鎂基複合粉末、鎂基合金原材及其製造方法
2023-09-15 00:34:10
專利名稱：鎂基複合粉末、鎂基合金原材及其製造方法
技術領域：
本發明涉及包含具有高剛性的Mg2Si的鎂基複合粉末和鎂基合金原材及其製造方法。
背景技術：
鎂合金因其低比重而以輕量化效果為特徵，主要在行動電話和隨身聽的殼體中得到廣泛製品化、實用化。在制品和部件的設計中，除了原材的強度和硬度這種機械的特性以外，剛性也是重要的材料因素。
例如，將鎂合金應用於自動變速器(AT)用外殼(case)時，即使其與目前所使用的鋁合金(例如ADC12)具有同等的抗拉強度和蠕變強度的情況下，原有的鎂合金的剛性(楊氏模量)也只有鋁合金的約60％左右，因此在同等尺寸、壁厚下施加載荷時會產生彎曲、變形。因此，至今在鎂合金的實用化中仍然存在的問題是，需要根據應用的製品、零件而進行厚壁化設計，從而得不到輕量化效果。
為了提高以鎂合金為首的金屬材料的剛性，一般有效的方法是，使具有比該金屬材料剛性高的化合物粒子分散，即複合材料的利用。例如，矽化鎂(Mg2Si)其楊氏模量為120GPa，由於與一般的鎂合金的楊氏模量(43～44GPa)相比顯著的大，所以在合金中分散該粒子的複合材料中能夠期待剛性提高。
然而，通過熔解、鑄造法製造Mg-Si系合金時，因為Si含量以重量標準計在約1％附近存在共晶點，所以如果添加遠遠超過1重量％的Si時，由其與Mg的反應而生成的Mg2Si成長得粗大。在含有如此粗大的Mg2Si的鎂合金中，會發生因在其粒子的應力集中造成的強度、韌性的降低，以及伴隨Mg和Si的反應帶來的發熱而存在熔解過程中的爆炸等的危險性。另外因粗大的Mg2Si粒子存在，向金屬模內的澆注性能(鑄造性)降低。發生在鑄造合金原材內部存在大量缺陷和空穴這樣的問題。因此，AS21合金(Mg-2％Al-1％Si)和AS41合金(Mg-4％Al-1％Si)等是可以用熔解、鑄造法製造的含有Mg2Si的鎂合金。然而，在添加1重量％左右的Si時，因為生成的Mg2Si粒子的體積分率仍不足全體的1％左右，所以難以使鎂合金的剛性顯著提高。
另一方面，S.K.THAKUR(出處Metallurgical and MaterialsTransactions A，Vol.35A，March 2004，p.1167-1176)提出的方法是，預先形成將含有Si粉末的3種混合粉末固化的預成型坯(preform)，在此通過對熔解了的鎂合金加壓同時使之浸透的溶浸(infiltration)法製造含有Mg2Si粒子的鎂合金。然而，在該方法中，通過熔解的Mg合金和Si的反應合成的Mg2Si在此反應過程中隨晶粒成長，其結果是成為70～100μm左右的粗大的Mg2Si存在於鎂合金中。該結果是產生如上所述的各種性能上的問題。
本發明者在特願2003-2602號(2003年1月8日申請)中，公開了一種運用粉末冶金法來製造分散有Mg2Si粒子的鎂基複合材料的技術。在此提出了通過機械結合法或者使用了粘合劑的接合法，使微細的Si粉末或SiO2粉末附著於鎂基合金粉末的表面的鎂複合粉末及其製造方法。此外還提出，對於這樣的複合粉末實施溫間塑性加工，在此過程中利用Mg和Si或SiO2的固相反應而生成Mg2Si粒子，最終得到使內部均一地分散了此Mg2Si粒子的鎂基複合材料。
由特願2003-2602號中公開的技術得到的鎂基複合材料顯示出高抗拉強度，但是需要Mg和Si或SiO2反應所需的高溫加熱(例如400～550℃左右)。這時會伴隨有鎂結晶粒的粗大化。若換言之，即為了實現更高強度化而加熱溫度的低溫化是有效的，但是由於上述的固相反應的關係，例如300℃左右的低溫加熱化很困難。
發明內容
本發明的目的在於，即使不實施高溫加熱，也能夠得到大量含有Mg2Si粒子的高剛性和高強度的鎂合金。
本申請發明者發現，為了製造使Mg2Si粒子分散的鎂基複合材料，有效的辦法是使用在Mg基粉末的表面及/或基體內部存在有Mg2Si粒子的鎂基複合粉末。並發現不使用如特願2003-2602號中所公開的Si粒子，不是利用其與Mg粉體的固相反應來合成Mg2Si粒子的方法，而是採用Mg2Si粒子，並由此得到以下的優點。
(1)不需要用於促進上述的Si-Mg反應所需的400～550℃附近的高溫加熱，其結果是通過抑制基體的Mg結晶粒的粗大、成長，從而能夠抑制Mg基合金的強度降低。
(2)通過避免Si-Mg反應過程中的發熱現象，從而能夠抑制Mg2Si粒子和Mg的粗大化。
總之，即使不實施如上所述的Mg和Si的固相反應所需要的高溫加熱，通過200～400℃左右的溫間擠壓加工也可以製造鎂基合金。其結果是，能夠得到大量含有微細的Mg2Si粒子的高剛性且高強度的鎂基合金。
依據本發明的鎂基複合粉末，具有鎂基粉末、和分散於鎂基粉末的表面和基體內部的至少任何一方的矽化鎂(Mg2Si)。
在上述的鎂基複合粉末中，Mg2Si的最大粒子徑為50μm以下，優選為20μm以下，更優選為5μm以下。另外，相對於該鎂基複合粉末的Mg2Si的含量，以體積基準計優選為5～60％。
依據本發明的鎂基合金原材，是將上述的鎂基複合粉末做壓粉成形並進行了燒結，使基體中分散有Mg2Si粒子。
在一個實施方式中，依據本發明的鎂基複合粉末的製造方法具有如下工序。
a)準備鎂(Mg)基粉末和矽化鎂(Mg2Si)粒子的工序。
b)在Mg基粉末的表面塗布粘合劑的工序。
c)將塗布了粘合劑的Mg基粉末和Mg2Si粒子混合、攪拌，使Mg基粉末的表面與Mg2Si粒子結合的工序。
在其他的實施方式中，依據本發明的鎂基複合粉末的製造方法具有如下工序。
a)準備鎂(Mg)基粉末和矽化鎂(Mg2Si)粒子的工序。
b)在調配Mg基粉末和Mg2Si粒子後進行機械性混合，使Mg基粉末的表面與Mg2Si粒子機械性地結合的工序。
在上述方法中，使Mg基粉末的表面與Mg2Si粒子機械地結合的方法是，例如使用球磨機、混合磨碎機、滾軸式壓實機(roller compactor)或軋制機等機械地混合調配粉末。
此外在其他實施方式中，依據本發明的鎂基複合粉末的製造方法具有如下工序。
a)準備鎂(Mg)基粉末和矽化鎂(Mg2Si)粒子的工序。
b)混合Mg基粉末和Mg2Si粒子的工序。
c)在金屬模具內將混合粉末壓粉成形，製作分散有Mg2Si粒子的Mg基壓粉成形體的工序。
d)燒結Mg基壓粉成形體，製作分散有Mg2Si粒子的Mg基燒結合金的工序。
e)對Mg基燒結合金進行機械地粉碎或切削加工而粉體粉末化的工序。
此外在其他實施方式中，依據本發明的鎂基複合粉末的製造方法具有如下工序。
a)準備鎂(Mg)基粉末和矽(Si)粒子的工序。
b)混合Mg基粉末和Si粒子的工序。
c)在金屬模具內將混合粉末壓粉成形，製作分散有Si粒子的Mg基壓粉成形體的工序。
d)加熱Mg基壓粉成形體，通過Mg和Si的反應合成Mg2Si，同時製作分散有Mg2Si粒子的Mg基燒結合金的工序。
e)對Mg基燒結合金進行機械地粉碎或切削加工而粉體粉末化的工序。
此外在其他實施方式中，依據本發明的鎂基複合粉末的製造方法具有如下工序。
a)在鎂基熔液中投入矽化鎂(Mg2Si)粒子並攪拌的工序。
b)將熔液澆注於模具以製作鑄造原材的工序。
c)對鑄造原材進行機械地粉碎或切削加工而粉體粉末化的工序。
此外在其他實施方式中，依據本發明的鎂基複合粉末的製造方法具有如下工序。
a)準備鎂(Mg)基粉末和矽化鎂(Mg2Si)粒子的工序。
b)混合Mg基粉末和Mg2Si粒子的工序。
c)在金屬模具內將混合粉末壓粉成形，製作分散有Mg2Si粒子的Mg基壓粉成形體的工序。
d)將Mg基壓粉成形體進行熔解、鑄造，製作Mg2Si粒子分散Mg基鑄造原材的工序。
e)對Mg基鑄造原材進行機械地粉碎或切削加工而粉體粉末化的工序。
此外在其他實施方式中，依據本發明的鎂基複合粉末的製造方法具有如下工序。
a)準備鎂(Mg)基粉末和矽(Si)粒子的工序。
b)混合Mg基粉末和Si粒子的工序。
c)在金屬模具內將混合粉末壓粉成形，製作分散有Si粒子的Mg基壓粉成形體的工序。
d)加熱Mg基壓粉成形體，通過Mg和Si的反應合成Mg2Si，同時製作分散有Mg2Si粒子的Mg基燒結合金的工序。
e)將Mg基燒結合金進行熔解、鑄造，製作Mg2Si粒子分散的Mg基鑄造原材的工序。
f)對鑄造原材進行機械地粉碎或切削加工而粉體粉末化的工序。
依據本發明的鎂基合金原材的製造方法，具有如下工序將上述的鎂基複合粉末壓粉成形的工序；在200～400℃的惰性氣體氣氛或非氧化性氣體氣氛中加熱該壓粉成形體的工序；在加熱後立即對壓粉成形體進行擠壓加工而使其緻密化的工序。
關於本發明的特徵和作用效果在以下的項目中記載。
圖1是表示將粘合劑用於Mg基粉末的表面而使Mg2Si粒子附著的方法的一例的圖解圖。
圖2是表示將粘合劑用於Mg基粉末的表面而使Mg2Si粒子附著的方法的另一例的圖解圖。
圖3是表示在Mg基粉末的表面附著了Mg2Si粒子的鎂基複合粉末的一例的圖解圖。
圖4是表示在Mg基粉末的表面附著了Mg2Si粒子的鎂基複合粉末的另一例的圖解圖。
圖5是表示製造鎂基複合粉末的方法的一例的圖。
圖6是表示使Mg鎂基粉末的基體中分散Mg2Si粒子的鎂基複合粉末的一例的圖解圖。
圖7是表示製造鎂基複合粉末的方法的另一例的圖。
圖8是表示製造鎂基複合粉末的方法的又一其他例的圖。
圖9是表示製造鎂基複合粉末的方法的又一其他例的圖。
圖10是表示製造鎂基複合粉末的方法的又一其他例的圖。
圖11是表示使Mg鎂基合金基體中分散Mg2Si粒子的鎂基複合粉末的剖面組織的一例的顯微鏡照片。
圖12是表示鎂基複合粉末的X射線衍射結果的一例的圖。
圖13是表示鎂基複合粉末的X射線衍射結果的另一例的圖。
具體實施例方式
(1)鎂基複合粉末(A)Mg2Si的含量鎂基合金粉末整體為100％時，以體積標準計含有5～60％的Mg2Si。另外，從對複合粉末進行固化而得到的鎂基合金的機械加工性(切削性)的觀點出發，更優選Mg2Si的含量以體積標準計為20～40％。Mg2Si的含量低於5％的情況下，得不到具有充分剛性的鎂合金。另一方面，當Mg2Si粒子的含量超過60％時，在含有Mg2Si粒子的鎂基複合粉末中產生Mg2Si粒子的偏析、凝集，固化這樣的粉末而得到的鎂基合金會發生強度和韌性的降低。為了具有與鋁合金同等水平的剛性，而且為了確保優異的強度和切削性而更優選Mg2Si粒子的含量以體積標準計為20～40％。
(B)Mg2Si的最大粒徑鎂基複合粉末所含的Mg2Si的最大粒徑為50μm以下，優選為20μm以下，更優選為5μm以下。若Mg2Si的最大粒徑超過50μm，則會產生得到的鎂基合金的機械特性和切削性降低這樣的問題。該值為20μm以下時，即使在含有超過40體積％的Mg2Si粒子的情況下也能夠維持良好的切削性。再有Mg2Si粒子的最大粒徑為5μm以下時，鎂基合金的切削性提高，同時由於微細的Mg2Si粒子的分散，本合金的抗拉強度提高。
(C)剛性(楊氏模量)鎂基合金的楊氏模量為48～90GPa。如果楊氏模量低於48GPa，則相對於原有的鎂合金的楊氏模量的增加率為10％以下，很難適用於汽車用蓋、殼關聯構件和個人電腦和行動裝置等的殼體構件等。另一方面，如所述，在楊氏模量超過90GPa時，Mg2Si的含量以體積標準計超過60％，因此合金原材的韌性和切削性降低。
(2)鎂基複合粉末的製造方法(A)使用了利用粘合劑接合的鎂基複合粉末圖1和圖2表示使用了粘合劑溶液的Mg基複合粉末的製造方法，圖3模式化地表示了利用此方法得到的Mg基複合粉末的剖面結構。
在本方法中，採用溼式造粒機和噴霧乾燥器製造複合粉末。據圖1所示的方法，是在容器1內投入Mg基粉末和Mg2Si粒子的混合物2，從容器1的下部供給溫風3而使該混合物2浮置。在此狀態下，將粘合劑溶液4作為噴霧從上部噴向混合物2，從而將粘合劑塗布於各粒子的表面，同時使其高溫乾燥。其結果如圖3所示，通過粘合劑9在Mg基粉末7的表面有Mg2Si粒子8附著、結合。
據圖2所示的方法，是在容器1內以比較低的風量使Mg基粉末和Mg2Si粒子的混合物2浮置，在此狀態下相對於風流方向垂直地從下部噴霧粘合劑溶液4。
另外，雖然未圖示，但是在粘合劑溶液中混合、攪拌Mg2Si粒子，將該粘合劑溶液作為噴霧對於利用溫風而浮置的Mg基粉末進行塗布，由此同樣能夠通過粘合劑使Mg2Si粒子附著、結合於Mg基粉末表面。
另外作為其他方法，將規定量的Mg量粉末投入容器，在其中添加成為粘合劑的油酸，油酸相對於Mg基粉末以重量比率計為0.2～0.5％，之後使容器整體振動或旋轉，從而對容器內的Mg基粉末表面塗布油酸。其後，在容器中添加Mg2Si粒子，再度振動或旋轉容器，使塗布有油酸的Mg基粉末表面附著Mg2Si粒子。如此得到如圖3所示的Mg基複合粉末。
(B)利用機械性結合的鎂基複合粉末另一方面，作為機械性結合的方法，是將Mg基粉末和Mg2Si粒子以其混合的狀態投入球磨機、混合磨碎機、滾軸式壓實機或軋制機等，對混合粉體施加壓縮、剪切加工等，從而得到在Mg基粉末表面機械性地結合、附著了Mg2Si粒子的Mg基顆粒物。根據需要，利用粉碎、篩粉機能夠由該顆粒物得到具有如圖4所示的剖面結構且具有規定尺寸形狀的Mg基複合粉末。在圖4所示的Mg基複合粉末15中，在Mg基粉末7的表面機械性地結合附著有Mg2Si粒子8。
(C)採用了Mg2Si粒子分散Mg基燒結合金的鎂基複合粉末(a)圖5所示的方法準備Mg基粉末和Mg2Si粒子作為初始原料，以規定的調配比率將兩者混合、攪拌之後填充到金屬模具內，並進行加壓固化，以製作分散有Mg2Si粒子的Mg基壓粉成形體。
在惰性氣體或非氧化性氣體或真空中以低於Mg基粉末的熔點加熱上述的壓粉成形體，從而通過Mg基粉末間的固相擴散得到Mg2Si粒子分散型Mg基燒結合金。
通過球磨機和壓碎機等的粉碎機或切削等的加工將上述的Mg2Si粒子分散型Mg基燒結合金粉體化，由此得到呈圖6所示的剖面結構且具有規定的尺寸形狀的Mg基複合粉末16。圖6所示的Mg基複合粉末16主要是在Mg基粉末7的基體內部分散有Mg2Si粒子。
還有，在上述的Mg2Si粒子分散型Mg基燒結合金中，以體積標準計在Mg2Si粒子的含量超過60％時，Mg2Si粒子的偏析、凝集產生，另外產生切削加工中的工具壽命降低這樣的問題。從這一觀點出發，Mg2Si粒子的含量優選為60％以下。
(b)圖7所示的方法準備Mg基粉末和Si粒子作為初始原料，以規定的調配比率將兩者混合、攪拌之後填充到金屬模具內，並進行加壓固化，以製作分散有Si粒子的Mg基壓粉成形體。
在惰性氣體或非氧化性氣體或真空中以低於Mg基粉末的熔點加熱上述的壓粉成形體，由此利用Si-Mg間的固相反應合成Mg2Si，同時通過Mg基粉末間的固相擴散得到Mg2Si粒子分散型Mg基燒結合金。
通過球磨機和壓碎機等的粉碎機或切削等的加工將上述的Mg2Si粒子分散型Mg基燒結合金粉體化，由此得到呈圖6所示的剖面結構且具有規定的尺寸形狀的含有Mg2Si粒子的Mg基複合粉末。
(D)採用了Mg2Si粒子分散Mg基鑄造合金的鎂基複合粉末(a)圖8所示的方法將作為初始原料而準備的Mg2Si粒子投入Mg基合金熔液並進行攪拌後，澆注於模具內。在從模具取出的Mg基鑄造合金中，均一地分散有添加的Mg2Si粒子。
通過球磨機和壓碎機等的粉碎機或切削等的加工將上述的鑄造合金粉體化，由此得到呈圖6所示的剖面結構且具有規定的尺寸形狀的含有Mg2Si粒子的Mg基複合粉末。還有，投入Mg2Si粒子後的Mg基合金熔液的熔解溫度，在Si-Mg平衡狀態圖中低於Mg和Mg2Si的固相線溫度。反之若加熱到固相線溫度以上，則Mg2Si在Mg基合金熔液中固溶，產生在澆注後的凝固過程中Mg2Si粗大、成長這樣的問題。
(b)圖9所示的方法準備Mg基粉末和Mg2Si粒子作為初始原料，以規定的調配比率將兩者混合、攪拌之後填充到金屬模具內，並進行加壓固化，製作分散有Mg2Si粒子的Mg基壓粉成形體。在充分地攪拌熔液後澆注於模具內。
在從模具取出的Mg基鑄造合金中，均一地分散著添加的Mg2Si粒子，通過球磨機和壓碎機等的粉碎機或切削等的加工將該合金粉體化，由此得到呈圖6所示的剖面結構且具有規定的尺寸形狀的含有Mg2Si粒子的Mg基複合粉末。
(c)圖10所示的方法準備Mg基粉末和Si粒子作為初始原料，以規定的調配比率將兩者混合、攪拌之後填充到金屬模具內，並進行加壓固化，由此製作分散有Si粒子的Mg基壓粉成形體。
在惰性氣體或非氧化性氣體或真空中以低於Mg基粉末的熔點加熱上述的壓粉成形體，由此利用Si-Mg間的固相反應合成Mg2Si，同時通過Mg基粉末間的固相擴散得到Mg2Si粒子分散型Mg基燒結合金。
將上述的燒結合金投入坩堝內加熱，製作分散有Mg2Si粒子的Mg基合金熔液。在充分地攪拌熔液後澆注於模具內。在從模具取出的Mg基鑄造合金中，均一地分散著添加的Mg2Si粒子，通過球磨機和壓碎機等的粉碎機或切削等的加工將該合金粉體化，由此得到呈圖6所示的剖面結構且具有規定的尺寸形狀的含有Mg2Si粒子的Mg基複合粉末。
還有，因為在切削加工時用的切削油附著在Mg基複合粉末上，所以要通過清洗處理去切削油分成之後再作為原料使用。
(3)鎂基合金原材將上述的含有Mg2Si粒子的Mg基複合粉末作為初始原料，通過對其成形固化而得到分散著Mg2Si粒子的Mg基合金。
將Mg基複合粉末壓粉成形後，對其加熱並實施擠壓加工或鍛造加工或軋制加工，不過這時的成形體的加熱溫度優選為200～400℃左右。若低於200℃，則發生擠壓加工困難的狀況。另一方面，若超過400℃，則隨著擠壓加工速度的高速化，擠壓加工後的原材的溫度上升，也有因結晶粒的粗大化而導致強度降低的情況。
在如上述這樣得到的Mg基合金的基體中，均一地分散著微細的Mg2Si粒子。由於分散於合金中的Mg2Si粒子的粒徑與Mg基複合粉末中的粒徑相同，所以Mg基合金中的Mg2Si粒子的量大粒徑為50μm以下，優選為20μm以下，更優選為5μm以下。另外在Mg基合金中的Mg2Si的含量以體積標準計為5～60％。其結果是具有高剛性且高強度的Mg基合金的製造成為可能。
實施例1準備純Mg粉末(純度99.9％，平均粒徑350μm)和Si粉末(純度99.9％，平均粒徑22μm)，以Mg∶Si＝2∶1(摩爾比)調配兩種粉末後，用球磨機進行30分鐘混合處理。將該混合粉末以填充到碳制模具(內徑35mm_)的狀態放置於放電等離子燒結裝置，在真空中將壓力調整為100MPa、試樣溫度調整為600℃而實施15分鐘的燒結。其結果是得到由Mg2Si構成的外徑35mm_、厚12mm的圓盤狀試樣。
用噴射粉碎機粉碎上述的圓盤狀試樣，進行最大粒徑為15μm以下的微細粉碎、篩粉處理，製作成作為初始原料的Mg2Si粒子。另一方面，作為Mg基粉末，準備直徑2mm左右的AZ31(公稱組成Mg-3Al-1Zn/mass％)合金粉末作為初始原料。
基於圖5所示的方法，首先以規定的比率混合AZ31粉末和Mg2Si粒子並填充到直徑60mm_的金屬模具，施加400MPa的壓力，製作成壓粉成形體。在氮氣氣氛中對於該壓粉成形體實施550℃×1小時的燒結，由此得到分散了Mg2Si粒子的AZ31燒結合金。然後通過切削加工由該燒結合金製作直徑0.5～3mm左右的Mg基複合粉末。
相對於Mg基複合粉末整體，Mg2Si粒子的含量以體積標準計為16％時的複合粉末的剖面組織觀察結果由圖11表示。粒徑為15μm以下的Mg2Si粒子不會偏析和凝集，而是均一地分散在AZ31基體中，從而得到基於本發明的Mg基複合粉末。
實施例2基於圖7所示的方法，首先準備純Mg粉末(純度99.9％，平均粒徑350μm)和Si粉末(純度99.9％，平均粒徑22μm)，以規定的比率調配兩種粉末後，用球磨機進行30分鐘混合處理。將該混合粉末以填充到直徑60mm_的金屬模具中並施加400MPa的壓力，製作壓粉成形體。
在真空中對上述的壓粉成形體實施590℃×1小時的加熱處理，由此利用Si和Mg的固相反應合成Mg2Si粒子，同時促進Mg粉末間的燒結，得到Mg2Si粒子分散Mg燒結材。然後利用球磨機粉碎該燒結材，製作直徑0.3～1mm左右的Mg基複合粉末。
相對於Mg基複合粉末整體，Mg2Si粒子的含量以體積標準計為7％時的複合粉末的X射線衍射結果由圖12表示。只有Mg和Mg2Si的峰值被檢測出，由於沒有用於初始原料的Si的峰值，所以其與Mg完全反應而在Mg2Si的合成中被消耗。另外由於也沒有MgO的峰值，所以也未產生燒結過程中的氧化。
另外，基於光學顯微鏡的組織觀察的結果是，分散在粉末基體中的Mg2Si的平均粒徑約為24μm，由於與作為初始原料的Si粉末的粒徑同等，所以在上述與Mg的反應過程中沒有發生顯著的粗大粒成長。其結果是，得到了本發明規定的Mg2Si粒子均一地分散於基體中的Mg基複合粉末。
實施例3準備純Mg粉末(純度99.9％，平均粒徑350μm)和Si粉末(純度99.9％，平均粒徑22μm)，以Mg∶Si＝2∶1(摩爾比)調配兩種粉末後，用球磨機進行30分鐘混合處理。將該混合粉末以填充到碳制模具(內徑35mm_)的狀態放置於放電等離子燒結裝置上，在真空中將壓力調整為100MPa、試樣溫度調整為600℃而實施30分鐘的燒結。其結果是得到由Mg2Si構成的外徑35mm_、厚12mm的圓盤狀試樣。
用噴射粉碎加工機粉碎上述的圓盤狀試樣，進行最大粒徑為10μm以下的微細粉碎、篩粉處理，製作成作為初始原料的Mg2Si粒子。
基於圖8所示的方法，首先在碳制坩堝中準備AZ61(公稱組成Mg-6Al-1Zn/mass％)合金熔液。將熔液管理在720～740℃的狀態下，以規定的比率添加上述的Mg2Si粒子並充分攪拌後，澆注到金屬模具中，製作分散有Mg2Si粒子的AZ61鑄造合金原材。
通過切削加工，由上述的鑄造合金製作直徑0.5～3mm左右的由AZ61合金構成的Mg基複合粉末。表1中表示相對於鑄造合金原材整體的Mg2Si粒子的含量(體積標準)。另外，得到的複合粉末的剖面組織觀察的結果和製作粉末時的切家裡加工中的超硬制工具的操作狀況在同表中顯示。
在作為本發明例的試樣No.1～5中，因含有適當量的Mg2Si，從而在Mg基複合粉末中未產生Mg2Si粒子的偏析和凝集，Mg2Si粒子均一地分散在基體中。另外，就利用切削加工製作Mg基複合粉末時的工具磨損(損傷狀況)而言，儘管確認到一點到輕微的擦痕，但是處於不構成問題的狀態。
另一方面，在作為比較例的試樣No.6中，因為Mg2Si含量多達65％，所以在粉末基體中有Mg2Si粒子的凝集發生，另外通過切削加工製作粉末時，因為鑄造合金大量含有硬質的Mg2Si，所以工具上發生了深度的損傷，同時在其損傷部分有Mg凝集這樣的問題產生。
實施例4準備純Mg粉末(純度99.9％，平均粒徑350μm)和Si粉末(純度99.9％，平均粒徑22μm)，將兩種粉末以Mg∶Si＝2∶1(摩爾比)調配後，用球磨機進行30分鐘混合處理。
將上述的混合粉末以填充到碳制模具(內徑35mm_)的狀態放置於放電等離子燒結裝置上，在真空中將壓力調整為100MPa、試樣溫度調整為600℃而實施15分鐘的燒結。其結果是得到由Mg2Si構成的外徑35mm_、厚12mm的圓盤狀試樣。
用噴射粉碎加工機粉碎上述的圓盤狀試料。這時變更粉碎加工條件，以製作最大粒徑不同的Mg2Si粒子。
基於圖9所示的方法，作為Mg基粉末，準備直徑3mm的AM60(公稱組成Mg-6Al-0.5Mn/mass％)合金粉末作為初始原料，以規定的比率將其與Mg2Si粒子加以混合，填充到直徑60mm_的金屬模具中並施加400MPa的壓力，製作壓粉成形體。
接著，向碳制坩堝內的準備AM60合金熔液(熔液溫度720～740℃)中投入壓粉成形體並充分攪拌後，澆注到金屬模具中，製作分散有Mg2Si粒子的AM60鑄造合金原材。然後通過切削加工，由該鑄造合金製作以AM60合金為原材的Mg基複合粉末(直徑0.5～3mm左右)。還有，得到的Mg基鑄造合金中的Mg2Si的含量以體積標準計為22％。
為了計算分散在上述的Mg基複合粉末基體中的Mg2Si粒子的最大粒徑，而利用光學顯微鏡觀察複合粉末的剖面結構，根據該結果通過圖像分析求得Mg2Si粒子的最大粒徑。其結果由表2表示。另外由鑄造合金製作Mg基複合粉末時的切削加工中的超硬制工具的損傷狀況在同表中顯示。
在作為本發明例的試樣No.7～10中，由於在鑄造合金中含具有適當的粒徑Mg2Si，因此通過切削加工而製作粉末時的工具磨耗、損傷沒有發生，呈現良好的表面性狀。
另一方面，在作為比較例的試樣No.11～12中，因為鑄造合金所含的Mg2Si的最大粒徑超過50μm，所以在切削加工時工具上發生深度的損傷，同時在該損傷部分有Mg凝集這樣的問題產生。
實施例5以上述的實施例3和實施例4記載的Mg基複合粉末為初始原料，通過金屬模具成形來製作各粉末的壓粉體。在控制為350℃的氮氣氣氛中將各壓粉體加熱保持5分鐘後，立即實施擠壓加工(擠壓比37)，製作擠壓原材。由各擠壓原材製作拉伸試驗片，評價常溫下的抗拉特性(抗拉強度和斷裂延伸)，並且測定楊氏模量。表3表示其結果。
在作為本發明例的試樣No.1～5和No.7～10中，能夠得到具有優異的強度和韌性的鎂基合金，特別是試樣No.4和5具有可與鋁合金相匹敵的高剛性。另外，如試樣No.7和8所示，當分散在合金中的Mg2Si粒子的最大粒徑為低於5μm或20μm這樣的微細情況下，除了強度以外，延伸也顯著增加。
另一方面，在作為比較例的試樣No.6中，因為Mg2Si含量多，所以Mg基合金變脆，基於機械加工的抗拉試驗片的製作困難。另外在作為比較例的試樣No.11～12中，因為Mg2Si的最大粒徑大得超過50μm，所以Mg基合金的韌性降低，並且抗拉強度也降低。
實施例6準備純Mg粉末(純度99.9％，平均粒徑350μm)和Si粉末(純度99.9％，平均粒徑22μm)，將兩種粉末以Mg∶Si＝2∶1(摩爾比)調配後，用球磨機進行30分鐘混合處理。將該混合粉末以填充到碳制模具(內徑35mm_)的狀態放置於放電等離子燒結裝置上，在真空中將壓力調整為100MPa、試樣溫度調整為600℃而實施30分鐘的燒結。其結果是得到由Mg2Si構成的外徑35mm_、厚18mm的圓盤狀試樣。
用噴射粉碎加工機粉碎上述的圓盤狀試樣，進行最大粒徑為10μm以下的粉碎、篩粉處理，製作成作為初始原料的Mg2Si粒子。
接著，在容積350ml的塑料制容器中投入粒徑0.5～2mm純Mg粉末(純度99.9％)200g，使用振動式球磨機，以在該容器之中添加了0.6g的油酸的狀態使容器振動15分鐘，從而在容器內的純Mg粉末的表面均一地塗布油酸。再在該容器之中添加上述的Mg2Si粒子(以體積標準計，相對於混合粉末整體為13％)，再施加15分鐘振動，使純Mg粉末表面附著Mg2Si粒子，由此製作本發明規定的Mg基複合粉末。
如上述這樣得到的Mg基複合粉末的X射線衍射結果由圖13顯示。只檢測出作為投入原料的Mg和Mg2Si的峰值，另外在掃瞄型電子顯微鏡觀察的結果中，也確認到Mg2Si粒子均一地附著在粗大的Mg粉末表面，由以上確認到，當以油酸作為粘合劑而使用時，也能夠製作Mg基複合粉末。
以上，參照圖紙說明了此發明的實施方式，但是此發明並不限定於圖示的實施方式。與此發明同一的範圍內或均等的範圍內，可以對於圖示的實施方式加以各種修正和變更。
工業上的利用可能性根據本發明得到的鎂基合金，能夠使現有的鎂合金作為性能上的課題的低剛性大幅提高，能夠有利地利用在發動機零件和變速器零件等的汽車用零件和結構用構件這樣有高剛性要求的用途上。
權利要求
1.一種鎂基複合粉末，其中，具有鎂基粉末；分散於所述鎂基粉末的表面和基體內部的至少任一方的矽化鎂Mg2Si。
2.根據權利要求1所述的鎂基複合粉末，其中，所述Mg2Si的最大粒徑為50μm以下。
3.根據權利要求1所述的鎂基複合粉末，其中，所述Mg2Si的最大粒徑為20μm以下。
4.根據權利要求1所述的鎂基複合粉末，其中，所述Mg2Si的最大粒徑為5μm以下。
5.根據權利要求1所述的鎂基複合粉末，其中，相對於該鎂基複合粉末的所述Mg2Si的含量以體積標準計為5～60％。
6.一種鎂基合金原材，其中，對權利要求1所述的鎂基複合粉末進行壓粉成形並燒結，使Mg2Si粒子分散在基體中。
7.一種鎂基複合粉末的製造方法，其中，具有準備Mg基粉末和Mg2Si粒子的工序；在所述Mg基粉末的表面塗布粘合劑的工序；將塗布了所述粘合劑的Mg基粉末和所述Mg2Si粒子混合、攪拌，使Mg2Si粒子與Mg基粉末的表面結合的工序。
8.一種鎂基複合粉末的製造方法，其中，具有準備Mg基粉末和Mg2Si粒子的工序；在調配所述Mg基粉末和所述Mg2Si粒子後進行機械性地混合，使Mg2Si粒子與Mg基粉末的表面機械性地結合的工序。
9.一種鎂基複合粉末的製造方法，其中，具有如下工序準備Mg基粉末和Mg2Si粒子的工序；混合所述Mg基粉末和所述Mg2Si粒子的工序；在金屬模具內將所述混合粉末壓粉成形，製作分散有所述Mg2Si粒子的Mg基壓粉成形體的工序；燒結所述Mg基壓粉成形體，製作分散有所述Mg2Si粒子的Mg基燒結合金的工序；對所述Mg基燒結合金進行機械地粉碎或切削加工而進行粉體粉末化的工序。
10.一種Mg基複合粉末的製造方法，其中，具有準備Mg基粉末和Si粒子的工序；混合所述Mg基粉末和所述Si粒子的工序；在金屬模具內將所述混合粉末壓粉成形，製作分散有所述Si粒子的Mg基壓粉成形體的工序；加熱所述Mg基壓粉成形體，通過Mg和Si的反應合成Mg2Si，同時製作分散有Mg2Si粒子的Mg基燒結合金的工序；對所述Mg基燒結合金進行機械地粉碎或切削加工而進行粉體粉末化的工序。
11.一種鎂基複合粉末的製造方法，其中，具有在鎂基熔液中投入Mg2Si粒子並攪拌的工序；將所述熔液澆注到模具中以製作鑄造原材的工序；對所述鑄造原材進行機械地粉碎或切削加工而進行粉體粉末化的工序。
12.一種鎂基複合粉末的製造方法，其中，具有準備Mg基粉末和Mg2Si粒子的工序；混合所述Mg基粉末和Mg2Si粒子的工序；在金屬模具內將所述混合粉末壓粉成形，製作分散有所述Mg2Si粒子的Mg基壓粉成形體的工序；將所述Mg基壓粉成形體進行熔解、鑄造，製作Mg2Si粒子分散的Mg基鑄造原材的工序；對所述鑄造原材進行機械地粉碎或切削加工而進行粉體粉末化的工序。
13.一種鎂基複合粉末的製造方法，其中，具有準備Mg基粉末和Si粒子的工序；混合所述Mg基粉末和所述Si粒子的工序；在金屬模具內將所述混合粉末壓粉成形，製作分散有所述Si粒子的Mg基壓粉成形體的工序；加熱所述Mg基壓粉成形體，通過Mg和Si的反應合成Mg2Si，同時製作分散有Mg2Si粒子的Mg基燒結合金的工序；將所述Mg基燒結合金進行熔解、鑄造，製作Mg2Si粒子分散的Mg基鑄造原材的工序；對所述鑄造原材進行機械地粉碎或切削加工而進行粉體粉末化的工序。
14.一種鎂基合金原材的製造方法，其中，具有對權利要求1所述的鎂基複合粉末進行壓粉成形的工序；在200～400℃的惰性氣體氣氛或非氧化性氣體氣氛中加熱所述壓粉成形體的工序；在所述加熱後立即對所述壓粉成形體進行擠壓加工而使其緻密化的工序。
全文摘要
用於製作Mg
文檔編號C22C23/00GK1980760SQ20058002258
公開日2007年6月13日 申請日期2005年6月27日 優先權日2004年7月8日
發明者近藤勝義 申請人:株式會社東京大學Tlo