含具有以下原子序數(shù)的元素的組：包括57(鑭)和71(镥)以及從57(鑭)增加到71(镥)。這些元素之所以被稱為鑭系元素，是因?yàn)檫@一系列中的較輕元素在化學(xué)上類似于鑭。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，鑭是第3族元素，并且La3+離子不具有f電子。然而，鑭經(jīng)常被包括在這些鑭系元素化學(xué)性質(zhì)的任何一般討論中。因此，鑭系稀土元素包含：鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿以及镥。出于本發(fā)明的目的，釔將視為被術(shù)語(yǔ)“稀土元素”涵蓋。在一些實(shí)施方案中，稀土組分包含釓。在一些實(shí)施方案中，稀土組分包括釔。包含鑭系稀土元素或釔的實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)在于它們?cè)阪V中的溶解度相對(duì)較高。附帶雜質(zhì)可能包含單獨(dú)或組合形式的呈不同量的Li、Be、Ca、Sr、Ba、Sc、Ti、Hf、Mn、Fe、Cu、Ag、Ni、Cd、Al、Si、Ge、Sn以及Th。鎂基合金可能包含低于0.5重量％的附帶雜質(zhì)。鎂基合金可能包含低于0.2重量％的附帶雜質(zhì)。鎂基合金可能包含低于0.1重量％的附帶雜質(zhì)。根據(jù)所描述的實(shí)施方案的合金組合物對(duì)于軋制可加工性、低溫下的深拉以及室溫下的良好拉伸可成形性來(lái)說(shuō)可以具有增強(qiáng)的能力。這些合金組合物還可以顯示在制備過(guò)程中的裂開傾向有所減少。一些實(shí)施方案涉及一種用于諸多鍛造應(yīng)用的鎂基合金，由以下各項(xiàng)組成：0.5重量％到4.0重量％的鋅、0.02重量％到0.70重量％的稀土元素或其混合物(包括釓)、0.2重量％到1.0重量％的晶粒細(xì)化劑、以及除了多種附帶雜質(zhì)之外，其余是鎂。晶粒細(xì)化劑可能包括但不限于鋯。通過(guò)使用鋯，可獲得改進(jìn)的或相似 的特性。一些實(shí)施方案涉及一種用于諸多鍛造應(yīng)用的鎂基合金，該鎂基合金由以下各項(xiàng)組成：0.5重量％到4.0重量％的鋅、0.02重量％到0.70重量％的釔或釔與稀土元素的混合物；以及除了多種附帶雜質(zhì)之外，其余是鎂。一些實(shí)施方案涉及一種用于諸多鍛造應(yīng)用的鎂基合金，該鎂基合金由以下各項(xiàng)組成：0.5重量％到4.0重量％的鋅、0.02重量％到0.70重量％的釔或釔與稀土元素的混合物、0.2％重量到1.0％重量的晶粒細(xì)化劑以及除了多種附帶雜質(zhì)之外，其余是鎂。晶粒細(xì)化劑可能包括鋯。鎂基合金可能包含1.0重量％到3.0重量％的鋅。任選地，鎂基合金包含1.0重量％到2.5重量％的鋅。鎂基合金包含0.10重量％到0.65重量％的稀土元素或其混合物。稀土元素混合物可能包含釔和鑭系稀土元素或釓?？商娲兀⊥猎鼗蚧旌衔锟赡苤饕舍惤M成。鎂基合金包含低于約0.5重量％、任選地低于約0.2重量％的附帶雜質(zhì)。實(shí)施方案另外涉及一種制造鎂基合金板材產(chǎn)品的方法，該方法包括：a)提供來(lái)自任何所描述實(shí)施方案的鎂基合金的鎂合金熔融物；b)根據(jù)一個(gè)預(yù)定厚度將所述鎂合金熔融物澆鑄成一個(gè)板坯或一個(gè)帶材；c)對(duì)所述澆鑄板坯或帶材進(jìn)行均質(zhì)化或預(yù)熱；d)在一個(gè)適合溫度下對(duì)所述經(jīng)均勻化或預(yù)熱的板坯或帶材進(jìn)行連續(xù)熱軋，以減小所述經(jīng)均質(zhì)化的板坯或帶材的所述厚度，從而生產(chǎn)具有一個(gè)預(yù)定厚度的一種合金板材產(chǎn)品；并且e)在一個(gè)適合溫度下使所述合金板材產(chǎn)品退火一段時(shí)間內(nèi)。鎂合金熔融物可能以重量百分比計(jì)主要包含：0.5重量％到4.0重量％的鋅(任選地約1.0重量％到約4.0重量％的鋅、任選地約1.0重量％到約3.0重量％以及任選地約1.0重量％到約2.5重量％的鋅)、0.02重量％到0.70重量％(任選地約0.1重量％到約0.65重量％)的稀土元素；以及除了多 種附帶雜質(zhì)之外，其余是鎂。稀土組分可能包含鑭系稀土元素或釔或其混合物。在一些實(shí)施方案中，稀土組分包含釓。在一些實(shí)施方案中，稀土組分包含釔。合金可能另外包含晶粒細(xì)化劑，包括但不限于鋯。該方法可能另外包括通過(guò)使必要量的Mg、Zn以及稀土元素熔化來(lái)形成所述鎂合金熔融物。將所述鎂合金熔融物澆鑄成一個(gè)板坯或一個(gè)帶材的步驟可能包括在一個(gè)雙輥澆鑄機(jī)的各軋輥之間進(jìn)給所述鎂合金熔融物。鎂合金熔融物可能在約700℃的一個(gè)溫度下進(jìn)給于該澆鑄機(jī)的各軋輥之間?？商娲?，將所述鎂合金熔融物澆鑄成一個(gè)板坯或一個(gè)帶材的步驟可能包括將所述鎂合金熔融物傾注到一個(gè)DC澆鑄機(jī)(半連續(xù)澆鑄)或一個(gè)單流連鑄機(jī)(strandcaster；連續(xù)澆鑄)中。澆鑄一個(gè)鎂合金板坯或帶材的步驟還可能包括使用DC鑄造坯段，該鑄造坯段隨后在必需的預(yù)熱之后被擠出形成一個(gè)板坯或帶材。對(duì)所述澆鑄板坯進(jìn)行均質(zhì)化或預(yù)熱的步驟可能在300℃到500℃之間的溫度下進(jìn)行。取決于所用的澆鑄技術(shù)，均質(zhì)化或預(yù)熱的溫度會(huì)不同。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于DC澆鑄，在450℃到500℃范圍內(nèi)的溫度將是適合的。對(duì)于TRC，在335℃到345℃范圍內(nèi)的溫度將是優(yōu)選的?？傮w來(lái)講，對(duì)所述澆鑄板坯或帶材進(jìn)行均質(zhì)化或預(yù)熱的步驟進(jìn)行約0.25到24小時(shí)的一段時(shí)間。對(duì)所述經(jīng)均質(zhì)化的板坯或帶材進(jìn)行連續(xù)熱軋的步驟可以通過(guò)粗軋(break-downrolling)來(lái)進(jìn)行。這一步驟對(duì)于具有大于25mm厚度的澆鑄板坯可為適合的，以便在450℃到500℃之間的溫度下使該厚度減小到約5mm到6mm?？梢栽?50℃與450℃之間的較低溫度下進(jìn)行后續(xù)軋制直到更小的所需厚度。TRC帶材例如可以在250℃與450℃之間的溫度下軋制。對(duì)所述經(jīng)均質(zhì)化的板坯或帶材進(jìn)行連續(xù)熱軋的步驟可能包括使經(jīng)均質(zhì)化的板坯或帶材的厚度減小到為特定應(yīng)用所需的厚度。任選地，對(duì)所述經(jīng)均質(zhì)化的板坯或帶材進(jìn)行連續(xù)熱軋的步驟可以在無(wú)粗軋的情況下進(jìn)行。退火的溫度取決于包括合金組成和變形量等在內(nèi)的參數(shù)。對(duì)于各種合金和工藝步驟，該溫度可能不同。優(yōu)選地，退火溫度是自1小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)段所獲得的一條退火曲線的拐點(diǎn)±50℃。使所述合金板材產(chǎn)品退火的時(shí)間段可以是約0.25-24小時(shí)。根據(jù)以下僅通過(guò)舉例方式給出的說(shuō)明并且參見隨附圖式將清楚這些實(shí)施方案的另外的方面。附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明為了可以更容易地理解這些實(shí)施方案，現(xiàn)在參考附圖，在這些圖中：圖1是描繪了制造根據(jù)本發(fā)明的鎂合金板材產(chǎn)品的方法的流程圖。圖2是指明了通過(guò)TRC澆鑄的Mg-2Zn-0.3Y的硬化-退火溫度曲線的拐點(diǎn)的圖。圖3是指明了通過(guò)TRC澆鑄的Mg-2Zn-0.3Gd的硬化-退火溫度曲線的拐點(diǎn)的圖。圖4是指明了通過(guò)砂型澆鑄來(lái)澆鑄的Mg-2Zn-0.3Gd的硬化-退火溫度曲線的拐點(diǎn)的圖。圖5是指明了通過(guò)TRC澆鑄的Mg-Zn-Gd合金的不同測(cè)試樣品的組成的圖。詳細(xì)說(shuō)明Mg-Zn基合金體系被視為用于鍛造合金開發(fā)的適合候選者，因?yàn)檫@種合金的強(qiáng)度和延展性均可以通過(guò)使鋅含量增加直到特定量而增強(qiáng)。Mg-Zn體系的延展性會(huì)隨著鋅的增加而增加，直到達(dá)到最高3重量％為止，并且在鋅含量進(jìn)一步增加的情況下開始降低。然而，合金的強(qiáng)度會(huì)增加到達(dá)到最高6重量％為止。根據(jù)參考文獻(xiàn)5的Mg-Zn二元相圖，固溶體中鋅的量在340℃下是6.2重量％并且在室溫下是接近1.8重量％。包含高于1.5重量％的鋅的合 金會(huì)開始沿晶界形成第二相，其程度會(huì)隨鋅含量的增加而增加。通過(guò)TRC工藝獲得的小粒徑以及在鋅含量低于3重量％的情況下形成的少量第二相使板材易于被軋制。通過(guò)向DC鑄造坯段中加入鋯，可以獲得小粒徑。盡管包含高于3重量％的鋅的合金可以通過(guò)雙輥澆鑄或DC澆鑄途徑來(lái)進(jìn)行澆鑄，但沿晶界形成的第二相的量將要高得多。這種合金將需要更長(zhǎng)的均質(zhì)化時(shí)間來(lái)使晶界相進(jìn)入溶體。另外，更高的鋅含量會(huì)降低合金的延展性。為了使這種合金被成功熱軋，每道次降低百分比與針對(duì)包含低于3重量％的鋅的合金獲得的30％-35％相比，將必須在10％-15％的范圍內(nèi)。與具有低于3重量％的鋅的合金相比，對(duì)于包含高于3重量％的鋅的合金來(lái)講，這將增加獲得最終厚度所需的軋制道次數(shù)，因此使該體系在經(jīng)濟(jì)上不太有吸引力。所描述實(shí)施方案的鎂合金是通過(guò)使必要量的Mg、Zn以及一種稀土元素熔化而形成的。形成根據(jù)本發(fā)明的合金的兩個(gè)實(shí)施方案，包括將鎂、Zn以及釔或釓的母合金(例如但不限于Mg與27重量％Y和Mg與40重量％Gd的母合金)分別以適量加入80kg熔爐(具有約10％到15％過(guò)量的稀土元素以顧及損失)中以構(gòu)成50kg合金。在各種情況下，Mg組分的純度是約99.95％，而鋅組分的純度是約99.9％。所形成的合金適于鎂坯、板材或板坯生產(chǎn)以及適于擠壓成所希望的形狀。圖1示出了描繪制造鎂合金板材的方法的流程圖。在步驟105，根據(jù)在此描述的組成來(lái)提供一種鎂合金熔融物。在步驟110，各個(gè)合金是使用TRC或通過(guò)砂型澆鑄進(jìn)行澆鑄的，用冷卻板在鑄件兩面上提供更快的冷卻速率。砂型澆鑄(盡管未廣泛地用于商業(yè)應(yīng)用)能夠模擬往往從連續(xù)和半連續(xù)澆鑄(如直接冷卻(DC)澆鑄)獲得的效應(yīng)?？商娲兀魏纹渌麧茶T工藝(如DC澆鑄)均可以用于這一步驟。DC澆鑄可以如參考文獻(xiàn)1到3中任一者中描述的來(lái)進(jìn)行，這些參考文獻(xiàn)的內(nèi)容通過(guò)引用以其全文結(jié)合在此。帶材或板坯還可以由DC鑄造坯段制成，該鑄造坯段隨后被擠出成板坯或帶材，例如描述于參考文獻(xiàn)4中，其內(nèi)容通過(guò)引用以其全文結(jié)合在此。在一個(gè)實(shí)施方案中，使用TRC澆鑄合金，以生產(chǎn)一個(gè)寬約150mm并且具有兩種不同厚度3.00mm和4.35mm的帶材。應(yīng)注意到，取決于商業(yè)TRC機(jī)器的尺寸，可以使用TRC澆鑄更寬的合金。鎂合金的TRC方法實(shí)質(zhì)上描述于PCT/AU2003/001097中，該專利轉(zhuǎn)讓給了聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究機(jī)構(gòu)(CommonwealthScientificandIndustrialResearchOrganisation)，并且通過(guò)引用以其全文結(jié)合在此。在一個(gè)替代性實(shí)施方案中，使用砂型澆鑄來(lái)澆鑄合金，以提供約195mm長(zhǎng)、115mm寬以及29mm厚的板坯。在步驟115，在選定的溫度下對(duì)澆鑄帶材或板坯進(jìn)行均質(zhì)化或預(yù)熱，并且持續(xù)選定的時(shí)間段。均質(zhì)化或預(yù)熱被用于減少與澆鑄工藝有關(guān)的樹枝狀晶間偏析和組成差異。一項(xiàng)適合的商業(yè)慣例是選擇低于非平衡固相線的溫度(通常5℃到10℃)?？紤]到鎂和鋅是合金中的主要組分，優(yōu)選在335℃到345℃(±5℃)范圍內(nèi)的溫度。對(duì)于本發(fā)明的實(shí)例，從參考文獻(xiàn)5中所描繪的Mg-Zn二元相圖中選擇約345℃(±5℃)的溫度。對(duì)于DC澆鑄，總體上通常使用在450℃到500℃之間的溫度。均質(zhì)化步驟所需的時(shí)間由澆鑄帶材或板坯的尺寸所決定。對(duì)于TRC帶材，2到4小時(shí)的時(shí)間即足夠，而對(duì)于砂型澆鑄的板坯或直接冷卻澆鑄的板坯，將需要多達(dá)24小時(shí)。在步驟120，在適合溫度下對(duì)經(jīng)均質(zhì)化的帶材或板坯進(jìn)行熱軋。通常以80℃到120℃的溫度對(duì)軋輥?zhàn)陨磉M(jìn)行加熱，然而也可以使用冷軋輥。取決于澆鑄材料，使用不同的軋制步驟。對(duì)于通過(guò)砂型澆鑄、DC澆鑄或任何其他類型的澆鑄而生產(chǎn)的厚度大于25mm的合金板坯，使用粗軋步驟?？梢允褂妹枋鲇趨⒖嘉墨I(xiàn)1或6中任一者中的技術(shù)。參考文獻(xiàn)6的內(nèi)容通過(guò)引用以其全文結(jié)合在此。這一步驟的目的是減小厚度以及精制和移出澆鑄結(jié)構(gòu)。這一步驟的溫度是取決于在軋制工廠處可獲得的熔爐，但通常使用在450℃到500℃之間的溫度。一旦達(dá)到5mm或更小的厚度，即在250℃到450℃之間的溫度下進(jìn)行軋制。對(duì)于通過(guò)TRC生產(chǎn)的合金帶材，在250℃到450℃之間的溫度下進(jìn)行軋制，并且無(wú)需粗軋步驟。在各個(gè)道次后，可以將帶材或板坯再加熱約10到15分鐘，以使溫度在下一個(gè)道次之前升上去。少數(shù)每道次降低百分比為10％的冷道次也可以被用作最終軋制或定徑操作。在步驟125， 繼續(xù)這一過(guò)程直到獲得最終厚度(在設(shè)置公差之內(nèi))為止。在步驟130，接著在適合的溫度和時(shí)間下使經(jīng)熱軋的板材退火。退火是一種熱處理工藝，該工藝被設(shè)計(jì)為用于恢復(fù)已通過(guò)軋制而嚴(yán)重應(yīng)變硬化的合金的延展性。退火熱處理有三個(gè)階段——回復(fù)、再結(jié)晶以及晶粒生長(zhǎng)。在回收過(guò)程中，合金的多個(gè)物理特性(如導(dǎo)電性)被回復(fù)，而在再結(jié)晶過(guò)程中，經(jīng)冷加工的結(jié)構(gòu)被一組新的無(wú)應(yīng)變的晶粒所代替。再結(jié)晶可以通過(guò)金相分析法識(shí)別，并且通過(guò)硬度或強(qiáng)度降低以及延展性增強(qiáng)來(lái)證實(shí)。如果對(duì)新的無(wú)應(yīng)變的晶粒在高于再結(jié)晶所需溫度的溫度下進(jìn)行加熱，從而引起強(qiáng)度明顯降低，那么將會(huì)發(fā)生晶粒生長(zhǎng)現(xiàn)象，并且應(yīng)當(dāng)加以避免。再結(jié)晶溫度取決于除其他之外的合金組成、初始粒徑以及先前變形量；因此，它不是固定的溫度。出于實(shí)踐的目的，它可以被定義為一種高度應(yīng)變硬化的(冷加工的)合金在1小時(shí)內(nèi)完全再結(jié)晶時(shí)的溫度。通過(guò)在使合金暴露于不同的溫度下1小時(shí)后測(cè)量其硬度并且建立一個(gè)退火曲線以鑒別再結(jié)晶結(jié)束和晶粒生長(zhǎng)開始的近似溫度，而鑒別各種合金和條件的最佳退火溫度。這一溫度也可以被指明為硬化-退火溫度曲線的拐點(diǎn)，如參考文獻(xiàn)7中所述，其內(nèi)容通過(guò)引用以其全文結(jié)合在此。盡管這一技術(shù)用于非鐵合金，但這一技術(shù)之前尚未應(yīng)用于熱軋的鎂合金。為了確定最適合的退火溫度，將這一技術(shù)用于本發(fā)明的研究。因此，使用如后續(xù)實(shí)例中展示的一條退火曲線并且參見圖2到4，選擇各種鎂合金的近似退火溫度。這一技術(shù)允許容易并且相當(dāng)精確地獲得最佳溫度。此后，對(duì)已經(jīng)退火的帶材在一種適合介質(zhì)中進(jìn)行淬火。進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試所述合金實(shí)施方案的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)，并且確定已經(jīng)制造形成板材產(chǎn)品的合金的低溫可成形性。測(cè)試根據(jù)這些實(shí)施方案的合金的兩個(gè)實(shí)例。在第一實(shí)施方案中，稀土組分是釔。該合金包含2.0重量％的鋅、0.3重量％的釔(標(biāo)稱組成)并且其余是鎂。這一合金被稱為Mg-2Zn-0.3Y。在第二實(shí)施方案中，稀土組分是釓。這一合金包含2.0重量％的鋅、0.3重量％的釓(標(biāo)稱組成)并且其余是鎂。這一合金被稱為Mg-2Zn-0.3Gd。另外測(cè)試常規(guī)AZ31B。此外，針對(duì)現(xiàn)有合金進(jìn)行參考比較：Mg-1.5Zn-0.2Y和Mg-1.5Zn-0.8Y，如參考文 獻(xiàn)8中所述；以及Mg-1.2Zn-0.79Gd和Mg-2.26Zn-0.74Gd，如參考文獻(xiàn)9中所述。1.合金的改進(jìn)的可軋制性合金的改進(jìn)的可軋制性是通過(guò)將它們與常規(guī)合金AZ31B比較來(lái)證明的。首先，呈現(xiàn)來(lái)自TRC帶材的結(jié)果，隨后呈現(xiàn)來(lái)自砂型鑄件的結(jié)果。所有軋制操作均在一個(gè)二輥式軋機(jī)中通過(guò)未經(jīng)加熱的軋輥(在室溫下的軋輥)進(jìn)行。1.1.TRC帶材1.1.1.常規(guī)合金-AZ31B表1中詳述了板材尺寸、預(yù)軋制處理以及工藝參數(shù)。表2中給出了針對(duì)各個(gè)道次的軋輥設(shè)置以及各個(gè)道次后的板材厚度等。如該表中明顯可見，需要6個(gè)道次將3mm厚的AZ31B帶材減小到0.73mm的最終厚度。實(shí)踐中使用了表1中所示的退火溫度。針對(duì)TRC帶材，這一退火步驟可以在200℃下進(jìn)行。板材尺寸300mm寬×3mm厚×1000mm長(zhǎng)均質(zhì)化溫度和時(shí)間350℃，16小時(shí)軋制溫度和輥速420℃(來(lái)自熔爐的帶材)，7.07米/分鐘最終厚度和軋輥道次數(shù)0.73mm，6個(gè)道次退火溫度和時(shí)間350℃，1小時(shí)表1：AZ31B帶材和工藝詳情道次號(hào)輥隙設(shè)置，mm板材厚度，mm減小百分比03.071-0.5002.23272+0.5001.52313+0.9001.15244+0.8000.97165+0.8000.80176+0.8000.738表2：TRCAZ31B在420℃下的熱軋1.1.2.Mg-2Zn-0.3Y將這一合金在兩個(gè)不同的溫度(420℃和350℃)下進(jìn)行軋制，以證明該合金不僅具有在與AZ31B相比時(shí)改進(jìn)的可靠性，而且也可以在較低 溫度下進(jìn)行軋制。兩個(gè)軋制溫度下的板材尺寸、預(yù)軋制處理以及工藝參數(shù)分別于表3和5中進(jìn)行了詳述。如從針對(duì)各個(gè)道次的軋輥設(shè)置、各個(gè)道次后的板材厚度等詳述的表4和6中明顯可見，僅需要三個(gè)道次就可將3mm厚的帶材分別減小到0.74mm或0.77mm的最終厚度。表3和5中的退火溫度是選自圖2中所示的退火曲線。圖2描繪了先前提及的一個(gè)退火熱處理的三個(gè)階段，它們是回復(fù)、再結(jié)晶以及晶粒生長(zhǎng)。1.1.2.1.在420℃下熱軋板材尺寸150mm寬×3mm厚×1000mm長(zhǎng)均質(zhì)化溫度和時(shí)間345℃，2小時(shí)軋制溫度和輥速420℃(來(lái)自熔爐的帶材)，7.07米/分鐘最終厚度和軋輥道次數(shù)0.74mm，3個(gè)道次退火溫度和時(shí)間230℃，1小時(shí)表3：Mg-2Zn-0.3Y帶材和工藝詳情道次號(hào)輥隙設(shè)置，mm板材厚度，mm減小百分比02.971-0.5001.78392+0.5001.0938.73+0.9000.7432表4：TRCMg-2Zn-0.3Y在420℃下的熱軋1.1.2.2.在350℃下的熱軋板材尺寸150mm寬×3.11mm厚×1000mm長(zhǎng)均質(zhì)化溫度和時(shí)間345℃，2小時(shí)軋制溫度和輥速350℃(來(lái)自熔爐的帶材)，7.07米/分鐘最終厚度和軋輥道次數(shù)0.77mm，3個(gè)道次退火溫度和時(shí)間230℃，1小時(shí)表5：Mg-2Zn-0.3Y帶材和工藝詳情道次號(hào)輥隙設(shè)置，mm板材厚度，mm減小百分比03.111-0.5001.88392+0.5001.14393+0.9000.7732表6：TRCMg-2Zn-0.3Y在350℃下的熱軋1.1.3.Mg-2Zn-0.3Gd表7中詳述了關(guān)于這一合金的板材尺寸、預(yù)軋制處理、以及工藝參數(shù)。 在這一實(shí)例中，板材厚度比以上呈現(xiàn)的AZ31B和Mg-2Zn-0.3Y的厚度大出約1.2mm(或約40％)。如從表8中明顯可見，在350℃的軋制溫度下僅用6個(gè)道次就將這一合金帶材從4.25mm的初始厚度軋制到0.84mm的最終厚度。這證實(shí)了Mg-2Zn-0.3Gd合金相較于AZ31B的優(yōu)越可靠性。表7中的退火溫度是選自圖3中所示的退火曲線。板材尺寸200mm寬×4.25mm厚均質(zhì)化溫度和時(shí)間350℃，2小時(shí)軋制溫度和輥速350℃(來(lái)自熔爐的帶材)，7.07米/分鐘最終厚度和軋輥道次數(shù)0.84mm，6個(gè)道次退火溫度和時(shí)間200℃，1小時(shí)表7：Mg-2Zn-0.3Gd帶材和工藝細(xì)節(jié)道次號(hào)輥隙設(shè)置，mm板材厚度，mm減小百分比04.251-2.1003.2523.52-1.3002.5521.53-0.7001.9722.84-0.1501.5421.85+0.4001.1426.06+0.9000.8430.0表8：TRCMg-2Zn-0.3Gd在350℃下的熱軋1.2砂型鑄件常規(guī)合金AZ31B和Mg-2Zn-0.3Gd的砂型鑄件的可軋制性呈現(xiàn)于這一部分中。板坯起初被縱向軋制，并且一旦板坯達(dá)到300mm，就旋轉(zhuǎn)90°并且進(jìn)行軋制直到最終道次為止。這一旋轉(zhuǎn)在展示軋制規(guī)程的表中被指明為橫軋。如之前所述，較高均質(zhì)化溫度和時(shí)間以及粗軋為砂型鑄件所需的。1.2.1.常規(guī)AZ31B板坯尺寸和工藝變量在表9中給出，而軋制規(guī)程在表10中給出。需要總共11個(gè)道次來(lái)將板坯的厚度從26mm的初始厚度減小到0.9mm的最終厚度。表9：AZ31B板坯和工藝細(xì)節(jié)軋制細(xì)節(jié)道次號(hào)輥隙設(shè)置，mm板材厚度，mm減小百分比粗軋0261-23.022.8122-14.014.436.83-8.08.640.3橫軋4-4.86.030.25-3.64.721.76-2.83.819.27-2.33.215.9熱軋8-0.5002.2629.49+0.5001.5830.110+0.9001.1030.411+0.8000.9216.4表10：砂型澆鑄的AZ31B的熱軋1.2.2.Mg-2Zn-0.3Gd板坯尺寸和工藝變量在表11中給出，而軋制規(guī)程在表12中給出。用了總共9個(gè)道次來(lái)將板坯的厚度從26mm的初始厚度減小到0.9mm的最終厚度。道次數(shù)目的減少證明了Mg-2Zn-0.3Gd合金改進(jìn)的可軋制性。退火溫度是選自圖4中所示的針對(duì)砂型澆鑄的合金而建立的退火曲線。表11：Mg-2Zn-0.3Gd板坯和工藝細(xì)節(jié)表12：砂型澆鑄的Mg-2Zn-0.3Gd的熱軋2.合金的拉伸特性使用一個(gè)用螺桿驅(qū)動(dòng)的Instron拉伸測(cè)試機(jī)，測(cè)量經(jīng)軋制和退火的板材(成品)在室溫下的拉伸特性。從用于測(cè)試的板材沖壓出來(lái)自縱向(也稱為軋制方向或0°方向)和橫向(與軋制方向成90°或90°方向)兩個(gè)方向的拉伸試樣。這些試樣寬6mm，并且標(biāo)距長(zhǎng)度是25mm。這些合金的結(jié)果是針對(duì)各種情況測(cè)試的六個(gè)樣品的平均值。在鎂合金中，HCP晶體結(jié)構(gòu)的基面在軋制過(guò)程中趨向于近似平行于表面而定向。具有這一優(yōu)選方向的一個(gè)板材在90°方向上將具有比在0°方向上更高的拉伸特性。2.1.常規(guī)合金-AZ31BTRC和砂型澆鑄的AZ31B的拉伸特性展示于表13中。正如所料，對(duì)于鎂合金來(lái)講，來(lái)自0°方向的試樣的拉伸特性(尤其是試驗(yàn)應(yīng)力和極限拉伸應(yīng)力)弱于來(lái)自90°方向的試樣的拉伸特性。該表還展示了在200℃的最佳溫度下退火1小時(shí)后，TRCAZ31B的拉伸特性(用星號(hào)突顯)。這些拉伸特性當(dāng)然強(qiáng)于在350℃下退火后獲得的拉伸特性。表13：AZ31B的拉伸特性；TRC-雙輥澆鑄；SC-砂型澆鑄；PS-試驗(yàn)應(yīng)力；UTS-極限拉伸應(yīng)力；E％-伸長(zhǎng)百分率2.2.Mg-2Zn-0.3YTRCMg-2Zn-0.3Y的拉伸特性與公開于文獻(xiàn)中的兩種類似合金的特性一起呈現(xiàn)于表14中。正如所料，對(duì)于TRC板材來(lái)講，來(lái)自0°方向的試樣的試驗(yàn)應(yīng)力和極限拉伸應(yīng)力低于來(lái)自90°方向的試樣的試驗(yàn)應(yīng)力和極限拉伸應(yīng)力，而所公開文獻(xiàn)中的兩個(gè)合金的情況并非如此。與來(lái)自90°方向的試樣相比，對(duì)于來(lái)自0°方向的試樣來(lái)講，這些合金的試驗(yàn)應(yīng)力較高。如表15中所示，觀測(cè)到TRC板材的類似結(jié)果。然而，通過(guò)謹(jǐn)慎地選擇工藝條件，尤其是均質(zhì)化溫度和軋制溫度，有可能在兩個(gè)方向上均獲得更高試驗(yàn)應(yīng)力。作為一個(gè)板材供應(yīng)商，這是極其重要的，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)最終用戶規(guī)定了一個(gè)最小試驗(yàn)應(yīng)力時(shí)，會(huì)期望板材在所有方向中均滿足最小值。表14：Mg-2Zn-0.3Y的拉伸特性；TRC-雙輥澆鑄；PM-永久成型澆鑄；E-擠壓；PS-試驗(yàn)應(yīng)力；UTS-極限拉伸應(yīng)力；E％-伸長(zhǎng)百分率表15：Mg-2Zn-0.3Y的拉伸特性；TRC-雙輥澆鑄；PS-試驗(yàn)應(yīng)力；UTS-極限拉伸應(yīng)力；E％-伸長(zhǎng)百分率；H-均質(zhì)化；HR-熱軋；A-退火；h-小時(shí)2.3.Mg-2Zn-0.3Gd從TRC和砂型澆鑄的板材獲取的試樣的拉伸特性與公開于文獻(xiàn)中的兩種類似合金的特性一起展示于表16中。來(lái)自90°方向的試樣的試驗(yàn)應(yīng)力和極限拉伸應(yīng)力高于來(lái)自0°方向的試樣的試驗(yàn)應(yīng)力和極限拉伸應(yīng)力。公開于文獻(xiàn)中的合金的情況并非如此。如關(guān)于Mg-2Zn-0.3Y合金的部分中所述，通過(guò)謹(jǐn)慎地選擇均質(zhì)化和軋制溫度，有可能在兩個(gè)方向上均獲得較高數(shù)值。表16：Mg-2Zn-0.3Gd的拉伸特性；TRC-雙輥澆鑄；SC-砂型澆鑄；PM-永久鑄模；PS-試驗(yàn)應(yīng)力；UTS-極限拉伸應(yīng)力；E％-伸長(zhǎng)百分率2.4.具有不同組成的Mg-Zn-Gd合金的比較性拉伸特性從TRC獲取的試樣在三個(gè)方向上的拉伸特性與其各自的伸長(zhǎng)百分率一起展示于表17中。除Mg-1Zn-0.65Gd合金以外，來(lái)自90°方向的試樣的試驗(yàn)應(yīng)力和極限抗拉強(qiáng)度高于來(lái)自0°方向的試樣的試驗(yàn)應(yīng)力和極限抗拉強(qiáng)度。表17：具有不同組成的Mg-Zn-Gd合金的拉伸特性；TRC-雙輥澆鑄；PS-試驗(yàn)應(yīng)力；UTS-極限拉伸應(yīng)力；E％-伸長(zhǎng)百分率；H-均質(zhì)化；HR-熱軋；A-退火；h-小時(shí)3.合金的可成形性進(jìn)行了一系列測(cè)試，以確定TRCMg-2Zn-0.3Y和TRCMg-2Zn-0.3Gd的可成形性程度，以TRCAZ31B作為參考材料?？沙尚涡曰蚩杉庸ば员欢x為在一種給定工藝中在無(wú)破裂的情況下，一個(gè)試樣可以給出的變形量。以下提及的測(cè)試包括有關(guān)深拉的史威福沖杯測(cè)試(swiftcuptest)以及埃里克森測(cè)試(Erichsentest)，以測(cè)量對(duì)應(yīng)板材金屬的拉伸成形性。3.1.有關(guān)深拉的史威福沖杯測(cè)試使用Mg-2Zn-0.3Y、Mg-2Zn-0.3Gd以及AZ31B的經(jīng)熱軋和退火的板材進(jìn)行的深拉測(cè)試是使用一個(gè)40mm的平底沖頭來(lái)進(jìn)行的。從板材切下兩種尺寸的圓盤片(直徑100mm和82mm)，獲得2.5和2.05的極限拉伸比(limitingdrawratio，LDR)。測(cè)試是使用100mm圓盤片以225℃的模具溫度開始的。如果拉伸成功，那么下一個(gè)樣品在低于上一次拉伸25℃下進(jìn)行拉伸，并且重復(fù)這一過(guò)程。然而，如果拉伸不成功，那么使溫度升高10℃并且再次嘗試直到 確立可以成功拉伸圓盤片時(shí)的最低溫度為止。接著使用82mm圓盤片，并且重復(fù)上述過(guò)程，直到確定可以成功拉伸82mm圓盤片時(shí)的最低溫度為止。來(lái)自深拉測(cè)試的結(jié)果展示于表18中。合金LDR2.5LDR2.05AZ31B225℃175℃Mg-2Zn-0.3Y160℃160℃Mg-2Zn-0.3Gd160℃135℃表18.在2.5和2.05的LDR下三種合金的深拉測(cè)試如從測(cè)試結(jié)果所示，與AZ31B所需溫度相比，根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施方案的合金可以在更低溫度下進(jìn)行深拉。對(duì)于2.05的極限拉伸比(LDR)來(lái)講，含釔合金可以被成功深拉時(shí)的最低溫度是160℃，而含釓合金是135℃。這兩者的溫度均低于AZ31B所需的溫度，對(duì)于相同LDR來(lái)講，AZ31B僅可以在175℃下被深拉。3.2.埃里克森測(cè)試在室溫下使用一個(gè)半球形沖頭(20mm直徑)，對(duì)Mg-2Zn-0.3Y、Mg-2Zn-0.3Gd以及AZ31B的經(jīng)熱軋退火的板材進(jìn)行埃里克森測(cè)試。將各個(gè)板材夾住，并且將沖頭對(duì)著板材推壓直到板材裂開為止。板材上所得拱頂?shù)母叨仁前＠锟松?Erichsenvalue)，這一值是板材拉伸可成形性的一種量度。埃里克森值越高，板材對(duì)拉伸可成形性的響應(yīng)越好。關(guān)于TRCAZ31B、Mg-2Zn-0.3Y以及Mg-2Zn-0.3Gd在室溫下所獲得的埃里克森值分別是3.6、8.5以及6.3。這些結(jié)果證實(shí)了根據(jù)數(shù)個(gè)實(shí)施方案的合金也展現(xiàn)了在室溫下的良好拉伸可成形性。與從AZ31B樣品返回的相比，本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施方案各自的埃里克森值展現(xiàn)明顯更高的值。4.耐蝕性-鹽浸漬測(cè)試使用TRCAZ31B作為參考材料來(lái)測(cè)試這些合金的耐蝕性。將各個(gè)來(lái)自TRCAZ31B、Mg-2Zn-0.3Y以及Mg-2Zn-0.3Gd的經(jīng)熱軋退火的板材的三個(gè)樣品浸漬于包含3.5重量％NaCl的非充氣溶液中持續(xù)7天。在浸漬過(guò)程前后對(duì)各個(gè)樣品進(jìn)行稱重。從重量損失測(cè)量值，計(jì)算腐蝕速率，并且以 重量比表示，以消除在樣品尺寸方面的差異。關(guān)于TRCAZ31B、Mg-2Zn-0.3Y以及Mg-2Zn-0.3Gd所獲得的重量比分別是0.007、0.038以及0.0083。包含釓作為合金元素的合金展現(xiàn)了可與AZ31B相匹敵的耐蝕性(0.0083，以重量比表示，與0.007相比)。包含釔作為合金元素的合金是高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。5.成本優(yōu)勢(shì)有利的是，所描述實(shí)施方案的合金成本可與AZ31B鑄坯的成本相匹敵(基于2009年5月的合金元素成本)。此外，根據(jù)這些實(shí)施方案表征的合金能夠在明顯更低的溫度下深拉，同時(shí)展現(xiàn)出在室溫下良好的拉伸可成形性程度。此外，根據(jù)這些實(shí)施方案的合金總體上展現(xiàn)出良好的延展性和軋制可加工性，與商業(yè)已知的鍛造鎂合金AZ31B相比，這等同于少50％的軋制道次數(shù)。此外，由合金板材形成的產(chǎn)品展現(xiàn)出與由AZ31B形成的產(chǎn)品類似的腐蝕特性。類似于AZ31B，至少根據(jù)上述實(shí)施方案的合金很好地適于電子和汽車工業(yè)內(nèi)的室溫應(yīng)用。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到在不偏離正如寬泛描述的本發(fā)明的范圍的情況下，可以對(duì)所述實(shí)施方案和實(shí)例作出許多變化和/或修改。因此，所述實(shí)施方案在各個(gè)方面均被視為說(shuō)明性而非限制性的。參考文獻(xiàn)1.E.F.Emley，PrinciplesofMagnesiumTechnology，(Oxford，London：PergamonPressLtd.，1966)，452-583.2.F.Pravdic，C.WogererandG.Traxler，″TheVerticalDirectChillCastingTechnologyforMagnesiumAlloys-IncludingSafetyConceptsandProductQuality″，METECCongress′03，Dusseldorf，Germany，2003.3.F.Pravdic，et.al.，″VerticalDirectChill(VDC)CastingofMagnesium 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