CN114908278A

CN114908278A - 镁合金和锻造组件

Info

Publication number: CN114908278A
Application number: CN202110171202.2A
Authority: CN
Inventors: 湛弘义; 王聪婕
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-02-08
Filing date: 2021-02-08
Publication date: 2022-08-16
Also published as: US11987864B2; US20220251689A1; DE102021129463A1

Abstract

本发明公开了镁合金和锻造组件。镁合金基质，具有以下合金组合物，所述合金组合物包含浓度为0.5重量%至2.5重量%的铝，浓度为0.3重量%至1.0重量%的锰，锰的浓度大于或等于通过线性函数[Mn]=x[Al]确定的[Mn]的值，其中当[Al]=0.5时x为至少0.6，且当[Al]=2.5时x为至少0.14，浓度为0重量%至3重量%的锌，浓度为0重量%至3重量%的锡，浓度为0重量%至0.5重量%的钙，浓度为0重量%至5重量%的稀土金属，并且合金组合物的余量为镁。

Description

镁合金和锻造组件

技术领域

本公开涉及制造可改进镁铸造坯料的可成形性的基于镁的合金组合物的方法。

发明背景

轻质金属组件已经成为制造交通工具，尤其是汽车的重要焦点，其中性能和燃料效率的不断改进是合意的。尽管常规钢和其它金属合金提供了各种性能益处，包括高强度，但此类材料可以是重的。用于汽车应用的轻质金属组件通常由铝和/或镁合金制成。此类轻质金属可以形成牢固和坚硬的承载组件，所述承载组件同时具有良好的强度和延展性（例如伸长率）。高强度和延展性对于交通工具（如汽车）的安全性要求和耐久性特别重要。

虽然镁合金是可以用于形成交通工具中的结构组件的轻质金属的实例，但实际上，镁合金的使用可受到限制。虽然镁合金可以通过多种不同的成型技术进行处理，如锻压（wrought）方法（如挤压、轧制、锻造、流动成型、冲压等等），但镁合金通常限于仅经受低应变率（例如小于1/秒）的方法，否则它们可能开裂。

镁具有密排六方晶体结构和低堆垛层错能。由于该密排六方晶体结构，在变形中基面滑移的激活比非基面滑移的激活更有可能，并且因此可成形性可较低。

具有粗糙微观结构与铸件缺陷的铸态下的镁合金板坯/坯料的可成形性可引起甚至更大的挑战。例如，锻造商业Mg-Al合金（例如AZ61和AZ80）的惯常做法要求在锻造之前将镁铸造坯料/板坯挤压。如果不进行挤压，镁铸造坯料/板坯在锻造过程中可能开裂，并产生不令人满意的成材率（yield rate）。由于对镁铸造坯料/板坯的预挤压是费时且可能昂贵的，所以能够由包含镁的材料经由更简化的操作（例如直接对铸造坯料/板坯进行热变形）来形成用于交通工具的组件将是合意的。由此，始终需要改进的成型方法，以便由基于镁的合金的铸造坯料/板坯形成改进的轻质金属组件。

发明内容

本部分提供了本公开的总体内容，并且不是其全部范围或其所有特征的全面公开。

在各个方面，本技术提供了镁合金基质，其包含浓度为大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约2.5重量%的铝（Al），浓度为大于或等于大约0.3重量%至小于或等于大约1.0重量%的锰（Mn），锰的浓度大于或等于通过线性函数[Mn] = x[Al]确定的[Mn]的值，其中x具有以下值：使得当[Al] = 0.5时x为至少0.6，且当[Al] = 2.5时x为至少0.14，浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约3重量%的锌（Zn），浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约3重量%的锡（Sn），浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约0.5%的钙（Ca），浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约5重量%的稀土金属，该稀土金属是镧系元素、钪（Sc）, 钇（Y）或其组合的一种或多种，并且合金组合物的余量为镁（Mg）。

在一方面，铝（Al）的浓度为大于或等于大约1.5重量%至小于或等于大约2.5重量%，并且锰（Mn）的浓度为大于或等于大约0.35重量%至小于或等于大约0.6重量%。

在一方面，铝（Al）的浓度为大于或等于大约1.5重量%至小于或等于大约2.5重量%，并且锰（Mn）的浓度为大于或等于大约0.4重量%至小于或等于大约0.6重量%。

在一方面，铝（Al）的浓度为大于或等于大约1.75重量%至小于或等于大约2.25重量%，并且锰（Mn）的浓度为大于或等于大约0.45重量%至小于或等于大约0.55重量%。

在一方面，锌（Zn）的浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约1.5重量%。

在一方面，钙（Ca）的浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约0.2%。

在一方面，合金组合物包含至少0.01重量%的锌（Zn）。

在一方面，合金组合物包含至少0.01重量%的锡（Sn）。

在一方面，合金组合物包含至少0.01重量%的钙（Ca）。

在一方面，合金组合物包含至少0.01重量%的稀土金属。

在各个方面，本技术提供了包含合金基质的锻造镁组件，该合金基质包含浓度为大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约2.5重量%的铝（Al），浓度为大于或等于大约0.3重量%至小于或等于大约1.0重量%的锰（Mn），锰的浓度大于或等于通过线性函数[Mn] =x[Al]确定的[Mn]的值，其中x具有以下值：使得当[Al] = 0.5时x为至少0.6，且当[Al] =2.5时x为至少0.14，浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约3重量%的锌（Zn），浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约3重量%的锡（Sn），浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约0.5%的钙（Ca），浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约5重量%的稀土金属，该稀土金属是镧系元素、钪（Sc）, 钇（Y）或其组合的一种或多种，并且合金组合物的余量为镁（Mg）。合金基质具有包含部分动态再结晶晶粒的微观结构，该动态再结晶晶粒的平均晶粒尺寸为小于或等于10 µm。此外，Al-Mn弥散物分散在微观结构中。

在一方面，铝（Al）的浓度为大于或等于大约1.5重量%至小于或等于大约2.5重量%，并且锰（Mn）的浓度为大于或等于大约0.3重量%至小于或等于大约0.6重量%。

在一方面，锌（Zn）的浓度为大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约1.0重量%，并且钙（Ca）的浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约0.2%。

在一方面，合金组合物包含至少0.01重量%的以下：锌（Zn）、锡（Sn）、钙（Ca）和稀土金属中的至少一种或其组合。

在各个方面，本技术提供了包含合金基质的锻造镁组件，该合金基质包含一定浓度的Al [Al]，一定浓度的锰，所述一定浓度的锰大于或等于通过线性函数[Mn] = x[Al]确定的[Mn]的值，其中x具有以下值：使得当[Al] = 0.5时x为至少0.6，且当[Al] = 2.5时x为至少0.14，Al-Mn弥散物包括Al₈Mn₅弥散物和β-Mn(Al)弥散物，该Al-Mn弥散物具有大于大约1 nm且小于大约100 nm的平均直径。合金基质具有包含部分动态再结晶晶粒的微观结构。

在一方面，合金组合物包含浓度为大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约2.5重量%的铝（Al）、浓度为大于或等于大约0.3重量%至小于或等于大约1.0重量%的锰（Mn），浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约3重量%的锌（Zn），浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约3重量%的锡（Sn），浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约0.5%的钙（Ca），浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约5重量%的稀土金属，该稀土金属是镧系元素、钪（Sc）, 钇（Y）或其组合的一种或多种，并且合金组合物的余量为镁（Mg）。

在一方面，Al-Mn弥散物具有小于大约100 nm的平均直径。

其它适用领域将由本文中提供的描述而变得显而易见。本内容中的描述和具体实例仅意在以举例说明为目的，而无意限制本公开的范围。

附图说明

本文中描述的附图仅用于举例说明所选实施方案的目的，而非所有可能的实施方式，并且无意限制本公开的范围。

图1示出了根据一些示例实施方案在铸造之后在进一步处理之前的镁合金的微观结构。

图2示出了根据一些示例实施方案在热处理之后的镁合金的微观结构。

图3示出了根据一些示例实施方案在锻造之后的镁合金的微观结构。

图4A–4C。图4A示出了根据一些示例实施方案，随Al和Mn含量而变的在铸态微观结构中形成的Al₈Mn₅金属间化合物的摩尔分数的等值线图。图4B示出了根据一些示例实施方案，随Al和Mn含量而变的在铸态微观结构中形成的β-Mn(Al)固溶体的摩尔分数的等值线图。图4C示出了根据一些示例实施方案，随Al和Mn含量而变的在铸态微观结构中组合形成的Al₈Mn₅金属间化合物与β-Mn(Al)固溶体的摩尔分数的等值线图。

图5示出了根据一些示例实施方案，随Al和Mn含量而变的在400℃下在平衡状态下的Al₈Mn₅总摩尔分数的等值线图。

图6示出了根据一些示例实施方案，在平衡状态下在400℃下形成的Al₈Mn₅弥散物的摩尔分数的等值线图上覆盖的镁合金的组成坐标。

图7A和7B示出了对根据一些示例实施方案的镁合金在0.9的真应变下的加工图。

图8示出了根据一些示例实施方案的镁合金的树枝状晶体形状（formation）。

图9示出了根据一些示例实施方案在360℃的均化方法后镁合金的树枝状晶体中的Al浓度。

图10示出了根据一些示例实施方案在400℃的均化方法后镁合金的树枝状晶体中的Al浓度。

图11示出了根据一些示例实施方案在450℃的均化方法后镁合金的树枝状晶体中的Al浓度。

图12示出了根据一些示例实施方案显示形成镁合金的流程图。

图13示出了根据一些示例实施方案在均化后的一部分镁合金的电子显微镜照片（electron microscopy）。

图14示出了根据一些示例实施方案在均化后的镁合金的能量色散X射线光谱图。

图15示出了根据一些示例实施方案的锻造镁合金。

图16A和16B示出了根据一些示例实施方案在均化和锻造后的镁合金的微观结构。

图17示出了根据一些示例实施方案的锻造镁合金组件的应力对应变的图表。

在附图的几个视图中，相应的附图标记表示相应的部件。

具体实施方式

提供示例性实施方案从而使得本公开将为完全的，并使本公开将向本领域技术人员充分传达范围。阐述了许多具体细节，例如具体组合物、组件、装置和方法的实例，以提供对本公开的实施方案的充分理解。对本领域技术人员将显而易见的是，不需要采用具体细节，示例性实施方案可表现为许多不同的形式，并且它们都不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施方案中，没有详细描述公知的方法、公知的装置结构和公知的技术。

本文中所用的术语仅为了描述特定的示例性实施方案，并且无意作为限制。除非上下文清楚地另行指明，如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”可旨在也包括复数形式。术语“包含”、“包括”、“涵盖”和“具有”是可兼的，并且因此指定了所述特征、元件、组合物、步骤、整数、操作和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或加入。尽管开放式术语“包括”应被理解为用于描述和要求保护本文中所述的各种实施方案的非限制性术语，但在某些方面，该术语或可被理解成替代性地为更具限制性和局限性的术语，如“由……组成”或“基本由……组成”。由此，对叙述组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤的任意给定实施方案，本公开还具体包括由或基本由此类所叙述组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤组成的实施方案。在“由……组成”的情况下，替代实施方案排除任何附加的组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤，而在“基本由……组成”的情况下，从此类实施方案中排除了实质性地影响基本和新颖特性的任何附加的组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤，但是不在实质性地影响基本和新颖特性的任何组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤可以包括在实施方案中。

本文中描述的任何方法步骤、工艺和操作不应解释为必定要求它们以所论述或举例说明的特定次序履行，除非明确确定以一履行次序的形式进行。还要理解的是，除非另行说明，可采用附加或替代的步骤。

当组件、元件或层被提到在另一元件或层“上”，“啮合”、“连接”或“耦合”到另一元件或层上时，其可直接在另一组件、元件或层上，啮合、连接或耦合到另一组件、元件或层上，或可存在居间元件或层。相较之下，当元件被提到直接在另一元件或层上，“直接啮合”、“直接连接”或“直接耦合”到另一元件或层上时，可不存在居间元件或层。用于描述元件之间关系的其它词语应以类似方式解释（例如“在…之间”相对“直接在…之间”，“相邻”相对“直接相邻”等）。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关罗列项的任何和所有组合。

尽管术语第一、第二、第三等在本文中可用于描述各种步骤、元件、组件、区域、层和/或区段，但除非另行说明，这些步骤、元件、组件、区域、层和/或区段不应受这些术语限制。这些术语可仅用于将一个步骤、元件、组件、区域、层或区段与另一步骤、元件、组件、区域、层或区段进行区分。除非上下文清楚表明，术语如“第一”、“第二”和其它数值术语在本文中使用时并不暗示次序或顺序。因此，下文论述的第一步骤、元件、组件、区域、层或区段可以被称作第二步骤、元件、组件、区域、层或区段而不背离示例性实施方案的教导。

为了易于描述，在本文中可使用空间或时间上相对的术语，如“之前”、“之后”、“内”、“外”、“下”、“下方”、“下部”、“上”、“上部”等描述如附图中所示的一个元件或特征与其他（一个或多个）元件或（一个或多个）特征的关系。空间或时间上相对的术语可旨在涵盖装置或系统在使用或操作中在附图中所示的取向之外的不同取向。

在本公开通篇中，数值代表近似测量值或范围界限以涵盖与给定值的轻微偏差和大致具有所提及值的实施方案以及确切具有所提及值的实施方案。除了在详细描述最后提供的工作实例中之外，本说明书（包括所附权利要求）中的（例如量或条件）参数的所有数值应被理解为在所有情况中被术语“大约”修饰，无论在该数值前是否实际出现“大约”。“大约”是指所述数值允许一定的轻微不精确（在一定程度上接近该值的精确值；大致或合理地近似该值；几乎是）。如果在本领域中不以这种普通含义另行理解由“大约”提供的不精确性，那么本文所用的“大约”是指可由测量和使用此类参数的普通方法造成的至少偏差。例如，“大约”可包括小于或等于5%、任选小于或等于4%、任选小于或等于3%、任选小于或等于2%、任选小于或等于1%、任选小于或等于0.5%，和在某些方面任选小于或等于0.1%的偏差。

此外，范围的公开包括在整个范围内的所有值和进一步细分范围的公开，包括对这些范围给出的端点和子范围。

现在将参照附图更充分地描述示例性实施方案。

如上所述，存在某些与镁合金相关的缺点。因此，本技术提供了以下镁合金，其被配置为锻造和/或冲压成具有预定形状的组件，该组件在锻造/冲压或其它热变形方法之前可未经挤压。在各个方面，镁合金可在固溶体中具有低铝溶质，并可包含可改进可成形性的铝-锰弥散物。

根据本公开的某些方面形成的镁合金特别适用于形成汽车或其它交通工具（例如摩托车、船、拖拉机、公共汽车、摩托车、活动房屋、露营车和坦克）的组件，但是它们也可用于多种其它产业和应用，作为非限制性实例，包括航空和航天组件、消费品、设备、建筑物（例如住宅、办公室、棚子、仓库）、办公设备和家具、以及工业设备机械、农业或农用设备、或重型机械。汽车组件的非限制性实例包括发动机盖、立柱（例如A柱、铰链柱、B柱、C柱等等）、板件（包括结构板、门板和门组件）、内装地板、浅盘形底板（floor pan）、车顶、外部表面、车底防护罩（underbody shield）、车轮、控制臂和其它悬架装置、吸能盒（crush can）、保险杠、结构导轨（structural rail）和车架、仪表板横梁（cross car beam）、底盘（undercarriage）或传动系统组件等等。

在某些方面，本公开涉及制造镁合金的方法，该镁合金可在固溶体中含有低铝溶质，可含有高体积的铝-锰沉淀物或弥散物。本文中提供的方法能够通过在镁合金铸造坯料/板坯上的热变形形成包含镁合金的组件，所述镁合金铸造坯料/板坯可在固溶体中含有低铝溶质，并可含有对形成的镁合金组件的可成形性和机械性质有益的铝-锰弥散物。通常，镁合金表现出各向异性性能，并且在变形和加工过程中具有不充分的变形机制，其可以限制可用于加工的选项。各向异性变形行为可以在通过变形加工形成所需形状的制品的过程中至少部分发生。由于镁合金中强大的几何软化效应，所以倾向于发生应变局部化，其可以在早期成型阶段导致严重的开裂。在热变形之前进行挤压可以帮助细化微观结构和镁铸造坯料/板坯中的铸造缺陷，并因此改善可成形性。由此，在热变形之前未经受挤压的镁合金铸造坯料/板坯在制造过程中通常不可以在不开裂的情况下成型。

商业镁合金（如AZ61和AZ80）的强各向异性可变形性可由高铝含量所致。添加到这些商业镁合金中的相对较高的铝含量可产生优异的可铸造性和强大的固溶强化效果。但是，铝溶质不利地影响镁中锥面滑移（pyramidal slip）的交叉滑移能力，并由此增强了镁合金的各向异性变形性能，这不利于变形加工中的可成形性。

具有低/零铝含量的商业镁合金（如AZ31）可具有更好的可成形性。但是，这些基于镁的合金的强度性质不可以满足关键的承载组件的要求。

强度性质通常随着铝浓度的降低而降低。为了提高具有低铝含量的基于镁的合金的强度性质，替代强化机制可包括沉淀强化和/或晶界强化。镁中的强沉淀强化可与优质元素（如Zr、Gd、Nd、In、Ag和/或极高浓度的Al和Zn）有关，出于其它原因其可为不合意的。相反，可以通过使弥散物沉淀来实现促进晶界强化的晶粒细化。弥散物是具有细化尺寸的热稳定粒子，其可在相对高温下在均化处理中沉淀出来。弥散物可在动态再结晶晶粒的晶界上施加钉扎力，以阻止不合意的晶粒生长，有助于晶粒细化强化效果。

球形弥散物（例如Al-Mn弥散物）也可通过减小基面滑移和非基面滑移的临界分切应力之间的比来促进非基面滑移的激活，有助于减少各向异性变形性能并有助于更好的可变形性。

根据本公开的某些方面，可具有低铝含量并含有铝-锰弥散物的某些镁合金可在镁铸造坯料/板坯中形成有利的微观结构，所述镁铸造坯料/板坯可以随后经受热变形而不发生明显的开裂。合适的镁合金可具有以下组合物，其包含浓度为大于或等于大约85重量%的镁，浓度为大于或等于大约0.3重量%至小于或等于大约1.0重量%的锰（Mn），浓度为大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约2.5重量%的铝（Al），浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约3.0重量%的锌（Zn），浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约3.0重量%的锡（Sn），浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约0.5重量%的钙（Ca），浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约5.0重量%的稀土金属。该稀土金属可为镧系元素和/或钇（Y）的一种或多种。重量百分比（重量%）或质量百分比是组分重量除以整个合金组合物的重量乘以100。例如，100磅镁合金样品中的3磅铝将具有3的重量百分比。如下文进一步讨论的那样，具有大于或等于0重量%的最小浓度的元素可不存在，或替代性地具有0.01%的最小浓度。

参考图1，在铸造镁合金的过程中，随着镁合金凝固，镁可以树枝状晶体的形式凝固。镁合金还可产生具有晶界13的分开的晶粒。Mn在凝固过程中可在Mg树枝状晶体中过饱和，并形成含有Mn的金属间化合物12。由于Mn在Mg基质11中的过饱和，Mg基质11随后可在后续热处理中从Mg基质11中沉淀出Mn。

含有Mn的金属间化合物12可为微米级的Al₈Mn₅，或存在于镁合金的凝固中的β-Mn(Al)相，或其它含有Mn的相。含有Mn的金属间化合物12可有损于镁合金的延展性和可成形性。由此，限制含有Mn的金属间化合物12的形成将是有益的。

参照图2，在铸造镁合金的均化方法中，可形成多个Al-Mn弥散物21。Al-Mn弥散物21可通过减小基面和非基面滑移的临界分切应力之间的比来促进非基面滑移的激活，并由此有助于减少各向异性变形性能，导致改进的可成形性。

参照图3，在一些示例实施方案中，在锻造操作后，镁合金可经受动态再结晶。动态再结晶（DRX）是在变形过程中并通常在提高的温度下发生的新晶粒的成核与生长。新晶粒31或替代性地，再结晶晶粒31可具有不同于先前存在于金属件中的晶粒尺寸和取向，由此，新晶粒可以负和/或正的方式改变机械性质。来自动态再结晶的较大晶粒对于机械强度可为特别不合意的。Al-Mn弥散物的较小尺寸和较大体积分数有益于促进成形后的细微观结构，其有助于更高的强度。

Scheil凝固计算预测，Mg-Al-Mn合金的铸态微观结构中的主要含有Mn的相可为Al₈Mn₅相和β-Mn(Al)固溶体。图4A和4B中的等值线图分别显示了随Al重量%（y轴41）和Mn重量%（x轴42）含量而变的在铸态微观结构中形成的Al₈Mn₅和β-Mn(Al)固溶体的摩尔分数（除非另行说明，所有随后引用的组成均以重量百分比计）。图4C显示了在铸造后的Al₈Mn₅和β-Mn(Al)相的总摩尔分数随提高的41 Al重量%和42 Mn重量%含量而提高。AZ31B的最常用的组成范围如图4C中所表达，表明铸态AZ31B中含Mn相的总分数预计小于0.3摩尔%。

在均化处理过程中形成的含有Mn的弥散物的摩尔分数M_disp可以通过下式来计算：

M_disp.= (M_equil - M_Scheil)

其中M_equil和M_Scheil分别是在给定的均化温度下达到平衡状态的Al-Mn相的摩尔分数和在Scheil凝固（模拟铸态）中形成的Al-Mn相的摩尔分数。在给定的均化温度下，从Al-Mn相的总分数中减去铸造中形成的Al-Mn相的分数，得到在均化处理中新形成的Al-Mn相的分数。该值近似为在均化处理过程中可以沉淀出的Al-Mn弥散物的分数，并且可以用于指导合金设计。

例如，通过热力学计算发现，Al₈Mn₅是在均化温度范围（400-420℃）中处于平衡状态的唯一含Mn相，在工业上应用于Mg-Al系列合金。在图5中绘制了随Al和Mn含量而变的在400℃下在平衡状态下的Al₈Mn₅的总摩尔分数的等值线图。从该总分数中减去在铸态微观结构中形成的Al₈Mn₅相的分数，得到在400℃下新形成的Al₈Mn₅相的分数。通过上述方法，已经如图6所示预测了在400℃下的均化处理中形成的Al₈Mn₅弥散物的分数。通常，Al-Mn弥散物的分数随锰含量的增加和铝含量的减少而增加。

如图6中所示，一些示例实施方案的合金的组成在Al-Mn图中可具有下列坐标点：a1-a2-a3-a4-a1（其中a1 = 0.50重量% Al、1.00重量% Mn，a2 = 2.50重量% Al、1.00重量%Mn，a3 = 2.50重量% Al、0.35重量% Mn，和a4 = 0.50重量% Al、0.30重量% Mn）。在包括该组成范围的一些示例实施方案中，在400℃下的均化处理中形成的Al-Mn弥散物的摩尔分数可高于在传统AZ31合金中所可以达到的最大值（0.0023）。

在一些示例实施方案中，为了避免生成大体积的粗大的含有Mn的金属间化合物（其对铸造中的延展性有害），第二组成范围在图6中的Al-Mn图中可具有下列坐标点：b1-b2-a3-b3-b1（其中b1 = 1.50重量% Al、0.60重量% Mn，b2 = 2.50重量% Al、0.60重量%Mn，a3 = 2.50重量% Al、0.35重量% Mn，和b3 = 1.50重量% Al、0.35重量% Mn）。

在一些示例实施方案中，为了生成更大体积的Al-Mn弥散物，第三组成范围在图6中的Al-Mn图中可具有下列坐标点：b1-b2-b4-b5-b1（其中b1 = 1.50重量% Al、0.60重量%Mn，b2 = 2.50重量% Al、0.60重量% Mn，b4 = 2.50重量% Al、0.40重量% Mn，和b5 = 1.50重量% Al、0.40重量% Mn）。

在一些示例实施方案中，为了获得延展性与强度之间的最佳平衡，第四组成范围在图6中的Al-Mn图中可具有下列坐标点：c1-c2-c3-c4-c1（其中c1 = 1.75重量% Al、0.55重量% Mn，c2 = 2.25重量% Al、0.55重量% Mn，c3 = 1.75重量% Al、0.45重量% Mn，和c4 =2.25重量% Al、0.55重量% Mn）。

在一些示例实施方案中，在镁合金中包含Zn可允许更宽的加工条件范围，以制造可接受的锻造组件。在一些示例实施方案中，在镁合金中排除Zn可允许加工条件以制造可接受的锻造组件。

在某些示例实施方案中，镁合金进一步包含浓度为大于或等于大约0.0重量%至小于或等于大约3.0重量%及其子范围的锌（Zn）。在某些方面，锌以大于或等于大约0.01重量%至小于或等于大约3.0重量%、任选大于或等于大约0或0.01重量%至小于或等于大约1.5重量%、和在某些变型中任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约1重量%存在。在某些示例实施方案中，镁合金包含浓度为大约0.01重量%、大约0.1重量%、大约0.2重量%、大约0.4重量%、大约0.6重量%、大约0.8重量%、大约1.0重量%、大约1.2重量%、大约1.4重量%、大约1.6重量%、大约1.8重量%、大约2.0重量%、大约2.2重量%、大约2.4重量%、大约2.6重量%、大约2.8重量%和/或大约3重量%的锌。在一些示例实施方案中，镁合金基本不含锌。本文中所用的“基本不含”是指痕量组分水平，如小于或等于大约0.0001重量%的水平或不可检测的水平。

图7A和7B示出了一些示例实施方案的镁合金在0.9的真应变下的加工图。y轴74是ln έ，且x轴76是以℃计的温度。图7A显示了具有大约2.0重量%的Al和大约0.5重量%的Mn的镁合金的加工图。图7B显示了具有大约2.0重量%的Al、大约0.5重量%的Mn和大约1.0重量%的Zn的镁合金的加工图。

各个加工图包括了沿等值线的功率耗散效率。更高的功率耗散效率改善了金属的可加工性。较深的灰色阴影对应于流动不稳定区域71A和71B。该流动不稳定区域71A和71B对应于锻造过程中可令镁合金破裂或过度变形的加工条件。较浅的灰色阴影对应于工作区域72A和72B。该工作区域72A和72B代表与有效锻造相对应的加工条件，所述有效锻造产生可接受的锻造组件。其显示了添加Zn有益于更宽的加工条件范围。

如下文中进一步描述的那样，在镁合金组合物中可存在其它合金组分。此外，合金可包含总合金组合物的小于或等于大约0.3重量%、任选小于或等于大约0.1重量%和在某些变型中小于或等于大约0.05重量%的累积量的杂质与污染物。

镁构成镁合金的余量，并且在某些示例实施方案中可为大于或等于大约85重量%。

在某些示例实施方案中，镁合金进一步包含浓度为大于或等于大约0.0重量%至小于或等于大约3.0重量%及其子范围的锡（Sn）。添加Sn可有益于强度，因为其可促进老化引起的沉淀强化。在某些方面，锡以大于或等于大约0.01重量%至小于或等于大约3.0重量%、任选大于或等于大约0或0.01重量%至小于或等于大约1.5重量%和在某些变型中任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约1重量%存在。在某些示例实施方案中，镁合金包含浓度为大约0.01重量%、大约0.1重量%、大约0.2重量%、大约0.4重量%、大约0.6重量%、大约0.8重量%、大约1.0重量%、大约1.2重量%、大约1.4重量%、大约1.6重量%、大约1.8重量%、大约2.0重量%、大约2.2重量%、大约2.4重量%、大约2.6重量%、大约2.8重量%和/或大约3重量%的锡。在一些示例实施方案中，镁合金基本不含锌。本文中所用的“基本不含”是指痕量组分水平，如小于或等于大约0.0001重量%的水平或不可检测的水平。

在某些示例实施方案中，镁合金进一步包含浓度为大于或等于大约0.0重量%至小于或等于大约0.5重量%及其子范围的钙（Ca）。添加Ca可有益于镁合金的耐热性和耐腐蚀性。在某些方面，钙以大于或等于大约0.01重量%至小于或等于大约0.5重量%、任选大于或等于大约0重量%至小于或等于大约0.2重量%，且在某些变型中任选大于或等于大约0.01重量%至小于或等于大约0.2重量%存在。在某些示例实施方案中，镁合金包含浓度为大约0.01重量%、大约0.1重量%、大约0.2重量%、大约0.3重量%、大约0.4重量%和/或大约0.6重量%的钙。在一些示例实施方案中，镁合金基本不含钙。本文中所用的“基本不含”是指痕量组分水平，如小于或等于大约0.0001重量%的水平或不可检测的水平。

在某些示例实施方案中，镁合金进一步包含浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约5重量%及其子范围的稀土金属。稀土金属可有益于强度。在某些方面，稀土金属以大于或等于大约0.01重量%至小于或等于大约5重量%、任选大于或等于大约0重量%至小于或等于大约1.5重量%且在某些变型中任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约1重量%存在。在某些示例实施方案中，镁合金包含浓度为大约0重量%、大约0.5重量%、大约1重量%、大约1.5重量%、大约2重量%、大约2.5重量%、大约3重量%、大约3.5重量%、大约4重量%、大约4.5重量%和/或大约5重量%的稀土金属。在一些示例实施方案中，镁合金基本不含稀土金属。本文中所用的“基本不含”是指痕量组分水平，如小于或等于大约0.0001重量%的水平或不可检测的水平。

在某些示例实施方案中，镁合金可进一步包含痕量的铁（Fe）作为杂质，例如大约20 ppm。在一些示例实施方案中，镁合金基本不含铁。本文中所用的“基本不含”是指痕量组分水平，如小于或等于大约0.0001重量%的水平或不可检测的水平。

镁合金可以包含Al、Mn、Zn、Sn、Ca、稀土金属和Fe（以它们在上文描述的各浓度）的特定组合。在一些示例实施方案中，镁合金基本由Al、Mn和Mg组成。如上所述，术语“基本由……组成”是指镁合金不包括实质性地影响镁合金的基本和新颖特性的附加组合物、材料、组分、元素和/或特征，如镁合金在成形为压制硬化的镁组件之前无需挤压，但是在示例实施方案中可以包括不会实质性地影响镁合金的基本和新颖特性的任何组合物、材料、组分、元素和/或特征。因此，当镁合金基本由Al、Mn和Mg组成时，镁合金还可以包含如上文所提供的Zn、Sn、Ca和稀土金属的任意组合，其不会实质性地影响镁合金的基本和新颖特性。在其它示例实施方案中，镁合金由Al、Mn和Mg（以它们在上文描述的各浓度）以及Zn、Sn、Ca和稀土金属的至少一种（以它们在上文描述的各浓度）组成。也可以以痕量（即小于或等于大约1.5重量%、小于或等于大约1重量%、小于或等于大约0.5重量%的量或不可检测的量）包含本文中未描述的其它元素，条件是它们不会实质性地影响镁合金的基本和新颖特性。

在一些示例实施方案中，镁合金基本由Al、Mn和Mg组成。在一些示例实施方案中，镁合金由Al、Mn和Mg组成。

在一些示例实施方案中，镁合金基本由Al、Mn、Zn和Mg组成。在一些示例实施方案中，镁合金由Al、Mn、Zn和Mg组成。

在一些示例实施方案中，镁合金基本由Al、Mn、Sn和Mg组成。在一些示例实施方案中，镁合金由Al、Mn、Sn和Mg组成。

在一些示例实施方案中，镁合金基本由Al、Mn、Ca和Mg组成。在一些示例实施方案中，镁合金由Al、Mn、Ca和Mg组成。

在一些示例实施方案中，镁合金基本由Al、Mn、稀土金属和Mg组成。在一些示例实施方案中，镁合金由Al、Mn、稀土金属和Mg组成。

在一些示例实施方案中，镁合金基本由Al、Mn、Zn、Sn和Mg组成。在一些示例实施方案中，镁合金由Al、Mn、Zn、Sn和Mg组成。

在一些示例实施方案中，镁合金基本由Al、Mn、Zn、Sn、Ca和Mg组成。在一些示例实施方案中，镁合金由Al、Mn、Zn、Sn、Ca和Mg组成。

在一些示例实施方案中，镁合金基本由Al、Mn、Zn、Sn、稀土金属和Mg组成。在一些示例实施方案中，镁合金由Al、Mn、Zn、Sn、稀土金属和Mg组成。

在一些示例实施方案中，镁合金基本由Al、Mn、Zn、Sn、Ca、稀土金属和Mg组成。在一些示例实施方案中，镁合金由Al、Mn、Zn、Sn、Ca、稀土金属和Mg组成。

在一些示例实施方案中，镁合金基本由Al、Mn、Zn、Ca和Mg组成。在一些示例实施方案中，镁合金由Al、Mn、Zn、Ca和Mg组成。

在一些示例实施方案中，镁合金基本由Al、Mn、Zn、Ca、稀土金属和Mg组成。在一些示例实施方案中，镁合金由Al、Mn、Zn、Ca、稀土金属和Mg组成。

在一些示例实施方案中，镁合金基本由Al、Mn、Zn、稀土金属和Mg组成。在一些示例实施方案中，镁合金由Al、Mn、Zn、稀土金属和Mg组成。

在一些示例实施方案中，镁合金基本由Al、Mn、Sn、Ca和Mg组成。在一些示例实施方案中，镁合金由Al、Mn、Sn、Ca和Mg组成。

在一些示例实施方案中，镁合金基本由Al、Mn、Sn、Ca、稀土金属和Mg组成。在一些示例实施方案中，镁合金由Al、Mn、Sn、Ca、稀土金属和Mg组成。

在一些示例实施方案中，镁合金基本由Al、Mn、Sn、稀土金属和Mg组成。在一些示例实施方案中，镁合金由Al、Mn、Sn、稀土金属和Mg组成。

在一些示例实施方案中，镁合金基本由Al、Mn、Ca、稀土金属和Mg组成。在一些示例实施方案中，镁合金由Al、Mn、Ca、稀土金属和Mg组成。

表1显示了镁合金的示例实施方案的组成。

表1.根据示例实施方案的镁合金的组成

*基于大约0.5重量%的铝（Al）浓度，最小锰（Mn）浓度为大于或等于大约0.3重量%，并线性提高至基于大约2.5重量%的铝（Al）浓度的大于或等于大约0.35重量%。

此类镁合金能够在预变形热处理过程中形成金属间物类的热稳定的弥散物。在一些示例实施方案中，金属间物类可具有Al-Mn组成。热稳定的弥散物位于分布在基于镁的合金基质中的晶粒内部和整个晶粒中，并且可以在较高温度的加工中（例如在大于或等于大约500℃的温度下）保持稳定。热稳定的细化弥散物可以在本文中设想的任何中间处理或加工步骤的过程中钉扎位错并阻止动态再结晶（DRX）。由此，在本公开提供的某些处理方法的过程中形成的微观结构形成了最终抵抗动态再结晶（或替代性地静态再结晶）的区域。这些区域由此富含热稳定的弥散物，并在经受高应变加工后嵌入到贫含热稳定沉淀物的动态再结晶晶粒或结构域的基质中。

在某些变型中，本公开提供了一种处理由基于镁的合金形成的铸件（例如坯料、板坯、铸成最终尺寸的制品等）的方法，如上文所述的那些，其包括沉淀物/金属间物类。处理包括均化（或替代性地退火）方法。均化方法包括加热方法，其可在具有大于或等于大约360℃至小于或等于大约450℃、任选大于或等于大约380℃至小于或等于大约420℃、和任选大约400℃的温度的环境中进行。均化方法可将铸件保持在该温度范围内长于或等于4小时至小于或等于10小时、长于或等于4小时至小于或等于6小时、大约4小时、大约5小时、大约6小时、大约7小时、大约8小时、大约9小时、或大约10小时。通过控制均化方法过程中的温度和加热时间，可以在基于镁的合金中获得纳米等级的Al-Mn弥散物。

参照图8，在一些示例实施方案中，当镁合金凝固时，镁可在树枝状晶体形状中凝固。在一些示例实施方案中，镁树枝状晶体可类似于镁树枝状晶体8。合金中的每个镁树枝状晶体8将具有树枝状晶体核81和树枝状晶体边缘82。镁树枝状晶体8包括六个树枝状晶体形状，尽管在每个形状中可存在更多或更少的树枝状晶体形状。

镁合金的铝可能不会均匀地分布在树枝状晶体中，其中在凝固时在树枝状晶体边缘处具有更多的铝。也就是说，在凝固时，在树枝状晶体边缘82处的铝浓度可高于在树枝状晶体核81处的铝浓度。传统上施加均化处理以便令铝均匀分布在树枝状晶体中。如图9-11中所示，均化方法可改变树枝状晶体核与树枝状晶体边缘之间的Al相对浓度。

如上所述，由于Mn在树枝状晶体中的过饱和，均化还可以沉淀本公开中的Al-Mn弥散物 21。更长的均化处理和更高的均化处理导致更粗的Al-Mn弥散物，这对高强度要求是不合意的。温度比持续时间的影响更大。

参照图9，图显示了铸造形式的或在360℃下热处理不同时间段后，在距树枝状晶体核以微米计的一定距离（x轴92）处的Al重量%浓度（y轴91）。

在线901中显示了铸态样品中来自树枝状晶体核的Al重量%浓度，并且在线902中显示了热处理5小时后来自树枝状晶体核的Al重量%浓度，在线903中显示了热处理10小时后来自树枝状晶体核的Al重量%浓度，在线904中显示了热处理15小时后来自树枝状晶体核的Al重量%浓度，在线905中显示了热处理19小时后来自树枝状晶体核的Al重量%浓度，并在线906中显示了热处理24小时后来自树枝状晶体核的Al重量%浓度。

在树枝状晶体核81处，铸造形式的Al浓度显示为大约1.2%，在树枝状晶体边缘82处逐渐提高到大约3%。在360℃的热处理中，Al浓度是S形曲线，浓度朝向树枝状晶体边缘82提高。此外，在360℃，更长的处理时间显示出更均匀分布的Al浓度。

参照图10，图显示了铸造形式的或在400℃下热处理不同时间段后，距离树枝状晶体核一定距离处的Al浓度。

在线1001中显示了铸态样品中来自树枝状晶体核的Al重量%浓度，并在线1002中显示了热处理5小时后来自树枝状晶体核的Al重量%浓度，在线1003中显示了热处理10小时后来自树枝状晶体核的Al重量%浓度，在线1004中显示了热处理15小时后来自树枝状晶体核的Al重量%浓度，在线1005中显示了热处理19小时后来自树枝状晶体核的Al重量%浓度，并且在线1006中显示了热处理24小时后来自树枝状晶体核的Al重量%浓度。

在400℃热处理中，Al浓度是线性的，在5小时处理的情况下显示出由树枝状晶体核81向树枝状晶体边缘82的小提高，并且更长的热处理显示出由树枝状晶体核81向树枝状晶体边缘82的相对相等的Al浓度。

参照图11，图显示了铸造形式的或在450℃下热处理不同时间段后，距离树枝状晶体核一定距离处的Al浓度。

在线1101中显示了铸态样品中来自树枝状晶体核的Al重量%浓度，并在线1102中显示了热处理1小时后来自树枝状晶体核的Al重量%浓度，在线1103中显示了热处理2小时后来自树枝状晶体核的Al重量%浓度，在线1104中显示了热处理3小时后来自树枝状晶体核的Al重量%浓度，在线1105中显示了热处理4小时后来自树枝状晶体核的Al重量%浓度，在线1106中显示了热处理5小时后来自树枝状晶体核的Al重量%浓度。

在450℃热处理中，Al浓度类似于400℃热处理；但是，计时周期（timer periods）要短得多。Al浓度是线性的，其中1小时处理显示出由树枝状晶体核81向树枝状晶体边缘82的小提高，并且更长的热处理显示由树枝状晶体核81向树枝状晶体边缘82的相对相等的Al浓度。

在一些示例实施方案中，部分基于图9-11，为了在镁树枝状晶体8中实现均化的Al浓度，在大于或等于大约360℃至小于或等于大约450℃下热处理大于或等于大约1小时至小于或等于大约24小时，或小于或等于大约10小时；在大于或等于大约400℃至小于或等于大约450℃下热处理大于或等于大约1小时至小于或等于大约24小时，或小于或等于大约10小时；在大于或等于大约380℃至小于或等于大约420℃下热处理大于或等于大约1小时至小于或等于大约24小时，或小于或等于大约10小时；在大于或等于大约360℃至小于或等于大约420℃下热处理大于或等于大约4小时至小于或等于大约10小时。

参照图12，本技术还提供了制造可用于汽车的镁合金组件的方法12。更特别地，方法包括锻造上述镁合金以形成镁合金组件。镁合金可在没有挤压方法的情况下加工。镁合金组件可以是通常通过锻造制成的任何组件，如，例如交通工具组件。具有适于通过本方法生产的组件的交通工具的非限制性实例包括自行车、汽车、摩托车、船、拖拉机、公共汽车、活动房屋、露营车、滑翔机、飞机和坦克。在某些示例实施方案中，镁合金组件是选自车轮、立柱、保险杠、上边梁、摇臂导轨（rocker rail）、摇臂、控制臂、梁、通道（tunnel）、梁、阻流板（step）、副架构件和加强板的汽车组件。.

更特别地，在一些示例实施方案中，方法12包括用于形成镁合金铸造坯料（或形成板坯、铸成最终尺寸的制品等等）的操作121。操作121可包括熔炼根据上述组成的镁合金。操作122可包括铸造熔炼的镁合金，例如，直接冷硬铸造坯料。操作123可包括均化方法，其包括例如在大于或等于大约380℃至小于或等于大约420℃下进行如上公开的热处理长于或等于大约4小时至小于或等于大约10小时。操作124可包括锻造铸造镁合金以产生镁合金组件。锻造可包括在提高的温度（例如大约300℃至小于或等于大约450℃）下的单步或多步锻造，尽管本公开不限于此，并且可使用其它锻造方法。操作124在锻造前可不包括挤压步骤。

实施例

在工厂的半连续铸造生产线中制备镁合金锭，其具有按重量计2.0%的铝、0.57%的锰、0.5%的镁、0.002%的铁和余量的镁的组成。获得的锭的长度为大约1800 mm，且直径为310 mm。

如上述镁合金的图13中的扫描电子显微镜（SEM）图像131中所示，在保持400℃下5小时的均化方法之后，镁合金包括在铸造过程中形成的多个含有Mn的金属间化合物12。该含有Mn的金属间化合物12具有大约10 μm的平均直径。以上述方式制备的镁合金中的含有Mn的金属间化合物12可为大约1 μm至大约30 μm。扫描透射电子显微镜（STEM）图像132显示了对镁合金的更近的观察，并且包括在均化过程中形成的Al-Mn弥散物21。STEM图像133显示了对Al-Mn弥散物21之一的更近的观察。Al-Mn弥散物21具有大约10 nm的平均直径。在以上述方式制备的镁合金中的Al-Mn弥散物21可为大约1 nm至大约50 nm。Al-Mn弥散物21具有球形形状，尽管Al-Mn弥散物21可具有其它形状。Al-Mn弥散物21可为Al₈Mn₅。

参照图14，图像141、142、143和144显示了在（显示Al-Mn弥散物21的）STEM图像133中Al、Zn、Mn和Mg的分散。

Al-Mn弥散物21可有助于沉淀强化，并通过钉扎在晶界上来帮助细化锻造过程中产生的动态再结晶晶粒31，这可有助于晶界强化。此外，Al-Mn弥散物可有助于提高非基面滑移活性，改善均化态坯料的可成形性。

图15显示了来自根据一些示例实施方案的坯料的完整锻造组件，其已经在没有预挤压的情况下经受了400℃下5小时的均化方法。由此，与本发明的示例实施方案一致的Mg-Al-Mn-Zn合金可在没有预挤压的情况下具有优异的可成形性，并且能够直接锻造。

参照图16A和16B，已经检验了与本发明的示例实施方案一致的锻造镁合金的微观结构。图16A显示了已经经受过400℃下5小时的均化方法的锻造镁合金，并且图16B显示了已经经受过400℃下10小时的均化方法的锻造镁合金。

5小时均化方法导致锻造后的动态再结晶晶粒161的平均晶粒尺寸为大约8 μm。在一些示例实施方案中，10小时均化方法导致锻造后动态再结晶晶粒162的平均晶粒尺寸为大约16 μm。换言之，较长的均化方法可导致锻造后较大的动态再结晶晶粒，并由此可导致较差的强度性质。

图17示出根据一些示例实施方案的方法12制备的锻造镁组件的屈服应力。应力（MPa）显示在y轴171上，并且应变（%）显示在x轴172上。在五个样品中测得的锻造镁组件的0.2%保证强度可为大约160 MPa。

为了举例说明和描述的目的而提供了实施方案的上述描述。其无意穷举或限制本公开。特定实施方案的单个要素或特征通常不限于该具体实施方案，而是在适用时可互换并可以用于所选实施方案，即使没有明确展示或描述。其也可以许多方式改变。此类变动不应被视为背离本公开，并且所有这样的修改意在包括在本公开的范围内。

Claims

1.镁合金基质，包含：

浓度[Al]为大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约2.5重量%的铝（Al）；

浓度为大于或等于大约0.3重量%至小于或等于大约1.0重量%的锰（Mn），锰的浓度大于或等于通过线性函数[Mn] = x[Al]确定的[Mn]的值，其中x具有以下值：使得当[Al] = 0.5时x为至少0.6，且当[Al] = 2.5时x为至少0.14；

浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约3重量%的锌（Zn）；

浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约3重量%的锡（Sn）；

浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约0.5%的钙（Ca）；

浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约5重量%的稀土金属，所述稀土金属是镧系元素、钪（Sc）, 钇（Y）或其组合的一种或多种；并且

合金组合物的余量为镁（Mg）。

2.权利要求1所述的镁合金基质，其中

铝（Al）的浓度为大于或等于大约1.5重量%至小于或等于大约2.5重量%；且

锰（Mn）的浓度为大于或等于大约0.35重量%至小于或等于大约0.6重量%。

3.权利要求1所述的镁合金基质，其中

铝（Al）的浓度为大于或等于大约1.5重量%至小于或等于大约2.5重量%，且

锰（Mn）的浓度为大于或等于大约0.4重量%至小于或等于大约0.6重量%。

4.权利要求1所述的镁合金基质，其中

铝（Al）的浓度为大于或等于大约1.75重量%至小于或等于大约2.25重量%，且

锰（Mn）的浓度为大于或等于大约0.45重量%至小于或等于大约0.55重量%。

5.权利要求4所述的镁合金基质，其中锌（Zn）的浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约1.5重量%。

6.权利要求5所述的镁合金基质，其中钙（Ca）的浓度为大于或等于大约0重量%至小于或等于大约0.2%。

7.权利要求1所述的镁合金基质，其中所述合金组合物包含至少0.01重量%的锌（Zn）。

8.权利要求1所述的镁合金基质，其中所述合金组合物包含至少0.01重量%的锡（Sn）。

9.权利要求1所述的镁合金基质，其中所述合金组合物包含至少0.01重量%的钙（Ca）。

10.权利要求1所述的镁合金基质，其中所述合金组合物包含至少0.01重量%的稀土金属。