專利名稱：鎂合金及其制造方法
技術領域：
本發明總體上涉及鑄造一種鎂合金。更特別地，本發明涉及用于鑄造AZ91D鎂合金的方法和系統。
背景技術：
某些汽車構件通常由傳統壓鑄法——例如高壓壓鑄法(“HPDC”)——制造的鋁合金形成。HPDC適于制造薄壁構件。HPDC構件可能具有因湍流和凝固收縮而引起的不利孔隙，這使得這些構件不適于用作厚壁構件。HPDC構件還可能呈現不利的表皮效應，其中構件的外層——或者表層——的孔隙率較小，但是構件其余部分的孔隙率的程度是不可接受的，其表示構件在表層下的微觀結構惡化。孔隙能夠對構件的可塑性或展延性造成不利影響，從而使得構件較不適于被利用，在汽車構件中尤為如此。目前，厚壁構件可由通過HPDC制造的380或383鋁合金制造。
發明內容
本發明在相當大的程度上滿足了上述的要求，其中在一些實施方式中，提供了既輕便又堅固的鑄造產品、以及用于制造該鑄造產品的系統和方法。
本發明的一個實施方式涉及一種用于采用AZ91D合金通過擠壓鑄造來制造鑄造產品的方法。在此方法中，AZ91D合金被加熱到液態、壓射缸被填充以液態的AZ91D合金、以及在壓射缸和模具之間形成密封。此外，液態合金通過注射單元在大于69兆帕(MPa)的壓力下以小于大約500mm每秒(“mm/sec”)的澆口速度注入模具內，且AZ91D合金在模具內固化以形成鑄造產品。
本發明的另一個實施方式涉及一種采用AZ91D合金由擠壓鑄造工藝制造的鑄造產品。所述鑄造產品包括8.5％到9.5％的鋁；0.17％到0.40％的錳；0.45％到0.9％的鋅；0％到0.015％的銅；大約0％到0.05％的硅；大約0％到0.001％的鎳；大約0％到0.004％的鐵；各為大約0％到0.01％的一種或多種其它金屬；剩余的為鎂。此外，制造鑄造產品的設備的澆口尺寸為大約3毫米(mm)到大約10毫米×大約3毫米(mm)到大約10毫米，而鑄造產品在未回火的狀態下的屈服強度為從大約100兆帕(MPa)到大約160Mpa，拉伸強度為從大約150MPa到大約230Mpa，且伸長率為大約2％。
本發明的再另一個實施方式涉及一種采用AZ91D合金通過擠壓鑄造來制造鑄造產品的裝備。所述裝備包括將AZ91D合金加熱到液態的裝置；用液態的AZ91D合金來填充壓射缸的裝置；以及用于在壓射缸和模具之間形成密封的裝置。此外，所述裝備包括用于使液態合金在大于約69兆帕(MPa)的壓力下以小于約500毫米每秒(“mm/sec”)的澆口速度注入模具內的裝置、以及用于使AZ91D合金在模具內固化以形成鑄造產品的裝置。
從而，相當廣義地描述了本發明的某些實施方式，從而可以更好地理解對所述實施方式的詳細描述，以及可以更好地理解本發明對現有技術的貢獻。當然，本發明存在其它實施方式，將在下文中對之進行描述，且所述實施方式將形成所附權利要求的主題。
在這個方面，在詳細地解釋本發明的至少一個實施方式之前，應當理解本發明的應用并不限于在下文的描述或所附的附圖中給出的詳細結構以及構件的設置。本發明能夠以與所描述的實施方式不同的方式實施，并能夠以不同方式實踐和執行。同時，還應當理解本文以及摘要中使用的措詞和術語是用于描述的目的，而不應當認為是限制性的。
因此，本領域內的技術人員可以理解作為本公開的基礎的概念可容易地用作設計其它機構、方法和系統以實現本發明的幾個目的的基礎。因此，重要的是，權利要求被認為包括沒有偏離本發明的精神和范疇的等同結構。
圖1為依據本發明一個實施方式的適于擠壓鑄造合金的水平豎直擠壓鑄造裝備；圖2為圖1中依據本發明一個實施方式的適于擠壓鑄造合金的裝備的詳細視圖；圖3為依據本發明一個實施方式的適于擠壓鑄造合金的豎直擠壓鑄造裝備；圖4為一個照片，其示出由傳統的高壓模鑄制造的合金；圖5為一個照片，其示出由依據本發明的實施方式制造的鑄造產品；圖6為一個流程圖，示出依據本發明一個實施方式的適于生產鑄造產品的方法。
具體實施例方式
本發明在一些實施方式中提供了一種采用AZ91D合金、通過擠壓鑄造來制造鑄造產品的方法，提供了鑄造產品、以及提供了用于制造鑄造產品的系統。
AZ91D為一種鎂合金，其包括8.5％到9.5％的鋁；至少0.17％的錳；0.45％到0.9％的鋅；至多0.015％的銅；至多0.05％的硅；至多0.001％的鎳；至多0.004％的鐵；各為至多0.01％的一種或多種其它金屬；剩余的為鎂。
擠壓鑄造這一術語用來描述一種將液態或半固態的金屬導入到一個模具中、并在模具中對合金進行加壓的工藝。擠壓鑄造相對于傳統模鑄方法的優點包括少到沒有的湍流、少到沒有的氣體滯留、收縮孔隙減少、以及凝固更為迅速。擠壓鑄造還提供了與HPDC相當的尺寸控制。
擠壓鑄造適于制造各種構件。特別地，厚壁構件、或厚度大約為2.5mm或更厚的構件因為在各種擠壓鑄造設備中制造而受益。此外，與傳統的鑄造方法相比，擠壓鑄造的表皮效應較小或沒有表皮效應(skineffect)，導致構件的整體性提高且孔隙度減少。也就是說，擠壓鑄造使得金屬可以具有不易通過傳統的模鑄、重力永久模鑄(gravity permanentmold)、或砂型鑄造實現的質量，包括沒有孔隙或孔隙減少、機械整體性提高、耐磨損性提高、以及可以進行溶液處理。
擠壓鑄造設備的示例包括水平豎直擠壓鑄造(“HVSC”)、豎直鑄造設備等等。HVSC設備如此稱呼的原因是模夾水平地打開、而熔融的合金豎直地加入。在豎直鑄造設備中，模夾豎直地打開、且熔融的合金也豎直地加入。此外，擠壓鑄造設備存在有許多種變型、變化及構造。這些變化中的有一些在本文中進行了描述，然而，所有適合用于擠壓鑄造的設備都落在本發明的范疇內。
在擠壓鑄造設備中制造的構件經受各種可選的鑄造后處理。這些可選的處理包括一次或多次軋壓、拋光、化學和熱處理等等。在一個特定的示例中，如果需要的話，構件經過熱處理，以增強鑄造構件的某些性能，尤其是可塑性。更具體地，通過擠壓鑄造生產的產品(擠壓鑄件)的冶金性能一般通過各種熱處理——例如T6回火、T4回火等——得以改進。
圖1為依據本發明一個實施方式的用于擠壓鑄造合金的水平豎直擠壓鑄造(“HVSC”)裝備。如圖1所示，擠壓鑄造裝備10包括模夾12、輸送系統14、以及保溫爐16。
模夾12包括致動器18、夾緊接頭20、壓板22、系桿24、端板26以及模具28。致動器18構造成在夾緊接頭20上施加一個力、從而使得模具28接合及分開。在這個方面，模具28包括一對配合的子單元，所述子單元構造成彼此接合而形成一個模腔30。如本文所述，液態合金導入到這個模腔30內以產生一個鑄造產品。繼續地，壓板22構造成幫助分配由致動器18施加的力。系桿24固定地附接到端板26上并構造成給模夾12提供結構整體性。系桿24還提供了導引件，壓板22支撐在該導引件上、從而有助于模具28的正確對齊。
輸送系統14包括注射單元32、以及缸34。注射單元32包括任意適當的致動器或其它類似的設備，這些致動器或類似設備可以運轉而產生足夠的力，從而以期望壓力將液態或半液態的合金注入到模腔30內。此外，注射單元32構造成以指定的速率或澆口速度注射合金。在一個特別的示例中，注射單元32包括液壓系統36，該液壓系統構造成對氣動推桿38進行驅動。如圖1所示，氣動推桿38工作地附接到缸34，從而迫使合金從缸34進入到模腔30內。在這個方面，缸34構造成與模具28配合、并與模具28形成一個基本上是液密的密封。此外，缸34可選地包括各種加熱、冷卻和感應設備。
保溫爐16構造成將液態金屬合金的主體保持在一預定溫度上。保溫爐16可選地構造成將金屬合金加熱到液態。
圖2是依據另一實施方式的擠壓鑄造裝備10的簡化剖視圖。圖2的擠壓鑄造裝備10與圖1的擠壓鑄造裝備10類似，從而，為了簡略起見，將不再對圖1中描述過的元件進行描述。如圖2中所示，模具28分離以移除鑄造產品40。鑄造產品40與模腔30大致對應。依據本發明的實施方式，鑄造產品40較輕并至少與傳統的鑄造產品一樣堅固。在這個方面，鑄造產品40包括AZ91D，該合金因為其包含鎂的組分而比通常使用的鋁合金要輕。此外，因為擠壓鑄造，所以，與傳統的鑄造產品相比，鑄造產品40的整體性更好。因此，依據本發明的實施方式制造的鑄造產品適于替換各種傳統的鑄造產品。特別地，可以容易地替換厚壁的鋁鑄造產品——即壁厚為10mm到14mm的產品。由擠壓鑄造的鎂合金AZ91D容易地替換的厚壁鋁鑄產品的特定例子包括車橋托架、前蓋、后軸蓋、引擎架等等。
圖2中還示出，注射單元32屬于沿填充朝向傾斜地對接的類型。也就是說，注射單元32是傾斜的，使得液態合金能夠以使得湍流減少的方式從傳遞容器42注入到壓射缸44內。在這個方面，減少湍流通常減少了鑄造產品40的孔隙率。如箭頭46所示，注射單元32向上地傾斜，以準備為模腔30注射合金。示于圖1和2中的擠壓鑄造裝備10示出了一種“HVSC”裝備。然而，在另一實施方式中，擠壓鑄造裝備也可以是模具28豎直地打開的裝備。
圖3為依據另一實施方式的擠壓鑄造裝備10的簡化剖視圖。圖3的擠壓鑄造裝備10與圖1和2的擠壓鑄造裝備10類似，從而，為了簡略起見，將不再對圖1和2中描述過的那些元件進行描述。如圖3所示，模具28豎直地操作、從而被廣義地歸入到豎直擠壓鑄造裝備的類別中。適于應用在本發明各種實施方式中的豎直擠壓鑄造裝備的特別示例至少包括那些由美國代頓的THT Presses公司(Dayton，OH 45414，U.S.A)制造的豎直擠壓鑄造裝備。
圖4示出了由傳統HPDC工藝制造的鑄造產品48的一個截面，其示出了表皮效應。如圖4所示，與鑄造產品48的體部52相比，鑄造產品48的表層50的孔隙相對較少。此表皮效應通常導致傳統鑄造產品48機械性能的降低，并且，當對鑄造產品48進行進一步的機械加工時是特別麻煩的。在這個方面，在對鑄造產品48進行機械加工時，表層50可能被移除，并且較多孔隙、從而較弱的體部52被暴露出來。
圖5為依據本發明一個實施方式制造的鑄造產品54的立體圖。如圖5所示，鑄造產品54為一個階梯狀的塊，其包括有臺階56-62。臺階56-62的厚度是不同的。在一個特別的示例中，臺階56-62的厚度分別為2、6、10和14mm。此外，鑄造產品54被對半截開以顯示內部表面64。對內部表面64進行檢查以確定合金在臺階56-62處的冶金性能。依據一個實施方式，與傳統的鑄造產品相比，通過本文所述方法制造的鑄造產品的孔隙率較低、且冶金性能改善。
鑄造產品54可在“當前(as is)”狀態中進行評價、或否則在未回火的狀態中進行評價、或者可以進行熱處理。熱處理的例子包括T4或T6回火。
在厚度和溫度之外，多個其它的參數可以變動，例如注射壓力、澆口速度、合金溫度等等。依據一個實施方式，用來制造鑄造產品的注射壓力為69兆帕(“MPa”)或更大。更特別地，注射壓力為70到100Mpa。此外，依據一個實施方式，澆口速度等于或小于500mm每秒(“mm/sec”)。
令人驚訝的，通過本發明的鑄造方法，壁厚并不明顯地影響拉伸性能。即，通過擠壓鑄造制造的厚壁構件的拉伸性能令人驚訝地好，并不比薄壁構件的性能差，而該情形發生在通過HPDC制造的合金中。
依據本文所公開的方法，擠壓鑄造使得構件的可塑性更強、拉伸性能更好、且耐磨損性更高。這些改進的性能至少部分地因為通過擠壓鑄造減少了孔隙率及改善了構件的微觀結構而導致。
可通過本發明方法制造的汽車構件包括橫梁、控制臂、轉向節、活塞、引擎架、渦旋壓縮機、車輪、車橋托架、車橋蓋、閥殼、轉向柱套管托架、以及曲軸轂。
由本發明方法產生的鑄造產品54的拉伸性能的示例如下
表格1
根據對于擠壓鑄造合金的公開數據，表格1中示出的結果是出乎意料的。期望的屈服強度為104+/-4Mpa。根據公開的NRC數據，上述結果也是出乎意料的。根據NRC，期望的屈服強度為105+/-6Mpa。還令人驚訝的是，壁的厚度對機械性能沒有明顯影響。
由本發明方法、包括T6回火熱處理生產的鑄造產品54的拉伸性能的示例如下表格2
根據對于經T6回火處理的在AZ91的公開數據，表格2中示出的結果是出乎意料的。由砂型鑄造形成且經T6回火處理的AZ91的期望屈服強度為118+/-2.8Mpa。令人驚訝的還有壁的厚度對機械性能沒有明顯的影響。
本發明方法制造了一種AZ91D鎂合金，其具有如下表所示的令人驚訝的性能。
表格3
表格3中的SLCTM指亞液相鑄造(sub-liquidus casting)，一種半固體鑄造形式，其中在壓射缸中形成漿狀物。其商標持有人是美國俄亥俄州代頓市的THT公司。
如表格3中數據所示，與AS91D-F(即沒有回火處理；構件處于“鑄造時”狀態)相比，由本發明擠壓鑄造方法制造的經T6回火處理的AZ91D提供了出乎意料的屈服強度和拉伸強度。另外，由本發明擠壓鑄造方法制造的經T6回火處理的AZ91D所提供的屈服強度、拉伸強度、以及伸長率可與通常用來制造厚壁構件的380和383鋁合金相比擬，但是整體性得以提高，證據在于通過擠壓鑄造獲得了較小的孔隙率。
通過表格3中的數據還示出，經T4回火處理的擠壓鑄造AZ91D鎂合金的拉伸強度和可塑性遠大于380HPDC。此外，雖然經T4回火處理的AZ91D的屈服強度相對380HPDC降低，上述的數據確實意味著經T4回火處理的擠壓鑄造AZ91D可以是用鎂合金(即AM60或AM50)制造的HPDC的良好替代品，HPDC通常受到整體的機械整體性——例如表皮效應、孔隙等等——的不利影響。
還必須注意在文獻中列出的合金——尤其是AZ91D——的拉仲性能不能與在本文中所報告的測試數據作比較。在文獻中列出的拉伸性能是在多種不同的狀態下測得的。公開的拉伸數據是基于獨立鑄造的拉伸試件作出的(所述試件具有不同的形狀和凝固率以及其它區別因素)，而在本文中所報告的數據是基于實際的加工構件。如本領域內的技術人員所理解的那樣，基于獨立鑄造拉伸試件的公開拉伸數據是對機械加工構件的拉伸性能的推測。與通過其它鑄造技術——例如HPDC——加工的AZ91D相比，通過擠壓鑄造加工的AZ91D呈現被出乎意料地提高了的拉伸性能。
圖6為依據本發明一個實施方式的適于生產鑄造產品的方法70的流程圖。在開始方法70之前，可預先進行多個步驟以便實現方法70。這些步驟可包括以下步驟中的一些或全部(并沒有特定的順序)設計一種鑄造產品；基于設計和構造的產品來設計模具；將模具裝配到擠壓鑄造裝備10內；供應AZ91D合金和/或獲得AZ91D合金構件；對擠壓鑄造裝備供應能源，且使得各個加熱元件獲得工作溫度，等等。
在步驟72處，通過將AZ91D合金加熱到足以使金屬液化的溫度而開始方法70。通常，AZ91D的液化溫度大約為1105或595℃。通常，合金被加熱到略微超過這個溫度，以允許和相對較涼的表面接觸而不會使合金凝固。因此，鑄造溫度為從大約1160(625℃)到大約1290(700℃)。
在步驟74處，填充壓射缸44。例如，注射單元32傾斜以從傳遞容器42或其它的這種傳遞設備或導管接受液態合金。此外，在填充之前，壓射缸44可準備好以接收液態合金。例如，壓射缸44內的氣動推桿38可縮回和/或可對壓射缸44的溫度進行調節。
在步驟76處，在壓射缸44和模具28之間形成密封。例如，模具28通過模夾12的作用而夾緊在壓射缸44上。在另一個示例中，壓射缸44插入到模具28的一個凹入部分中，以在壓射缸44和模具28之間形成一個基本上是液密的密封。
在步驟78處，液態合金被注入到模腔30內。依據本發明的一個實施方式，液態合金通過注射單元在大于69兆帕(MPa)的注射壓力下以小于大約500mm每秒(“mm/sec”)的澆口速度注入到模腔30內。較低的澆口速度易于使得湍流的形成最小化，這可減少鑄造產品的孔隙率。所述壓力也可通過對所有滯留氣體進行壓縮而減少鑄造產品的孔隙率。此外，所述壓力使得液態合金易于移動到存在于模腔30中的凹入部分內。
在步驟80處，液態合金在模腔30內固化。例如，熱量經過模具28而傳送入周圍環境中。此外，可構造一個冷卻系統來降低模具28的溫度。由此，液態合金固化并產生鑄造產品40。
在步驟82處，鑄造產品40被從模腔32移走。例如，控制致動器22以分開模具30，且鑄造產品被撤出和/或推出模具30之外。此時，鑄造產品40通常還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/或對鑄造產品40進行加工，如同所述的那樣。
在步驟84處，可選地，對鑄造產品40進行熱處理。例如，對鑄造產品40進行T4或T6回火處理。熱處理通常增加鑄造產品的強度和/或改善鑄造產品的材料特性。在步驟82或84之后，擠壓鑄造裝備10可以停止，直到接到生產另一個鑄造產品40的指令。
從詳細的描述中可明顯地得知本發明的許多特征和優點，從而，所附權利要求意圖覆蓋本發明的所有落在本發明的實際主旨與范疇之內的特征和優點。進一步地，因為本領域內的技術人員可以容易地構想出許多修改和變動，所以，本發明不是限制在所示出和描述的具體構造和操作內，因此，所有合適的修改及等同方案都落在本發明的范疇內。
權利要求
1.一種采用AZ91D合金通過擠壓鑄造來制造鑄造產品的方法，所述方法包括將AZ91D合金加熱到液態；用該液態AZ91D合金來填充壓射缸；在所述壓射缸和模具之間形成密封；通過注射單元在大于約69兆帕(MPa)的壓力下以小于約500毫米每秒(mm/sec)的澆口速度將所述液態合金注入到所述模具內；以及使AZ91D合金在所述模具內固化以形成所述鑄造產品。
2.如權利要求1所述的方法，進一步包括將所述鑄造產品從所述模具移走。
3.如權利要求1所述的方法，其中形成密封進一步包括采用夾具將所述壓射缸夾在所述模具內。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述壓力介于70Mpa和100Mpa之間。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述澆口速度介于100mm/sec和500mm/sec之間。
6.如權利要求5所述的方法，其中所述澆口速度介于300mm/sec和500mm/sec之間。
7.如權利要求1所述的方法，進一步包括對所述鑄造產品進行熱處理。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述熱處理為T4回火。
9.如權利要求7所述的方法，其中所述熱處理為T6回火。
10.一種采用AZ91D合金通過擠壓鑄造工藝制造的鑄造產品，該鑄造產品包括8.5％到9.5％的鋁；0.17％到0.40％的錳；0.45％到0.9％的鋅；大約0％到0.015％的銅；大約0％到0.05％的硅；大約0％到0.001％的鎳；大約0％到0.004％的鐵；各為大約0％到0.01％的一種或多種其它金屬；以及剩余的為鎂，其中，制造所述鑄造產品的設備包括澆口，所述澆口的尺寸為大約3毫米(mm)到大約10毫米×大約3毫米(mm)到大約10毫米，而且所述鑄造產品在未回火的狀態下屈服強度為從大約100兆帕(MPa)到大約160Mpa；拉伸強度為從大約150MPa到大約230Mpa；以及伸長率為大約2％。
11.如權利要求10所述的鑄造產品，其中所述制造鑄造產品的設備的澆口速度介于大約300毫米每秒(mm/sec)和大約500mm/sec之間。
12.如權利要求11所述的鑄造產品，其中所述鑄造產品的厚度介于大約3mm和大約20mm之間。
13.如權利要求12所述的鑄造產品，其中所述制造鑄造產品的設備的澆口尺寸為6.35毫米(mm)×6.07mm，且處于未回火狀態中的鑄造產品屈服強度為從115兆帕(MPa)到118Mpa；拉伸強度為從168MPa到171Mpa；以及伸長率為大約2％。
14.如權利要求12所述的鑄造產品，其中所述制造鑄造產品的設備的澆口尺寸為6.4mm×5.97mm，且經T6回火處理后的鑄造產品屈服強度為從135兆帕(MPa)到140Mpa；拉伸強度為從196MPa到210Mpa；以及伸長率為大約2％。
15.如權利要求10所述的鑄造產品，其中所述鑄造產品包括車橋托架、前蓋、后軸蓋、和引擎架中的至少一種。
16.一種采用AZ91D合金通過擠壓鑄造來制造鑄造產品的裝備，所述裝備包括用于將AZ91D合金加熱到液態的裝置；用于以液態的AZ91D合金來填充壓射缸的裝置；用于在所述壓射缸和模具之間形成密封的裝置；用于使所述液態合金在大于約69兆帕(MPa)的壓力下以小于約500毫米每秒(mm/sec)的澆口速度注入所述模具內的裝置；以及用于使AZ91D合金在所述模具內固化以形成鑄造產品的裝置。
17.如權利要求16所述的裝備，進一步包括用于將鑄造產品從所述模具中移走的裝置。
18.如權利要求16所述的裝備，其中形成密封進一步包括用于通過夾具將所述壓射缸夾在所述模具內的裝置。
19.如權利要求16所述的裝備，其中所述用于注射的裝置構造成施加介于70Mpa和100Mpa之間的壓力。
20.如權利要求16所述的裝備，其中所述用于注射的裝置構造成以介于100mm/sec和500mm/sec之間的澆口速度注射所述液態合金。
21.如權利要求20所述的裝備，其中所述用于注射的裝置構造成以介于300mm/sec和500mm/sec之間的澆口速度注射所述液態合金。
22.如權利要求16所述的裝備，進一步包括用于對所述鑄造產品進行熱處理的裝置。
23.如權利要求22所述的裝備，進一步包括用于進行T6回火的裝置。
24.如權利要求22所述的裝備，進一步包括用于進行T4回火的裝置。
全文摘要
在一種采用AZ91D合金通過擠壓鑄造來制造鑄造產品的方法中，AZ91D合金被加熱到液態；用該液態AZ91D合金來填充壓射缸；以及在壓射缸和模具之間形成密封。此外，液態合金通過注射單元在大于約69兆帕(MPa)的壓力下以小于約500毫米每秒(mm/sec)的澆口速度注入所述模具內；并且AZ91D合金在所述模具內固化以形成鑄造產品。
文檔編號B22D17/08GK1942265SQ200580011716
公開日2007年4月4日 申請日期2005年3月8日 優先權日2004年3月15日
發明者拉辛德拉·達斯古普塔 申請人:Spx公司