专利名称：：镁钆合金的制作方法
技术领域：
：本发明涉及含钆的镁合金，具体而言，涉及具有高强度并结合有耐蚀性，或具有强度和延展性优化平衡的镁合金。所述合金还具有对于镁合金的非常优越的高温性能。本发明的合金作为挤压合金已得到发展，但能够轧碾形成薄片并且适于锻造和机械加工。尽管这些合金能够成功铸造形成钢坯，但却不适合像其他镁合金那样在i者如压铸或石少4寿工艺中用作铸形合金(shapecastingalloy),因为其趋向形成裂缝。
背景技术：
：关于Mg-Y-Gd系统，存在相当多的现有技术。美国专利US3391034教导了，能够生产4美和8wt。/。至11wt。/o的4乙形成的二元合金，该二元合金可时效硬化。该专利陈述了，这些合金的延展性与其屈服强度成反比，并且可接受的延展性大于3-5%。其教导了，对于该镁钇系统，与其他的镁合金相比，小于8wt。/。的钇含量不能产生足够的机械性能。US3391034要求保护的机械性能如表1所示。表1钇含量(wt%)屈月良应力(Mpa)UTS(Mpa)伸长％8.230334439.0323374610.63353745俄国专利SU1010880教导了含有钇和轧、可选地具有锆的4美合金。在该专利说明书中讨论的两种特定合金所具有的机械性能在表2中概括。表2合金成分(wt%)屈月良应力(Mpa)UTS(Mpa)伸长(%)4-6%Y、8-10%Gd、0.3-1.0%Mn378-390393-4424.4-9.85-6.5%Y、3.5-5.5%Gd、0.15-0.7%Zr353-387397-4364.0-6.0该现有技术教导了，这些类型的含镁合金在铸造过程中形成裂缝，但通过用锆替代镁可降低这种作用。该教导内容关于这些合金的腐蚀行为(或耐腐蚀性能)或各向同性并无记载。日本专利JP10147830教导了，含有1-<6wt%Gd和6-12wt%Y的合金在高温下具有优良的强度。还可以存在含量达2wt。/。的锆。另夕卜，曰本专利JP9263871教导了，含0.8-5wt%Y和4-15wt%Gd或Dy的合金形成的产品能够锻造形成具有优良强度的合金。但并不能识别在该文献中每种形成合金的元素的含量，也不能识别它们各自的比例。应用峰值(最大值)硬度作为测量标准，对具有恒定值的原子百分比的稀土元素(稀土总量)的合金开展了一些实验，在实验过程中改变钇与其他可溶性镧系元素之和与钆之间的比例。结果如下所示5熔体编号At%GdAt%Y+其他可溶'l"生锫]系元素At%TREY+其4也可溶性镧系元素与Gd之间的比例wt%Gdwt%Y+其他可溶性镧系元素峰值硬度(Hv)DF91221.332.003.331.57.66.5127DF91230.832.503.333.04.88.2110DF91242.500.833.330.313.12.6118JP9263871还讨i仑了添加Ca和其他镧系元素，^f旦我们却发现添加Ca和某些镧系元素对于这些类型的合金是有害的。中国专利CN1676646旨在教导，含有1-6wt%Y、6-15wt%Gd、0.35-0.8wt%Zr和0-1.5wt%Ca的大范围的合金能够冲齐压形成具有优良强度的压出型材，但却没有对实施例合金进行具体说明，也没有清楚阐述在权利要求范围的界限附近的所述合金的应用。现有技术看起来全部集中于通过牺牲其延展性来最大化合金的强度，但延展性却是同样重要的材料特性。此外，现有技术并没有认识到不同的合金元素的含量对于所述合金腐蚀行为的影响。本发明所教导的内容是获得提高的延展性同时还可实现较高的强度水平(strengthlevels),却不会牺4生耐腐蚀性的方法。现有4支术均未认识到，当两种或更多种镧系元素和钇存在于同一合金中时，它们的原子浓度的特定比例才是决定添加物效能的关键因素。通过选择本发明权利要求范围内的形成合金的添加物以及控制合金的各向同性，除了能够获得提高的机械性能之外，本发明的合金具有的腐蚀速率通常在工业标准ASTMB117盐雾试-验中小于100密耳/年(mpy),优选小于50mpy。由于上述现有技术并未提到所述合金的腐蚀性能，因此能够认为所述合金的这一特征与传统6合金一致，即，低于本发明的合金的腐蚀性能并大于50mpy的腐蚀速率。特别地，在由Rokhlin发表的学术著作，即名为"MagnesiumAlloysContainingRareEarthMetals"(Rokhlin,LL,2003出片反)的书籍中，SU1010880的发明人声明，镁合金中钇含量的增加对于合金的腐蚀速率是有害的，如表3所示。原文声明这是由于存在Mg24Ys化合物，其为固溶体的阴才及。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>
发明内容根据本发明，提供了一种镁合金，由以下元素组成总量为2.0至5.0at%、优选2.3至4.6at。/。的4L，以及至少一种选自由可;容4生重镧系元素(heavylanthanide)和4乙纟且成的纟且的元素，其中可溶性重镧系元素和钇的总量与钆含量的比值在1.25:1至1.75:1之间，并优选约1.5:1。0至0.3at。/o的4告，优选至少为0.03at%,可选地具有锌，其中当存在锌时，锌含量应满足锌与锆的重量比优选小于2:1,更加优选小于0.75:1。所有其他镧系元素，即，镧、4巿、4普、4女、钷、钐、铕和镱，总量小于0.2at%、并优选小于0.1at%。其余为镁，其中，任意其他元素(镁中)的含量不大于0.2at%、优选不大于0.1at%、更加优选仅作为附带的杂质(incidentalimpurity)而存在。在本"i兌明书中，可溶性重镧系元素定义为原子序f丈为65至69(包4舌65和69)以及71的元素。可溶性重镧系元素(SHL)是那些在镁中表现出较大的固溶度的元素。它们为铽、镝、钬、铒、铥和镥。这些元素的特征在于，它们全部具有与钇和镁相同的密排六方金属结构，并且具有0.178nm至0.173nm的金属半径。并且它们在氧化时<义以三<介态存在，因此这4吏其与如铕和镱的元素(这些元素表现三价和二价两种价态并且在镁中未表现出明显的固溶度)相区别。当可溶性重镧系元素的总含量大于0.1at。/。时，从而显著促进合金的金属性能。特别优选的可溶性重镧系元素为铒。为人所熟知的是，通过沉淀硬化来强化合金是所形成的粒子的含量和类型的功能(函数，function)。这种效应与能够溶解在基质中的形成合金的元素含量(以原子百分比而非重量百分比计)、以及经热处理来沉淀金属间粒子(intermetallicparticles)的潜力(势能，potential)相关。对于可溶性重镧系元素和镁、钇和镁、以及钆和镁的二元相图均表现出这种潜力。至今为止，从这些相图中已经推知，可溶性重镧系元素、钆和钇均会以相同方式强化镁。然而，已经出乎意料地发现，当轧以一定量存在时，在限定范围内添加可溶性重镧系元素或钇可导致形成至少一种不可预测的三元相，其会影响该合金的机械性能。该至少一种三元相要求可溶性重镧系元素或钇与钆的比例为3:2。具有这一比例的合金，与应用其他组合量的镧系元素、钇和钆而获得的合金相比，表现出更好的机械性能，即强度、延展性和横向性能的组合。在钆和至少一种可溶性重镧系元素或钇的总含量为2.3至4.6at。/o的合金中，可发现1.25:1至1.75:1的比例能够获得显著提高的性能。超出这一范围，合金的强度和/或延展性会降低。当礼、可溶性重镧系元素以及钇的总量低于2.0at。/。或高于5.0atQ/o时，这种降^f氐变4寻明显。为了促进这种沉淀硬化作用，可以加入晶粒细化元素，加入量达到其在合金中的固溶度极限值。这样的元素优选为锆。通常可以通过提高添加量来提高合金的屈服应力以及衰坏伸长特性。为了实现这才羊的效果，应当存在至少0.03原子百分比的4告，并且最大量为Zr在合金中的固溶度极限值，该极限值通常为约0.3原子百分比。但具有过高或过低的锆含量，均会使耐腐蚀性降低。对于本发明的含锆合金的最优选组分为5.5至6.5wt%Y、6.5至7.5wt%Gd以及0.2至0.4wt。/。Zr，其余为镁和附带的杂质。对于某些合金组合物，4告的含量应当为以重量计0.3至小于0.35%,以通过50mpy的盐雾试验。已经发现，存在少量的锆对于本发明合金的腐蚀性能是有益的，但随着锆含量增加，合金的腐蚀性能劣化。优选锆含量应为0.07至小于0.5at0/。。当合金中具有锆和锌时，对于形成不同类型的沉淀似乎也具有一定关联，已经发现锌与锆的比例不应当超过2:1,并且应当优选小于0.75:1。除了所需要的可溶性重镧系元素或4乙以外的任意镧系元素，总量应当为小于0.2原子百分比、优选小于0.1at。/Q,否则形成上述期望的至少一种不可预测的三元相会产生干扰。同样，任何其他存在的元素的量应当不大于0.2at%、优选不大于0.1at。/。、并且更优选仅以附带的杂质量存在。本发明的合金可用于形成压出型材、薄片、板以及锻件。此外，它们可用于由压出型材、薄片、板或锻件机械加工和/或制造成的各种部件。具体实施例方式生产一种4美合金DF8791,其包含总量为3.04at。/o的4乙和轧，其中钇和钆的比例为1.52:1。此夕卜，其包含0.15at。/o的锆，其他元素含量为杂质水平。生产另一种4美合金DF8961,其包含总量为2.65at。/o的4乙和轧，其中4乙和4L的比例为1.46:1。此外，其包含0.12at。/o的Zr和0.08at%的Zn,其他元素含量为杂质水平。生产另一种4美合金DF9380，其包含3.03at。/。的铒、札和钇的混合物，其中可溶性稀土元素与钇之和与钆的比例为1.38:1。此夕卜，还包含0.125at。/。的4告。所有这些合金均具有大于300MPa的屈力良应力和大于或等于10%的衰坏伸长。对另外三种《美合金，即合金DF8915、DF9386以及DF8758进4亍试验，这些合金与DF8961中的4乙和釓的总含量相同，4旦比例不同。DF8915具有明显更高的比例3.9:1，并且这产生4又250MPa的降低的屈H应力。DF9386和DF8758二者均具有显著更低的比例，分别为0.72:1和0.93:1。这些低比例所具有的效果是使这些合金的延展性降低至低于5%,这种程度对于这种类型的产品在商业上是不可接受的。生产另一种镁合金DF9381，其包含2.99at。/o的镱、4L和钇的混合物，其中可溶性稀土元素与钇之和对钆的比例为1.39:1。此外，还包含0.121at。/。的锆。在该合金中镱不是可溶性重镧系元素，将其添加至合金中的结果是该合金的强度降低为不可接受的低水平。10生产另一组测试合金，以检测锆对于本发明合金腐蚀的影响。熔体DF9382a至DF9382e除了4告的含量不同之外均具有相同的组分。合金DF9382a表明，如果材料中无锆(即，低于标准工业火花发射光谱的可检测极限值)，则腐蚀速率高于标准盐雾试验中50密耳/年腐蚀的可接受水平。另外，在合金具有较高水平锆的情况下，DF9382b和DF9382c也表现出这种较差的特性。然而，锆含量为0.03at%(0.1wt%)至0.12at%(0.4wt%)时可获4寻优良的(4元)腐蚀')"生能。DF9382d和DF9382e可i正明这一点。对这些试验结果的概述如表4所示，其中某些数据已四舍五入。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>权利要求1.一种镁合金，由以下元素组成总量为2.0至5.0at％的钆和至少一种选自由可溶性重镧系元素和钇构成的组中的元素，其中，可溶性重镧系元素和钇的总量与钆含量的比值在1.25∶1至1.75∶1之间，总量小于0.2at％的所有其他镧系元素，以及剩余量的镁，其中任何其他元素的量小于0.2at％。2.根据权利要求1所述的合金，其中，所述轧、至少一种可溶性重镧系元素以及布乙的总量为2.3至4.6at%。3.根据权利要求1或2所述的合金，其中，所述比值为约1.5:1。4.根据权利要求1至3中任一项所述的合金，其中，所述至少一种可溶性重镧系元素以至少0.1at。/。的量存在。5.根据权利要求4所述的合金，其中，所述至少一种可溶性重镧系元素是铒。6.根据前述权利要求中任一项所述的合金，其中，所述所有其他镧系元素以小于0.1at。/。的总量存在。7.根据前述权利要求中任一项所述的合金，其中，所述任何其他元素以小于0.1at%的量存在。8.根据权利要求7所述的合金，其中，所述任何其他元素仅作为附带杂质存在。9.才艮据前述权利要求中任一项所述的合金，还包含0.06至0.6at。/o的锌。10.根据权利要求9所述的合金，其中，所述锌以0.07至小于0.5aty。的量存在。11.根据前述权利要求中任一项所述的合金，还包含晶粒细化元素，其中所述晶粒细化元素的含量达到其在所述合金中的固溶度极限。12.根据权利要求11所述的合金，其中，所述晶粒细化元素是锆，含量为0.03至0.3at%。13.根据权利要求12所述的合金，其中，所述锆以0.06至0.1at%的量存在。14.根据权利要求12或13所述的合金，还包含锌，其中锌的量为使得锌与锆的重量比小于2:1。15.根据权利要求14所述的合金，其中，所述锌/锆比小于0.75:1。16.根据前述权利要求中任一项所述的合金，其在标准盐雾试验中具有小于50密耳/年的腐蚀速率。17.—种4美合金，由5.5-6.5wt。/。的Y、6.5-7.5wt。/o的Gd以及0.2-0.4wt。/。的Zr、剩余量的4美以及附带杂质组成。18.才艮据权利要求17所述的合金，包括0.3至0.35wt。/o的Zr。19.根据前述权利要求中任一项所述的合金，锻造后其形式为压出型材、薄片、才反锻件或枳4成部件。全文摘要本发明涉及含钆的镁合金，具体而言涉及具有高强度且结合有耐腐蚀性、以及具有强度和延展性优化平衡的镁合金。所述合金由以下元素组成总量为2.0至5.0at％、优选2.3至4.6at％的钆和至少一种可溶性重镧系元素和钇，其中可溶性重镧系元素和钇的总量与钆含量的比为1.25∶1至1.75∶1，并优选为约1.5∶1；0至0.3at％的锆、优选为至少0.03at％，可选地具有锌，其中当具有锌时，锌含量满足锌与锆的重量比优选小于2∶1，更加优选小于0.75∶1；所有其他镧系元素，即，镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕和镱，总量为小于0.2at％，优选小于0.1at％；剩余量为镁，其中存在的任何其他元素的量为不大于0.2at％，优选不大于0.1at％，并且更加优选仅作为附带杂质存在。文档编号C22C23/06GK101512029SQ200780033685公开日2009年8月19日申请日期2007年9月12日优先权日2006年9月13日发明者保罗·莱昂,菲利普·戴维·罗杰斯,萨尔夫·耶雷米奇,蒂莫西·E·威尔克斯申请人:镁电子有限公司