CN114026260A - 镁合金及用于生产其的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及镁合金。为了得到同时表现出高的强度和高的可变形性镁合金，根据本发明提供镁合金，所述镁合金包括(以原子％计)15.0％至70.0％的锂，大于0.0％的铝，以及作为剩余物的镁和生产相关杂质，其中铝和镁的比例(以原子％计)为1:6至4:6。本发明还涉及用于生产镁合金的方法。

Description

镁合金及用于生产其的方法
技术领域
本发明涉及镁合金。
本发明还涉及用于生产镁合金的方法。
背景技术
特别由于其低的密度和良好的机械性能，镁合金构成常用的结构合金或者结构材料，尤其是在汽车工业和飞机工业领域。已知可以通过添加锂(Li)改进镁合金的延展性，其中，随着锂的量增加，镁合金中通常发生从六方晶系到体心立方晶系的转变。这与滑移面数量的增加有关，借此可以解释随着锂的量增加出现的明显改进的延展性。然而，这种方法可以伴随着镁合金的强度和耐腐蚀性的降低，以使经常添加其他合金元素，如以铝或锌为例，以便减轻这些缺点并通常获得至少中等的强度和耐腐蚀性。
发明内容
这通过本发明来解决。本发明的目的是明确一种具有高的强度(特别是高的抗压强度)和良好的可变形性的镁合金。
本发明的目的还在于明确一种用于生产此类型的镁合金的方法。
根据本发明，该目的通过包括下列(特别是由下列制成)的镁合金达成(以原子％计)：
15.0％至17.0％的锂，
大于0.0％的铝，
作为剩余物的镁和生产相关杂质，
其中铝和镁的比例(以原子％计)为1:6至4:6。
本发明的基础在于发现了具有前述镁合金的合金组成的情况下，具有在特定的前述的铝和镁的比例范围内相应的量的锂(Li)以及强制量的铝(Al)，镁合金中形成了微尺度的微观结构或者精细的微观结构(特别是精细的层状微观结构)。这些特征的理论基础被认为是镁合金在前述的镁和铝的比例下发生的共晶转变。精细尺度的微观结构伴随着高的强度，特别是高的抗压强度，其中，在镁合金中锂的相应的前述的量下，镁合金良好的可变形性同时得到保证。在此情况下，相图中取向组成或者取向线特别为约3:6铝和镁的比例(以原子百分比计，缩写为原子％)，因为在此比例下发现了特别均相的精细尺度或均相的精细层状微观结构或者形态。在涵盖此比例的范围内，尤其是在1:6至4:6的镁和铝的比例(以原子％计)下，精细的，特别是精细的层状微观结构或者形态还被发现处于不同的显著的程度，这一般相应地与镁合金不同的显著的强度大小，特别是抗压强度大小，以及可变形性或者延展性有关。由于这些规定的组成范围内的特殊的形态特征，因此可以形成同时具有高的强度(特别是高的抗压强度)和良好的可变形性的镁合金。
有利地，提供包括(以原子％计)的30.0％至60.0％(特别是40％至50％)的锂的镁合金。结果是，可以达到显著的强度和特别显著的可变形性。这可能特别是由于精细构造的形态和在规定的锂的范围内向体心立方晶系的转变的组合。如果镁合金包括(以原子％计)45％至50％(特别是45％至48％)的锂，就会特别显著地出现高的强度和高的可变形性。
通常，镁合金包括(以原子％计)大于0.05％(特别是大于0.1％，一般大于1％)的铝。
如果镁合金被实施为镁基合金，则可以获得具有高的可用性的结构合金。根据实践中通常使用的符号，因而镁基合金是指基于其合金成分含量的重量百分比(wt％)，包含镁作为主要元素或者作为最大的合金成分含量的镁合金。尤其是结合了规定的锂的量(特别是上文规定的那些锂的量)，可以获得具有非常高的强度性能和显著的可变形性的可行的结构合金。
已经表明，如果铝和镁的比例(以原子％计)为1.2:6至4:6，特别是1.4:6至4:6，优选地1.5:6至4:6，则可以获得具有高精细度的微观结构，特别是层状微观结构。如果铝和镁的比例(以原子％计)为1.8:6至3.5:6，特别是2:6至3.5:6，优选地2.5:6至3.5:6，则对于显著的精细度或者精细的，特别是层状微观结构，是有益的。因此可以获得特别高的强度，特别是抗压强度。这在铝和镁的比例(以原子％计)为2.8:6至3.3:6(优选地大约3:6)时是特别符合的，在此铝和镁的比例下，非常均相的精细的形态或微观结构是可得到的。为了此目的，如果镁合金为(以原子％计)30.0％至60.0％的锂并且铝和镁的比例(以原子％计)为2.5:6至3.5:6，特别是2.8:6至3.3:6，优选地大约3:6，则是特别有利的。如果镁合金因而包括(以原子％计)40.0％至60.0％的锂，也可以获得特别显著的均相性。
应当理解，规定的铝和镁的比例带有相应的不确定性，如在合金生产中(特别是其中使用铸造工艺的合金生产中)惯常的那些不确定性，并且因此，其不能被解释为完全精确的数值；相反，其受限于常规的四舍五入方案，这在实践中是有用的，因为其能被谨慎的合金生产领域的技术人员方便地应用，特别是在使用铸造工艺的合金生产中，以便生产相应的镁合金。
已经证明，如果镁合金包括大于0.0至3.0重量％(特别是大于0.0至2.0重量％，优选地大于0.0至1.5重量％)的钙(Ca)，则是有效的。以这种方式，可以获得镁合金的改进的耐腐蚀性。通常，钙的含量范围(特别是上述的那些含量范围)的下限大于0.05重量％。特别地，可以因此实现降低的镁合金的氧化趋势，其通常有利地在镁合金的表面形成稳定的氧化层。此外，通过前述量的钙，可以利用或者获得镁合金中的晶粒细化效应，以使精细尺度的微观结构的高的稳定性是可获得的，并且镁合金的强度可以进一步增加。如果镁合金包括0.5重量％至1.0重量％的钙，则可以同时获得高耐氧化性和增加的强度或者强度性能的稳定。当钙存在于镁合金中时，上述的效果特别基于CaO的形成。相应地，可以特别规定钙至少部分地，特别是主要地，优选完全以CaO的形式被添加至镁合金作为合金成分含量或者包含在镁合金中。因此可以便利镁合金中钙或者CaO的均相的分布。因此，如果镁合金包括上述钙的量的CaO，则是特别有利的。
为了氧化趋势的降低，如果镁合金包括大于0.0至3.0重量％，优选地1.0重量％至2.0重量％的稀土金属，特别是钇(Y)，则是有益的。通常，稀土金属(特别是钇)的含量范围(特别是上述那些含量范围)的下限大于0.05重量％。在此，镁合金中出现的Y2O3的形成有特别的意义。因此，可以特别规定钇至少部分地，特别是主要地，优选完全以Y2O3的形式被添加至镁合金作为合金成分含量或包含在镁合金中。因此，如果镁合金包括上述钇的量的Y2O3，则是特别有利的。
特别是如果镁合金分别根据前述的含量范围包含钙(特别是以CaO的形式)和稀土金属(特别是钇，优选以Y2O3的形式)，则氧化趋势可以被降低，其中，特别地钙大于0.0，特别是大于0.05重量％至1.5重量％，并且钇为1.0重量％至2.0重量％已经证明有效。
如果镁合金包含钙和稀土金属(特别是钇)，则可以获得特别显著的耐腐蚀性，其中钙和稀土金属(特别是钇)的总量大于0.0，特别是大于0.05重量％至3.0重量％，优选地大于1.0重量％至2.5重量％。
如果镁合金的抗压强度(特别是在室温下)为至少300MPa，特别是至少350MPa，优选地至少380MPa，特别优选地至少400MPa，则是有利的。这可以用根据本发明的镁合金提供的合金组成来获得，由于其构造精细的微观结构，特别是根据通过铸造的镁合金的生产。优选地，前述的数值适用于镁合金的最大抗压强度，特别是抗压屈服点或者抗压屈服强度。有利地，镁合金的抗压强度或者最大抗压强度，或者抗压屈服点或者抗压屈服强度可以为至少410MPa，特别地为至少430MPa。这通常可以用热处理来可行地实现，特别是如以下描述的热处理。
已经表明，镁合金具有良好的时效能力，其中镁合金的强度(特别是抗压强度)和/或可变形性可以通过镁合金的热处理被进一步优化，或优选地增加。因此，规定镁合金在时效状态下，特别是在室温下的比抗压强度，特别是最大比抗压强度为至少300Nm/g，特别是至少330Nm/g，优选地至少350Nm/g是有利的。因而时效状态表示镁合金的完全热处理后的镁合金的状态。对其有益的热处理的边界条件在下面进一步解释，特别是作为用于生产镁合金的方法的一部分，并且可以相应地应用。
因而镁合金的上述的材料特征，主要是抗压强度或者比抗压强度的数值，特别是以通常介于20℃和25℃之间，一般为大约20℃的室温为基础的。
已经表明，如果镁合金包括18.0重量％至24.0重量％，特别是18.0重量％至22.0重量％的锂，以及15.0重量％至30.0重量％，特别是16.5重量％至28.0重量％的铝，则可以获得特别高的强度，特别是抗压强度，以及有利地高的可变形性。在此，还已经表明，通过额外的量的钙，镁合金的硬度，特别是作为所进行的热处理的一部分，可以被优化或者可以被以针对性的方式设置。出于此目的，如果镁合金还包括大于0.0，特别是大于0.05重量％至2.5重量％，特别是0.1重量％至2.0重量％，优选地0.3重量％至1.5重量％的钙，则是有利的。因此，特别地在锂和铝的该含量范围内使用钙不仅可能影响或改进镁合金的耐腐蚀性或者氧化趋势，还有可能影响镁合金的硬度。特别是当镁合金包括18.0重量％至22重量％的锂和16.5重量％至28.0重量％的铝时，这一点变得明显，特别是在0.1重量％至2.0重量％(特别是0.3重量％至1.5重量％)的钙尤其明显。在热处理过程中，硬度通常随着热处理时长的增加而增加，以使镁合金的硬度可以作为热处理时长的函数被设置。如果介于200℃和450℃之间的热处理具有大于1小时(特别是大于3小时)的热处理时长，则对于高的硬度是有益的。特别地，如果镁合金包括20重量％的锂和15.0重量％至30.0重量％(特别是16.5重量％至28.0重量％，特别优选18.0重量％至26.0重量％)的铝，则可以得到容易处理和容易加工的组合物或者镁合金。如果如上所述的镁合金还包含钙，则这一点尤其符合。
对于特定的预期应用，可以通过添加其它合金元素来优化镁合金的机械性能。对于镁合金的强度(特别是抗压强度)的微调，如果镁合金包括3.0重量％至10.0重量％的锌，则是有益的。如果镁合金包括7.0重量％至10.0重量％的锌，则可以获得抗压强度的优化(特别是没有明显地限制可变形性)。作为锌的替代或补充，如果镁合金包括2.0重量％至10.0重量％，特别是3.0重量％至7.0重量％的硅，则对此是有益的。
用于生产根据本发明的镁合金的方法一般涉及：混合镁合金的起始材料，并从液相或半液相开始进行冷却。根据本发明的镁合金、或者具有镁合金或由镁合金制成的原料、半成品、或者元件可以通过通常的铸造工艺(例如使用模铸工艺、压铸工艺、连续铸造工艺或者永久模铸工艺)容易地生产。已经证明，如果根据本发明的镁合金的生产包括热处理以便优化关于强度(特别是抗压强度)或者可变形性的镁合金的微观结构或者形态，则是特别有利的。
本发明的另一目的是以用于生产根据本发明的镁合金的方法达到的，其中对镁合金进行热处理，以便优化或者增加镁合金的强度(特别是抗压强度)和/或可变形性。已经表明，通过镁合金的热处理，镁合金的强度(特别是抗压强度)和可变形性可以被进一步优化或者增加，以使它们可以特别以针对性的方式被设置，优选地使得它们为了镁合金的预期应用被调整。
应当理解，根据本发明的方法可以相应地或者类似地在根据本发明的镁合金的范围内实施所描述的(特别是如上所描述的)特征、优势、实施、以及效果。对于所描述的根据本发明的方法(特别是如下所描述的)，以及其独立的处理步骤或者生产步骤，其同样适用于根据本发明的镁合金。
如果热处理以大于200℃(特别是在200℃和450℃之间)的温度进行超过20分钟(特别是超过1小时)，则对于强度(特别是抗压强度)的显著增加是有益的。已经证明在250℃和400℃之间(优选地在270℃和350℃之间)的热处理对于强度(特别是抗压强度)的显著的增加是特别适合的。在此，如果热处理进行超过1小时(h)，优选地在1小时和10小时之间，特别优选地在1小时和6小时之间，以便高效地设置强度，则是有利的。已经证明在300℃和350℃之间(优选地在320℃和340℃之间)进行2小时至5小时的热处理对于镁合金强度的持续增加和可变形性的同时优化是特别有效的。应当理解的是，原则上，更长的热处理时长也可以是常见的；然而，已经表明关于机械性能的时效优化，上述的热处理时长是特别可行的。
具有根据本发明的镁合金、特别是由根据本发明的镁合金制成或者使得使用根据本发明的用于生产根据本发明的镁合金的方法可获得的原料、半成品或者元件可以被有利地实现。根据本发明的镁合金或者使用根据本发明的方法生产的镁合金的说明、特点、和效果，由镁合金形成的原料、半成品或者元件也具有有利地高的强度(特别是抗压强度)和良好的可变形性。
附图说明
附加的特征、优点和效果从下面描述的示例性实施方案得出。在特此被引用的附图中：
图1显示Mg-Li-Al的示意性相图图示说明，其中标出了根据本发明的镁合金的组成范围；
图2显示来自根据本发明的镁合金的多个镁合金试样的屈服应力图；
图3和图4显示不同放大倍数下来自根据本发明的镁合金的镁合金试样的扫描电子显微镜图像；
图5显示来自完全热处理后的根据本发明的镁合金的镁合金试样的屈服应力图；
图6显示来自另一完全热处理后的根据本发明的镁合金的镁合金试样的屈服应力图；
图7显示来自根据本发明的镁合金的镁合金试样的硬度图。
具体实施方式
图1显示了根据通常的三元相图设计的镁-锂-铝(Mg-Li-Al)的示意性相图图示说明(以原子％计)，其中标出了根据本发明的镁合金的合金成分含量的组成范围或者含量范围。在相图图示说明中，具有大约3:6的铝和镁的比例(以原子％计)的Mg-Li-Al合金的取向组成被描绘为点划线A，因为根据本发明所基于的发现，在此铝和镁的比例下，锂的含量范围为15.0原子％至70.0原子％下，发现了特别均相的、精细尺度的、特别是精细的层状的微观结构或者形态。在涵盖该比例的范围内，1:6至4:6的铝和镁的比例(以原子％计)表明，这种精细尺度或者精细构造的微观结构在不同的显著的程度上被进一步发现，并解释了在此范围内镁合金的有利地高的强度(特别是抗压强度)和良好的可变形性。15.0％至70.0％的锂的组成范围(以原子％计)和1:6至4:6的铝和镁的比例(以原子％计)在图1中通过实线描绘的四边形清楚地图示说明，用参考数字1标注。特别是在30.0％至60.0％的锂的组成范围内和1:6至4:6的铝和镁的比例(以原子％计)下，发现显著的强度和特别显著的可变形性。这一组成范围在图1中通过以虚线描绘的四边形图示说明，用参考数字2标注。
在根据本发明的镁合金的开发过程中，用不同的镁合金的合金组成，特别是根据本发明相应限定的合金组成进行了一系列测试。下文展示作为前述的组成范围的代表的由Mg-20％Li-15％Al-1％Ca-0.5％Y(以重量％计)和Mg-20％Li-24％Al-1％Ca-0.5％Y(以重量％计)制造的镁合金试样的特征。镁合金试样通过永久模铸的方法生产，其中特别制造了具有圆柱形形状、直径为5mm并且长度为10mm的镁合金试样。镁合金试样在室温(大约20℃)下经受抗压试验，并且计算出描绘作为变形程度(单位：％)的函数的屈服应力(单位：MPa)的屈服曲线作为结果。
图2显示在室温下使用由Mg-20％Li-15％Al-1％Ca-0.5％Y(以重量％计)制造的镁合金试样的抗压试验结果的屈服曲线的屈服应力图。镁合金试样的屈服曲线紧随镁合金试样(铸态)的生产被图示说明，在图2中以实线显示，用参考数字3标注。此外，镁合金试样的完全热处理(时效)后的镁合金试样的屈服曲线被图示说明，在图2中以虚线显示，用参考数字4标注。出于此目的，镁合金试样经受在330℃下，3小时的热处理，并且随后通过抗压试验的方式计算屈服曲线。热处理对于镁合金试样的抗压强度和可变形性的明确的影响是明显的，导致存在以优化的方式使用热处理设置抗压强度和可变形性的可能，特别是对于最终的预期应用。
图3和图4显示在不同放大倍数下由Mg-20％Li-15％Al-1％Ca-0.5％Y(以重量％计)制造的镁合金试样的扫描电子显微镜图像。显而易见的是，一方面，浅色的晶界相(白灰色)被确定为Al-Ca，并且，另一方面，在晶界相包围的区域中，特别是在所述区域的中心部分，或者在混合晶体相的内部，有显著的精细晶体结构或者形态，特别是在图4中清楚可见。还可确定的是明显不同的精细结构，特别是在晶界相的附近。
图5显示在室温下使用由Mg-20％Li-15％Al-1％Ca-0.5％Y(以重量％计)制造的镁合金试样抗压试验结果的屈服曲线的屈服应力图，其中镁合金试样在不同热处理温度下的完全热处理之后被检查。在270℃下经受4小时的热处理的镁合金试样的屈服曲线被图示说明，在图5中以虚线描绘，用参考数字5标注，并且在330℃下经受4小时的热处理的镁合金试样的屈服曲线在图5中以实线描绘，用参考数字6标注。显而易见的是热处理温度对于镁合金试样的机械性能的显著的影响，其中与较低的270℃的热处理相比，330℃的热处理温度导致抗压强度的显著的提升，同时还有非常好的镁合金试样的可变形性。
图6显示在室温下使用由Mg-20％Li-24％Al-1％Ca-0.5％Y(以重量％计)制造的镁合金试样抗压试验结果的屈服曲线的屈服应力图，其中镁合金试样在不同热处理温度下的完全热处理之后被检查。在270℃下经受4小时的热处理的镁合金试样的屈服曲线被图示说明，在图6中以虚线描绘，用参考数字7标注，并且在330℃下经受4小时的热处理的镁合金试样的屈服曲线在图6中以实线描绘，用参考数字8标注。在此，类似于图5中图示说明的结果，热处理温度对于镁合金试样的机械性能的显著的影响再次被发现，其中与较低的270℃的热处理温度相比，330℃的热处理温度导致抗压强度的提升，同时还有非常好的镁合金试样的可变形性。
图7显示在室温(大约20℃)下使用由Mg-20％Li-15％Al-1％Ca-0.5％Y(以重量％计)制造的镁合金试样的维氏硬度测试结果的硬度图，其中镁合金试样在不同热处理时长的完全热处理之后被检查。使用的热处理温度为330℃。在硬度图中，多次测量的维氏硬度(HV 0.1)的平均值被作为镁合金试样的不同热处理时长t(从0分钟(min)到300分钟)的函数被显示。显而易见的是，硬度随着热处理的时长不断增加，其中特别是在热处理时长超过60分钟时，可以获得高的硬度。关于图3和图4中显示的图像的描绘，这些特征可以通过钙向混合晶体相的内部区域中的扩散被解释。
因此，根据本发明的镁合金有利地同时表现出高的强度和良好的可变形性，特别是通过热处理的方式，二者均可以被优化，或者优选地被增加。特别地，还存在优化或者以限定的方式设置镁合金的硬度的可能性。因此，根据本发明的镁合金或者具有根据本发明的镁合金或者由根据本发明的镁合金制成的元件提供了实现优选地以使其适用于目的(即坚固的和耐用的组件，尤其是结构组件，特别是在汽车工业、飞机工业和/或航天工业中)的可能性。

Claims (11)

1.一种镁合金，所述镁合金包括(以原子％计)，
15.0％至70.0％的锂，
大于0.0％的铝，
作为剩余物的镁和生产相关杂质，
其中铝和镁的比例(以原子％计)为1:6至4:6。
2.根据权利要求1所述的镁合金，其特征在于，所述镁合金包括(以原子％计)
30.0％至60.0％，特别是40％至50％的锂。
3.根据权利要求1或2所述的镁合金，其特征在于，所述铝和镁的比例(以原子％计)为2:6至3.5:6。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的镁合金，其特征在于，所述镁合金包括大于0.0至3.0重量％的钙。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的镁合金，其特征在于，所述镁合金包括大于0.0至3.0重量％的稀土金属，特别是钇。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的镁合金，其特征在于，所述镁合金包括钙和稀土金属，特别是钇，其中钙和稀土金属，特别是钇的总量大于0.0至3.0重量％。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的镁合金，其特征在于，所述镁合金的抗压强度为至少300MPa，特别是至少350MPa。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的镁合金，其特征在于，所述镁基合金在时效状态下的比抗压强度为至少300Nm/g。
9.一种用于生产根据权利要求1至8中任一项所述的镁合金的方法，其特征在于，对所述镁合金进行热处理以便优化所述镁基合金的强度和/或可变形性。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述热处理在大于200℃，特别是在200℃至400℃之间的温度下进行超过20分钟，特别是超过1小时。
11.一种具有根据权利要求1至8中任一项所述的镁合金或者使用根据权利要求9或10中任一项所述的方法可获得的原料、半成品或者元件。
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