NO174633B - Magnesium-legering, fremgangsmaate ved dens fremstilling og anvendelse av legeringen - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen angår en magnesium-legering. En målsetning med oppfinnelsen er å fremskaffe en magnesiumlegering som er egnet til anvendelser ved høye temperaturer, opp til ca. 200°C. Det er ønskelig å fremskaffe en legering som har høy strekkfasthet og gode utmattings-egenskaper ikke bare ved romtemperatur, men også ved temperaturer så høye som 200°C. Samtidig må legeringen, for å være kommersielt attraktiv, være relativt billig og ikke inneholde eksotiske og kostbare legerings-tilsetninger slik som sølv og yttrium.

En videre målsetning med oppfinnelsen er å frembringe en legering som er spesielt tilpasset for bruk ved presstøping (squeeze casting), selv om den også kan benyttes ved f.eks. høytrykkstøping og gravitasjon-støping. En slik legering er meget brukbar for produksjon av bil- og fly-komponenter, spesielt komponenter med liten masse.

Presstøping er en støpeprosess hvor metall størkner under direkte påvirkning av et trykk tilstrekkelig til å forhindre dannelsen av gass- og krympe-porøsitet. Selv om denne prosessen har vært kjent i mange år, har den ikke blitt kommersielt utnyttet på grunn av mangel på brukbare legeringer. En legering i overensstemmelse med denne oppfinnelsen er særlig brukbar i en presstøpe-prosess.

Ved å ta hensyn til mikrostrukturen og ved omfattende eksperimentering og testing, har den foreliggende oppfinnelsen fremkommet.

I henhold til oppfinnelsen er det således kommet frem til en magnesium-legering som kjennetegnes ved at den inneholder følgende bestanddeler i vekt-%, bortsett fra urenheter:

11 til 25% sink,

0,5 til 5% kopper,

0,25 til 4% silisium

og eventuelt inntil 1% kalsium og/eller

0,002 til 0,005% beryllium,

idet resten utgjøres av magnesium.

Fortrinnsvis inneholder legeringen

11 til 20% sink,

0,5 til 2,0% kopper og

0,25 til 2,5% silisium.

Et videre ønskelig område for bestanddelene i en magnesium-legering i henhold til oppfinnelsen er:

11 til 15% sink,

0,8 til 1,5% kopper og

1,0 til 2,0% silisium.

En ønsket mengde kalsium er 0,3%

En spesielt ønskelig legering inneholder 12% sink, 1% kopper, 1% silisium og resten hovedsakelig magnesium, bortsett fra eventuelle tilfeldige urenheter.

I henhold til oppfinnelsen er det dessuten kommet frem til en fremgangsmåte ved fremstilling av magnesium-legeringen, og fremgangsmåten kjennetegnes ved at legeringen utsettes for varmebehandling med oppløsningsbehandling ved maksimalt 430°C i maksimalt 24 timer, vannkjøling og utherding ved maksimalt 220°C.

En anvendelse av magnesium-legeringen er presstøping, som dens egenskaper er utmerket for, og for produksjon av komponenter til biler og luftfartøyer.

Sammenliknet med legeringer i henhold til herværende oppfinnelse, har kjente legeringer som ZM61 produsert av MEL (Magnesium Elektron), inneholdende 6% sink og 1% mangan og MEL's ZCM 711 inneholdende 7% sink, 1% kopper og 1% mangan, selv om de har høy strekkfasthet og gode utmattings-egenskaper ved romtemperatur, dårlige sige-egenskaper ved høye temperaturer.

For å forbedre sige-egenskåpene ved høye temperaturer, i henhold til den foreliggende oppfinnelse, er det nødvendig at legerings-systemet danner stabile intermetalliske forbindelser ved krystall-grensene, for å forhindre glidning.

Ved å øke innholdet av sink sammenliknet med ovennevnte kjente legeringer, fremskaffes presipitat som gir grunnleggende mekanisk forsterkning og basis for dannelsen av intermetallisk magnesium/sink.

Tilsetning av kopper er gjort for å forfine krystallstrukturen og for å bevirke en uniform fordeling av fine presipitater. For mye kopper, utover det som er spesifisert for denne oppfinnelsen, resulterte i magnesium/kopper intermetalliske sammensetninger som er skadelige. Silisium adderes i overensstemmelse med denne oppfinnelse og har en meget lav oppløselighet i magnesium/silisium- forbindelser under størkning.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse ble smeiten tilberedt av rent magnesium, kopper, sink og silisium. Magnesiumet ble smeltet og kopperet addert, og deretter ble silisium addert i små knuste biter innpakket i kopperfolie.

Et plungerstempel ble brukt til å presse gjennom smeiten og ble holdt i smeiten i en periode. Smeltens temperatur ble holdt på 730°C i ca. 4 timer for å oppløse silisiumet. Sinken ble addert sist. Smeiten ble holdt under en beskyttende atmosfære av svovel-heksafluorid (SF6) og C02 hele tiden.

Før tapping ble lokket fjernet og smeiten ble avskummet og omrørt for å bringe opp den tyngre sinken fra bunnen av smeltedigelen.

I en legerings-tilberedelse i henhold til oppfinnelsen, ble en 12% sink, 1% kopper, 1% silisium støpeblokk tappet ved 700° C og størknet under et trykk på 100 MPa.

Fire andre sammensetninger ble tilberedt og støpt som sylindriske støpeblokker som følger.

1. 15% sink, 1% kopper, 1% silisium - tetthet 1,986 g/cm<3>

2. 12% sink, 1% kopper, 1% silisium - tetthet 1,93 6 g/cm<3>

3. 9% sink, 1% kopper, 1% silisium - tetthet 1,890 g/cm<3>

4. 6% sink, 1% kopper, 1% silisium - tetthet 1,840 g/cm<3>

Under støpingen av legering nr.1.ovenfor, på grunn av det høyere sink-innholdet og derav lavere størkningstemperatur, ble en lavere tappetemperatur, 650°C, brukt.

Por å fastslå en mulig effekt av tappetemperaturen og/eller avkjølingshastigheten fra avslutning av oppvarmingen til oppnådd tappetemperatur på dannelsen av Mg2Si, ble legering nr.2 forberedt og støpt ved 650°C.

Dette gjorde det mulig å fastslå at med en lavere tappetemperatur, forandres dannelsen av Mg2Si fra en fin-armet "kinesisk skrift" i tilfellet med høy tappetemperatur, til en mer klumpete, kantete struktur i tilfellet med en lavere tappetemperatur.

Legering nr.3 ble forberedt og støpt med en tappetemperatur på 680-690°C. I mikrostrukturen til det resulterende støpegods fins en kombinert kantete og "kinesisk skrift" Mg2Si struktur, men mengden av Mg2Si er meget liten.

En annen legering ble forberedt lik legering nr.2 ovenfor, men med tillegg av 0,3% kalsium.

De fremstilte legeringene ble så testet på den konvensjonelle måten for sigemotstand og strekkegenskaper.

Test-resultåtene er vist i tabell 1 - 8, i hvilke sammenset-ningen av legeringene er angitt med de prosentvise andeler av sink, kopper, silisium og kalsium, i nevnte rekkefølge (kalsium angitt med "+0,3", dvs. 0,3 %).

Tabell 1 indikerer tiden for å oppnå en sigedeformasjon fra 0,1 til 0,5% under en belastning på 100 MPa ved en temperatur på 150°C.

Tabell 2 er en tilsvarende tabell for en belastning på 50 MPa ved 180°C. Tabellene 3 og 4 illustrerer strekkegenskapene ved romtemperatur og ved 180°C. Tabell 5 sammenlikner strekkegenskapene til en legering nr. 2 med og uten innhold av 0,3% kalsium.

Tabellene 6 og 7 sammenlikner antall cykler til brudd ved en bestemt belastning for de 5 legeringene, henholdsvis ved romtemperatur og ved 180°C.

Tabell 8 er en tabell med sigedata for en foretrukket legering, det vil si en med 12% sink, 1% kopper, 1% silisium og resten magnesium.

Der hvor det mangler resultater, for eksempel for legering nr. 4 som er brukt for å sammenlikne legeringer i henhold til oppfinnelsen med en legering som er klart utenfor rammene for oppfinnelsen, skyldes dette at intet målbart resultat er oppnåelig. For eksempel nådde legering nr. 4 en 0,1% sige-def ormas jon på en tid som var for liten til å bli målt, hvilket faktisk indikerer at dens sigeegenskaper ved 150°C under 100 MPa belastning er så dårlige at legeringen ikke har noen verdi for bruk ved for eksempel presstøping.

Alle legeringene produsert i overensstemmelse med denne oppfinnelsen blir varmebehandlet før bruk, og varmebehand-lingen bør omfatte oppløsningsbehandling ved maksimum 380°C i 24 timer, vannkjøling og utherding ved 185°C i 10 timer. Utherdingen kan utføres ved opptil ca. 220°C med en reduksjon i tid til f.eks. 4 timer. Legeringer i overensstemmelse med oppfinnelsen er lette å smelte og støpe, og kan produseres under en SF5-atmosfære i luft, mens tidligere kjente legeringer krevde bruk av SF6 i C02.

Videre er ingen krystall-forfining nødvendig for legeringer i henhold til oppfinnelsen, fordi legeringene har en veldig liten krystallstørrelse. Ved presstøping resulterer legeringen ikke i dannelse av porøsitet eller hulrom.

Claims (8)

1. Magnesium-legering, karakterisert ved at den inneholder følgende bestanddeler i vekt-%, bortsett fra urenheter: 11 til 25% sink, 0,5 til 5% kopper, 0,25 til 4% silisium og eventuelt inntil 1% kalsium og/eller 0,002 til 0,005% beryllium, idet resten utgjøres av magnesium.

2. Magnesium-legering i henhold til krav 1, karakterisert ved at den inneholder 11 til 20% sink, 0,5 til 2,0% kopper og 0,25 til 2,5% silisium.

3. Magnesium-legering i henhold til krav 1, karakterisert ved at den inneholder 11 til 15% sink, 0,8 til 1,5% kopper og 1,0 til 2,0% silisium.

4. Magnesium-legering i henhold til krav 1, karakterisert ved at den inneholder 0,3% kalsium.

5. Magnesium-legering i henhold til krav 1, karakterisert ved at den inneholder 12% sink, 1% kopper og 1% silisium og resten hovedsakelig magnesium.

6. Fremgangsmåte ved fremstilling av en magnesium-legering, karakterisert ved at legeringen, som inneholder følgende bestanddeler i vekt-%, bortsett fra urenheter: 11 til 25% sink, 0,5 til 5% kopper, 0,25 til 4% silisium og eventuelt inntil 1% kalsium og/eller 0,002 til 0,005% beryllium, idet resten utgjøres av magnesium, utsettes for varmebehandling med oppløsningsbehandling ved maksimalt 430°C i maksimalt 24 timer, vannkjøling og utherding ved maksimalt 220°C.

7. Anvendelse av magnesium-legering som inneholder følgende bestanddeler i vekt-%, bortsett fra urenheter: 11 til 25% sink, 0,5 til 5% kopper, 0,25 til 4% silisium og eventuelt inntil 1% kalsium og/eller 0,002 til 0,005% beryllium, idet resten utgjøres av magnesium, ved presstøping.

8. Anvendelse av magnesium-legering i henhold til krav 7 for produksjon av komponenter til biler og luftfartøyer.