鎂合金片的製作方法

2023-07-04 12:09:01 1

專利名稱：鎂合金片的製作方法
技術領域：
本發明涉及適合用作用於殼體和各種部件的材料的鎂合金片、使用所述合金片的鎂合金構件、以及用於製造鎂合金片的方法。特別地，本發明涉及在低溫下具有高耐衝擊性的鎂合金片和鎂合金構件。
背景技術：
越來越多地將含有鎂和各種添加元素的鎂合金用作用於移動電子裝置如行動電話和膝上型電腦的殼體、以及汽車部件的材料。 由於鎂合金具有六方晶體結構(六方密堆積(hep)結構)且在常溫下具有低塑性成型性，所以鎂合金構件如上述殼體主要通過壓鑄法或觸變成型法由鑄造材料形成。近來，已經進行了研究以通過對由根據美國試驗和材料協會(ASTM)標準的AZ31合金構成的片進行壓制加工而形成殼體。專利文獻I提出了一種由與ASTM標準的AZ91合金相當的合金構成的壓延片，所述壓延片具有良好的壓制加工性。引用列表專利文獻專利文獻I :日本特開2007-098470號公報

發明內容
技術問題由於鎂合金重量輕且顯示良好的比強度和比剛性，所以期望不僅將其用於在約(TC 30°C下的常溫環境中，還期望將其用於低於零度的寒冷區域和冷藏室中。然而，尚未對鎂合金在這種低溫環境下的機械性能進行徹底研究。在強度方面，鎂合金的鑄造材料劣於鎂合金的壓延材料和壓制加工的構件。本發明的發明人還發現，通過對AZ31合金進行壓制加工而形成的構件在低溫環境中也具有不充分的強度和低的耐衝擊性。相反，在專利文獻I中所述的由AZ91合金構成的壓延片和通過對這些壓延片進行壓制加工而形成的構件具有比由AZ31合金構成的片和由AZ31合金構成的壓制構件更高的強度。然而，本發明人已經進行了研究並發現，由AZ91合金構成的壓延片和通過對所述壓延片進行塑性成型如壓制加工而形成的構件在低溫環境中的耐衝擊性有時不充分。本發明的一個目的是提供即使在低溫環境中仍具有高耐衝擊性的鎂合金構件和適合用作用於這種構件的材料的鎂合金片。本發明的另一個目的是提供用於製造本發明的鎂合金片的方法。解決問題的手段本發明人已經在各種條件下製造了鎂合金片，對所得片進行了塑性成型如壓制加工以製備鎂合金構件，並對這些鎂合金片和構件在低溫環境中的耐衝擊性(耐凹陷性)和機械性能進行了研究。結果，他們發現，具有高耐凹陷性的鎂合金片含有很少尺寸小並具有特定組成的結晶相。由含有很少尺寸小並具有特定組成的結晶相的鎂合金片獲得的鎂合金構件也具有高耐凹陷性，且與所述材料的片一樣，所述構件也含有很少尺寸小並具有特定組成的結晶相。他們還發現，為了在鎂合金片的製造中控制結晶相的數目和最大直徑即降低結晶相的數目和粗大結晶相的數目，優選在特定條件下對所得鑄造片進行連續鑄造和壓延。基於這些發現而完成了本發明。本發明的鎂合金片由含有Al和Mn的鎂合金構成。當在所述鎂合金片的厚度方向上將從所述合金片的表面起至所述合金片的厚度的30%為止的區域定義為表面區域且從這個表面區域中任意選擇50 μ m2的子區域時，作為含有Al和Mn兩者且最大直徑為O. I Iym的結晶相的粒子的數量為15以下。此外，在所述結晶相的粒子中，Al對Mn的質量比Al/Mn 為 2 5。通過例如下面本發明的製造方法能夠製造具有特定結構的本發明的鎂合金片。根據本發明的用於製造鎂合金片的方法包括下面的鑄造步驟和壓 延步驟鑄造步驟將含有Al和Mn的鎂合金鑄造成片的鑄造步驟。壓延步驟對通過所述鑄造步驟得到的鑄造片進行壓延的壓延步驟。特別地，通過雙輥連續鑄造工藝在100°C以下的輥溫度下進行所述鑄造，且所述鑄造片的厚度為5mm以下。通過對本發明的鎂合金片進行塑性成型如壓制加工，製造了本發明的鎂合金構件。該構件還具有與本發明的鎂合金片相同的結構，即當從表面區域中任意選擇50 μ m2的子區域時，作為特定尺寸和特定組成的結晶相的粒子的數量為15以下。根據能夠實施快速凝固的連續鑄造工藝如雙輥連續鑄造工藝，能夠降低氧化物和偏析物的量，能夠抑制粗大結晶相的產生，並能夠形成微細結晶相。特別地，根據本發明的製造方法，通過將輥溫度和鑄造片的厚度調節在上述特定範圍內，充分提高了冷卻速率，由此能夠抑制結晶相自身的產生。因此，可以將易受衝擊影響的片的表面側區域的結構轉變為含有很少微細結晶相的結構。大概是因為結晶相的尺寸和量小，所以由粗大結晶相或大量結晶相造成的在母相中固溶的Al量的下降受到抑制。而且，快速凝固得到了具有平均晶體粒徑小的微細結構的鑄造片。這種鑄造片含有很少充當斷裂和變形的起點的粗大結晶相併由此具有高塑性成型性如壓延。當對鑄造片進行壓延時，能夠提高強度和伸長率。由此，通過上述製造方法得到的本發明的合金片具有減少量的粗大結晶相和很少的結晶相。特別地，所述結構在易於受衝擊影響的表面側區域中含有減少量的粗大結晶相併具有其中存在微量並更優選基本不含微細結晶相的結構，由此即使當因例如下落而受到衝擊時仍不易於發生斷裂和破裂。由於結晶相的量小，所以能夠抑制固溶的Al含量的下降，能夠因存在充分量的固溶Al而保持高強度，並通過壓延能夠進一步提高強度。因此，即使當受到衝擊時本發明的合金片仍對凹陷具有抵抗性且不僅在室溫(約20°C )而且在低於(TC的低溫環境下都顯示了高耐衝擊性。例如，具有特定結構的本發明合金片還具有良好的塑性成型性並能夠容易地進行壓制加工。與本發明的合金片一樣，由此得到的本發明合金構件還具有其中在特別易於受衝擊影響的表面側區域中結晶相的尺寸和量小的結構。因此，本發明的合金構件在低溫環境中也具有良好的機械性能如強度和伸長率並顯示了高耐衝擊性。現在將對本發明進行詳細說明。
組成構成本發明的鎂合金片和本發明的鎂合金構件的鎂合金的實例包含具有各種組成並含有至少Al和Mn作為添加元素(餘量為Mg和雜質)的物質。除了 Al和Mn之外的添加元素的實例為選自Zn、Si、Ca、Sr、Y、Cu、Ag、Ce、Zr和稀土元素(除Y和Ce以外)中的至少一種元素。特別地，優選含有5質量％ 12質量％的Al和O. I質量％ 2. O質量％的Mn。當在這些範圍內含有Al和Mn時，不僅提高了機械性能如強度和伸長率，而且還提高了耐腐蝕性。然而，如果這些元素的含量過大，則塑性成型性下降。除了 Al和Mn之外的添加元素的含量為例如Zn :0. 2 7. O質量％、Si 0. 2 I. O質量％、Ca :0. 2 6. O質量％、Sr 0. 2 7. O 質量％、Y 1. O 6. O 質量％、Cu :0. 2 3. O 質量％、Ag :0. 5 3. O 質量％、Ce :0. 05 I. O質量％、Zr :0. I I. O質量％和RE (稀土元素(除Y和Ce之外))1. O 3. 5質量％。當除了 Al和Mn之外還含有這些元素時，能夠進一步提高機械性能。以上述範圍的量含有Al和Mn以及這些元素的至少一種的合金的組 成的實例包括ASTM標準的AZ系列合金(Mg-Al-Zn系列合金，Zn :0. 2 I. 5質量％ )和AM系列合金(Mg-Al-Mn系列合金，Mn :0. 15 0.5質量％ )。特別地，含有的Al的量(下文中稱作「Al含量」)優選大，因為機械性能和耐腐蝕性隨Al含量的增大而提高，且Al含量更優選為5. 8質量％ 10質量％。具有5. 8% 10質量％的Al含量的鎂合金的優選實例包括Mg-Al-Zn系列合金如AZ61合金、AZ80合金、AZ81合金和AZ91合金、以及Mg-Al-Mn系列合金如AM60合金和AM100合金。特別地，與其他Mg-Al系列合金相比，具有8. 3 9. 5質量％的Al含量的AZ91合金具有更優異的耐腐蝕性和機械性能如強度和耐塑性變形性。鎂合金片和鎂合金構件的模式本發明的合金片具有第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面為一對相互相反的表面。這兩個表面典型地相互平行並在使用期間通常充當正面和背面。所述第一和第二表面可以是平坦或彎曲的。所述第一與第二表面之間的距離為鎂合金片的厚度。通過按上述對具有5mm以下厚度的鑄造片進行壓延而得到本發明合金片；由此，本發明合金片的厚度小於5_。特別地，因為本發明的合金片是塑性成型如壓制加工的並用作用於薄的、輕質殼體和各種構件的材料，所以合金片的厚度為約O. 3mm 3mm並優選O. 5mm 2. 0mm。所述合金片當厚度為在該範圍內的大值時顯示了高強度，且當厚度小時，變得適合用於薄的、輕質殼體等中。通過根據期望用途對鑄造條件和壓延條件進行控制，可以選擇作為最終產品而得到的鎂合金片的厚度。本發明合金構件的形狀的代表性實例包括通過對鎂合金片進行塑性成型如壓制加工而形成的各種形狀如具有底部和從所述底部向上延伸的側壁部的方-括弧形或箱形構件。在基本不經歷由塑性成型如壓制加工而造成的變形的平坦部分中的鎂合金構件的厚度與用作材料的鎂合金片的厚度基本相同，且其結構也基本相同。換言之，表面區域滿足每50 μ m2上具有O. I I μ m最大直徑的Al-Mn結晶相的數目為15以下。本發明合金片的實例包括通過對鑄造材料進行壓延而製備的壓延片和通過對所述壓延片進行熱處理、平整加工、研磨加工等而製備的處理片。本發明的合金構件可以為通過對合金片進行塑性成型如壓制加工而製備的構件以及在塑性成型之後進行熱處理或研磨加工的構件。壓延片、處理片和合金構件還可具有塗層的抗腐蝕層。機械性能
本發明的合金片和本發明的合金構件即使在低溫環境下仍具有良好的機械性能如強度和伸長率並在受到衝擊如下落時具有耐凹陷性。例如，在_30°C下的拉伸試驗中，在基本不經歷由塑性成型如壓制加工而造成的變形(例如由拉拔造成的變形)的平坦部分(與材料的片基本相同的部分)中的本發明合金片和本發明合金構件顯示了 350MPa以上的拉伸強度、280MPa以上的O. 2%彈性極限應力和2%以上的伸長率。結構結晶相當從本發明合金片的表面側區域中任意選擇子區域並對其結構進行觀察時，所述結構基本不含粗大結晶相但包含微量微細結晶相。特別地，在合金片的厚度方向上，將從所述合金片的表面起至所述合金片的厚度的30%為止的區域定 義為表面區域，從這個表面區域中任意選擇50 μ m2的子區域，並對在一個子區域中發現的所有結晶相的粒徑進行測量。當從各個結晶相中測量最大直徑時，在子區域中具有O. I μ m I μ m最大直徑的微細結晶相的數目為15以下。優選地，僅存在具有O. 5 μ m以下最大直徑的結晶相。當存在大於I μ m的粗大結晶相時，所述粗大結晶相能夠充當在受到衝擊如下落時斷裂的起點。由此，易於發生斷裂和破裂且耐衝擊性低。即使當結晶相具有I μ m以下的最大直徑時，當在50 μ m2中存在超過15處這種雜質時，用於斷裂和破裂的起點的數目也增大，從而導致強度和耐衝擊性下降。當具有0.1 Ιμπι最大直徑的結晶相的數目小時，耐衝擊性傾向於高。所述數目優選為10以下並理想地為零。所述結晶相含有Al和Mn兩者。下面對測量最大直徑的細節進行描述。應注意，在本發明中，允許存在不易造成斷裂的超細結晶相即具有小於O. I μ m的最大直徑的結晶相。然而，優選不存在沉澱的雜質。平均晶體粒徑本發明合金片的實例為具有小平均晶體粒徑即20 μ m以下的微結構的合金片。如上所述，通過在特定條件下的連續鑄造而得到具有微結構的鑄造片，且通過在特定條件下對所述鑄造片進行壓延能夠製備具有上述微結構的壓延片。具有這種微結構的本發明合金片即使在低溫環境中仍顯示了良好的機械性能如強度和伸長率、以及提高的耐衝擊性。由具有微結構的鎂合金片或通過對壓延片進行矯正如平整而製備的處理片製成的本發明的鎂合金構件還能夠具有平均晶體粒徑為20 μ m以下的微結構並顯示高耐衝擊性。更優選地，平均晶體粒徑為O. I μ m 10 μ m。製造方法鑄造在本發明的製造方法中，使用雙輥連續鑄造工藝。在這種鑄造中，將用作模具的輥的溫度調節至100°c以下並將由此得到的鑄造片的厚度調節至5_以下。通過降低鑄造片的厚度和輥溫度，抑制了由快速凝固造成的結晶相的產生並能夠得到含有更少尺寸小的結晶相的鑄造片。通過使用能夠進行強制冷卻如水冷的輥將輥溫度調節至100°C以下。所述輥溫度越低且所述鑄造片越薄，則冷卻速率越快並更加抑制了結晶相的產生。因此，輥溫度更優選為60°C以下且鑄造片的厚度更優選為4. Omm以下。優選在惰性氣體氣氛中實施這種鑄造步驟(包括冷卻步驟)以防止鎂合金的氧化。壓延壓延條件為例如加熱材料的溫度200°C 400°C，加熱壓延輥的溫度150°C 300°C，且每道次壓下率5% 50%。為了將厚度調節至期望值，可進行多次壓延。還可使用在專利文獻I中公開的受控壓延。當對鑄造材料進行壓延時，能夠將結構從由鑄造形成的金屬結構轉化為壓延結構。此外，通過進行壓延，能夠容易地形成具有20 μ m以下的平均晶體粒徑的微結構，且能夠減少由鑄造產生的內部和表面缺陷如偏析、縮孔和孔，並能夠得到具有優異表面紋理的壓延片。通過在最終壓延之後進行最終的熱處理能夠進一步提高所得壓延片的強度和耐腐蝕性，由此形成具有20 μ m以下的平均晶體粒徑的微細重結晶結構。塑性成型通過對壓延片(包括熱處理壓延片)進行塑性成型如壓制加工(包括衝裁)、深拉、鍛造、吹塑或彎曲而成為期望形狀，得到了本發明的合金構件。如果在200°C 280°C的溫和工藝下進行塑性成型，則所述塑性成型能夠 抑制壓延片的結構變為粗大的重結晶結構並降低機械性能和耐腐蝕性的劣化。可以在塑性成型之後實施熱處理或防腐蝕處理或者可以形成塗層。發明效果本發明的鎂合金片和鎂合金構件在低溫環境下具有高耐衝擊性。本發明用於製造鎂合金片的方法能夠製造本發明的鎂合金片。


圖I是顯示衝擊試驗的示意圖。
具體實施例方式現在將對本發明的實施方案進行說明。試驗例I在各種條件下使用由表I中所示的鎂合金構成的錠(商購可獲得的產品)來製造鎂合金片和鎂合金構件(殼體)。對所得鎂合金片和鎂合金構件的結構進行觀察並進行拉伸試驗(低溫)和衝擊試驗(低溫)。製造條件如下。(條件A:雙輥鑄造一壓延)在惰性氣氛中將各個鎂合金錠加熱至700°C以製備熔融金屬，並且在惰性氣氛中通過雙棍連續鑄造工藝使用所述熔融金屬來形成各自厚度為4. 0mm( < 5mm)的多個鑄造片。在對輥進行冷卻使得輥溫度為60°C ( < IOO0C )的同時進行這種鑄造。將各個所得鑄造片用作材料並在200°C 400°C的材料加熱溫度、150°C 300°C的壓延輥加熱溫度、5 % 50%的每道次壓下率下將其壓延多次直至材料的厚度為O. 6mm以製備壓延片。將所得壓延片(鎂合金片)用作試樣(片)。在250°C的加熱溫度下對所得壓延片進行矩形杯拉伸以製備具有方-括弧形橫截面的殼體。將這種殼體(鎂合金構件)用作試樣(殼體)。在進行鑄造之後可以實施熱處理(溶體化處理)或老化處理以使結構均勻，可在壓延期間實施中間熱處理，或者可在最終的壓延之後實施最終熱處理。可對所述壓延片進行平整加工或研磨加工以通過矯正而提高平坦度或可對其進行研磨以使得表面光滑。還可將這些應用於下述試驗例2。(條件B:壓鑄)
使用商購可獲得的壓鑄產品(具有方-括弧形橫截面的殼體，底部的厚度0. 6mm)(條件C:商購可獲得的片)使用由AZ31合金構成的商購可獲得的片(厚度0. 6mm)。(條件D:商購可獲得的殼體)使用通過對由AZ31合金構成的片(厚度0. 6mm)進行矩形杯拉伸而製備的具有方-括弧形橫截面的殼體(底部的厚度0. 6mm)(商購可獲得的產品)。結構觀察
對於各種得到的試樣，按如下對金屬結構進行觀察以對結晶相進行研究。在厚度方向上對試樣(片)進行切割，並利用透射電子顯微鏡(20000倍率)對截面進行觀察。在這種觀察範圍內，在試樣(片)的厚度方向上將從試樣(片)的表面起至試樣(片)的厚度的30% (O. 6mmX30%= O. 18mm)為止的區域定義為表面區域。從表面區域中任意選擇五個50 μ m2的子區域，並測量了存在於各個子區域中的所有結晶相的尺寸。基於組成來進行結晶相的判定。例如在對截面進行鏡面研磨之後，通過定性分析和半定量分析如能量色散X射線光譜(EDX)來確定存在於截面中的粒子的組成，並將含有Al和Mg的粒子判定為結晶相。對於含有Al和Mn的各種結晶相,測量了 Al的質量對Mn的質量之比Al/Mn。在所有試樣1-1和1-2中Al/Mn為2 5。對於截面中結晶相的各種粒子，在截面中繪製了平行線並將越過直線的各個粒子的長度的最大值確定為所述粒子的最大直徑。將具有O. I μ m I μ m最大直徑的結晶相的數目定義為子區域中結晶相的數目。將五個子區域的平均數定義為在每50 μ m2的這種試樣中的結晶相數目。對於試樣(殼體)，在片的厚度方向上對作為試樣中未經歷拉伸變形的平坦部分的底部進行切割，並與上述試樣(片)一樣，對截面進行觀察以對每50 μ m2上的結晶相的數目進行計數。當在觀察的圖像中對具有超過5 μ m的最大直徑的粗大結晶相進行觀察時，將子區域的面積改為200 μ m2並對在該200 μ m2中結晶相的最大直徑和每200 μ m2上結晶相的數目進行測量。各子區域的形狀可以為任意形狀，只要面積滿足上述說明即可，但是矩形形狀(典型地為正方形)易於使用。將測量結果示於表I中。拉伸試驗(低溫)從各試樣(厚度0.6mm)中取出日本工業標準(JIS) 13B片狀試驗片(JIS Z2201(1998))並根據JIS Z 2241(1998)的金屬材料拉伸試驗方法進行拉伸試驗。在所述試驗中，將試樣(片)的標準距離(gage distance) GL設定為50mm並將試樣(殼體)的標準距離GL設定為15mm。對於所有試樣,將試驗溫度設定為_30°C並將拉伸速度設定為5mm/分鐘以進行拉伸試驗，從而確定拉伸強度(MPa)、0. 2%的彈性極限應力(MPa)和伸長率)(評價數在所有情況中η= I)。將結果示於表I中。應注意，對於試樣(殼體)，通過對試樣的底部進行切割來製備用於拉伸試驗的試驗片和用於下述衝擊試驗的試驗片，所述試樣的底部為未經歷拉伸變形的平坦部分。衝擊試驗(低溫)從各種試樣中切IllJ 30mmX30mm的片並將其用作試驗片。在該試驗中，如圖I中所示，準備在水平表面中具有直徑d為20mm的圓孔21的支持臺20。所述圓孔21的深度足夠大而使得可插入圓柱棒10。放置試驗片I以覆蓋圓孔21並在距試驗片I為200mm高度的位置處設置具有IOOg重量和5mm尖端r的陶瓷圓柱棒10，使得試驗片I的中心軸和圓孔21的中心軸同軸。使得圓柱棒10從上述位置(高度為200mm)向試驗片I自由下落並測量試驗片I的凹陷量。通過繪製連接試驗片I的兩個相反側的直線並利用點測頭千分尺測量從所述直線到凹陷最大的部分的距離，測量了凹陷量(mm)。在_30°C的低溫環境下進行衝擊試驗。將結果示於表I中。將凹陷量為O. 5mm以下的試樣示為等級O並將進凹陷量超過
0.5_的試樣示為等級X。對於因斷裂而不能測量凹陷量的試樣，顯示為「斷裂」。對於發生破裂的試樣，顯示為「破裂」。在四個任意點處測量了由試樣(殼體)製備的30mmX30mm試驗片的厚度。在所有位置處，厚度(試驗片的厚 度0. 6mm)等於材料的片的厚度(0.6mm)。
權利要求
1.一種包含含有Al和Mn的鎂合金的鎂合金片， 其中當在所述鎂合金片的厚度方向上將從所述合金片的表面起至所述合金片的厚度的30%為止的區域定義為表面區域且從這個表面區域中任意選擇50 μ m2的子區域時，作為含有Al和Mn兩者且最大直徑為O. I I μ m的結晶相的粒子的數量為15以下，以及 在所述結晶相的粒子中，Al對Mn的質量比Al/Mn為2 5。
2.如權利要求I所述的鎂合金片,其中所述鎂合金含有5質量％ 12質量％的Al和O. I質量％ 2. O質量％的Mn。
3.如權利要求I或2所述的鎂合金片，其中所述鎂合金還含有選自Zn、Si、Ca、Sr、Y、Cu、Ag、Ce、Zr和稀土元素(除Y和Ce以外)中的至少一種元素。
4.一種鎂合金構件，其通過對根據權利要求I 3中任一項的鎂合金片進行塑性成型而製得。
5.一種用於製造鎂合金片的方法，所述方法包括 將含有Al和Mn的鎂合金鑄造成片的鑄造步驟，以及 對通過所述鑄造步驟得到的鑄造片進行壓延的壓延步驟， 其中通過雙輥連續鑄造工藝在100°C以下的輥溫度下進行所述鑄造，且所述鑄造片的厚度為5mm以下。
全文摘要
本發明公開了一種在低溫下具有優異耐衝擊性的鎂合金片。還公開了使用所述鎂合金片的鎂合金構件、以及用於製造鎂合金片的方法。所述鎂合金片由含有Al和Mn的鎂合金構成。當在所述鎂合金片的厚度方向上將從所述合金片的表面起至所述合金片的30％為止的區域定義為表面區域且從這個表面區域中取出50μm2的任意小部分時，含有Al和Mn兩者的結晶粒子的數目為15以下。各種結晶粒子的最大粒徑為0.1～1μm且Al對Mn的質量比Al/Mn為2～5。這種鎂合金片具有優異的耐衝擊性，因為在所述鎂合金片中包含的結晶粒子的尺寸和數目小，且這種鎂合金片即使在低溫環境下仍顯示了良好的機械特性，所述結晶粒子是破裂的原因。
文檔編號C22F1/00GK102803533SQ20108002807
公開日2012年11月28日 申請日期2010年6月8日 優先權日2009年6月26日
發明者大石幸廣, 北村貴彥, 河部望 申請人:住友電氣工業株式會社