CN100385029C - 耐热镁压铸合金和该合金的压铸产品 - Google Patents
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Abstract
一种耐热镁压铸合金,同时改善了耐热性和铸造性,并扩大了应用范围。以重量百分比计,它包括以下组分:Al,大于6%但不超过10%;Ca,1.8至5%;Sr,0.05至1.0%;Mn,0.1至0.6%;以及余量为Mg和不可避免的杂质,其中Ca含量与Al含量的比值Ca/Al为0.3至0.5。为了改善耐腐蚀性,也可以添加0.1%至3%的RE。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐热镁压铸合金和该合金的压铸产品。
背景技术
近年来,为了应对降低车辆重量的需求,已经要求在车辆中应用更多的镁合金(镁是实用金属中最轻的一种)。但是,传统的压铸镁合金在高温下变形很大。对于具有暴露于高温环境(120℃或更高)的螺栓连接部分的零部件而言,提出的改进方法并不多。到目前为止,已经开发出多种耐热镁压铸合金,但是还不可能同时改善这种合金的耐热性(高温强度和抗蠕变性)和可铸性(在压铸期间的抗热裂性和抗粘模性),因此耐热镁压铸合金的应用范围受到限制。
因此,为了实现耐热性和可铸性,JP-A-2001-316752已经提出了一种压铸镁合金,它包括2至6wt%的Al、0.3至2wt%的Ca、0.01至1wt%的Sr、0.1至1wt%的Mn以及余量的Mg和不可避免的杂质。由此,能够同时改善这种压铸镁合金的耐热性和可铸性并且扩大了应用范围。
但是即使采用上述镁合金,也还不能充分涵盖所需的应用范围,因此期望开发出其耐热性和可铸性的综合性能得到进一步改善的耐热镁压铸合金。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在耐热性和可铸性方面同时得到改善并且在应用范围方面得到扩展的耐热镁压铸合金以及该合金的压铸产品。
为了实现上述目的,根据本发明,提供一种耐热镁压铸合金,以重量百分比计,它包括以下组分:
Al: 大于6%但不超过10%,
Ca: 1.8至5%,
Sr: 0.05至1.0%,
Mn: 0.1至0.6%,以及
余量为Mg和不可避免的杂质,
Ca含量与Al含量的比值Ca/Al为0.3至0.5。
本发明的特征在于,将Ca和Al含量的比值Ca/Al限制在预定范围内,以便在传统的成分含量限制之外将耐热性和可铸性的综合性能提高,并且即使在将AL和Ca添加至过去认为不合适的高含量的情况下也不会造成合金性能变差。
例如,JP-A-2001-316752将Al含量的上限设定为6wt%,并且将Ca含量的上限限制为2wt%。这些限制的原因在于,如果Al含量超过6wt%,则抗蠕变性迅速变差,而如果Ca含量超过2wt%,就会容易出现压铸裂纹(参见该说明书的段落0010至0012)。
与此相反,本发明人最近发现,通过将Ca含量与Al含量的比值Ca/Al限制在0.3至0.5的范围内,即使添加的Ca与Al含量超过上述上限,也能够通过高含量Al的主要作用来同时改善高温强度和可铸性,并且通过高含量Ca的主要作用来改善抗蠕变性,同时不会由于Al含量更高而导致抗蠕变性下降或者由于Ca含量更高而导致压铸裂纹。本发明是基于这种新颖发现来完成的。
附图的简要说明
图1为比较各种Mg合金的残留螺栓载荷的曲线图。
图2为示出高温残留螺栓载荷和Ca/Al比值之间的关系的曲线图。
图3为示出压铸裂纹长度和Ca/Al比值之间的关系的曲线图。
图4A和4B为针对具有不同RE含量的Mg合金而言,在盐水喷射试验的测试时间内,腐蚀重量损失变化(A)和腐蚀速度变化(B)的曲线图。
图5为针对特定测试时间(天数),相对于RE含量的腐蚀速度变化的曲线图。
图6A和6B为在室温到250℃的温度范围内0.2%弹限强度和拉伸强度(A)和延伸率(B)的曲线图。
图7为一曲线图,比较了在本发明的合金中的0.44%RE材料和无添加材料的高温残留螺栓载荷,并且将它们与传统使用的合金AZ91D进行比较。
最佳实施方式
由于以下原因,本发明的耐热镁压铸合金的组合受到限制。要指出的是,在该说明书中,除非另外规定,在这些组分的含量的标识符中的“%”表示重量百分比wt%。
[Al:大于6%但不大于10%]
Al通过形成Al-Ca基、Al-Sr基和Mg-Al基金属间化合物来进行扩散强化(尤其是晶界强化)从而提高了在室温和高温下的强度。另外,它降低了合金的熔点(液相线),从而提高了熔体的流动性并且改善了可铸性。在本发明中,通过在预定的Ca/Al比值范围下包括超过6%的Al,可以在传统限制范围之外提高室温强度和高温强度,并且确保良好的可铸性。但是,即使在将Ca/Al比值限定于本发明的预定范围内的情况下,如果Al存在过多,则抗蠕变性(高温残留螺栓载荷)会下降,因此使Al含量的上限为10%。
[Ca:1.8至5%]
Ca通过Al-Ca基金属间化合物进行晶界强化从而改善了在室温和高温下的屈服强度并且同时提高了抗蠕变性(高温残留螺栓载荷)。在本发明中,通过根据预定的Ca/Al比值范围使Ca含量为1.8%至5%,从而可以在传统限制之外与Al协作共同改善屈服强度和抗蠕变性。但是,即使在将Ca/Al比值限定在本发明的预定范围内,如果Ca存在过多,则在压铸期间会容易出现热裂和粘模,因此将Ca含量的上限设定为5%。Ca含量优选超过2%并且不超过5%,更优选为2.5至3.5%。
[Ca含量与Al含量的比值Ca/Al:0.3至0.5]
在本发明中,通过将Ca/Al比值限定在该范围内,从而可以将Al含量和Ca含量提高超过传统限制,并且不会由于Al含量更高而造成抗蠕变性下降或者由于Ca含量更高而造成可铸性变差,因此可以进一步提高高温强度和抗蠕变性使之超过过去,并且确保良好的可铸性。为了可靠地确保高抗蠕变性,需要使Ca/Al比值至少为0.3。为了可靠地抑制在压铸期间出现热裂,需要使Ca/Al比值不超过0.5。
[Sr:0.05至1.0%]
添加Sr以进一步改善防止出现铸造裂纹和确保抗蠕变性的作用。为了获得这个效果,需要添加Sr至至少0.05%。该效果随着增加添加量而变得更显著。但是,即使添加的Sr超过1.0%,该效果也并不会一直这样显著。
[Mn:0.1至0.6%]
添加Mn以确保良好的耐腐蚀性。为了获得这个效果,需要使Mn含量至少为0.1%。但是,如果Mn过量,则自由的Mn析出来并且出现脆化,因此将Mn含量的上限设定为0.6%。
本发明的镁合金通过将0.1至3%的稀土金属(RE)添加到上面的组分中从而明显改善了耐腐蚀性。为了实现这个效果,需要使RE含量至少为0.1%。但是,如果RE含量超过3%,则可铸性迅速变差,并出现铸造裂纹和滞流终止,并且不能获得理想的铸造效果,因此将RE含量的上限设定为3%。
本发明的耐热性镁合金特别限定为用于压铸的镁合金。通过压铸,形成由Al-Ca基或Al-Sr基金属间化合物构成的细小网络,并且可以确保良好的耐热性。
将本发明的合金应用于压铸工艺来获得产品的基本过程如下:
合金金属→装填进熔炉(*1)→熔融→调节温度→压铸(*2)→取出产品
*1)所使用的熔炉由铁制成。
*2)通过冷室、热室等来进行压铸。
在应用于需要耐热性的零部件例如汽车发动机的零部件,尤其是油盘、前灯罩灯还有变速箱时,本发明的压铸耐热镁合金特别有利。
实施例
[实施例1]进行下面的试验以通过本发明的合金组分来确认改善可铸性和耐热性的效果。
采用135吨冷室压铸机在以下条件下压铸具有表1中组分的Mg合金。
[压铸条件]
模具的形状和尺寸:70w×150L(来自浇口侧的3,2和1t)...平板
15φ×120L...杆
模具预热:200℃
铸造温度:700~720℃
铸造氛围:1%SF6+CO2
对所获的合金试样进行拉伸试验(试验温度:室温(RT),150℃)并且测量铸件的裂纹长度和螺栓载荷保持力。在以下条件下测量出残留螺栓载荷,其作为螺栓载荷保持力。表2和表3给出测量结果。
<高温残留螺栓载荷的测量条件>
初始螺栓载荷:8kN
保持温度:150℃
保持时间:300h
残留率:在室温下测量出保持在高温状态之前和之后的螺栓载荷,并且将其计算为残留螺栓载荷
另外,图1为一曲线图,显示出不同合金试样的高温残留螺栓载荷,图2显示出在高温残留螺栓载荷和Ca/Al比值之间的关系,并且图3显示出在铸造裂纹长度和Ca/Al比值之间的关系。
具体地说,从图2的结果中可以清楚,残留螺栓载荷随着Ca/Al比值的增大和增大,并且为了确保实际所需的至少为70%的残留螺栓载荷,Ca/Al比值需要≥0.3。
从图3的结果中可以清楚,铸造裂纹长度随着Ca/Al比值的增大而增大,并且为了确保不大于600mm的实际所需裂纹长度,Ca/Al比值需要≤0.5。
从上面的结果中可以清楚,只有在这些组分的含量落在本发明的范围中并且Ca/Al比值处于本发明的范围中时,才可以改善强度(室温和高温)和抗蠕变性(高温残留螺栓载荷),同时可靠地抑制铸造裂纹。
表1
表2
表3
编号 | 裂纹长度(mm) | 在300h之后的残留率(%) |
1 | 2770 | 55.90 |
2 | 3500 | 61.90 |
3 | 2310 | 63.43 |
4 | 2614 | 70.36 |
5 | 1174 | 70.26 |
6 | 1694 | 79.79 |
7 | 792 | 74.79 |
8 | 1852 | 81.62 |
9 | 3098 | 77.59 |
10 | 514 | 52.73 |
11 | 386 | 48.39 |
12 | 544 | 62.13 |
13 | 512 | 67.71 |
14 | 558 | 78.26 |
15 | 346 | 81.70 |
16 | 744 | 80.69 |
17 | 1020 | 77.39 |
18 | 842 | 80.16 |
19 | 0 | 15.70 |
20 | 10 | 21.43 |
21 | 8 | 30.42 |
22 | 300 | 62.34 |
23 | 548 | 61.38 |
24 | 314 | 68.00 |
25 | 456 | 79.83 |
26 | 134 | 81.61 |
27 | 230 | 88.89 |
[实施例2]
进行以下试验,来确认将RE添加在本发明的合金组分中对改善耐腐蚀性的效果。
按照与在实施例中一样的方式压铸具有表4中组分的Mg合金。在表4中所示的101至105号的合金组分基本上包括7%Al-3%Ca-0.5%Sr-0.3%Mn(目标值)和一定含量的RE,添加的RE其含量相继为0%(没有添加RE)、0.1%、0.5%、2.0%和3.0%(目标值),添加的RE元素的分析值为0.08%、0.44%、1.77%和2.68%。对于添加的RE而言,采用富Ce(50%)混合稀土。
在下面的条件下,对所获得得合金试样进行盐水喷射试验以评估耐腐蚀性。
<盐水喷射试验方法>
1.从铸态中的压铸产品中切出试样(宽度70mm×长度50mm×厚度3mm)。
2.将试样浸泡在丙酮中,并超声波清洗15分钟,然后测量其重量(初始重量)。
3.将测量了重量的加工后试样的表面除铸态表面(测试表面)之外的部分遮挡。
4.利用5%的NaCl水溶液在JIS Z2371限定的条件下进行盐水喷射试验。
5.在试验结束之后,利用15%的铬酸水溶液煮沸并清洗试样1分钟,从而除去试验表面上的腐蚀产物。
6.干燥,然后测量试样的重量,并利用与初始重量相比的差值作为腐蚀重量损失。另外,将腐蚀重量损失除以测试面积和测试天数,以结果作为腐蚀率。
图4A和图4B显示了对于不同测试持续时间(天数)的腐蚀重量损失和腐蚀率的变化。与无RE材料101相比,添加了RE的材料102至105都具有小的腐蚀重量损失和小的腐蚀率。在图4A中显示了腐蚀重量损失随时间的变化,变化曲线向上凸出。在图4B中将这种变化转变为腐蚀率随时间的变化,变化曲线向下凸出。随着测试持续时间的流逝腐蚀进展有变慢的倾向。
图5是RE含量对腐蚀进展的效果图。针对1天和10天的测试持续时间,以腐蚀率对RE含量的关系作图。在两种测试持续时间内,与没有RE(0%)的情况相比,通过添加0.08%的RE,明显降低了腐蚀率。通过将添加量提高为0.44%和1.77%,腐蚀率进一步降低。但是,如果将添加量增加至2.68%,腐蚀率反而会开始增大。但是即使这样,腐蚀率仍然远小于没有添加RE的时候。根据本发明,已经知道与没有添加的时候相比,通过在0.1%至3%的范围内添加RE,耐腐蚀性明显提高。
以下,测试添加RE对强度性能和耐蠕变性的影响。
作为一种添加有RE的材料的典型成分,将添加0.44%RE的材料(103)与不添加RE的材料(101)相比。图6A和6B显示了(A)0.2%弹限强度和拉伸强度以及(B)在从室温至250℃的测试温度下的延伸率。在所有的测试温度下,已经知道0.44%-RE材料(◆点)与没有添加RE的材料(○点)具有类似的强度特性。
图7比较了0.44%-RE材料(103)、不添加RE的材料(101)和AZ91D(典型的已知耐热Mg压铸合金)的高温残留螺栓载荷。测试步骤与实施例1相同。
首先,已经知道,与通常使用的合金AZ91D相比,无论是否添加RE,本发明的合金的残留螺栓载荷大得多。
另外,在本发明的合金中,与不添加RE的材料(101)相比,0.44%-RE材料(103)的残留螺栓载荷要降低大约10%,但是足以确保实际所需的至少70%的耐热性和耐腐蚀性。同时,还提供了优异的铸造性,可以进行压铸而没有任何问题。
表4
工业实用性
根据本发明,耐热镁压铸合金同时改善了耐热性和铸造性,并且应用范围比以前的更广。
另外,由于添加了RE,除了改善耐热性和铸造性之外,同时可以改善耐腐蚀性。
Claims (4)
1.一种耐热镁压铸合金,以重量百分比计,它包括以下组分:
Al:大于6%但不超过10%,
Ca:大于2%但不超过5%,
Sr:0.05至1.0%,
Mn:0.1至0.6%,以及
余量为Mg和不可避免的杂质,
Ca含量与Al含量的比值Ca/Al为0.3至0.5。
2.如权利要求1所述的耐热镁压铸合金,其中Ca的含量为2.5%至3.5%。
3.如权利要求1或2所述的耐热镁压铸合金,其中还包括含量为0.1%至3wt%的稀土金属。
4.一种压铸产品,包括如权利要求1至3任一项所述的耐热镁压铸合金。
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Granted publication date: 20080430 Termination date: 20120916 |