镁合金及其制造方法

专利名称：镁合金及其制造方法
技术领域：
本发明总体上涉及铸造一种镁合金。更特别地，本发明涉及用于铸造AZ91D镁合金的方法和系统。
背景技术：
某些汽车构件通常由传统压铸法——例如高压压铸法(“HPDC”)——制造的铝合金形成。HPDC适于制造薄壁构件。HPDC构件可能具有因湍流和凝固收缩而引起的不利孔隙，这使得这些构件不适于用作厚壁构件。HPDC构件还可能呈现不利的表皮效应，其中构件的外层——或者表层——的孔隙率较小，但是构件其余部分的孔隙率的程度是不可接受的，其表示构件在表层下的微观结构恶化。孔隙能够对构件的可塑性或展延性造成不利影响，从而使得构件较不适于被利用，在汽车构件中尤为如此。目前，厚壁构件可由通过HPDC制造的380或383铝合金制造。

发明内容
本发明在相当大的程度上满足了上述的要求，其中在一些实施方式中，提供了既轻便又坚固的铸造产品、以及用于制造该铸造产品的系统和方法。
本发明的一个实施方式涉及一种用于采用AZ91D合金通过挤压铸造来制造铸造产品的方法。在此方法中，AZ91D合金被加热到液态、压射缸被填充以液态的AZ91D合金、以及在压射缸和模具之间形成密封。此外，液态合金通过注射单元在大于69兆帕(MPa)的压力下以小于大约500mm每秒(“mm/sec”)的浇口速度注入模具内，且AZ91D合金在模具内固化以形成铸造产品。
本发明的另一个实施方式涉及一种采用AZ91D合金由挤压铸造工艺制造的铸造产品。所述铸造产品包括8.5％到9.5％的铝；0.17％到0.40％的锰；0.45％到0.9％的锌；0％到0.015％的铜；大约0％到0.05％的硅；大约0％到0.001％的镍；大约0％到0.004％的铁；各为大约0％到0.01％的一种或多种其它金属；剩余的为镁。此外，制造铸造产品的设备的浇口尺寸为大约3毫米(mm)到大约10毫米×大约3毫米(mm)到大约10毫米，而铸造产品在未回火的状态下的屈服强度为从大约100兆帕(MPa)到大约160Mpa，拉伸强度为从大约150MPa到大约230Mpa，且伸长率为大约2％。
本发明的再另一个实施方式涉及一种采用AZ91D合金通过挤压铸造来制造铸造产品的装备。所述装备包括将AZ91D合金加热到液态的装置；用液态的AZ91D合金来填充压射缸的装置；以及用于在压射缸和模具之间形成密封的装置。此外，所述装备包括用于使液态合金在大于约69兆帕(MPa)的压力下以小于约500毫米每秒(“mm/sec”)的浇口速度注入模具内的装置、以及用于使AZ91D合金在模具内固化以形成铸造产品的装置。
从而，相当广义地描述了本发明的某些实施方式，从而可以更好地理解对所述实施方式的详细描述，以及可以更好地理解本发明对现有技术的贡献。当然，本发明存在其它实施方式，将在下文中对之进行描述，且所述实施方式将形成所附权利要求的主题。
在这个方面，在详细地解释本发明的至少一个实施方式之前，应当理解本发明的应用并不限于在下文的描述或所附的附图中给出的详细结构以及构件的设置。本发明能够以与所描述的实施方式不同的方式实施，并能够以不同方式实践和执行。同时，还应当理解本文以及摘要中使用的措词和术语是用于描述的目的，而不应当认为是限制性的。
因此，本领域内的技术人员可以理解作为本公开的基础的概念可容易地用作设计其它机构、方法和系统以实现本发明的几个目的的基础。因此，重要的是，权利要求被认为包括没有偏离本发明的精神和范畴的等同结构。


图1为依据本发明一个实施方式的适于挤压铸造合金的水平竖直挤压铸造装备；图2为图1中依据本发明一个实施方式的适于挤压铸造合金的装备的详细视图；图3为依据本发明一个实施方式的适于挤压铸造合金的竖直挤压铸造装备；图4为一个照片，其示出由传统的高压模铸制造的合金；图5为一个照片，其示出由依据本发明的实施方式制造的铸造产品；图6为一个流程图，示出依据本发明一个实施方式的适于生产铸造产品的方法。
具体实施例方式
本发明在一些实施方式中提供了一种采用AZ91D合金、通过挤压铸造来制造铸造产品的方法，提供了铸造产品、以及提供了用于制造铸造产品的系统。
AZ91D为一种镁合金，其包括8.5％到9.5％的铝；至少0.17％的锰；0.45％到0.9％的锌；至多0.015％的铜；至多0.05％的硅；至多0.001％的镍；至多0.004％的铁；各为至多0.01％的一种或多种其它金属；剩余的为镁。
挤压铸造这一术语用来描述一种将液态或半固态的金属导入到一个模具中、并在模具中对合金进行加压的工艺。挤压铸造相对于传统模铸方法的优点包括少到没有的湍流、少到没有的气体滞留、收缩孔隙减少、以及凝固更为迅速。挤压铸造还提供了与HPDC相当的尺寸控制。
挤压铸造适于制造各种构件。特别地，厚壁构件、或厚度大约为2.5mm或更厚的构件因为在各种挤压铸造设备中制造而受益。此外，与传统的铸造方法相比，挤压铸造的表皮效应较小或没有表皮效应(skineffect)，导致构件的整体性提高且孔隙度减少。也就是说，挤压铸造使得金属可以具有不易通过传统的模铸、重力永久模铸(gravity permanentmold)、或砂型铸造实现的质量，包括没有孔隙或孔隙减少、机械整体性提高、耐磨损性提高、以及可以进行溶液处理。
挤压铸造设备的示例包括水平竖直挤压铸造(“HVSC”)、竖直铸造设备等等。HVSC设备如此称呼的原因是模夹水平地打开、而熔融的合金竖直地加入。在竖直铸造设备中，模夹竖直地打开、且熔融的合金也竖直地加入。此外，挤压铸造设备存在有许多种变型、变化及构造。这些变化中的有一些在本文中进行了描述，然而，所有适合用于挤压铸造的设备都落在本发明的范畴内。
在挤压铸造设备中制造的构件经受各种可选的铸造后处理。这些可选的处理包括一次或多次轧压、抛光、化学和热处理等等。在一个特定的示例中，如果需要的话，构件经过热处理，以增强铸造构件的某些性能，尤其是可塑性。更具体地，通过挤压铸造生产的产品(挤压铸件)的冶金性能一般通过各种热处理——例如T6回火、T4回火等——得以改进。
图1为依据本发明一个实施方式的用于挤压铸造合金的水平竖直挤压铸造(“HVSC”)装备。如图1所示，挤压铸造装备10包括模夹12、输送系统14、以及保温炉16。
模夹12包括致动器18、夹紧接头20、压板22、系杆24、端板26以及模具28。致动器18构造成在夹紧接头20上施加一个力、从而使得模具28接合及分开。在这个方面，模具28包括一对配合的子单元，所述子单元构造成彼此接合而形成一个模腔30。如本文所述，液态合金导入到这个模腔30内以产生一个铸造产品。继续地，压板22构造成帮助分配由致动器18施加的力。系杆24固定地附接到端板26上并构造成给模夹12提供结构整体性。系杆24还提供了导引件，压板22支撑在该导引件上、从而有助于模具28的正确对齐。
输送系统14包括注射单元32、以及缸34。注射单元32包括任意适当的致动器或其它类似的设备，这些致动器或类似设备可以运转而产生足够的力，从而以期望压力将液态或半液态的合金注入到模腔30内。此外，注射单元32构造成以指定的速率或浇口速度注射合金。在一个特别的示例中，注射单元32包括液压系统36，该液压系统构造成对气动推杆38进行驱动。如图1所示，气动推杆38工作地附接到缸34，从而迫使合金从缸34进入到模腔30内。在这个方面，缸34构造成与模具28配合、并与模具28形成一个基本上是液密的密封。此外，缸34可选地包括各种加热、冷却和感应设备。
保温炉16构造成将液态金属合金的主体保持在一预定温度上。保温炉16可选地构造成将金属合金加热到液态。
图2是依据另一实施方式的挤压铸造装备10的简化剖视图。图2的挤压铸造装备10与图1的挤压铸造装备10类似，从而，为了简略起见，将不再对图1中描述过的元件进行描述。如图2中所示，模具28分离以移除铸造产品40。铸造产品40与模腔30大致对应。依据本发明的实施方式，铸造产品40较轻并至少与传统的铸造产品一样坚固。在这个方面，铸造产品40包括AZ91D，该合金因为其包含镁的组分而比通常使用的铝合金要轻。此外，因为挤压铸造，所以，与传统的铸造产品相比，铸造产品40的整体性更好。因此，依据本发明的实施方式制造的铸造产品适于替换各种传统的铸造产品。特别地，可以容易地替换厚壁的铝铸造产品——即壁厚为10mm到14mm的产品。由挤压铸造的镁合金AZ91D容易地替换的厚壁铝铸产品的特定例子包括车桥托架、前盖、后轴盖、引擎架等等。
图2中还示出，注射单元32属于沿填充朝向倾斜地对接的类型。也就是说，注射单元32是倾斜的，使得液态合金能够以使得湍流减少的方式从传递容器42注入到压射缸44内。在这个方面，减少湍流通常减少了铸造产品40的孔隙率。如箭头46所示，注射单元32向上地倾斜，以准备为模腔30注射合金。示于图1和2中的挤压铸造装备10示出了一种“HVSC”装备。然而，在另一实施方式中，挤压铸造装备也可以是模具28竖直地打开的装备。
图3为依据另一实施方式的挤压铸造装备10的简化剖视图。图3的挤压铸造装备10与图1和2的挤压铸造装备10类似，从而，为了简略起见，将不再对图1和2中描述过的那些元件进行描述。如图3所示，模具28竖直地操作、从而被广义地归入到竖直挤压铸造装备的类别中。适于应用在本发明各种实施方式中的竖直挤压铸造装备的特别示例至少包括那些由美国代顿的THT Presses公司(Dayton，OH 45414，U.S.A)制造的竖直挤压铸造装备。
图4示出了由传统HPDC工艺制造的铸造产品48的一个截面，其示出了表皮效应。如图4所示，与铸造产品48的体部52相比，铸造产品48的表层50的孔隙相对较少。此表皮效应通常导致传统铸造产品48机械性能的降低，并且，当对铸造产品48进行进一步的机械加工时是特别麻烦的。在这个方面，在对铸造产品48进行机械加工时，表层50可能被移除，并且较多孔隙、从而较弱的体部52被暴露出来。
图5为依据本发明一个实施方式制造的铸造产品54的立体图。如图5所示，铸造产品54为一个阶梯状的块，其包括有台阶56-62。台阶56-62的厚度是不同的。在一个特别的示例中，台阶56-62的厚度分别为2、6、10和14mm。此外，铸造产品54被对半截开以显示内部表面64。对内部表面64进行检查以确定合金在台阶56-62处的冶金性能。依据一个实施方式，与传统的铸造产品相比，通过本文所述方法制造的铸造产品的孔隙率较低、且冶金性能改善。
铸造产品54可在“当前(as is)”状态中进行评价、或否则在未回火的状态中进行评价、或者可以进行热处理。热处理的例子包括T4或T6回火。
在厚度和温度之外，多个其它的参数可以变动，例如注射压力、浇口速度、合金温度等等。依据一个实施方式，用来制造铸造产品的注射压力为69兆帕(“MPa”)或更大。更特别地，注射压力为70到100Mpa。此外，依据一个实施方式，浇口速度等于或小于500mm每秒(“mm/sec”)。
令人惊讶的，通过本发明的铸造方法，壁厚并不明显地影响拉伸性能。即，通过挤压铸造制造的厚壁构件的拉伸性能令人惊讶地好，并不比薄壁构件的性能差，而该情形发生在通过HPDC制造的合金中。
依据本文所公开的方法，挤压铸造使得构件的可塑性更强、拉伸性能更好、且耐磨损性更高。这些改进的性能至少部分地因为通过挤压铸造减少了孔隙率及改善了构件的微观结构而导致。
可通过本发明方法制造的汽车构件包括横梁、控制臂、转向节、活塞、引擎架、涡旋压缩机、车轮、车桥托架、车桥盖、阀壳、转向柱套管托架、以及曲轴毂。
由本发明方法产生的铸造产品54的拉伸性能的示例如下
表格1

根据对于挤压铸造合金的公开数据，表格1中示出的结果是出乎意料的。期望的屈服强度为104+/-4Mpa。根据公开的NRC数据，上述结果也是出乎意料的。根据NRC，期望的屈服强度为105+/-6Mpa。还令人惊讶的是，壁的厚度对机械性能没有明显影响。
由本发明方法、包括T6回火热处理生产的铸造产品54的拉伸性能的示例如下表格2

根据对于经T6回火处理的在AZ91的公开数据，表格2中示出的结果是出乎意料的。由砂型铸造形成且经T6回火处理的AZ91的期望屈服强度为118+/-2.8Mpa。令人惊讶的还有壁的厚度对机械性能没有明显的影响。
本发明方法制造了一种AZ91D镁合金，其具有如下表所示的令人惊讶的性能。
表格3

表格3中的SLCTM指亚液相铸造(sub-liquidus casting)，一种半固体铸造形式，其中在压射缸中形成浆状物。其商标持有人是美国俄亥俄州代顿市的THT公司。
如表格3中数据所示，与AS91D-F(即没有回火处理；构件处于“铸造时”状态)相比，由本发明挤压铸造方法制造的经T6回火处理的AZ91D提供了出乎意料的屈服强度和拉伸强度。另外，由本发明挤压铸造方法制造的经T6回火处理的AZ91D所提供的屈服强度、拉伸强度、以及伸长率可与通常用来制造厚壁构件的380和383铝合金相比拟，但是整体性得以提高，证据在于通过挤压铸造获得了较小的孔隙率。
通过表格3中的数据还示出，经T4回火处理的挤压铸造AZ91D镁合金的拉伸强度和可塑性远大于380HPDC。此外，虽然经T4回火处理的AZ91D的屈服强度相对380HPDC降低，上述的数据确实意味着经T4回火处理的挤压铸造AZ91D可以是用镁合金(即AM60或AM50)制造的HPDC的良好替代品，HPDC通常受到整体的机械整体性——例如表皮效应、孔隙等等——的不利影响。
还必须注意在文献中列出的合金——尤其是AZ91D——的拉仲性能不能与在本文中所报告的测试数据作比较。在文献中列出的拉伸性能是在多种不同的状态下测得的。公开的拉伸数据是基于独立铸造的拉伸试件作出的(所述试件具有不同的形状和凝固率以及其它区别因素)，而在本文中所报告的数据是基于实际的加工构件。如本领域内的技术人员所理解的那样，基于独立铸造拉伸试件的公开拉伸数据是对机械加工构件的拉伸性能的推测。与通过其它铸造技术——例如HPDC——加工的AZ91D相比，通过挤压铸造加工的AZ91D呈现被出乎意料地提高了的拉伸性能。
图6为依据本发明一个实施方式的适于生产铸造产品的方法70的流程图。在开始方法70之前，可预先进行多个步骤以便实现方法70。这些步骤可包括以下步骤中的一些或全部(并没有特定的顺序)设计一种铸造产品；基于设计和构造的产品来设计模具；将模具装配到挤压铸造装备10内；供应AZ91D合金和/或获得AZ91D合金构件；对挤压铸造装备供应能源，且使得各个加热元件获得工作温度，等等。
在步骤72处，通过将AZ91D合金加热到足以使金属液化的温度而开始方法70。通常，AZ91D的液化温度大约为1105或595℃。通常，合金被加热到略微超过这个温度，以允许和相对较凉的表面接触而不会使合金凝固。因此，铸造温度为从大约1160(625℃)到大约1290(700℃)。
在步骤74处，填充压射缸44。例如，注射单元32倾斜以从传递容器42或其它的这种传递设备或导管接受液态合金。此外，在填充之前，压射缸44可准备好以接收液态合金。例如，压射缸44内的气动推杆38可缩回和/或可对压射缸44的温度进行调节。
在步骤76处，在压射缸44和模具28之间形成密封。例如，模具28通过模夹12的作用而夹紧在压射缸44上。在另一个示例中，压射缸44插入到模具28的一个凹入部分中，以在压射缸44和模具28之间形成一个基本上是液密的密封。
在步骤78处，液态合金被注入到模腔30内。依据本发明的一个实施方式，液态合金通过注射单元在大于69兆帕(MPa)的注射压力下以小于大约500mm每秒(“mm/sec”)的浇口速度注入到模腔30内。较低的浇口速度易于使得湍流的形成最小化，这可减少铸造产品的孔隙率。所述压力也可通过对所有滞留气体进行压缩而减少铸造产品的孔隙率。此外，所述压力使得液态合金易于移动到存在于模腔30中的凹入部分内。
在步骤80处，液态合金在模腔30内固化。例如，热量经过模具28而传送入周围环境中。此外，可构造一个冷却系统来降低模具28的温度。由此，液态合金固化并产生铸造产品40。
在步骤82处，铸造产品40被从模腔32移走。例如，控制致动器22以分开模具30，且铸造产品被撤出和/或推出模具30之外。此时，铸造产品40通常还包括一些不需要的材料——例如熔渣。移除所述不需要的材料和/或对铸造产品40进行加工，如同所述的那样。
在步骤84处，可选地，对铸造产品40进行热处理。例如，对铸造产品40进行T4或T6回火处理。热处理通常增加铸造产品的强度和/或改善铸造产品的材料特性。在步骤82或84之后，挤压铸造装备10可以停止，直到接到生产另一个铸造产品40的指令。
从详细的描述中可明显地得知本发明的许多特征和优点，从而，所附权利要求意图覆盖本发明的所有落在本发明的实际主旨与范畴之内的特征和优点。进一步地，因为本领域内的技术人员可以容易地构想出许多修改和变动，所以，本发明不是限制在所示出和描述的具体构造和操作内，因此，所有合适的修改及等同方案都落在本发明的范畴内。
权利要求
1.一种采用AZ91D合金通过挤压铸造来制造铸造产品的方法，所述方法包括将AZ91D合金加热到液态；用该液态AZ91D合金来填充压射缸；在所述压射缸和模具之间形成密封；通过注射单元在大于约69兆帕(MPa)的压力下以小于约500毫米每秒(mm/sec)的浇口速度将所述液态合金注入到所述模具内；以及使AZ91D合金在所述模具内固化以形成所述铸造产品。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括将所述铸造产品从所述模具移走。
3.如权利要求1所述的方法，其中形成密封进一步包括采用夹具将所述压射缸夹在所述模具内。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述压力介于70Mpa和100Mpa之间。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述浇口速度介于100mm/sec和500mm/sec之间。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述浇口速度介于300mm/sec和500mm/sec之间。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括对所述铸造产品进行热处理。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述热处理为T4回火。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述热处理为T6回火。
10.一种采用AZ91D合金通过挤压铸造工艺制造的铸造产品，该铸造产品包括8.5％到9.5％的铝；0.17％到0.40％的锰；0.45％到0.9％的锌；大约0％到0.015％的铜；大约0％到0.05％的硅；大约0％到0.001％的镍；大约0％到0.004％的铁；各为大约0％到0.01％的一种或多种其它金属；以及剩余的为镁，其中，制造所述铸造产品的设备包括浇口，所述浇口的尺寸为大约3毫米(mm)到大约10毫米×大约3毫米(mm)到大约10毫米，而且所述铸造产品在未回火的状态下屈服强度为从大约100兆帕(MPa)到大约160Mpa；拉伸强度为从大约150MPa到大约230Mpa；以及伸长率为大约2％。
11.如权利要求10所述的铸造产品，其中所述制造铸造产品的设备的浇口速度介于大约300毫米每秒(mm/sec)和大约500mm/sec之间。
12.如权利要求11所述的铸造产品，其中所述铸造产品的厚度介于大约3mm和大约20mm之间。
13.如权利要求12所述的铸造产品，其中所述制造铸造产品的设备的浇口尺寸为6.35毫米(mm)×6.07mm，且处于未回火状态中的铸造产品屈服强度为从115兆帕(MPa)到118Mpa；拉伸强度为从168MPa到171Mpa；以及伸长率为大约2％。
14.如权利要求12所述的铸造产品，其中所述制造铸造产品的设备的浇口尺寸为6.4mm×5.97mm，且经T6回火处理后的铸造产品屈服强度为从135兆帕(MPa)到140Mpa；拉伸强度为从196MPa到210Mpa；以及伸长率为大约2％。
15.如权利要求10所述的铸造产品，其中所述铸造产品包括车桥托架、前盖、后轴盖、和引擎架中的至少一种。
16.一种采用AZ91D合金通过挤压铸造来制造铸造产品的装备，所述装备包括用于将AZ91D合金加热到液态的装置；用于以液态的AZ91D合金来填充压射缸的装置；用于在所述压射缸和模具之间形成密封的装置；用于使所述液态合金在大于约69兆帕(MPa)的压力下以小于约500毫米每秒(mm/sec)的浇口速度注入所述模具内的装置；以及用于使AZ91D合金在所述模具内固化以形成铸造产品的装置。
17.如权利要求16所述的装备，进一步包括用于将铸造产品从所述模具中移走的装置。
18.如权利要求16所述的装备，其中形成密封进一步包括用于通过夹具将所述压射缸夹在所述模具内的装置。
19.如权利要求16所述的装备，其中所述用于注射的装置构造成施加介于70Mpa和100Mpa之间的压力。
20.如权利要求16所述的装备，其中所述用于注射的装置构造成以介于100mm/sec和500mm/sec之间的浇口速度注射所述液态合金。
21.如权利要求20所述的装备，其中所述用于注射的装置构造成以介于300mm/sec和500mm/sec之间的浇口速度注射所述液态合金。
22.如权利要求16所述的装备，进一步包括用于对所述铸造产品进行热处理的装置。
23.如权利要求22所述的装备，进一步包括用于进行T6回火的装置。
24.如权利要求22所述的装备，进一步包括用于进行T4回火的装置。
全文摘要
在一种采用AZ91D合金通过挤压铸造来制造铸造产品的方法中，AZ91D合金被加热到液态；用该液态AZ91D合金来填充压射缸；以及在压射缸和模具之间形成密封。此外，液态合金通过注射单元在大于约69兆帕(MPa)的压力下以小于约500毫米每秒(mm/sec)的浇口速度注入所述模具内；并且AZ91D合金在所述模具内固化以形成铸造产品。
文档编号B22D17/08GK1942265SQ200580011716
公开日2007年4月4日 申请日期2005年3月8日 优先权日2004年3月15日
发明者拉辛德拉·达斯古普塔 申请人:Spx公司