TWI426137B - 鎂釓合金 - Google Patents

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Description

鎂釓合金
本發明有關於含有釓的鎂合金，且尤其有關於具有高強度，耐腐蝕，及強度與延性的最佳平衡者。該合金作為鎂合金使用時也具有極高的溫度性能。本發明的合金已研發出作為擠壓合金，但也能捲曲以製造薄板且也適用於鍛造及機械加工。雖然其能成功的鑄造以形成鋼坏，但是這些合金在一些製程中不適於作為成形合金使用，這些製程如模鑄或沙鑄如其它鎂合金，這是因為易於形成裂痕。
關於鎂釔釓(Mg－Y－Gd)系統有許多先前技術。
如美國專利339103號教示可製造出一種二元合金，其含有鎂及8－11重量%的釔，該合金可隨著時間而變硬。
它指出這些合金的延性與其軟化強度成反比，及可接受的延性是大於3－5%。它教示在鎂釔系統中，小於8重量%的釔位準，與其它鎂合金相比，不能產生足夠的機械特性。
美國專利339103號所述的機械特性如表一所示。
俄國專利SU1010880號教示一種含有釔及釓，也可含有鋯的鎂合金。該專利所述的二種特定合金具有的機械特性如表二所示。
此先前技術教示這些類型的含鎂合金於鑄造時會產生裂痕，但是藉由以鋯取代鎂可減少此效應，關於這些合金的腐蝕特性或各向同性，此先前技術則並未教示。
日本專利JP10147830號教示一種合金，含有1－6重量%的釓及6－12重量%的釔，在高溫下可產生良好的強度，也可存在高達2重量%的鋯。
日本專利JP9263871號也教示一種合金，含有0.8－5重量%的釔及4－15重量%的釓或鏑，可製造出一種產品，其能鍛造以製造出良好強度的合金。惟，此先前技術並未了解，各合金元素的量的重要性，以及其個別比例的重要性。
使用峰值硬度作為測量，在合金上執行一些測試，該合金具有一定值的原子比例烯土(總烯土)元素，同時改變釔加上其它可溶性鑭化物與釓之比，結果如以下所示：
日本專利JP9263871號也討論加入鈣及其它鑭化物，但是我們已發現，加入鈣及其它鑭化物對於這些類型的合金是極為不好的。
中國專利CN1676646教示更廣範圍的合金，其含有1－6重量%的釔，6－15重量%的釓，0.35－0.8重量%的鋯，及0－1.5重量%的鈣，可擠壓該合金以製造出具有良好強度的擠製品，但是在其合金範例中對此的敘述極少，而且並無明確的顯示該合金在接近要求範圍極限的應用。
所有的這些先前技術似乎只注意使合金強度極大因而犧牲其延性，而後者是同等重要的材料特性。此外，先前技術也不了解不同合金元素的位準對於上述合金的腐蝕行為的效應。本發明教示一種方式以得到改良的延性，同時也達成高強度位準，又不犧牲抗腐蝕性。上述先前技術無一了解當至少二種鑭化物及釔在相同合金中，其原子濃度的特定比是添加物是否有效的主要因素。
藉由在本發明申請專利範圍中選擇合金添加物及控制合金的各向同性，除了這些改良的機械特性以外，本發明的合金在工業標準ASTM B117鹽霧測試中，大致將具有小於每年100米耳(mpy)的腐蝕率，且較佳小於50mpy。由於這些先前技術未提及該等合金的的腐蝕特性，所以也可假設該等合金的此特性與習知合金相同，強度低於本發明合金的腐蝕率及大於50mpy的腐蝕率。
尤其是在Rokhlin所寫的學術著作，即名稱是「含有烯土金屬的鎂合金」一書中，作者Rokhlin,L L，2003年出版，俄國專利SU1010880號的發明人指出增加鎂合金的釔含量對於合金的腐蝕率是不良的，如表三所示。該專利指出這是因為有Mg24 Y5 複合物，其對於固態溶液是陰極的。
根據本發明而提供一種鎂合金，其由以下組成：2.0至5.0原子%，較佳是2.3至4.6原子%的釓，及至少一元素，其選自可溶性重鑭化物及釔組成之群中，其中可溶性重鑭化物及釔總量與釓量之比在1.25：1與1.75：1之間，且較佳大約是1.5：1，從0至0.3原子%的鋯，較佳是具有至少0.03原子%的鋅，其中當存在鋅時，鋅與鋯的重量之比較佳小於2：1，及更佳小於0.75：1，所有的其它鑭化物，如鑭，鈰，鐠，釹，鉅，釤，銪及釔，其總量小於0.2原子%，及較佳小於0.1原子%，鎂是平衡者，而任何其它元素的重量不大於0.2原子%，及較佳不大於0.1原子%，及更佳其存在只是意外的雜質。
在本說明書中，可溶性重鑭化物定義為具有原子量65至69(含)及71的元素。可溶性重鑭化物(SHL)是指那些在鎂中顯示顯著固體可溶度者。它們是鋱，鏑，鈥，鉺，銩及鎦。這些元素的特徵是其都具有相同的六角緊密配置的金屬結構，如釔及鎂具有的，及具有0.178nm至0.173nm之間的金屬半徑。當氧化時，其也僅存在於三價狀態，如此令其與其它元素如銪及鐿不同，該銪及鐿具有三價及雙價而且在鎂中不顯示任何顯著的固體可溶度。當出現時，可溶性重鑭化物的總位準應該大於0.1原子%以對於合金的機械特性作出大的貢獻。一種特別的較佳可溶性重鑭化物是鉺。
已知藉由沈澱硬化以增加合金強度是一種形成顆粒的量及類型的函數。此效應與合金元素(其可以在以原子百分比(不是重量百分比)表示的矩陣中溶解)的量有關，以及與藉由加熱處理以沈澱中間顆粒的電位有關。用於釔及鎂以及用於釓及鎂的可溶性重鑭化物及鎂的雙相圖，都顯示此電位。由這些相位圖可假設可溶性重鑭化物，釓及釔都可以類似方式增加鎂的強度。惟，令人驚奇發現的是，當釓以特定量存在時，在一定範圍中添加可溶性重鑭化物或釔，會形成至少一中間三相，其影響合金的機械特性。此至少一個三相需要可溶性重鑭化物或釔與釓間之比是3：2。具有此例的合金，與使用鑭化物，釔及釓量的其它組合所能達成的相比，顯示更佳的機械特性組合，即強度，延性及橫向特性。可發現明顯改良的特性，其中對於合金(其含有2.3至4.6原子%的釓總量及至少一可溶性重鑭化物或釔)該比在1.25：1與1.75：1之間。此範圍外的合金強度及/或延性都下降。當釓，可溶性重鑭化物及釔的總量低於2.0原子%及高於5.0原子%時，此下降最明顯。
為了有助於此沈澱硬化效應，而添加一顆粒精細元素，其量高達其在合金中的固體可溶度極限。此元素的較佳者是鋯。可藉由增加量而添加它以大致提高合金的軟化應力及伸長對失效等特性。對於此一效應，應該存在至少0.03原子百分比的鋯，而極大量是合金中鋯的固體可溶度極限，其大致約是0.3原子百分比。惟，鋯的高及低位準抗腐蝕力會下降。含有本發明合金的鋯的最佳組成是5.5至6.5重量%的釔，6.5至7.5重量%的釓，及0.2至0.4重量%的鋯，而剩餘者是鎂及意外雜質。至於某些合金組成，鋯的位準應該從0.3至低於0.35重量%，以通過50mpy鹽霧測試。
已發現存在少量的鋅對於本發明合金的抗腐蝕特性是有利的，但是鋅位準增加後會劣化合金的抗腐蝕特性。較佳的，鋅的位準應該從0.07至低於0.5原子%。也顯示出當鋯及鋅存在於合金之中時，與形成不同類型的沈澱物之間是有關聯的，以及已發現鋅與鋯之比應該不超過2：1，及應該較佳的小於0.75：1。
必要的可溶性重鑭化物或釔以外的任何鑭化物，其存在的總量應該小於0.2原子百分比，及較佳低於0.1原子%，否則會干擾期望的上述至少一中間三相的形成。類似的，任何其它元素存在的量不該超過0.2原子%，較佳的不超過0.1原子%，及更佳的是只出現在意外雜質的位準。
本發明的合金可用於擠壓，板金，板及鍛造。或者，其可用於一些元件，其從擠壓，板金，板或鍛造中加工及/或製造出。
範例
在含有3.04原子%的釔及釓總量中製造出鎂合金DF8791，其中釔與釓之比是1.52：1。此外，它含有0.15原子%的鋯，而其它元素在雜質位準。
在含有2.65原子%的釔及釓總量中製造出另一鎂合金DF8961，其中釔與釓之比是1.46：1。此外，它含有0.12原子%的鋯及0.08原子%的鋅，而其它元素在雜質位準。
在含有3.03原子%的鉺，釓及釔混合物中製造出另一鎂合金DF9380，其具有可溶的烯土元素加上釔與釓之比是1.38：1。此外，它含有0.125原子%的鋯。
所有的這些具有大於300MPa的軟化應力,及大於或等於10%的伸長對失效。
測試另外三個鎂合金，即合金DF8915,DF9386及DF8758，其具有的釔及釓總位準類似於DF8961的，但是比例不同。DF8915具有3.9：1的明顯高比例，而且它僅產生250MPa的減少軟化應力。DF9386及DF8758都分別具有0.72：1及0.93：1的明顯低比例。這些低比例的效用是減少這些合金的延性至低於5%的位準，而這是市面銷售的這類產品不能接受的。
在含有2.99原子%的鐿，釓及釔混合物中製造出又一鎂合金DF9381，其具有可溶的烯土元素加上釔與釓之比是1.39：1。此外，它含有0.121原子%的鋯。此合金中的鐿不是可溶性重鑭化物，而將它加入合金的結果是減少合金強度至不能接受的低位準。
製造又一組測試合金以檢查鋯對於本發明合金的腐蝕。熔化DF9382a至DF9382e，其都具有相同的組成，除了不同的鋯位準以外。合金DF9382a顯示若材料無鋯(即在標準工業火花發射光譜下可測到的極限)，在標準鹽霧測試中，腐蝕率是高於可接受的每年腐蝕50米耳位準。此外，用於此合金的高鋯位準中，DF9382b及DF9382c也顯示此極差的行為。惟，在0.03原子%(0.1重量%)與0.12原子%(0.4重量%)之間的鋯位準，可達成良好的抗腐蝕性，此如DF9382d及DF9382e所顯示的。
這些測試結果如以下表四所示，其中部分資料已四捨五入。
表四

Claims (17)

  1. 一種鎂合金，由以下組成：2.0至5.0原子%總量之釓及至少一元素，其選自可溶性重鑭化物及釔組成之群中，其中可溶性重鑭化物係鋱，鏑，鈥，鉺，銩及餾，及其中可溶性重鑭化物及釔總量與釓量之比在1.25：1與1.75：1之間，所有其它鑭化物之總量小於0.2原子%，鋅量在0.06原子%與0.6原子%之間，及鎂係平衡者，而任何其它存在之元素僅係意外雜質其重量不大於0.2原子%；其特徵在於合金尚包括鋯量在0.06原子%與0.12原子%之間。
  2. 如請求項1之鎂合金，其中釓，至少一可溶性重鑭化物及釔之總量係2.3至4.6原子%。
  3. 如請求項1或2之合金，其中該比係大約1.5：1。
  4. 如請求項1或2項之合金，其中至少一可溶性重鑭化物存在之量至少係0.1原子%。
  5. 如請求項1或2之合金，其中該至少一可溶性重鑭化物係鉺。
  6. 如請求項1或2中之合金，其中所有其它存在之鑭化物總量小於0.1原子%。
  7. 如請求項1或2中之合金，其中所有其它存在之元素量小於0.1原子%。
  8. 如請求項1或2之合金，其中存在之鋅量從0.07至小於0.5原子%。
  9. 如請求項1或2中之合金，更包括一顆粒精細元素，其 量高達其在合金中之固體可溶度極限。
  10. 如請求項1之合金，其中鋯之存在量從0.06至0.1原子%。
  11. 如請求項1或10之合金，更包括鋅，其中鋅量為：鋅重量與鋯重量之比小於2：1。
  12. 如請求項11之合金，其中鋅與鋯之比小於0.75：1。
  13. 如請求項1或2中之合金，在一標準鹽霧測試中，具有小於每年50米耳之腐蝕率。
  14. 如請求項1之合金，由5.5-6.5重量%之釔，6.5-7.5重量%之釓，及0.2-0.4重量%之鋯組成，而剩餘者係鎂及意外雜質。
  15. 如請求項14之合金，包括0.3至0.35重量%之鋯。
  16. 如請求項1或2中之合金，製造時，係以擠壓，板金，板鍛造或機械元件之形式。
  17. 如請求項14或15之合金，在一標準鹽霧測試中，具有小於每年50米耳之腐蝕率。
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