[发明专利]使铸件具有更好的高温蠕变特性、延展性和腐蚀特性的铸造方法和合金成分

说明书

技术领域

本发明涉及镁合金的铸造方法，所述镁合金包括质量百分比为2.0-6.00％的铝、质量百分比为3.00-8.00％的稀土金属(RE)，所述稀土金属和铝的质量百分比之比大于0.8，所述稀土金属包含质量百分比至少为40％的铈，所述镁合金还包括质量百分比小于0.5％的锰、质量百分比小于1.00％的锌、质量百分比小于0.01％的钙、质量百分比小于0.01％的锶，其余为镁和不可避免的杂质，总的杂质水平的质量百分比低于0.1％。

背景技术

镁合金铸件被广泛应用于航空和汽车工业。镁合金铸件可通过现有的各种方法来制造，这些方法包括压力铸造、砂型浇铸、持久型和半持久型铸造、石膏模铸造和熔模铸造。

镁合金具有多种有利性质已经得到证实，因此在汽车工业中需要大量的镁合金铸件。这些性质包括低密度、高强度重量比、良好的可铸性、易机械加工性和良好的阻尼特性。

已知多数常见的镁压铸合金，如Mg-Al-合金或Mg-Al-Zn-合金(镁-铝-锌合金)，在温度高于120℃时，均易于失去蠕变抗性。已开发出的Mg-Al-Si-合金可用于更高的温度，但是其蠕变抗性的改进较为有限。Mg-Al-Ca和Mg-Al-Sr合金体系可提供更好的蠕变抗性，但是其可铸性存在问题。该问题在金属液高速冲击模具表面的情况下尤为突出(即所谓的水锤效应)。

已知合金AE48(4％AP，2-3％RE)可在高温特性和腐蚀性能上提供显著改进。

包括有类似Sr和Ca成分的Mg-Al合金可提供进一步改进的蠕变性能，然而是以可铸性的降低为代价的。Mg-Al-Ca和Mg-Al-Sr合金可提供进一步 改进的蠕变性能，然而这些合金都存在可铸性的问题。该问题在金属液高速冲击模具表面的情况下尤为突出(即所谓的水锤效应)。

在图1A和1B中，分别示出了冷室和热室压铸机，各个压铸机分别具有模具10、20，所述模具10、20分别具有液压阻尼系统11、21。通过采用分别具有活塞13、23的压射缸(shot cylinder)12、22，将熔融金属引入模具中。在冷室系统中，需要有将金属定量引入卧式压射缸的辅助系统。热室压铸机(图1B)直接在熔融金属中使用立式活塞系统(12、23)。

为了获得具有优异性能的Mg-Al-Re合金，必须保证合金是在极速冷却条件下铸造的。这便是压力铸造方法。钢模10、20配备有油(或水)冷却系统，用于将模具温度控制在200-300℃的范围内。获得高质量的条件是短的模具填充时间，以避免金属在填充的过程中凝固。较优的模具填充时间是10-2秒(s)×平均零件厚度(mm)这样一个量级。通过迫使得合金以高速(一般为30-300m/s)流过浇口可获得这样的填充时间。可使用具有足够大的直径并具有高达10m/s的速度的活塞在压射缸中获得期望的流量以用于获得需要的较短填充时间。通常使用20-70MPa静态金属压力，并随后将压力加强到高达150MPa。采用该铸造方法，可使得铸件的冷却速度范围在10-1000℃/S内，该冷却速度取决于铸件的厚度。对于AE合金，整个部件的高冷却速率，特别是表面层的极高冷却速率，是决定合金性能的关键。在图2中，示出了凝固范围和微观结构之间的关系。横坐标表示以℃/S为单位的凝固速度，左手边的纵坐标表示以μm为单位的二次枝晶臂间距(secondary dendrite arm spacing)，而右手边的纵坐标表示以μm为单位的粒径。线30表示获得的颗粒大小，而线31表示二次枝晶臂间距的获得值。

采用压力铸造时，通过该冷却速度可获得晶粒的细化。通常可获得上述处于10-1000℃/S范围内的冷却速度，从而使得晶粒大小位于5-100μm的范围内。

众所周知，细的结晶粒度有利于合金的延展性。图3示出了结晶粒度和合金延展性之间的关系。横坐标表示以μm为单位的结晶粒度大小，而纵坐标表示以％为单位的相关延展率。图中示出了两种不同的成分，线35表示纯粹的镁，线36表示指定的AZ91镁合金。

众所周知，细的结晶粒度有利于合金的拉伸屈服强度。这一关系(Hall-Petch关系)在图4中示出。横坐标示出了表示为d(-0.5)的粒径(其单位以μm表示)，而纵坐标表示以MPa为单位的拉伸屈服强度。

因此显然地，在压力铸造过程中通过极高的冷却速度获得的细结晶粒度是获得拉伸强度和延展性的必要条件。