TW493010B - Beryllium-containing alloys of aluminum and semi-solid processing of such alloys - Google Patents

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Description

493010 A7 _ B7 五、發明説明（1 ) 本發明係1 9 9 1年1 0月2曰申請之申請案第0 7 /770 ，187號之連續申請案一 1993年11月 23曰申請之08/156，356 —之部分連續申請案 發明背景 發明範疇 本發明有關一種鈹及鋁之合金。詳言之，本發明描述 一種製造含鈹之鋁合金之方法，及將彼者形成有用之結構 產物的方法。 先前技藝簡述 鋁及鈹之合金係技藝界已知者。例如，Cooper*專利第 1 ’ 254，987號描述一種添加鋁於鈹中以改善機械 加工性之方法。Fenn專利第3，337，334號揭示並 申請一種 Lookalloy商品（Lockheed 及 Berylco於 1 9 6 0 所發展）’其包含鋁基本金屬及62重量百分比之鈹。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
Lockalloy製成板狀並併入Y F 1 2實驗航空器之腹 部直尾翅中(Duba, YF-12 Locka1lov Ventral Fin
Prog,,ram, Final Report, NASA CR- 1 449 7 1, 1 9 76 ) ° $ 用Locka 1 loy後，由含6 2重量百分比之鈹之預先合金鋁 所製之輥軋合金得到徹底之數據。例如，參照London，合 金與複—合杜’鈹科學技藝，第2冊，Plenum Press，紐 約（1 9 7 9 )。 本紙張尺度適用中國國^$ ( CNS ) A4規格（210X297公釐） "~ -4 - 493010 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（2 ) 該文獻中記錄於鋁-鈹合金中添加第二次及第三次元 素。包括添加鎂，矽，鎳或銀，以製造如Me Carthy專利 第3 ，664，889號所述之鋁與鈹之三元及四元合金 。此類合金由迅速固化之合金粉製得，藉習用方式共同固 化且加工。蘇聯對三元及更高元鋁-鈹合金之研究之各種 記載有 Molchanova, Phase Equilibria in the Al-Be-Ni System at 6 0 0 Deg. C, Vest. Mo s k. U n i v. Khim., Vο 1. 27(3)，pages 2 6 6 - 2 7 1 ( 1 9 8 6 ); Komarov, Increasing the Strength of Welded Joints in an A1 -Be-Mg Alloy bv Heat Treatment. Weld. Prod. , V ο 1 . 26(1)， pages 32-33 (1979); Kolachev, Constructional Allovs of Aluminum Bervllium and Magnesium. Metal loved. Term. Obrab. Metal. Vο 1. 13， pages 196-249 (1980); Nagorskaya, Crystallization in A1 -Be-Mg-Zn Quaternary System Allovs· Metal loved. Term. Obrab. Metal. , Vο 1. 9， pages 72-72 (1973)。 富含鋁之合金內一般添加微量鈹，防止鋁及其他合金 組份於加工步驟中（如熔融及澆注）氧化。主要實例係 Brush Wellman Inc.，Elmore, Ohio製造並分配含 1 0 百 分比或較少鈹之富含鋁之母合金，以藉散佈法加工。下游 鋁產物中之殘留鈹濃度較佳低於0 . 0 1百分比。 最通行之鋁-鈹相圖顯示基本上無終端，任一端之固 體溶解度之簡單共熔體。此種由Murray,絕-鈹系統，二 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 一 5 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· 、訂 .感， 493010 A7 ____B7 五、發明説明（3 ) 元鈹合金之相圖，合成相圖之A SM國際論文，第9頁（ 1 9 8 7 )所選擇之Ap — B e相圖於本發明中以圖1表 示0
Brush Well man對含有約1 〇至7 5重量百分比之鈹 之銘合金進彳了徹底研究。參照Hashiguchi，航空太空應用 t鋁鈹合金，歐洲太空機構結構材料會議，阿姆斯特丹（ 1992年3月）。研究顯示約62重量百分比之鈹之鋁 合金約有7 0體積百分比之皴，而含5 0重量百分比之皴 之合金約有5 9體積百分比之鈹。亦發現該系統中合金組 成物之密度及彈性係數遵守混合物規則，即，通常可於純 鈹與純鋁之個別性質間內插合金性質。
Brush Wellman’s Elmore機構之研究結果顯示可製造 大型鑄錠及預先合金化之粉化細粒，其微結構顯示於鋁基 質中包含鈹之金屬複合材料。目前，Brush Wellman售有 此類合金之擠塑物及碎塊，商標爲Aj B eMe tTM。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 目前已知製造含鈹之以鋁爲基質的合金之方法需要完 全熔融鋁及鈹原料。鋁及鈹金屬進料於內襯有耐火材料之 槽中，於真空下及充分高於1 2 8 0°C (鈹之熔點）之溫 度下液化。該金屬通常鑄成錠塊或以惰氣霧化成預製合金 粉。因爲此種高溫治金法相當昂貴，故證明需要一種較不 需機械加工以降低廢屑損失之低溫法。
Brush Wellman已藉兩種代用途徑將 A芡B e M e t TM加工成可用之組件。兩法皆需要於一般 介於約1 3 5 0至約1 4 5 0°C間之溫度下，於襯有陶瓷 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) ' -6 - 493010 附件 第84101742號專利申請案 1文說:明 !ψ \^Β 民國87年11月修正 η ' ·%> >Γ, 部 中 -Λ il ·；/ί Λ 火坩堝中，真空熔融鋁及鈹原料。第一種代用法中，液態 鋁一鈹熔體倒經耐火材料噴嘴，製得被高速惰性噴注攔截 之流體。氣體噴注將液流分成細小顆粒，其固化成預製合 金粉末。包含粉末預製合金之個別顆粒具有極細之由位於 鋁合金基質間之鈹相所組成之樹枝狀微結構。預製合金粉 末藉冷等力加壓，熱等力加壓ι或擠塑而凝固成粗略形狀， 並機械加工成可用之成品。 第二種將Aj^BeMet ΤΜ加工成組件之代用法係鑄 錠操作，其中熔融鋁一鈹倒入石墨模穴中，冷卻成固體錠 塊，其有六英吋直徑。此鑄塊之微結構係相當粗大，位於 鋁合金基質間之樹枝狀鈹相。取出並剝下鑄塊表面及熱頂 ，該錠塊再藉軋製，擠塑或機械加工成最後成品形狀。 此類代用法皆相當昂貴，澉需要較便宜之淨成型法。 習用之金屬半固體加工或趨流-成型法係利用在冷卻期間 連續且劇烈地攪拌經加熱液化之金屬而得到低表觀粘度之 便。此類技術一般描述於Brown, Net-Shape Forming Via Semi-Solid Processing. Advanced Materials & Processes 第 327 — 338 頁（1993 年 1 月）中。 目前使用各式各樣詞句描述金屬半固體加工形成有用物件 之方法，包括流鑄，漿鑄，趨流煅造及半固體煅造。該用 詞各具有半固體加工步驟或所用裝置種類之多樣性。 半固體加工藉加熱金屬或諸金屬至高於其液相線溫度 形成熔融金屬或合金而起始。使用技藝界中已知之各式各 本紙张尺度適州中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X 297公釐） (¾先閱讀背面之注意事項再¾¾本頁) Ί 一 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 493010 A7 B7 五、發明説明（5 ) 樣方法，於液化金屬中導入剪力，緩緩冷卻，於原位形成 分散於熔體中之等軸顆粒。此情況下，據說金屬處於”趨 流"或半固體漿液狀態。趨流漿液特性係非樹枝狀之微結 構，且可相當容易地藉大量製造設備操作，使程序自動化 並精確控制，同時增加鑄料之產能。參照，半固體金屬鑄 造及鍛浩，金屬手冊，第9版，第15冊，第327 — 338 頁（1988)。 半固體金屬槳液之非樹枝狀微結構述於代表技藝狀態 之Flemings專利第3，902，544中。所述方法針對 於於緩慢冷卻期間劇烈對流，達到產生非樹枝狀微結構之 等軸顆粒分散物。亦參照，Flemings，金屬合金於半固熊 之行爲，治金會報，第22A冊，第957 - 981頁（ 19 9 1)° 本揭示之前之公開文獻已針對於使用高溫剪切變形及 破壞樹枝狀生長結構所需之力之大小。已發現半固體合金 視剪切速率顯示數百，甚至數仟泊之粘度（Kenney，半固 體金屬鑄造及鑄造，金屬手冊，第9版，第15冊，第 3 2 7頁（1 9 8 8 ))，而連續冷卻時所測量之半固體 漿液粘度之強函數——所測粘度隨剪切速率之增加而降低 ° Flemings，金屬合金於半固態之行爲，ASM News，第4 —5 頁（1991 年 9 月）。 之後有數種針對於發展攪拌液化金屬而於半固體漿液 中達到粗球或細晶粒微結構之不同方式的工業法。已發展 兩種一般研究——（1 )流鑄法，其中與個別混煉器中製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） " (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一裝· 、·ιτ 493010 A7 B7 五、發明説明（6 ) 造漿液並輸送至模具中，及（2 )半固體煅造’其於裝有 混煉器之模具中鑄造小坯，直接於模具中產生球狀微結構 〇
Winter專利第4，2 2 9 ，2 1 0號揭示一當於個別 混煉器中以電動力冷卻金屬時，誘導湍適移動之方法；而 Winter專利第 4，434，837 及 4，457，355 號揭示一種裝有磁流體動力攪拌器之模具。 已發展各式各樣於冷卻金屬中誘導剪力而攪拌或攪動 形成半固體漿液之方法。例如，Young專利第 4，4 8 2，0 1 2 號，Dantzig專利第 4，607，682號及八311〇1^專利第 4，642，146號描述一種於液化金屬中產生必要剪 力之電磁攪拌裝置。產生剪切速率之機械攪拌亦述於 1^111^7專利第4，771，818號，63匕&1:1111161'專利第 5 ’ 1 8 6 ，2 3 6號及Col lot專利第 4，510，987 號中。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 目前已知之半固體加工技術難以應用於含鈹之鋁合金 ’因爲預製合金材料需於負真空壓力下之極高溫趨流加工 。該高溫需超過鈹熔點（1280 °C)。 本說明書描述前述製造含鈹之銘合金所遭遇之問題的 解答，並揭示金屬合金半固體加工之改良法。 發明目的 本發明目的係提供一種以鋁爲基質之實用合金，其藉 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) M規格（210X297公釐） -9 一 493010 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（7 ) 改良式半固體加工法添加介於1至9 9重量百分比之鈹。 本發明另一個目的是提供以鋁爲基質之實用合金，其 藉改良式半固體加工法添加較佳介於5至8 0重量百分比 間之鈹。 另一個目的提供一種半固體加工法，其不需加熱至諸 如鈹等特定金屬所必要之極高液相線溫度。 另一個目的提供一種鋁-鈹合金之近淨型加工法，其 不需高溫真空熔融。 另一個目的提供一種鋁鈹合金之近淨型加工法，其於 低溫下使用非反應性氮毯保護鈹相防止氧化。 另一個目的提供一種半固體加工法，其不需加入剪力 〇 本發明另一個目的提供一種改良式鋁合金半固體法， 其使用5至8 0重量百分比之鈹粉，而不需完全液態金屬 加工。 另一個目的提供一種可使用明顯量之鈹形成精密淨型 鋁組份之方法。 另一個目的提供一種製造以鋁爲基質之合金之精密零 件之技術，該合金包含介於5至8 0重量百分比間之鈹。 熟習知技藝者總覽以下揭示後即可明瞭本發明其他目 的。 發明簡述 本發明包括一種提供含鈹之實用鋁合金之方法及製造 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、-5口 Γ
本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2⑴X297公釐） 10 493010 A7 B7 五、發明説明（8 ) 含明顯量鈹之淨型鋁-鈹組件之裝置。本發明所用之〜淨 型"描述極接近其最終形式之組件，即，於最終應前僅需 極少量之進一步機械加工的精密鑄造。 本揭示亦描述一種分散於液體或粉狀鋁中之固態鈹顆 粒之新穎用途，其係製造半固體加工用之含鈹之鋁合金。 本發明申請之合金（及對應零件）密度低於其他已知鋁合 金，彈性係數則接近鈹。該係數隨著鈹含量而增加，當鋁 量1仟萬P s i且鈹量4仟4百萬p s i時，接近線性組 合。 本發明合金可藉習用錠塊治金法或已知霧化技術製得 。然而，此處所述方法可於極度低溫下更簡便地組合液態 或固態之鋁與固態微粒鈹。添加固態鈹粒而於特定低溫下 產生所需混合物及於液態或粉狀鋁中之適當分散物，係本 揭示獨家描述且申請者。下表列出各種本發明所製含鈹之 鋁合金之性質。 1:4—— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、言
經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -11 - 493010 A7 B7 五、發明説明（9 )
表I 含鈹之鋁合金性質對照
Be 密度 係數 E/Rh 0 CTE (Wt%)(lb/in3) (MSI ) (in X 1 Ο6) (i η / i η /°F X 10 0 0.097 10. 0 102. 6 13 .1 5 0.095 12. 4 130. 5 1 2 .6 10 0.093 14. 7 158. 3 12 .2 15 0.091 17. 0 186. 2 11 .7 20 0.089 19. 1 214. 0 11 .3 25 0.087 21. 1 241 . 9 10 .9 30 0.086 23. 1 2 6 9. 7 10 .5 35 0.084 25. 0 2 9 7. 6 10 .2 40 0.082 26. 8 3 2 5. 4 9 .8 45 0.081 28. 5 3 5 3. 3 9 .5 5 0 0.079 30. 2 381 . 1 9 .1 62 0.076 33. 9 448. 0 8 .4 70 0.074 36. 3 4 9 2. 5 7 .9 80 0.071 39. 0 5 48. 2 7 .4 90 0.069 41 · 6 6 0 3. 9 6 .9 100 0.067 44. 0 6 5 9. 7 6 .4 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 因爲原枓是兩種粉末之混合物，而該二粉末並無於方口 工期間分離之表觀傾向，故本發明方法製得含1至9 9重 量百分比鈹及餘額鋁之合金組成物。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 12 - 493010 A7 B7 五、發明説明（10 ) 市面上需要彈性係數更高且密度較低之以鋁爲基質之 合金。如表I所示，得到由一終端鋁合金至另一端鈹之連 續性質變化。例如，與鋁合金基質比較時，增加5百分比 之鈹，約產生高2 5百分比之係數。 其中一個實例中，較佳由液體鈹經霧化法製得之球型 鈹粉與粉狀，片狀或其他粗略形狀之鋁混合。下列實例中 ，有些採用熟習此技藝者熟知之惰氣霧化法，製得球型鈹 粉。本發明揭示之半固體加工法較佳使用霧化鈹，因爲球 形顆粒改善成型時之流動性，亦較不易磨蝕所用設備之表 面。 其他製造鈹粉之方法述於不純物相分佈，鈹科學技術 ，第1冊，第182 — 184頁（1979)，在此供作 參考。磨細之鈹亦可與球形鈹粉一起使用，或充作彼之添 加劑。磨細之鈹一般經由熟習此技藝者所熟知之衝撃研磨 法（諸如冷流法（Coldstream process))製得。技藝界 存有此類及其他粉碎鈹粉之標準方法。參照Marder，P / Μ輕質金屬，金屬手冊，第9版，第7冊，第755 — 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 7 6 3 頁（1 9 8 4 ) ; Stonehouse，I，A S Μ 國際金 屬手冊，第10版，第2冊，第683 — 687頁（ 1 9 9 0 )及Ferrra，岩片鈹粉製法，大英國協原子能局 章程，第 2 冊，JOWOG22/M20 (1984)， 在此供作參考。所有情況下之鈹原料皆由Brush Wei 1 man 提供。 工業純度之鋁及鋁合金粉係加州Stockton之Val i met 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -13 - 493010 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（11 ) 公司所售。適於本發明方法加工之特定以鋁爲基質之合金 包括美國金屬公會之鋁合金第1 1 〇〇，1 300， 2024，5056，6061 ，A356 及 A357 號 ’其組成列於Boyer-Gai 1，鋁合金，ASM國際金屬手冊 ，1 985編輯版，表2，第6 — 24及6 - 25頁，及 表3，第6 — 5 5頁，該頁皆供作本發明參考。 較佳實例中，球型鈹粉與片狀固體鋁之混合物加熱至 僅有鋁組份熔融之溫度（一般高於6 4 0 °C )。產生鈹顆 粒於液體鋁中之懸浮液。不需升高到極高溫度即可得到鋁 與鈹之半固體漿液，而不需於熔融液態金屬中導入外來剪 力即可達到非樹枝狀鈹相微結構。此法可於保護性氣氛， 一般爲真空環境或非反應性氣體（諸如氬，氮或氦）中連 續進行。 圖2爲顯示於約7 0 4°C真空熱壓鋁合金粉及等軸鈹 粉所製之鋁一鈹合金之所需，非樹枝狀微結構之顯微相片 。具有圖2結構之合金可用於需固化製造組件之直接工程 應用中。亦可進行習用金屬加工，包括後續軋壓，煅造或 擠塑。 具圖2結構之合金亦可充作半固體加工製造淨型零件 之先質。圖3係顯示鋁-鈹合金經改良式半固體加工後之 較佳結構的顯微相片。圖3微結構同於圖2。此種改良式 半固體法不包括於固化前加入任何剪力。結構同於圖3之 趨流性混合物使用經適當改良之擠塑或模鑄設備注射或模 塑。此法一般於同於塑料模注之裝置中進行。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一裝- 、訂 —14 — 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 493010 A7 B7 五、發明説明（l2 ) 習用半固體加工法分成兩個主要操作一一（1 )發展 原始微結構所需之原料製備步驟及（2 )半固體成型步驟 。與已知半固體加工法不同地，本發明所揭示之方法不需 要原料製備步驟，因爲使用兩種加熱至高於單一組份固液 相溫度之粉狀組份可立即且自動地達到適當微結構。 鈹於鋁中或鋁於鈹中之終端溶解度極小。因此，欲藉 本發明半固體法趨流形成之材料的加工溫度保持低於鋁鈹 合金之液相線溫度。故可使用由較不複雜且相當便宜之工 程材料所製造之設備，而不需承受熔融鈹所需之極高溫度 (高於1 2 8 0 °C )。所選擇之加工溫度視漿液中固體材 料之體積比例而定。漿液中固體淨用量由添加之固體鈹量 加上部分熔融鋁組份之固體部分（若存在）而定。此種新 觀念容許於一般鋁製品所用之低溫下淨型半固體加工鋁-鈹合金。 有兩種眾所皆知之對半固體成型之研究--（1 )趨 流煅造，其中合金操作片藉於密閉模中擠壓或藉柱塞擠入 永久模穴中而成型，及（2 )趨流鑄造，其中半固體金屬 藉旋轉螺絲鑽進料程輸送至永久模穴中。兩法皆可與本發 明相容，如下列實例所述。 附圖簡述 圖1係最近鋁一鈹相圖。 圖2係說明本發明所製鋁鈹合金之鈹相中等軸形態的 顯微相片。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
-15 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 493010 A7 B7 五、發明説明（13 ) 圖3係顯示鋁-鈹合金於改良式半固體加工後之等軸 鈹形態殘留性的顯微相片。結構同於圖2。 圖4說明包含本發明鋁-鈹合金之讀/寫頭組件。 圖5顯示圖4組件之淨型，單引動臂。作用於該臂上 之力以向量表示。 發明詳述 進行下列實例，製得含額外鈹之鋁合金淨型。此種鋁 -鈹合金使用原位冷凍法或密閉模煅造法而由半固態製成 近淨型。實例清楚地證明添加固態鈹之以鋁爲基質之合金 的趨流成型極簡便，不需外加剪力。 開始試驗前即裝置所有環境健康及安全設備，包括補 充之HEP A VAC通風設備。試驗及最後清潔操作期間皆定期 取出空氣計數。所有工作人員於試驗期間皆穿戴適當之空 氣濾罩及衣物。其他安全細節購自俄亥俄州之C1 eve land 之Brush Wellman工業公司。 堤梭士模塑（Thixomolding)係美國專利第 4，694，881，4，694，882 及 5 ’ 040，589所大體描述之半固體模塑法。每項專 利皆供作本發明參考。如本發明說明書之背景部分所陳述 ’現存技藝需於實質液化金屬中施加剪力，產生必要之非 樹枝狀微結構。堤梭士模塑法所用之裝置就下述試驗改良 ’但不進行需於液相線金屬中施加剪力以產生非樹枝狀微 結構之堤梭士模塑步驟。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) i裝· 訂 -16 - 493010 A7 B7 五、發明説明（14 ) 實施例1 — B ej金之半固體法所用夕原料 可使用市售純鋁以外之以鋁爲基質之合金提供製造本 發明鋁一鈹合金所用之熔融相。亦可充作本發明改良式趨 流法之先質。基於與鈹之相容性而選擇鋁合金。此種相容 性之一般特性是不含會於半固體加工法所用之相當低溫下 與鈹形成脆弱或有害之金屬間化合物之元素。 有數種候選合金符合該相容性之要求，包括美國金屬 公會鋁合金第 1100，1300，2024，5056 ，6061 ，A356 及 A357 號。參照 Boyer，鋁合 金_，ASM國際金屬手冊，編輯版，第6 — 24，6 — 25及6 — 55頁（1985)。此類合金之組成列於表 I I 〇
表I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 選擇之鋁合金之公涌組成 合金 AA No. 元素 Si Mg Cu — Cr 1100 0.12 6 0 6 1 0. 6 1.0 0,3 0. 2 5 0 5 6 5. 0 — 0. 1 1350 — — — A356 7. 0 0. 3 一一 -- A357 7. 0 0.5 __ —— 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 一 17 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 493010 A7 ___B7 五、發明説明（15 ) 例如，粉狀鋁合金第6 0 6 1號（肯塔基州 Louisville 之 Reynolds 銘公司所售）與Brush Wellman 所 提供之衝磨，等軸鈹粉混合。形成之混合物於高於合金 6 0 6 1之固液線但大幅低於鈹熔點之溫度（約6 4 5 °C )下熱等壓壓製。 形成之材料（例如）充作改良式堤梭式法之輸入，產 生精密零件。此原料所用之加工溫度介於6 4 5 °C及 7 0 0 °C間，故僅有鋁熔融。 如表I I所示，鋁合金第606 1號含有鎂，銅及鉻 ，各於習用，完全熔融加工中所需之高溫下加工時形成有 害之敍金屬間化合物。Ashurst, Structure and Properties of I/M A1 Be Allovs· ASM-Sponsored Aeromat, Long Beach, California (May 1991)此種用於 得到液狀富含鋁相之相當低之加工溫度避免形成有害之化 合物，且容許較大合金能力範圍。 實施例2 習用加工先質之製備 本發明改良式半固體加工法可用於製造額外，習用治 金法所用之先質材料。鋁粉或諸如合金6 0 6 1等以銘爲 基質之合金與鈹混合，於高於鋁合金固液線且低於鈹熔點 (如實例1所示）之溫度範圍內真空熱壓。此種半固體凝 固步驟之產物係密閉模煅造淨型組件所用之小坯型。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） '' -18 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
493010 A7 B7 五、發明説明（16 ) 亦使用開模煅造，視製法之經濟性而定。該組件之煅 造於低於鋁合金固液線溫度下進行，產生經習用加工，淨 型經精修零件。 實施例3 生固體加工先晳夕製備 本發明改良式半固體加工法亦可用於製造半固體加工 用之先質材料。混合鋁粉或諸如合金6 0 6 1等以鋁爲基 質之合金和鈹，並於高於鋁合金固液線且低於鈹熔點之溫 度範圍中真空熱壓，如實例1及2所示。 此半固體凝固步驟產生密閉模煅造淨型組件所用之小 坯。此類組件較佳於高於鋁合金固液線之溫度範圍中煅造 ’產生經半固體加工，淨型經精修零件。然而，應注意此 最終煅造步驟之溫度可高或低於鋁合金液相線，調整最終 步驟中固體材料之總比例。固體總比例除鋁合金固體貢獻 (若存在）以外亦包含鈹比例。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 實施例4
Ufl模煅造所用先質材料之製備 圖2係顯示本發明於介於6 4 5 °C及7 0 0。(：間之溫 度下真空熱壓鋁粉及等軸鈹粉所製之鋁-鈹合金之所需非 樹枝狀微結構之顯微相片。凝固前不需剪力（諸如攪拌） 即可得到該非樹枝狀結構。圖2所示之結構可用於需原位 凝固製造組件之工程應用中。亦可進行習用金屬加工，包 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇χ297公釐） -19 - 493010 A7 B7 五、發明説明（17 ) 括後續軋壓，煅造或擠塑。 圖2所示之非樹枝狀微結構於真空熱壓市售純鋁粉及 粉狀鈹後，於原位固化之4 0百分比鈹之鋁合金中得到。 i呂粉購自肯塔基州之Louisville之Reynolds銘公司，而粉 狀鈹購自麻薩諸塞州之West Concord之核金屬工業公司。 6 0重量百分比市售純鋁粉（一 4 0 0目）及4 〇重 量百分比粉化鈹（一 5 0目）之粉狀混合物於7 0 4 °C真 空中加熱，施壓壓實該半固態物質。因爲於整個過程中， 第二相（鈹）皆保持固相，故不需施加剪力即可達到非樹 枝狀結構。 或者，該粉末可於低於鋁固液線之溫度（約6 4 5 °C )凝固，而不熔融鋁。低於固液線凝固所得之非樹枝狀結 構類似圖2所示之微結構。其合金充作半固態加工之先質 ，如同下例所述。 實施例5 密閉模煅浩 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖2所示結構亦可充作半固態加工之先質，產生淨型 零件。圖3係顯示鋁-鈹合金半固態加工後之所需結構之 顯微相片。此法不包括任何於凝固前之剪切加工。結構類 似圖3之趨流混合物使用經適當改良之擠塑或模鑄設備注 射或模塑。此類方法一般於同於塑料注模所用者之裝置中 進行。 圖3顯示即使於半固態煅造後，實例4所述技術製得 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -20 - 493010 A7 B7 五、發明説明（18 ) 之鋁-鈹合金仍保持非樹枝狀微結構。如同實例4之方法 ，半固態煅造不需外來剪力。 固態A 1 — B e小坯由藉如實例4所述之技術製得之 先質機械加工製得。詳言之’本例所用先質藉於低鋁固液 線之6 2 1°C凝固40重量百分比之粉化鈹（一 3 2 5目 )和6 0重量百分比之市售純鋁粉（一 4 0 0目）之摻合 物而製得。粉化鈹購自Bursh Wei 1 man，而純鋁粉則得自 Reynolds銘公司。 該小坯接著於爐中加熱至半固態區（約7 0 4 °C )。 經預熱之小坯使用火鉗送入模具中，並注入密閉模穴中， 使之固化。圖3說明注射/煅造程序後形成之微結構。因 爲鈹於全部加工過程中皆保持固態，故額外加工不改變鈹 相之大小及形狀。亦使用本例所述方法煅造含有較薄區段 之零件，但改以爲薄區段所設計之模具。 實施例6 藉鑄造製備先質材料之方法 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 等軸鈹添加於熔融鋁中，使用鋁助焊劑防止氧化。於 鋁熔體中添加高達4 0重量百分比之鈹。熔體於原位固化 。因爲添加等軸形狀且不改變形狀之固態鈹，故不需剪力 即可形成非樹枝狀結構。 所得結構可用於需原位固化製造組件之工程應用中。 亦可進行習用金屬加工，包括後續軋壓，煅造或擠塑。所 得結構亦可充作半固體加工之先質，製造淨型零件。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐1 -21 - 493010 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7____ 五、發明説明（19 ) 實施例7 鋁合金之半固態加工法 此例說明使用混合粉末經改良式半固態加工’之後熱 等壓壓製達完全密度，並以習用煅造界定形狀製造組件之 方法。 鋁粉與4 0重量百分比鈹粉混合，置入真空熱壓模中 。之後於約6 50 °C及lOOOps i壓力下進行真空熱 壓達到理論值之9 5百分比（5百分比孔隙度）之密度。 小坯置入15ks i及約660 °C之熱等壓壓機中’ 達到完全密度。形成之零件於完全固體之溫度（例如，約 6 0 0 °C )下煅造，機械加工成具有類似表I所列性質之 最終組件。 亦可於混合粉末經改良式半固態加工後熱等壓及半固 態煅造達完全密度並界定形狀，而製得零件。於約 6 5 0 °C及1 0 0 0 p s i下真空熱壓增加密度至理論值 之9 5百分比（5百分比孔隙度）。該小坯於約7 0 4 °C 下於半固體狀態下煅造成近淨型，性質同於表I所列者。 藉真空熱壓，熱等壓壓製成或其他粉末凝固法製得之 含鈹之鋁合金預成型物再於後續半固體加工操作中進一步 加工，包括趨流煅造，趨流鑄造及趨流（半固態）擠塑。 實施例8 對照試驗完全固態法 ( CNS ) A4^ ( 210X297^ ) ¾-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂
-22 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 493010 A7 ______ B7 五、發明説明（20 ) 首先，熔融元素鋁與鈹之組合物，形成Aj? B e粉末 ，於完全固態法中熱軋。另一個方法中，組合鈹粉和個別 形成之銘粉，並於完全固態法中熱軋。兩法中皆使用銘合 金第1 1 0 0號與2 0重量百分比之鈹粉一起使用，經擠 塑且後績軋壓成板。於初軋及釋除應力之狀態下進行張力 試驗。數據與預先合金，粉化（與元素態摻合者不同）粉 末來源材料之性質於兩個熱處理條件下作比較。結果列於 下表I I I 。
表I I I i_呂-鈹合金之杭張強度 加工係數 條件 Y. S. U. T. S. E1ong. (MSI ) (HT) (KSI ) (KSI ) (%) 粉化 初軋 25. 5 31.3 14. 8 14.8 11.6 釋除應力 18. 2 25. 7 11.6 粉末 初軋 18. 5 20.2 3. 6 11.6 摻合 釋除應力 10. 0 17. 9 14. 9 元素摻和粉末板之強度基本上低於預先合金，粉彳匕之 粉末板。元素摻和材料之彈性係數值顯然低於預先合金， 粉化之材料。證明不使用半固態加工步驟時，藉混合元素 粉末無法達到該材料所需之性質。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
-23 - 493010 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（21 ) 此實例證明簡單地摻和鋁及鈹粉，之後凝固並軋壓， 並不足以得到所需性質。故需要本發明改良式半固態法。 實施例9 可用之結構產物_ 本發明合金所製成品之非限制實例有磁碟驅動器用之 引動臂，輪機葉，航空電子箱及航空器外殻。 圖4及5顯示具有鏜孔以繞著磁碟驅動器軸旋轉使其 頭部位置徑向跨經該盤之引動器之可旋轉臂組，其中臂組 係一個基本上由包含約1至約9 9重量百分比鈹且餘者爲 鋁組份之含鈹之鋁合金所組成之單元。 尤其’圖4說明引動臂14裝置多個頭部12之硬碟 驅動器所用之讀/寫組件。頭1 2及引動臂1 4組合於引 動軸1 6上，其藉線圈1 8與置於磁鐵外殼2 2中之磁鐵 2 0間之交互作用而旋轉。引動臂1 4於靜止時係以彈簧 固定於磁碟上。磁碟旋轉時，頭1 2下方發展空氣壓力， 使其略微向上舉起高於磁碟。 引動臂1 4接受垂直力2 4及斜角力2 6 ，如圖5所 示。引動臂1 4應有充分剛性，使垂直振動之振幅減至最 小，並避免損傷引動臂1 4上方及下方之磁碟。相同地， 引動臂1 4應具充分剛性，使側向振動之振幅減至最小， 而於磁碟適當位址上提供更快速之讀寫反應時間。疊層材 料可使撓曲減至最少，基本上係垂直方向者。本發明所製 之鋁鈹合金之鈹相中之等軸形態可垂直及側向之撓曲同時 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、言
本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 一 24 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 493010 A7 B7 五、發明説明（22 ) 減至最少。 閱畢本揭示後可明瞭本發明之各種改良及代用法。而 此種變化及增加皆包括於如下列申請專利範圍所定義之本 發明範疇及精神內。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

  1. 493010
    公告 六、申請專利範圍 附件一 A : 第841G 1 742號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 民國87年11月修正 1 _ 一種自鈹-銘合金形成一近淨型（near net shape )物件的方法，該鈹一鋁合金含有1至9 9重量％之鈹， 而餘者爲鋁，其中該鈹係爲固態等軸顆粒之形式而分散於 一鋁母質中，該方法包含： (1 )將一粉末形式之銘組份與一粉末形式之鈹組份 所成之混合物加熱至一溫度高於鋁之固液線溫度但低於鈹 之熔融溫度，而形成一鈹顆粒於液態鋁中之漿液， (2)藉半固態加工法將該漿液成型至該近淨型物件 而不需於該漿液中引入實質之剪力。 2 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該漿液係藉 趨流煅造來成型至該近淨型物件。 3.如申請專利範圍第2項之方法，其中該漿液係擠 壓入一密閉模具中。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 4·如申請專利範圍第3項之方法，其中該漿液係藉 一柱塞（plunger)流入一永久模穴中。 5.如申請專利範圍第1項之方法，其中該獎液係藉 趨流鑄造來成型至該近淨型物件。 6·如申請專利範圍第5項之方法，其中該漿液係藉 一旋轉螺鑽輸入一永久模穴中。 7.如申請專利範圍第1項之方法，其中該漿液係在 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 493010 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8六、申請專利範圍 原位置上（in situ)進行冷卻或模具煅造，以成型至該 近淨型物件。 8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中係藉著輸入 該漿液至一永久模穴內，來將該漿液成型至該近淨型物件 ，該方法進一步包含： (3 )將該淨型物件從該永久模穴卸除。 9. 如申請專利範圍第8項之方法，其進一步包含對 該近淨型物件進行一加工操作，以形成一精確淨型物件。 1 0 .如申請專利範圍第9項之方法，其中該近淨型 物件係藉軋製，煅造或擠壓而轉變爲該精確淨型物件。 1 1 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該合金含 有5至80重量百分比之鈹。 1 2 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該合金含 有5至8 0重量百分比之等軸，固態鈹分散於實質上之純 鋁。 1 3 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該合金含 有5至8 0重量百分比之等軸，固態鈹分散於一富含鋁之 組成物。 1 4 .如申請專利範圍第1 3項之方法，其中該富含 鋁之組成物係選自鋁合金第5 0 5 6號，6 0 6 1號， 1100號，A356號及A357號所組成之群。 1 5 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該合金之 鈹部分，具有非樹枝狀之微結構。 1 6 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該合金可 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（ 210X297公釐）2 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 493010 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 藉改良式半固態法進一步加工。 1 7 .如申請專利範圍第1 6項之方法’其中該改良 式半固態法係選自密閉模煅造，半固態煅造及半固態模塑 所組成之群。 1 8 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該等軸鈹 係選自經機械研磨之粉狀鈹及經粉化之球型粉狀鈹所組成 之群。 1 q .如申請專利範圍第1 2項之方法，其中該合金 具有至少較鋁高2 5百分比之彈性係數。 20.如申請專利範圍第1項之方法，其中該混合物 係在一選自氬，氦及氮之非反應性氣體覆蓋下進行加熱。 2 1.如申請專利範圍第2 0項之方法，其中該加熱 係在真空下完成。 2 2 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該合金係 藉真空熱壓，熱等壓壓製或擠塑來進行混合（ compounded ) ° 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 23.如申請專利範圍第1項之方法，其中該漿液可 經固化以形成一先質，而且，其中該先質經加熱至一溫度 高於鋁之固液線溫度但低於鈹之熔融溫度，以供進行該先 質之半固態加工而至近淨型物件。 2 4. —*種製造含有赦之銘合金之方法，其包括步驟 (a ) 提供粉狀鋁組份及粉狀鈹組份； (b ) 混合該鋁及鈹組份； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格(210X297公釐） ~ -3 - 493010 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍(C ) 於高於約鋁之固液線溫度之溫度下熔融該鋁 組份，以產生一固態鈹分散於液態鋁中之半固態漿液；及 (d ) 在原位置上鑄造該半固態漿液。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 一 4 -
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