塑性加工用镁合金和镁合金塑性加工构件

摘要

本发明提供一种通过锻造能获得、在低温下的塑性变形性、机械强度和耐蠕变性优良的塑性加工用镁合金和镁合金塑性加工构件，本发明提供塑性加工用镁合金和镁合金塑性加工构件，所述镁合金是通过铸造包含镁、铝、和在凝固过程的共晶反应中与铝形成金属间化合物的金属元素的熔液来获得的镁合金，该镁合金中的总铝含量为2～10质量％，镁合金的金属组织中镁相中的铝浓度为4.5质量％以下且比该镁合金中总铝含量低0.5质量％以上，残留的铝作为金属间化合物存在，在凝固过程的共晶反应中与铝形成金属间化合物的金属元素的量是使镁合金的金属组织中镁相中的铝浓度降低的量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种容易通过铸造获得的、在比镁合金的重结晶温度更低温度下的塑性变形性、机械强度和耐蠕变性优良的塑性加工用镁合金和镁合金塑性加工构件，具体的涉及在要求轻量化的汽车、手机、笔记本电脑等民用电器、信息机器、电动工具、通用引擎等产业机械等的镁合金制构件的制造中能使用的塑性加工用镁合金和镁合金塑性加工构件。

背景技术

在上述产业领域的镁合金制构件制造中使用的合金多是镁-铝类合金，在要求铸造性和强度的情况下，通常使用铝含量多的合金，例如镁-9质量％铝(AZ91)合金。另一方面，要求锻造等塑性变形性时，铝含量必须少，例如通常使用镁-3质量％铝(AZ31)合金。在铸造用合金中像汽车引擎部件等在423K左右使用的耐热镁合金也必须抑制铝含量，例如提出了镁-2质量％铝-2质量％硅(AS22)合金、镁-4质量％铝-2质量％稀土类金属(AE42)合金(参见非专利文献1)。

非专利文献1：ASTM AZ91、AZ31、AS22、AE42

发明内容

但是，铝含量少的话机械强度变低，在部件设计上必然会使厚度增加，轻量化效果就降低了。并且，对耐热镁合金有铸造性变差、机械强度降低的课题。

并且，镁合金一般因为缺乏塑性变形性，一般加热到573K以上实施塑性加工。因此金属模具寿命短，难以选择润滑剂，成型精度课题等存在很多问题。特别是在镁合金的锻造中，在573K以上实施锻造，因为超过了镁合金的重结晶温度，得不到锻造加工后的强度提高，或者反之硬度甚至会降低。另一方面，塑性加工温度不到573K的话，在低的加工率下也容易产生破裂，会有不能对应多样的成型的问题。

本发明的目的在于提供一种塑性加工用镁合金和镁合金塑性加工构件，所述镁合金易于通过铸造，特别易于通过压铸获得，在低于镁合金的重结晶的温度下的塑性变形性、机械强度和耐蠕变性优良，特别适合锻造成型。

本发明人为了实现上述目的研究了各种对策，结果是基于下面的方案来获得的。即在考虑铸造性、特别是压铸性的话，镁合金中铝含量优选在5质量％以上，期望优选在6质量％以上。但是，在这样的铝含量范围内，进入了塑性加工性和耐蠕变性降低的区域。其主要原因多是从镁相的晶格常数的变化或镁一铝相的生成来说明。通过降低镁合金中的铝量，塑性加工性提高，镁相中铝浓度在4.5质量％以下，期望是4.3质量％以下，更期望在3.5质量％以下区域中塑性加工性、耐蠕变性得到改善。这样，在考虑铸造性，特别是压铸性时，和考虑塑性加工性、特别是考虑锻造成型性和耐蠕变性时，作为镁合金中的铝含量产生0.5质量％以上、期望1.0质量％以上，更期望1.5质量％以上的差。并且，通过铸造熔液、特别是压铸获得的镁合金结晶组织微细化，因此能提高锻造加工率。通过这样的组合，明显可以在锻造温度473K以下，以50％以上的压缩加工率进行锻造加工。另一方面，镁合金中铝含量的降低引起合金强度的降低，但是通过在锻造温度473K以下进行锻造加工的加工固化可以弥补。

接着，本发明人研究了添加与镁合金熔液中的铝形成金属间化合物的金属元素。但是，该金属元素在熔液中与铝形成金属间化合物时，熔液中铝含量实质上降低，没有赋予铸造性的提高，因为金属间化合物的粗大化在熔液中沉淀，也没有赋予强度上的提高。但是，只要是由凝固过程的共晶反应中与铝形成金属间化合物的金属元素，该金属间化合物因为在凝固过程中生成，在结晶粒子周围微细且均匀地分散，因而在铸造时有较高的铝含量，但是凝固后镁相中的铝浓度可能降低。并且，因为在凝固的金属组织中微细的金属间化合物均匀地分散，能获得塑性加工性、耐蠕变性以及合金高强度化。

即，本发明的塑性加工用镁合金是通过铸造包含镁、铝、和在凝固过程的共晶反应中与铝形成金属间化合物的金属元素的熔液从而得到的镁合金，其特征在于，该镁合金中总铝含量为2～10质量％，镁合金的金属组织中镁相中的铝浓度为4.5质量％以下，且比该镁合金中的总铝含量低0.5质量％以上，残留的铝作为金属间化合物存在，在凝固过程的共晶反应中与铝形成金属间化合物的金属元素的量是使镁合金的金属组织中镁相中的铝浓度降低的量。

本发明的塑性加工用镁合金在低于镁合金的重结晶温度的温度下的塑性加工性、耐蠕变性、机械特性优良，锻造温度473K以下，特别是373K以下的锻造成型性优良，能使汽车、手机、笔记本型电脑等民用电器、信息机器、电动工具、通用引擎等产业机械等轻量化得到进展。

具体实施方式

本发明的塑性加工用镁合金是通过铸造包含镁、铝、和在凝固过程的共晶反应中与铝形成金属间化合物的金属元素的熔液从而得到的镁合金，各合金元素使用纯金属或母合金或使用包含各成分的合金，通过铸造熔融获得的熔液而获得。该熔液中的铝含量为2～10质量％。

铸造后的凝固过程的共晶反应中铝和上述金属元素形成金属间化合物，因而镁合金的金属组织中镁相中的铝浓度为4.5质量％以下且比该镁合金中总铝含量低0.5质量％以上，期望低1质量％以上，残留的铝因为作为微细的金属间化合物均匀地分散在凝固的金属组织中，可以在比镁合金的重结晶温度更低的温度下获得除了塑性加工性、耐蠕变性以外，还有合金高强度化。

作为在凝固过程的共晶反应中与铝形成金属间化合物的金属元素有镧、铈等稀土类金属、或其混合物铈镧合金(ミッシュメタル)、钙、锶等，从成本考虑铈镧合金、钙、锶是有利的。这些金属元素的含量不是一概而论，镁合金的金属组织中镁相中的铝浓度在4.5质量％以下，期望是4.3质量％以下，更期望低至3.5质量％以下并且比该镁合金中的总铝含量低0.5质量％以上，期望低1质量％以上的量。镁相中的铝浓度例如可以通过EPMA(电子探子微分析器)来分析。或者，各金属元素形成的金属间化合物例如有Al₂Ca、Al₄Ce或Mg-Al-Ca系等复合化合物等，从其原子比能算出。

并且，只要能期待由生成的金属间化合物引起的强度提高，优选根据面积分析法求得的金属组织中的金属间化合物的面积比例为5％以上，期望是10％以上。

并且，本发明的塑性加工用镁合金中，镁合金中一般使用的银、铜、锌、锰的至少一种即使分别以0.1～3质量％的银、0.1～4质量％的铜、0.1～2质量％的锌和0.1～1质量％的锰的量追加添加，上述的机理仍然是有效的。

本发明的塑性加工用镁合金因为金属组织是微细化的，在比镁合金的重结晶温度低的温度下，从塑性变形性、机械强度两方面考虑是有用的，并且，铸造、特别是由压铸的急冷凝固的结晶粒度变成50μm以下，期望是30μm以下，适合作为塑性加工用、特别是锻造成型用合金材料。并且，这样的微细组织的镁合金公知也是具有优良的耐腐蚀性。因而本发明的塑性加工用镁合金可以进行挤出、压延、锻造或冲压的塑性加工，在比镁合金的重结晶温度低的温度下、具体是在473K以下，特别是373K以下的温度下可以进行挤出、压延、锻造或冲压的塑性加工，特别可以进行锻造成型，本发明也包括由这样的塑性加工获得的镁合金塑性加工构件。

并且，由本发明的塑性加工获得的镁合金塑性加工构件耐蠕变性优良，在473K下的拉伸强度为150MPa以上，具有在423K、50MPa下的蠕变速度为1×10^-3％/h以下的耐蠕变性，在引擎油的温度下即423K下的耐蠕变性满足在必要的汽车引擎部件等中使用的铝(ADC12)合金。

本发明的塑性加工用镁合金通过控制塑性加工的加工温度、加工比，产生重结晶或动态重结晶，镁合金塑性加工构件的金属组织可以微细化到50μm以下，期望是30μm以下。微细组织的有效性如上述。进行这样的组织控制的塑性加工从加工温度、加工比的自由度上考虑有利于锻造加工。这样在本发明的镁合金锻造加工构件中，镁合金的金属组织的结晶粒度可以达到其他制备方法难以达到的平均50μm以下，优选为30μm以下。并且，例如对AZ61、AZ91困难的573K以下的锻造成型是可能的，在加工温度573K以下进行锻造成型，能获得室温下的拉伸强度为300MPa以上的镁合金锻造成型构件。并且，本发明的塑性加工用镁合金在473K以下，特别是373K以下的温度下锻造成型，镦锻下压缩率为30％左右，尤其是通过控制条件压缩率在50％左右也不会产生破裂，锻造后的硬度通过加工固化能提高30％以上，根据条件能提高50％以上。本发明还包含由这样的锻造成型获得的镁合金锻造成型构件。

并且，镁合金塑性加工构件的成型形状或要求强度的部位受限定时，本发明的塑性加工用镁合金在573K以上的热锻下成型，可以对要求强度的部位在473K以下给予冷锻。自由组合这样的方法，能获得更宽的本发明的塑性加工用镁合金锻造方法的范围，通过锻造能提高强度、可靠性。

下面基于实施例和比较例来具体的说明本发明。

实施例1～8和比较例1

制造实施例1～8和比较例1的塑性加工用镁合金使用的原料合金组成示于表1中。另外，表1中的Mm表示铈镧合金。

表1

  原料合金编号  原料合金组成(质量％)  A  B  C  D  E  F  G  H  Mg-12％Al-2％Ca-2％Mm-0.2％Mn  Mg-5％Al-2％Ca-2％Mm-0.2％Mn  Mg-7％Al-2％Ca-2％Mm-2％Sr-0.2％Mn  Mg-9％Al-2％Ca-2％Mm-2％Sr-0.2％Mn  Mg-10％Al-2％Ca-2％Mm-0.2％Mn  Mg-6％Al-2％Ca-0.7％Zn-0.2％Mn  Mg-6％Al-1％Ca-2％Mm-0.2％Mn-1％Ag  Mg-6％Al-1％Ca-2％Sr-0.2％Mn-1％Cu

在铸钢铸件制的坩锅中装入上述任一种镁原料合金，熔融，为了改善合金的耐腐蚀性，在该熔液中添加0.2质量％的铈镧合金，且用Ar气体起泡，并且在该熔液表面使稀释SF6流动。熔液温度维持在873～973K，在金属模温度473K下通过表2所示的铸造方法来铸造。在压铸下制作□100mm×100mm、厚4mm的板材，在金属模铸造下制造□100mm×100mm、厚50mm的板材。并且，将该金属模铸造中获得的厚50mm的板材切割成厚4mm的产品，用于后述的锻造性试验和蠕变试验。

对制造的各板材，金属组织的平均结晶粒度是根据JIS G 0551定义的结晶粒度，镁相中的铝浓度是根据EDX版定量分析的值，金属间化合物的面积比例是根据显微镜组织的图像解析的值。这些值如表2所示。

表2

  原料合  金编号  铸造方法  平均结晶粒  度  Mg相中的  Al浓度  金属间化合物  的面积比例 比较例1  A  压铸  40μm  6.5质量％  8％ 实施例1  B  压铸  10μm  3质量％  6％ 实施例2  B  金属模铸造  40μm  3质量％  7％ 实施例3  C  压铸  10μm  3质量％  8％ 实施例4  D  压铸  30μm  3.5质量％  8％ 实施例5  E  压铸  25μm  4.5质量％  12％ 实施例6  F  压铸  20μm  4质量％  6％ 实施例7  G  压铸  25μm  4.3质量％  5％ 实施例8  H  压铸  25μm  4.2质量％  5％

使用上述实施例和比较例的各镁合金的厚度为4mm的板材，分别在表3所示的锻造温度下由反向挤压制造底面直径20mm、高30mm以上、侧面起模斜度为5度的杯状的样品。此时，端面没有处理。根据下面的基准评价锻造性。这些评价结果如表3所示。

<锻造性>

○：样品没有裂缝等缺陷。

△：在样品表面上有微细的裂缝。

×：样品有裂缝。

并且，通过镦锻加工上述实施例和比较例的各镁合金的厚度为4mm的板材，加工成2mm厚，制造JIS 13B的样片，使用该样片，在试验温度423K、负载50MPa下实施蠕变试验，求得蠕变速度。该试验的结果示于表3中。

进而，对于部分镁合金板材测定拉伸强度。结果示于表3中。

表3

  镁合金  铸造温度  锻造性  蠕变速度％/h  拉伸强度  比较例1-1  比较例1-2  实施例1  实施例2  实施例3  实施例4  实施例5  实施例6  实施例7  实施例8  723K  623K  523K  573K  523K  573K  573K  523K  523K  573K  ○  ×  ○  ○  ○  ○  ○  ○  ○  ○  3.3×10^-3  -  0.25×10^-4  0.20×10^-4  0.18×10^-4  9.5×10^-4  4.5×10^-4  1.7×10^-4  1.5×10^-4  1.8×10^-4  260MPa  -  340MPa  280MPa  360MPa  320MPa  265MPa  -  -  -

实施例9～12和比较例2

制造实施例9～12和比较例的塑性加工用镁合金而使用的原料合金组成示于表4中。另外，表4中Mm是铈镧合金。

表4

  原料合  金编号  原料合金组成(质量％)  I  J  K  L  M  Mg-8％Al-2％Ca-2％Mm-0.2％Mn  Mg-5％Al-2％Ca-2％Mm-2％Sr-0.2％Mn  Mg-4％Al-1％Ca-2％Mm-0.2％Mn  Mg-3％Al-2％Ca-1％Mm-0.5％Sr-0.2％Mn  Mg-2％Al-1％Ca-1％Mm-0.5％Sr-0.2％Mn

对表4所示的原料镁合金I、J、K、L和M，在铸钢铸件制的坩锅中先装入镁和铝，熔融，在该熔液中添加钙、铈镧合金和锶(原料镁合金A和C的情况没有添加锶)，确认熔融后添加镁-锰母合金，搅拌后用Ar气起泡10分钟，然后静置10分钟，除去表面的浮渣，分别制造原料合金I、J、K、L和M的熔液。

将熔液温度维持在873～973K，在熔液表面上边使稀释SF₆流动，边进行铸造。在模温473K下通过表5所示的铸造方法铸造。压铸时制造Φ70mm×100mm的圆棒，在金属模铸造时制造Φ100mm×100mm的圆棒。各圆棒分别切断成高50mm的样片。

制造的各样片的金属组织的平均结晶粒度是根据JIS G 0551的定义的结晶粒度，镁相中的铝浓度是根据EDX版定量分析的值。这些值示于表5中。

表5

  原料合金编号  铸造方法  平均结晶粒度  Mg相中的Al浓度  比较例2  I  金属模铸造  50μm  6.5质量％(Δ1.5质量％)  实施例9  J  金属模铸造  50μm  3.0质量％(Δ2.0质量％)  实施例10  K  压铸  15μm  3.0质量％(Δ1.0质量％)  实施例11  L  压铸  25μm  2.0质量％(Δ1.0质量％)  实施例12  M  压铸  30μm  1.5质量％(Δ0.5质量％)

Mg相中的Al浓度一栏的Δ数值是表示原料合金组成中与Al的浓度之差(减少量)。

对上述实施例和比较例的各样片，分别在表6所示的锻造温度下进行镦锻加工。使压缩率提高10％单位实施，在产生破裂时停止该样片的试验。表6是表示各样片对锻造温度没有产生破裂时的最大压缩率。并且，硬度是用显微维氏硬度试验(300g，30秒)测定锻造前的样片硬度和表示最大压缩率的锻造后的样片硬度。测定结果示于表6中。

表6

  样片  铸造温度  压缩率  锻造前的硬度→锻造后的硬度  硬度的增加率  比较例2  实施例9  实施例9  实施例10  实施例10  实施例11  实施例11  实施例11  实施例12  实施例12  实施例12  473K  373K  473K  373K  473K  373K  423K  473K  373K  423K  473K  10％  20％  50％  30％  50％  30％  40％  60％  40％  50％  70％  53→62  47→66  47→61  65→91  65→87  62→95  62→95  62→85  56→88  56→91  56→82  17％  40％  30％  40％  34％  53％  53％  37％  57％  63％  46％