CH617721A5 - Magnesium-based alloys and their use for the manufacture of metal articles - Google Patents
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Description
La présente invention se rapporte à des alliages à base de magnésium et à l'utilisation de ceux-ci pour la fabrication d'articles métalliques.
Les alliages de magnésium sont utilisés lorsqu'un faible poids est essentiel et ils sont particulièrement utiles dans l'industrie aérospatiale.
Les alliages de magnésium connus présentant des propriétés mécaniques avantageuses comprennent les alliages contenant du zinc et un mélange de terres rares métalliques contenant une haute proportion en cérium. De tels alliages contiennent environ 4,5 % en poids de zinc et environ 1 % de terres rares métalliques comprenant une forte proportion de cérium ainsi que du zirconium comme addition pour affiner le grain. Ces alliages permettent d'obtenir des propriétés mécaniques très bonnes (par exemple une contrainte d'essai de 0,2% d'environ 135 N/mm2, et une contrainte de rupture de traction d'environ s 200 N/mm2 et une élongation à la fracture d'environ 4%), mais ils présentent des propriétés de fonte inférieures, de sorte qu'il est difficile de fondre de grandes sections présentant une qualité satisfaisante. Avec des fontes complexes, la soudure peut être rendue difficile.
i h Des alliages présentant des qualités de fonte améliorées ont été obtenus en utilisant une teneur en zinc et en terres rares plus grande, mais ils tendent à être cassants. Cette tendance peut être supprimée par un traitement d'hydrogénation qui nécessite le traitement de l'alliage à haute température dans une atmo-15 sphère d'hydrogène pendant une période considérable. De tels alliages sont décrits dans le brevet anglais 1.035.260. Toutefois, le coût de tels alliages est très élevé à cause de fours spéciaux et des précautions de sécurité requis par le traitement au moyen d'hydrogène. Après le traitement dans l'hydrogène, ces alliages 2d sont en autre très difficiles à souder.
On a maintenant découvert que des alliages à base de magnésium contenant du zinc et des terres rares présentant de bonnes qualités de fonte, de soudage et des propriétés de tension satisfaisantes peuvent être obtenus sans recourir à l'hy--s drogénation, en utilisant un mélange de terres rares qui contient une grande proportion de néodyme et une faible proportion ou pas du tout de cérium et de lanthane. En particulier, ces alliages présentent une ductilité grandement améliorée en comparaison avec les alliages contenant du cérium.
i» L'objet de cette invention consiste donc en un alliage à base de magnésium comportant, en plus des impuretés, au moins 80% en poids de magnésium, de 4 à 7 % en poids de zinc et de 1 à 5 % en poids de terres rares métalliques, ces terres rares contenant au moins 60% en poids de néodyme et pratiquement -'s pas de cérium ni de lanthane.
Le néodyme pur est très coûteux, mais un mélange de terres rares connu sous le nom de «didymium» contenant au moins 60% en poids de néodyme, le reste étant substantiellement des terres rares métalliques tels que praesodyme, avec un faible taux 4» ou pas du tout de cérium et de lanthane est disponible commercialement. La teneur en cérium et en lantane pris ensemble est généralement inférieure à 2 à 3% en poids du mélange de terres rares présent.
Les terres rares métalliques contiennent de préférence au •ts moins 75 % en poids de néodyme.
Selon une forme d'exécution particulière, l'alliage contient entre 1 et 3% de terres rares, et dans une composition préférée de 5 à 7 % de zinc et de 1,5 à 3 % de terres rares métalliques. On a trouvé que des propriétés optimum peuvent être obtenues su avec 6 à 7 % de zinc et 2 à 3 % de terres rares.
Il est généralement désirable d'inclure au moins 0,4% en poids de zirconium pour agir comme affineur de grain. Le taux de zirconium peut aller jusqu'à 1 % en poids.
Si désiré, l'alliage peut contenir d'outrés constituants pour 's augmenter ses particularités dans d'autres domaines. Jusqu'à 2% de manganèse peuvent être présents, mais le taux maximum est limité par sa solubilité mutuelle avec le zirconium lorsque celui-ci est présent. D'autres additions possibles sont les sui-
vantes:
du
Ag
0-8% en poids
Cd
0-5%
Li
0-6%
Ca
0-1%
ss Ga
0-2%
In
0-2%
n
0-5%
Pb
0-1%
3
617 721
Bi
0-1%
Th
0-7%
Fe jusqu'à 0.1
Be
0-0.05%
Y
0-5%
Cu
0-0.5%
Il faut noter que l'yttrium n'est pas considéré comme une terre rare.
Les alliages selon l'invention peuvent êtres utilisés pour la fabrication par coulage d'articles métalliques, un traitement thermique étant généralement requis pour obtenir les propriétés mécaniques optimum. Le traitement thermique comporte normalement un traitement thermique de solubilisation à une température élévée, généralement de 450° C jusqu'au solidus de l'alliage (communément le solidus est auxenvirons de 500° C) suivi d'une trempe et d'un traitement thermique de viellisse-ment à une température permettant la précipitation, la température de vieillissement étant généralement comprise entre 100 et 350° C. Il est préférable de tremper dans de l'eau pour obtenir des propriétés optimum, la trempe en eau chaude minimisant les risques de craquelures.
Des conditions de traitements thermiques typiques sont 480° C pendant 8 heures environ, suivies d'une trempe et d'un vieillissement pendant 16 heures à 250° C.
Un traitement thermique modifié peut supprimer le traitement de solubilisation à haute température et comprend simplement le vieillissement de l'article coulé à une température à laquelle la précipitation peut s'effectuer. Ce traitement a été trouvé comme donnant des contraintes de tension particulièrement élevées, mais l'élongation et la contrainte ultime de tension sont généralement plus faibles que celles obtenues avec un traitement thermique de solubilisation suivi par une trempe et un vieillissement.
Les alliages selon la présente invention seront décrits dans les exemples suivants:
Exemples s Des alliages ayant la composition illustrée au tableau 1 ci-dessous ont été réalisés et coulés dans des échantillons de tests par des méthodes Conventionelles. Le zinc a été ajouté à la fonte comme métal pur, les terres rares métalliques (RE) comme mélange de terres rares contenant plus de 75 % en poids de m néodymium et pratiquement aucun lanthanum ou cerium et le zirconium comme un alliage magnésium/zirconium contenant environ 35% en poids de zirconium.
En comparaison, un alliage semblable a été également réalisé contenant environ 6% de zinc, 3% de terres rares contenant 15 une haute proportion (environ 50%) de cerium et environ 0,75% de zirconium.
Analyse
Zn%
RE%
Zr%
5.96
3.01
0.76
6.03
3.07
0.73
5.94
2.80
0.83
5.88
2.82
0.82
6.23
2.71
0.83
6.06
2.53
0.78
environ 6%
environ 3%
environ 0.6%
Les échantillons ont été soumis à des tests mécaniques selon les normes britanniques 18 après traitement thermique. Les traitements thermiques utilisés et les résultats obtenus sont illustrés dans le tableau 2
Tableau l "" Alliage
1
2
4
5
6
7
Tableau 2
Alliage traitement ther
Trempe
Vieillis
0.1 %2 épreu
Contrainte
UTS
Elon-
mique de solu
sement ve d'essais de tension
N/mm2
gation
bilisation
Hrs@° C
N/mm2
N/mm2
%
hrs@°C
1/2
refroidisse
90
97
205
7
5
8 @ 480
ment par
16 @180
101
108
234
10
4
air
16@250
93
100
229
10
3
4@330
93
100
229
10
1/5/6
huile
93
101
229
9
5
8@480
16 @ 180
109
118
240
9
2
16@250
102
112
184
4
6
4@330
94
102
230
9'h.
1/2/6/
eau chaude
84
97
229
9
4
8 @480
16@180
111
122
195*
3*
3
16@250
123
136
205*
2lh*
5
4@330
83
100
202
6
1/2/3
eau froide
_
85
100
219
9
3
8 @480
16@180
116
127
239
8
5
16 @250
125
135
219*
5*
4
4@330
97
107
226
8
7
8 @490
eau froide
90
102
227
9
7
16@250
126
136
233
6
7
8@470
eau froide
90
102
222
9
7
16@ 250
115
125
212
5
617 721
Tableau 2 (Suite
Alliage traitement trempe
Vieillis
0,1 %2 épreuve contrainte
UTS
Elonga-
thermique de
sement d'essais de tension
N/mm2
tion
solubilisation
Hrs@r" C
N/mm2
N/mm2
%
hrs@°C
7
8 @450
eau froide
—
94
107
205
6
7
16@250
108
120
204
5
7
8 @430
eau froide
_
102
115
187
3
5/6
16@ 180
113
124
192
3
7
-
16@250
114
125
189
3
1/3/6
As Cast
—
-
110
120
154
2
Alliage de
comparai
son
A
As Cast
—
-
—
119
160
1
B
8@480
H.W.Q.
16 @180
-
108
185
4 '/:
*inclusions contenues dans l'échantillon d'essais
-<> thermique de solubilisation à une température d'environ 450° C
suivi d'une trempe et d'un vieillissement.
On peut voir de ces résultats que les alliages selon l'inven
Afin de déterminer les effets du vieilissement seuls, les tion donnent des contraintes de tension ultimes et des élonga-
mêmes alliages ont été vieillis à partir des articles tels que coulés tions qui sont considérablement plus grandes que les alliages et les conditions de vieilissement avec les résultats obtenus sont contenant du cerium lorsqu'ils sont soumis à un traitement illustrés au tableau 3.
Tableau 3
Alliage
Vieillis
0,1% épreu contrainte
UTS
Elonga-
sement ve d'essais de tension
N/mm2
tion
hrs ° C
N/mm2
N/mm2
%
0
1/2/3
2@180
114
125
198
4
1/2/3
4@180
110
123
189
4
1/2/4
16 @180
124
136
188
Vh
1/3/4
32 @180
126
139
200
Vh
2/3/4
64 «180
132
145
203
2'h
1/3/6
128^180 @
136
149
198
2
2/3/4
1 @250
123
135
189
3
1/2/3
2 @250
132
145
200
2'h
1/2/3
4 @250
137
150
203
Vh
1/2/2
16 @250
147
158
206
2
1/3/4
32@250
148
159
205
2
4/5/6
'/2@330
135
146
185
Vh
2/3/4
1 @330
144
156
205
2
1/2/3
2@ 330
150
161
201
2
1/2/3
4 @330
150
160
208
Vh
1/2/4
16@330
136
151
194
2
1/3/4
32@330
139
151
193
Vh
On voit de ces résultats que le vieillissement seul donne des contraintes de tension élevées et des contraintes d'essais à 0,1 % également élevées, mais des tensions de ruptures et des élonga-tions plus faibles que les alliages traités thermiquement à des températures de solubilisation.
D'autres essais ont été réalisés en utilisant les mêmes procédures pour les alliages 1 à 7 et avec différentes compositions d'alliages illustrées au tableau 4 ci-dessous. L'alliage de comparaison contenait un mélange de terres rares comprenant une haute proportion de cerium, les terres rares des alliages 8 à 27 contenant en dessus de 75 % en poids de néodymium et pratiquement aucun cerium ou lanthanum.
d5
5
617 721
Tableau 4 Alliage Analyse
Traitement thermique de solubilisation + vieillissement (T6)
Vieillissement seulement (T5)
Zn% RE%* Zr%
0.1 % contrainte d'essais N/mm2
contrainte de tension
U.T.S.
N/mm2
Elonga- 0.1% contrain-
tion
%
te d'essais N/mm2
contrainte de tension N/mm2
U.T2S. Elon-
N/mm2 gation
%
Compa- 6.0 2.94 0.75 raison (Cerium)
113
123
163
149
162
194
8
4.9
1.51
0.63
110
123
244
9
143
156
207
2
9
5.0
2.00
0.70
112
124
227
6
138
151
195
2
10
5.2
2.49
0.70
107
120
226
7
138
149
199
2
11
5.1
2.83
0.65
103
117
229
9
—
-
—
—
12
5.5
1.55
0.71
116
125
236
7
148
160
204
2
13
5.5
2.00
0.66
109
120
206
4
141
154
190
1
14
5.5
2.47
0.69
109
122
242
9
140
153
209
2
15
5.5
2.79
0.70
105
117
228
8
-
-
-
—
16
6.0
1.61
0.73
112
125
221
6
153
165
213
2
17
5.8
2.00
0.75
114
126
228
7
148
160
212
2
18
6.0
2.48
0.74
120
131
236
7
148
160
212
2
19
6.0
2.93
0.71
112
128
239
8
147
159
210
2
20
6.4
1.55
0.77
114
125
211
5
21
6.5
2.05
0.73
117
129
203
37i
22
6.3
2.40
0.76
117
130
230
6'h
23
6.6
2.92
0.75
122
134
245
9
24
7.1
1.65
0.82
108
120
198
4
25
6.9
1.91
0.75
106
118
181
3
26
7.0
2.37
0.80
121
133
180
1
27
6.8
2.67
0.77
118
133
195
3
*RE Analyse pour Nd sauf où indiqué autrement Tous les échantillons subissent un traitement thermique T6 hrs@470° C, trempe eau froide. Vieillissement
16 hrs@ 250° C. T5 16 hrs 250° C
On voit de ces résultats que les meilleurs résultats pour les alliages ayant subis un traitement thermique de solubilisation et de vieillissement sont obtenus avec un taux de zinc entre 6 et 7% et un taux de terres rares de 2 à 3% en poids. L'alliage 24 contenant 7,1 % de zinc montre des signes de fonte pendant le traitement thermique de solubilisation, indiquant que pratiquement le taux de zinc maximum pour des alliages complètement traités thermiquement est de 7 %. Un vieillissement sans traite-
45 ment thermique de solubilisation donne également des contraintes de tension élevées, mais une élongation plus faible.
Pour tester la qualité des articles coulés, les alliages 8 à 27 ont été examinés radiographiquement en utilisant les références ASTM pour une plaque d'alliage de zirconium de 0,75" d'épais-S|| seur. La porosité est reportée sur une échelle de 0 à 8 et les résultats sont illustrés au tableau 5.
<.()
<\5
617 721
6
Tableau 5
Alliage No.
Contrôle radiographique (porosité)
Surface plus mauvais plus mauvaise
Remarques
affectée %
rendement surface %
Comparaison
0
0
0
le reste estimé 2-3
8
95
4
5
9
100
3
80
10
70
2
10
11
0
0
0
12
10
1
10
13
50
3
10
14
90
3
20
15
90
2
10
16
5
1
5
à proximité du jet de coulée
seulement
17
5
1
5
à proximité du jet de coulée
seulement
18
5
1
5
à proximité du jet de coulée
seulement
20
5
1
5
à proximité du jet de coulée
seulement
21
0
0
0
22
0
0
0
23
0
0
0
24
25
26
27
25 25 0 0
1 1 0 0
25 25 0 0
Ces résultats illustrent que la plus faible porosité est obtenue avec 6 à 7% de zinc et en dessus de 2% de terres rares métalliques.
Les propriétés d'élongation et le comportement à la fonte des alliages contenant plus de 3 % de terres rares, ont également été mesurés et les résultats sont donnés dans le tableau 6 ci-dessous.
Tableau 6
45
Alliage No. Composition Propriété d'élongation caractéristiques de la fonte
Zn
RE
Zr taux
U.T.S.
El.
% de la surface plus mauvais
(> 60%
N/mm2
N/mm2
%
concernée degré de porosité
Nd)
28
5.75
3.5
0.7
113
218
7
5
faible
29
5.25
4.0
0.7
103
226
11
0
aucun
30
5.75
4.0
0.7
109
214
6
5
faible
55
La qualité des articles coulés a été estimée par la méthode Pour illustrer l'effet des additions de néodymium à faibles de la pente décrite dans «Slope casting Test Results on Some niveaux un alliage (31) a été réalisé qui contenait environ 4,5 % Established and Expérimental Magnesium Casting Alloys», DJ. de zinc, 1,2% de terres rares métalliques contenant au moins Whiteheat, «Light Metals» 1958, pages 391 à 395. Dans ce cas r<» 60% de néodymium et 0,74% de zirconium et un alliage de le bas de la plaque a été coupé, fraisé à 0,75 " et radiographié. comparaison (32) a été réalisé, contenant environ 4,3 % de zinc,
On peut voir que de bonnes valeurs d'élongation ont été 1,1 % de terres rares métaliques contenant une grande quantité
maintenues pour des niveaux élevés en terres rares métalliques ; de cerium et 0,75 % de zirconium. Ces alliages ont été coulés et les contraintes de tension des alliages 28 à 30 ont été quelque soumis à des tests de traction comme ci-dessus, les résultats sont peu plus faibles que l'optimum à cause de fait de leur contenu en /,s illustrés au tableau 7.
zinc.
Les alliages présentant une teneur plus forte en terres rares présentaient des qualités de coulage meilleures.
7
617 721
Tableau 7
Alliage 31
Alliage 32
0.1% contrain contrain
% EL
Traitement de
0.1% contrain contrainte
% EL
te d'essais te de
vieilissement te d'essais'
de tension
(N/mm2)
tension
(N/mm2)
(N/mm2)
(N/mm2)
129
225
6
16 hrs. @ 200° C
109
199
4V,
142
232
5
16 hrs. @250
125
211
4
137
231
5
16 hrs. @300
125
217
4
122
224
6
16 hrs. @350
116
203
472
105
216
7
16 hrs.@350
102
189
5
88
217
10
16 hrs. @ 400
86
185
6
69
228
13
16 hrs. @450
69
193
8
16 hrs. @500
On peut voir que les alliages riches en néodyme donnent des élongations supérieures et de meilleures résistances à la traction que les alliages riches en cérium.
Claims (11)
1. Alliage à base de magnésium comportant, en plus des impuretés, au moins 80% en poids de magnésium, de 4 à 7% en poids de zinc et de 1 à 5 % en poids de terres rares métalliques, ces terres rares contenant au moins 60% en poids de néodyme et pratiquement pas de cérîum ni de lanthane.
2. Alliage selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte de 1 à 3% de terres rares.
2
REVENDICATIONS
3. Alliage selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte de 5 à 7 % de zinc et de 1,5 à 3 % de terres rares.
4. Alliage selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte de 6 à 7 % de zinc et de 2 à 3 % de terres rares.
5. Alliage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les terres rares métalliques comportent au moins 75 % de néodyme.
6. Alliage selon l'un des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il comprend jusqu'à 0,5 % de cuivre.
7. Alliage selon l'une des revendications 1 â 4, caractérisé par le fait qu'il comprend jusqu'à 1 % de zirconium.
8. Alliage selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un ou plusieurs des éléments suivants dans les quantités indiquées en % poids:
Argent
Cadmium
Lithium
Calcium
Gallium
Indium
Thallium
Plomb
Bismuth
Thorium
Fer
Béryllium
Yttrium
Manganèse
0-8
0-5
0-6
0-1
0-2
0-2
0-5
0-1
0-1
0-7
0-0.1
0-0.05
0-5
0-2
la quantité maximum de zirconium et de manganèse pris ensemble étant limitée par leur solubilité mutuelle lorsqu'ils sont présents tous les deux.
9. Utilisation de l'alliage selon la revendication 1 pour la fabrication d'un article métallique, caractérisée par le fait que l'alliage est traité thermiquement en solution à une température de 450° C jusqu'à sa température de solidus, puis trempé et vieilli à une température telle que la précipitation se produise.
10. Utilisation selon la revendication 9, caractérisée par le fait que la trempe est effectuée dans de l'eau.
11. Procédé selon la revendication 9 ou la revendication 10, caractérisé par le fait que l'alliage est traité thermiquement en solution pendant 8 heures à 480° C, trempé et vieilli pendant 16 heures à 250° C.
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