鎂合金制筐體的製作方法

2023-06-07 10:55:41 2

專利名稱：：鎂合金制筐體的製作方法
技術領域：
：本發明涉及由鎂合金制板材的超塑性成形體製成的鎂合金制篋體，更詳細地說，涉及通過高精度控制鎂合金制板材的氧濃度以及材料組成，抑制超塑性成形中的空洞形成的高品質且具有複雜形狀的超塑性成形體製成的鎂合金制筐體以及其製造技術。本發明提供例如可以在宇宙'航空材料、電子機器材料、汽車構件等的廣泛領域中利用的賦予高耐破壞性以及高強度的特性的新型鎂合金制筐體。
背景技術：
：鎂合金材料在實用構造金屬材料的中具有最低的密度(-1.7g/cm3)，金屬材料特有的容易回收性，資源存在也豐富，所以作為下一代的構造用輕質材料受到關注。現在，日本的鎂製品多數是利用模鑄或者觸融壓鑄等的鑄造法製作的。通過這些手法能薄壁成形，這是有助於鎂合金材料在工業上的利用的最大的原因。特別是在家電製品中，例如個人電腦、行動電話、以及數位照相機等的家電製品筐體利用鎂合金鑄造材。但是，利用現在的鑄造法來生產鎂合金材料的方法中，存在下述問題需要為了補充鑄造缺陷的後處理，產品合格率低，構件的強度和剛性上存在問題等。塑性加工工藝一般從成品合格率高、在成形的同時能謀求高強度和高韌性化出發，可以說是需要擴大的有效的手段。特別是，由鎂合金制板材通過深拉成形、拉伸成形、以及吹塑成形等可以製作成形體的話，通過廉價的方法可以製作薄壁且高強度的成形體，對家電製品的筐體等能期待更多的需要。但是，現在的情況是，直到現在通過塑性加工工藝製作的鎂合金制構件在流通中的例子幾乎還沒有。鎂合金的非底面滑動的臨界分解剪斷應力在常溫下與其他的滑動系相比非常大，常溫成形性低。進一步，具有鎂合金壓延材料中形成了{0001}面相對於板面平行地取向的集合組織的特徵，不能期待塑性變形時的板厚方向的變形，成為妨礙常溫成形性的一個原因。從上述的問題出發，實施冷壓製成形本質上有困難，這是不能通過塑性加工工藝製造鎂合金構件的很大的理由。作為利用塑性加工對缺乏冷成形性的鎂合金成形的手法，現在雖然受到了關注，但是是利用超塑性變形的成形。金屬材料如果使結晶粒微細化，則表現超塑性現象。本發明中，所謂的超塑性變形，是指"在多結晶材料的拉伸變形中，變形應力顯示出高的變形速度依賴性，不發生局部收縮，顯現出數百％以上的巨大伸長"。在該超塑性變形中，結晶本身的形狀基本上不變化，通過結晶之間在界面間滑動達到變形。該現象稱為粒界滑動。一般地，使材料的結晶粒徑微細，將試樣加熱到相對於液相線溫度的約50%以上的溫度時，發生超塑性變形。作為關於利用超塑性成形的鎂合金板材的成形方法的事例，例如可舉出(1)鎂合金部件及其製造方法(專利文獻l)、(2)鎂部件及其製造方法(專利文獻2)、(3)鎂原材料的軸(spindle)加工方法以及其裝置(專利文獻3)、(4)鎂合金制板材的深拉成形方法以及其成形體(專利文獻4)等。在上述的方法中，著眼於利用超塑性成形通過對板材進行凸起成形(求只立t)、軸加工、深拉成形等，通過超塑性成形製造複雜構造構件。專利文獻l:特開2004-149841號公報專利文獻2:特開2003-311360號公報專利文獻3:特開2000-126827號公報專利文獻4:特開2004-58111號公報
發明內容作為鎂合金的主要的超塑性變形機理，可舉出粒界滑動。粒界滑動的原理圖如圖l所示。所謂的粒界滑動，是指不伴隨粒內的變形，通過在粒界間結晶移動，達到變形的機理。另外，在結晶間引起理想的粒界滑動的場合，由於不伴隨粒內的變形在粒界間結晶移動，所以在粒界三重點附近不可避免地產生空洞。圖2表示各種合金的粒界擴散係數的溫度依賴性。(M.Mabuchietal."TensilePropertiesatRoomTemperatureto823KofMg-4Y-3REAlloy"，Mater.Trans.43(2002)，pp.2063-2068)。圖2的橫軸表示利用融點標準化了的無綱量溫度。縱軸1表示無綱量化了的粒界擴散係數。可以得知鎂的粒界擴散係數在整個溫度區域，與鋁、鐵相比較，顯著地高。認為可能是對於粒界擴散係數大的鎂，在超塑性氣形中在粒界三重點附近即使產生空洞，通過擴散可以緩和空洞形成。作為鎂合金的成形方法，想要積極地利用超塑性成形，是根據上述理由的緣故。另一方面，在把市售的鎂合金板材供給超塑性成形的場合，如果成形條件不對，引起空洞形成，板材在成形途中破斷。圖3中表示對AZ31鎂合金(Mg-3質量％Al-l質量％Zn-0.5質量％Mn)壓延材以623K、變形速度lxl(T3s_1，施加拉伸變形直到真變形(realstrain)0.9為止時產生的內部空洞的樣子。該場合，初期結晶粒徑為10pm。根據圖3，可以確認小於l)im的微細的空洞和5pm以上的比較粗大的空洞。如圖3所見的空洞，在不能通過物質的擴散緩和粒界近傍的空洞形成的時候發生。即，對擴散速度有影響的變形溫度、對空洞形成速度有影響的變形速度的控制在超塑性成形中是非常重要的要素。超塑性變形中的空洞形成的起點不只是在粒界，也考慮以內部的雜質作為起點。但是，鎂合金的合金規格中，對成形性有根據的雜質的規格皆無，也沒有發現使雜質對超塑性變形產生影響無損害化的對策。本發明是鑑於上述問題而進行的發明，通過使鎂合金制板材的組成特定，通過使內部的雜質量在適當值以下，可以實現保證作為超塑性成形體的成形性，製作並提供具有複雜形狀的鎂合制筐體，本發明人基於這樣的新的知識完成了本發明。本發明的目的在於提供保證作為超塑性成形體的成形性，高品質且具有複雜形狀的鎂合金制篋體。為了解決上述問題，本發明涉及一種鎂合金制篋體，其特徵在於，在鎂合金制板材的超塑性成形體中，作為添加合金元素的一部分，含有鋁l.0~10.0質量％、鋅0.5~3.0質量o/。、錳0.1~0.8質量％，氧濃度在300質量ppm以下的鎂合金制板材的超塑性成形體製成的，具有抑制超塑性成形的空洞形成的構造。該鎂合金制篋體優選的方式為(1)由氧濃度為100質量ppm以下的鎂合金制板材的超塑性成形體製成、(2)鎂合金制板材的一部分的部位利用超塑性成形進行成形、(3)超塑性成形是為深拉成形、(4)超塑性成形是拉伸成形、(5)超塑性成形是吹塑成形、(6)鎂合金制篋體的一部分的結晶粒在20jLim以下。另外，本發明涉及構造用輕質構件，其特徵在於，由上述的鎂合金制篋體製成。以下，對本發明進行進一步詳細地說明。作為用於實現提供保證作為超塑性成形體的成形性、高品質且具有複雜形狀的鎂合金制筐體的手段，本發明人著眼於鎂合金制板材內部存在的氧化物。鎂是實用金屬中與氧的親和力最高的元素，在鋼鐵精煉等中作為脫酸劑利用。在鎂合金的合金調製、鑄造工序中，為了使溶融鎂不與大氣接觸，在SF6和C02的混合氣體等的保護氣體內進行作業，但是直到經過凝固過程之前都不引起溶融鎂的氧化在工藝的控制上是困難的。現狀是，通過對溶融狀態的鎂吹氬氣，使作為非金屬夾雜物的氧化物(MgO或者Al203)凝集，進行上浮、沉降分離。在進行超塑性成形的鎂合金制板材的內部過度混入上述氧化物的場合，引起以氧化物作為起點的空洞形成。空洞形成的機理如圖4所示。超塑性成形中，通過在氧化物近傍引起應力集中，進一步，通過在氧化物周邊位錯蓄積，發生以氧化物為起點的空洞形成。圖4所示的空洞形成在材料內部頻繁發生的場合，引起空洞之間合為一體，形成破壞的起點。本發明人經過深入研究開發，結果得出以下的新知識通過將材料的氧濃度控制在適當值，進一步，在鎂中添加適當添加元素，可以抑制空洞形成，同時達到超塑性變形，可以創作採用高品質且具有複雜形狀的鎂合金制板材的筐體。具體地，通過將鎂合金制板材的氧濃度控制在300質量ppm以下、優選100質量ppm以下，利用超塑性成形，可以賦予鎂合金複雜形狀，這在實驗上得到了確認。即，可以得知通過將鎂合金制板材內部的氧化物控制在規定量，即使在超塑性成形中發生以氧化物為起點的空洞形成，也不引起空洞的擴大，通過擴散得以緩和。另一方面，如果鎂合金制板材的氧濃度增加，提高了作為雜質的氧化物存在於粒界三重點上的概率。氧化物存在粒界三重點上的場合，氧化物成為粒界擴散的屏蔽，阻礙了緩和空洞形成，成形性顯著地劣化。因此，氧化物混入鎂合金板材內部應該儘可能地避免。即，本發明人確認了通過將氧濃度控制在300ppm以下、優選100ppm,可以抑制氧化物助長空洞形成的現象。鎂合金制板材的氧濃度如果超過300ppm，不能抑制上述空洞形成以及空洞的擴大。本發明中，特別地高精度控制該氧濃度在規定的範圍，使氧濃度不超過300質量ppm，使用這樣的鎂合金制板材，製造上述超塑性成形體是;f艮重要的，本發明中，如果鎂合金具有20ym以下的微細結晶粒，優選具有15ym以下的微細結晶粒，則在473K以上723K以下的溫度區域、在lx10_51/s以上lx10_11/s以下的變形速度區域，可以容易地表現超塑性現象。這裡，將鎂合金制板材的一部分的變形在l.O以上，或者板材的一部分由於粒界滑動而變形定義為超塑性變形。由於粒界滑動板材變形的場合，板材的結晶粒在成形中不引起粒成長，或者伴隨著動態重結晶，結晶粒微細。即，本發明中，成形體中最容易引起變形的部位的結晶粒在20Mm以下、優選15Mm，可以作為超塑性成形的依據。理想地供給超塑性成形的鎂合金制板材的結晶粒徑預先微細到20nm以下是必要的。另一方面，即便具有40jam左右的比較粗大的粒徑的鎂合金制板材也可以供給超塑性成形。即使將具有40Mm左右的粗大粒徑的鎂合金制板材供給超塑性成形，通過利用伴隨加工中的動態重結晶，使板材的結晶粒微細化，可以賦予鎂合金制板材有效的超塑性成形。為了控制成形中的結晶粒的成長，進一步，為了保證成形後的鎂合金制板材的強度、腐蝕特性，需要精密地規定鎂合金的其他組成。具體地，作為添加合金元素的一部分，優選含有鋁l.0-10.0質量％、鋅O.5~3.0質量％、以及錳O.1~0.8質量％。如上述那樣，本發明中，作為添加合金的一部分，優選添加鋁1.0~10.0質量％。通過添加鋁在1質量％以上，可以期待鎂合金的固溶強化。如果添加6質量％以上的鋁，可以在粒界析出網絡狀的P相(Mg17Al12)，可以進一步提高材料的強度。另一方面，如果添加鋁在10質量％以上，可能顯著地惡化成形後的鎂合金的延性。因此，鋁的添加量優選在l.0質量％以上10質量％以內。另外，本發明中，鋅的添加是為了保持再生材的強度所必要的。另一方面，3.0質量％以上的鋅的添加有時降低腐蝕特性，故不優選。錳可以緩和作為降低耐腐蝕性的雜質元素的鐵的影響，通過添加錳在上述的範圍內，能最大地發揮其效果。進一步，本發明中，錳的添加在控制鎂合金制板材的結晶粒徑上是不可欠缺的。如果不適量添加錳，則在超塑性成形中，材料內部的結晶粒成長，保持能引起粒界滑動的微細結晶是困難的。具體地，優選添加錳在O.1質量％以上。另一方面，如果添加錳在O.8質量％以上，在材料內部形成粗大的錳和鋁產生的金屬間化合物，對材料的延性和強度有不良影響，所以O.8質量％以上的錳的添加不優選。對本發明的鎂合金制板材實施超塑性成形的鎂合金制筐體不依賴於超塑性成形的種類。作為利用超塑性成形的鎂合金制板材的成形，可舉出深拉成形、拉伸成形、以及吹塑成形。本發明基本上通過高精度控制鎂合金制板材的材質，可以製作保證作為超塑性成形體的成形性，高品質且具有複雜形狀的筐體，本發明也可以以採用任意的手法製作的鎂合金制筐體作為對象。本發明的鎂合金制筐體由於經過超塑性成形而製作，將特定量的鋁、鋅以及錳作為添加元素的一部分添加在鎂合金制板材中，利用超塑性成形可以保持微細的結晶。具體地，通過高精度控制這些添加元素的添加量和氧濃度，可以製作鎂合金制篋體的一部分的結晶粒在20pm以下的超塑性成形體製成的鎂合金制筐體。鎂合金的屈服強度(硬度)與結晶粒徑有很大的相關性，通過使結晶粒微細化為20nm以下，可以實現製作高強度的筐體。作為以前的手法，防止超塑性成形產生的空洞形成以及使結晶粒微細化為20jim以下是困難的，根據本發明製作的鎂合金制篋體與採用其他手法製作的篋體相比較，從抑制超塑性成形的空洞形成以及使結晶粒微細化為20pm以下、由此形成具有高耐破壞性以及高強度的製品，通過分析這些性狀，可以明確地區別二者。根據本發明，可以實現提供l)通過控制鎂合金制板材的氧濃度以及材料組成，可以利用超塑性成形製造具有複雜形狀的鎂合金制筐體，2)由此，可以提供具有抑制超塑性成形中的空洞形成的構造的、具有高耐破壞性以及高強度的超塑性成形體製成的鎂合金制篋體，3)作為下一代的構造用輕最材料所期待的超輕質鎂合金制篋體，發揮這樣的格外的效果。附圖的簡單i兌明是表示粒界滑動的原理的圖。表示不伴隨結晶粒內變形地通過結晶移動於粒界間使材料變形。是表示鎂、鐵、鋁的粒界擴散係數的溫度依賴性的圖。鎂的粒界擴散係數在整個溫度區域，顯示出比鋁、鐵顯著的高。另外，橫軸表示根據融點標準化的無綱量溫度，縱軸表示無綱量化的粒界擴散係數。表示在對AZ31鎂合金(Mg-3質量。/Ul-l質量。/。Zn-0.5質量。/。Mn)壓延材，以623K、變形速度lx1(T3S-、施加拉伸變形直到真變形O.9為止時產生的內部空洞的樣子的圖，表示形成了小於lMm的微細空洞和5Mm以上的比較粗大的空洞。此外，初期結晶粒徑為10um。是表示材料內部存在雜質時的、超塑性成形中的空洞形成的原理的圖。超塑性成形中通過在氧化物近傍引起應力集中，進一步，通過在該氧化物周邊位錯蓄積，發生以氧化物為起點的空洞形成。對吹塑成形後的鎂合金板材的外觀從側面觀察的圖。表示施加氣體壓力為O.5MPa以及0.2MPa時的結果。表示隨著鎂合金板材的內部氧濃度的增加，板材的成形性惡化。〖圖7]是表示實施例3以及實施例11中供給吹塑成形的試樣的板厚變形分布的圖。表示出在試樣的一部分的部位發現1.O以上的板厚變形。X軸表示變形的測定地點，表示將板材的中央部分規定為Omm,同心圓上的板厚變形分布。Y軸表示在各測定點的板厚變形分布。具體實施例方式接下來，根據實施例對本發明進行具體說明，但是本發明並不受到這些實施例的任何限制。準備具有種種氧濃度的AZ31鎂合金壓延材，評價其超塑性成形性。人231鎂合金的組成為1^-3質量。/。Al-l質量。/。Zn-0.5質量。/。Mn，是代表性的展伸用鎂合金。準備內部氧濃度不同的寬度50mm、厚5咖的AZ31鎂合金板材。把上述鎂合金板材在試樣溫度673K下供給熱壓延，由此製作厚lmm的鎂合金壓延材。在熱壓延中，不實施輥加熱，每l遍的壓下率為12%。得到的試驗片的氧濃度和試樣的平均結晶粒徑總結在表1中。另外，氧濃度根據輝光放電質譜儀(GDMS)實施測定，結晶粒徑利用光學顯微鏡觀察與壓延方向平行的面的組織，利用切片法測定。表l材料氧濃度(質量ppm)成形前粒徑(Mm)試樣l1414.8試樣21517.8試樣35216.8試樣47319.5試樣517316.3試樣624814.6試樣735014.9試樣850014.6由上述壓延材切出來豎70咖、橫70mm、厚lmm的矩形狀的鎂合金板材，供給超塑性吹塑成形。吹塑成形中，利用圖5記載的壓模以及成形模。兩模間固定鎂合金板材，在把模和試驗片加熱到673K的狀態下，由壓模對鎂合金板材以O.2MPa或者0.5MPa的壓力施加氮氣，由此實施吹塑成型。另外，在施加O.2MPa的壓力時的材料的變形速度相當於約lx10_5s_1，在施加O.5MPa的壓力時的材料的變形速度相當於約lx10Hs—\板材的一部分在破斷時點完成成形。表2中總結了把各種AZ31鎂合金板材供給吹塑成形的結果。另外，吹塑成形後的板材的代表性的外形表示在圖6中。如果注意圖6的實施例1以及實施例7的外形，可以確認實施例l中可以成形為完全的杯形狀。另一方面，實施例7中雖不能成形為杯形狀，但可以成形為圓頂狀。實施例1以及實施例7，是內部的氧濃度最低(14質量ppm)板材的結果。此外，根據各種實施例，伴隨著氧濃度的增加，成形性有降低的傾向。表2的"成形性"的欄中所示的記號，是目視比較實施例1或實施例7的結果和該實施例的結果的結果。O表示幾乎不能根據目視確認差別的條件。A表示根據目視發現一部分成形性的劣化的條件。x表示在同條件下實施多次成形發現成形性的明顯劣化的條件。如實施例3以及實施例ll所示，對於O以及厶的部分，幾乎不能根據目視確認成形性的劣化。另一方面，如實施例7以及實施例15所示那樣，如果氧濃度大於300質量ppm，則發現成形性明顯劣化。另外，表2中也總結了吹塑成形後試樣的結晶粒徑。測定地點是作為板材最變形部分的板材的中央部分。所有的結晶粒均保持在微細(20jum以下)的狀態，暗示了通過超塑性成形試樣變形。tableseeoriginaldocumentpage12圖7表示對在實施例3以及實施例11中實施吹塑成形的試樣的斷面進行觀察，測定各部位的板厚變形的結果。X軸表示變形的測定地點，表示以板材的中央部分規定為0咖的同心圓上的板厚變形分布。Y軸表示在各測定點的板厚變形分布。如在圖7中所確認那樣，可知在任意的變形速度中，1.O以上的板厚變形在一部分的測定地點發現，達到超塑性成形。即，對於高精度控制氧濃度的試樣，確認表現超塑性成形。產業上的利用可能性如以上詳述，本發明涉及鎂合金制筐體，根據本發明，通過精密地規定鎂合金制板材的雜質以及組成，可以提供具有即使經過超塑性成形也可抑制空洞形成的構造的、賦予高耐破壞性以及高強度的特性的、具有複雜形狀的鎂合金制筐體。本發明作為可以積極地利用在例如數位相機、筆記本電腦、PDA等、家電製品的筐體上的、能實現超輕質鎂合金制篋體的實用化和產量化的物品中有用。權利要求1.鎂合金制筐體，其特徵在於，其由鎂合金制板材的超塑性成形體製成，具有抑制超塑性成形中的空洞形成的構造，在鎂合金制板材的超塑性成形體中，作為添加合金元素的一部分，含有鋁1.0～10.0質量％、鋅0.5～3.0質量％、錳0.1～0.8質量％，氧濃度在300質量ppm以下。2.權利要求1記載的鎂合金制筐體，其由氧濃度在100質量ppm以下的鎂合金制板材的超塑性成形體製成。3.權利要求1或2記栽的鎂合金制筐體，其中，鎂合金制板材的一部分的部位通過超塑性成形進行成形。4.權利要求3記載的鎂合金制筐體，其中，超塑性成形是深拉成形。5.權利要求3記載的鎂合金制筐體，其中，超塑性成形是拉伸成形。6.權利要求3記載的鎂合金制筐體，其中，超塑性成形是吹塑成形。7.權利要求l-6的任一項記載的鎂合金制筐體，其中，鎂合金制筐體的一部分的結晶粒在20nm以下。8.構造用輕質構件，其特徵在於，由權利要求1-7的任一項記載的鎂合金制筐體製成。全文摘要本發明通過特定鎂合金的組成、使內部的雜質量在適當值以下，提供保證成形性、高品質的具有複雜形狀的鎂合金制筐體，本發明涉及鎂合金制筐體，其由鎂合金制板材的超塑性成形體製成，具有抑制超塑性成形中的空洞形成的構造，在鎂合金制板材的超塑性成形體中，作為添加合金元素的一部分，含有鋁1.0～10.0質量％、鋅0.5～3.0質量％、錳0.1～0.8質量％，氧濃度在300質量ppm以下。本發明通過精密地規定鎂合金制板材的雜質以及組成，可以製作並提供利用超塑性成形具有複雜形狀的鎂合金制筐體。本發明的鎂合金制筐體可以積極地適用在例如家電製品等的筐體中。文檔編號B21D26/021GK101103131SQ20058003758公開日2008年1月9日申請日期2005年1月31日優先權日2004年10月29日發明者千野靖正,櫻井俊治,荒木和夫,藤井空之,馬渕守申請人:獨立行政法人產業技術綜合研究所;奐鑫(Bvi)有限公司