NO142580B - Soelvholdig magnesiumlegering samt fremgangsmaate ved fremstilling av denne - Google Patents

Description

Nærværende oppfinnelse vedrører en sølvholdig magnesiumlegering samt fremgangsmåte ved fremstilling av denne.

Magnesiumlegeringer har en meget lav vekt sammenlignet med legeringer av andre metaller, og følgelig har magnesiumlegerin-

ger funnet anvendelse spesielt i luftfartsindustrien, hvor legeringer med lav vekt er meget viktig. Eksisterende magnesiumlegeringer som har fordelaktige mekaniske egenskaper, spesielt en høy flytegrense, er beskrevet i britisk patent nr. 875.929.

De mekaniske egenskapene til disse legeringer beror til største delen på nærvær av en betydelig andel sølv, hvorav den typisk forekommende mengde er fra 2 til 3 vekt-%. Dette faktum gjør at legeringen blir meget dyr. Sølvets markedspris er dess-

uten utsatt for kraftige svingninger, som skyldes sølvets bruk i penge-vesenet, og da omkostningen i forbindelse med sølv ut-

gjør en vesentlig del av omkostningen ved legeringen, så er det åpenbart at denne omkostning også vil svinge.

Når det gjelder de nevnte legeringer vil de mekaniske egenskapene forbedres med økende innhold av sølv. Man har nå

funnet at sølv delvis kan erstattes med kopper uten betydelig forringelse av egenskapene.

Ifølge nærværende oppfinnelse er det fremskaffet en magnesiumlegering med følgende sammensetning (bortsett fra jern og andre forurensninger):

De maksimale mengder av zirkonium og mangan er begrenset av deres gjensidige oppløselighet.

Ifølge oppfinnelsen er sølvinnholdet fra 1 til 2 vekt-%, fortrinnsvis 1 til 1,75 vekt-%.

Neodym, som er et sjeldent jordmetall, er et materiale i ren tilstand, men det kan hensiktsmessig tilsettes i form av en blanding av sjeldne jordmetaller. Blandingen inneholder fortrinnsvis minst 60 vekt-% neodym og ikke mer enn 25 vekt-% lanthan og cerium tilsammen. Slike blandinger er for tiden kommersielt til-gjengelig.

Zirkonium kan forekomme i legeringer i en mengde på opp til 1 vekt-% for å bevirke kornforfining. Det er ønskelig å innkorporere minst 0,4 vekt-% zirkonium for å erholde tilfreds-stillende støping. Det er mulig å erstatte en del av zirkonium med mangan, men innholdet av mangan er begrenset av dets gjensidige løselighet med zirkonium.

Andre i magnesium løselige elementer kan være nærværende forutsatt at de ved dannelsen av forbindelser ikke i skadelig retning påvirker de fordelaktige virkninger av andre legerings-bestanddeler. Således kan sink, kadmium, litium, kalsium, gallium, indium, thallium, bly og vismut forekomme i de ovenfornevnte mengdeforhold.

Varmebehandling kreves for å utvikle de optimale mekaniske egenskaper hos legeringene ifølge nærværende oppfinnelse. Denne behandling består normalt av oppløsnings-glødning ved en høyere temperatur etterfulgt av bråkjøling samt utherding ved en lavere temperatur. Oppløsnings-glødingen ved en høyere temperatur til-sikter å gi maksimal praktisk løselighet av legerings-elementene såsom sølv, neodym og kopper. Den hurtige kjølingen tjener til å holde disse elementene i løsning, og utherdingen muliggjør den nødvendige grad av utfellings-herding. Man har funnet at en temperatur på minst 529°C kreves for oppløsnings-glødingen ved den høyere temperatur. Den øvre grense for temperaturen ved oppløs-nings-glødingen er legeringens størkningspunkt. Det kreves vanligvis en behandlingstid ved den høyere temperaturen på minst 2 timer.

Utherdingen kan utføres ved en temperatur fra 100°C til

275°C ved en tid på minst en halv time, hvorved det kreves lengre tid for de lavere temperaturene i det nevnte område. Typiske varmebehandlings-betingelser er holdetider på 8 timer ved 520-

525°C ved oppløsnings-glødingen, hvoretter man foretar bråkjøl-

ing og deretter holdetider på 16 timer ved 200°C for herdingen.

De ovenfornevnte behandlingsbetingelser egner seg for legeringer som inneholder opp til 0,1 vekt-% kopper. Når kopper-innholdet overstiger denne mengde kan det dannes et kopper-rikt eutektikum med et lavere smeltepunkt, og smelting av denne fase under oppløsnings-glødingen kan forårsake sprekkdannelser under den etterfølgende bråkjølingen. For å forhindre begynnende smelt-

ing av denne kopper-rike fasen kan oppløsnings-glødingen til å begynne med utføres ved en lavere temperatur, fortrinnsvis fra 400° til 485°C, etterfulgt av oppløsnings-gløding ved 485°C

eller høyere. Oppløsnings-glødingen ved de lavere initial-temperaturene kan foretas i løpet av minst en time. Typiske behandlingsbetingelser for en legering som inneholder 0,1 - 0,15% kopper er 16 timer ved 470°C etterfulgt av 8 timer ved 520°C, deretter bråkjøling og utfellings-herding i 16 timer ved 200°C

Spesielle legeringer ifølge nærværende oppfinnelse skal

i det følgende beskrives og illustreres ved hjelp av eksempler.

Eksempel I

Legeringer som hadde nedenfor angitte sammensetning, ble fremstilt ved å smelte magnesium under et konvensjonelt fluss-middel, høyne temperaturen til 800°C, tilsette alle legerings-materialer, ferske smeiten samt støpe smeiten til stykker med egnet form og størrelse ved 780°C. Prøvestykkene ble varmebe-handlet som angitt nedenfor.

De mekaniske egenskapene til legeringsprøvestykkene ble målt ved romtemperatur i henhold til British Standard 18 samt ved høyere temperaturer i henhold til British Standard 3688. Ved forsøkene ved 200° eller 250°C ble det anvendt en gjennomtreng-ningstid på 15 minutter eller 1 time.

Prøvenes korrosjonsbestandighet ble undersøkt i henhold til Royal Aircraft Establishment's sprayprøve med sjøvann, hvorved prøvene ble eksponert men beskyttet mot utfelling samt sprayet tre timer pr. arbeidsdag med naturlig sjøvann over en tidsperiode på 2 måneder. Vektstapene ble bestemt, og den gjennomsnittlige korrosjonshastighet beregnet.

Legeringenes støpbarhet ble målt ved å støpe 18 mm tykke plater med og uten avkjøling langs den lengste kanten, ved å maskinbearbeide platene på begge overflater samt ved å ta røntgen-bilder av platene.

Resultatene av de mekaniske prøvene ved romtemperatur vises i fig. 1, som viser et diagram over strekkfasthet og 0,2% flytegrense ved forskjellig sølvinnhold i magnesiumlegeringer som inneholder 2,0 eller 2,5% neodym og 0,6% zirkonium. Punktene som er markert med forskjellige symboler henfører seg til legeringer som inneholder forskjellige mengder kopper. Punktene som er markert ved hjelp av kvadrater henfører seg til "kontroll"-legeringer som ikke inneholder noe kopper, og som er medtatt for sammen-lignings skyld.

Når det gjelder legeringer som inneholder mer enn 2,0% sølv, så vil man se at nærvær av kopper har en marginal effekt på de mekaniske egenskapene. Ved et sølvinnhold i området fra 1,0 til 2,0% vil imidlertid tilsetningen av kopper ha en betydelig effekt på den måten at både strekkfasthet og 0,2% flytegrense for legeringer som inneholder fra 1,5% til 1,75% sølv i alt vesentlig er den samme som for legeringer som inneholder opp til 3% sølv. Den ønskede 0,2% minimum-f lytegrense f or legeringer av denne type er 175 N/mm 2, og man vil se av fig. 1 at mens en legering med 1% sølv og ikke noe kopper har en verdi som ligger godt under den angitte, så vil tilsetning av kopper resultere i verdier over den angitte. Kopperholdige legeringer får også en strekkfasthet på over 24 0 N/mm 2, hvilken verdi er den ønskede minimumsverdi for disse legeringer.

Effekten av koppertilsetning på mekaniske egenskaper ved

en høy temperatur (250°C) vises i tabell 1 sammen med resultatene som fåes ved romtemperatur. Ved både høye og lave temperaturer ser man at tilsetningen av kopper til legeringer med lavt sølvinnhold resulterer i egenskaper som er like gode eller bedre enn leger-

inger med høyt sølvinnhold.

Resultatene av porøsitetsforsøkene vises i nedenstående tabell 2.

Man ser av de ovenstående resultater at tilsetningen av 0,1% Cu resulterer i en markert forbedring når det gjelder "ukjølt porøsitet" og noe forbedring når det gjelder "kjølt porøsitet". Porøsitet er klassifisert ved hjelp av en vilkårlig skala, hvorved verdien øker med økende porøsitet.

Resultatene av korrosjonsprøver vises i nedenstående tabell 3. Disse prøver viser at legeringer med lavt sølvinnhold, og som inneholder kopper, har en nedsatt korrosjonshastighet. Ifølge nærværende oppfinnelse fremskaffes således legeringer med like gode egenskaper som de som hittil er kjent, mens legeringene ifølge nærværende oppfinnelse har bedre korrosjons-egenskaper.

Eksempel II

Dette eksempel skal bl.a. redegjøre for de studier som er foretatt med hensyn til de forskjellige legeringenes struktur.

Utherdingsforløpet og strukturen til vanlige magnesiumlegeringer som inneholdt opp til 3% sølv og opp til 3,5% sjeldne jordmetaller (hvorved de sistnevnte ikke omfatter yttrium eller thorium men i det minste 60 vekt-% neodym) men ingen kopper ble undersøkt. Det ble funnet at det ved utherding av støpe-legeringene først ble dannet intermediære utfellinger og deretter likevekts-utfellinger fra den overmettede løsning som ble erholdt ved støping.

Typen av utfelling for legeringer som inneholdt mindre enn 2% sølv var annerledes enn den for legeringer som inneholdt mer enn 2% sølv. De førstnevnte legeringer viser en utfellingssekvens som resulterer i en likevekts-utfelling som har en romsentrert tetragonal struktur (sekvens A); og de sistnevnte legeringer viste en helt annerledes sekvens (sekvens B), som resulterer i forskjellige intermediære forbindelser samt en likevekts-utfelling som har en lang og smal plate-lignende struktur, hvilken utfelling antas å ha formelen Mg^ (Nd2AG) .

Sekvensene (A) og (B) oppviser følgende forløp:

Det ble funnet at legeringer som oppviste utherdingsekvens B oppviste betydelig bedre mekaniske egenskaper, og da spesielt med hensyn til flytegrense, etter varmebehandling enn de legeringer som var gjenstand for sekvens A.

Dette fremgår tydelig av resultatene fra nedenstående tabell 4.og 5, som viser mekaniske egenskaper for forskjellige legeringer ved romtemperatur.

Når det blir tilsatt kobber i mengder fra 0,05% til 0,15% til legeringene, så oppviste disse sekvens B selv om sølvmengden var redusert til 1%.

Dataene som fremgår av den etterfølgende tabell 5 viser også denne tendens.

For å oppnå fullstendig utfelling er det nødvendig å holde legeringen ved en temperatur på 485°C i minst 2 timer, hvoretter det foretas kjøling og utherding ved fra 100° til 275°C i minst 1 time.

Tilsetningen av ca. 0,10% kobber reduserte solidusinter-vallet i den grad at nårstøpelegeringen ble holdt ved en temperatur over 485°C ble det erholdt en begynnende smelting, som ble etterfulgt av sprekkdannelse ved avkjøling. En slik sprekkdannelse vil bevirke at støpestykket blir helt uanvendbart for et hvert industrielt formål. Det ble imidlertid funnet at den nevnte sprekkdannelse helt kunne unngås ved tilsetningerav opp til 0,15% kobber hvis legeringen ble holdt i et temperaturområde fra 400°C til 485°C i minst 1 time før holdetemperaturen ble høyd til over 485°C.

Nærvær av kobber resulterte i forbedrede mekaniske egenskaper ikke bare ved romtemperatur men også ved 250°C, og dette fremgår da også av tabell 5.

De fleste prøver som inneholdt 0,17% kobber oppviste sprekkdannelse ved avkjøling.

Claims (6)

1. Sølvholdig magnesiumlegering med gode mekaniske egenskaper til bruk som konstruksjonsmateriale i f.eks. luftfartsindustrien, karakterisert ved at den foruten forurensninger har følgende sammensetning: hvorved maksimum-mengdene av elementene zirkonium og mangan gjen-sidig begrenser hverandre.

2. Legering ifølge krav 1, karakterisert ved at den inneholder fra 1,0 til 1,75 vekt-% sølv.

3. Legering ifølge kravene 1 eller 2, karakterisert ved at den inneholder minst 0,4 vekt-% zirkonium.

4. Legering ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at neodym tilsettes <o>som en blanding av sjeldne jordmetaller som inneholder minst 60 vekt-% neodym og ikke mer enn 25 vekt-% lanthan og cerium tilsammen.

5. Legering ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den inneholder opp til 0,1 vekt-% kopper.

6. Fremgangsmåte ved fremstilling av en magnesiumlegering ifølge kravene 1-4, karakterisert ved at legeringen i et første oppvarmingstrinn holdes ved en temperatur fra 4 00°C til 485°C i minst 1 time, hvoretter legeringen i et andre trinn holdes ved en temperatur fra 485°C til legeringens solidus-punkt i minst 2 timer, og hvoretter legeringen bråav-kjøles og deretter utherdes i minst en halv time ved en temperatur av 100°C - 275°C.