專利名稱：由鎂合金構(gòu)成的線狀體、螺栓、螺帽和墊圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由鎂合金構(gòu)成的線狀體、以及各自由所述線狀體制成的螺栓、螺帽和墊圈。更特別地，本發(fā)明涉及由鎂合金構(gòu)成的線狀體，其具有優(yōu)異的耐熱性和塑性加工性并且適合用作緊固部件如螺栓用材料。
背景技術(shù)：
鎂合金比鋁輕并且具有比鋼和鋁更高的比強度和比剛度。因此，已經(jīng)考慮使用鎂合金作為用于各種構(gòu)造元件如飛機部件、車輛部件、和電子/電氣制品的殼體的材料。例如，專利文獻I提出使用鎂合金作為螺釘用材料。專利文獻I公開了通過對由鎂合金構(gòu)成的線(線狀體)進行諸如鍛造加工和輥軋加工的螺釘用塑性加工來制造螺釘，所述線通過將擠出材料拉伸而獲得?？墒褂镁o固部件如螺釘和螺栓將金屬元件相互緊固。在這種情況下，如果金屬元件和緊固部件由不同種金屬構(gòu)成，或者如果緊固部件如螺栓和螺帽由不同種金屬構(gòu)成，則存在可能在不同金屬之間發(fā)生電腐蝕，或者在高溫環(huán)境中緊固狀態(tài)可能因為熱膨脹量之差而松弛的擔(dān)憂。因此，當(dāng)通過緊固部件將由鎂合金構(gòu)成的元件相互緊固時，優(yōu)選地，使用也由鎂合金構(gòu)成的緊固部件，從而能夠防止電腐蝕的發(fā)生或緊固狀態(tài)的松弛。另外，當(dāng)通過使用由金屬構(gòu)成的線狀體作為材料并對所述材料進行塑性加工而制造緊固部件如螺栓時，實現(xiàn)期望的優(yōu)異的生產(chǎn)率?，F(xiàn)有技術(shù)文獻專利文獻專利文獻1:日本特開2005-048278號公報

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題然而，至今為止，沒有考慮具有優(yōu)異耐熱性和適用于緊固部件如螺栓用材料的塑性加工性的由鎂合金構(gòu)成的線狀體。某些部件如飛機部件和車輛部件在高溫環(huán)境下使用。因此，由鎂合金構(gòu)成的緊固部件也要求具有優(yōu)異的耐熱性，并且因此，作為緊固部件用材料的線狀體也要求具有優(yōu)異的耐熱性。另一方面，鎂合金在室溫(典型地約20°C)下具有差的塑性加工性。因此，如專利文獻I中所述，通過將由鎂合金構(gòu)成的材料加熱至實現(xiàn)高塑性加工性的溫度而進行塑性加工。在此，例如，可考慮向鎂合金中添加具有優(yōu)異耐熱性的元素而提高線狀體的耐熱性。然而，添加元素的量的增加傾向于降低塑性加工性。即使如上所述在塑性加工時對材料進行加熱，也可能在塑性加工期間在材料中發(fā)生破裂等，從而導(dǎo)致緊固部件的生產(chǎn)率下降。因此，本發(fā)明的目的是提供一種在耐熱性和塑性加工性方面優(yōu)異的由鎂合金構(gòu)成的線狀體。本發(fā)明的另一目的是提供具有優(yōu)異耐熱性的螺栓、螺帽和墊圈。
解決問題的手段本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，作為以特定范圍將Ca和Zn包含到鎂合金中的結(jié)果，Ca和Zn彼此相互作用而提高耐熱性。另外，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過以特定范圍中的量將Ca和Zn包含到鎂合金中，可減少由在由鎂合金構(gòu)成的線狀體中包含添加元素而造成的塑性加工性的下降；并且由具有特定組成的鎂合金構(gòu)成的線狀體可具有足以通過塑性加工制造螺栓等的塑性加工性。基于上述發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)了本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明，線狀體由鎂合金構(gòu)成，所述鎂合金包含0.1質(zhì)量％以上且6質(zhì)量％以下的Zn，大于0.4質(zhì)量％且4質(zhì)量％以下的Ca，并且余量為Mg和不可避免的雜質(zhì)，其中，當(dāng)在150°C的溫度、75MPa的應(yīng)力和100小時的保持時間的條件下對所述線狀體進行蠕變試驗時，蠕變應(yīng)變?yōu)?.0%以下。本發(fā)明的由鎂合金構(gòu)成的線狀體具有以特定范圍包含Ca和Zn的特定組成，并且因此，當(dāng)進行蠕變試驗時，其具有1.0%以下的小的蠕變應(yīng)力，因此表現(xiàn)出優(yōu)異的蠕變特性。因此，本發(fā)明的線狀體具有優(yōu)異的耐熱性。另外，因為本發(fā)明的線狀體具有特定組成，所以其具有優(yōu)異的塑性加工性，并且可通過包括塑性加工的制造步驟令人滿意地制造緊固部件如螺栓、螺帽或墊圈。因此，本發(fā)明的線狀體可適合用作緊固部件用材料，并且此外，可適合用作進行各種塑性加工操作的二次制品用材料。另外，因為可通過材料除去量少(材料損失少)的塑性加工制造緊固部件，所以通過使用本發(fā)明的線狀體作為材料，可以以高生產(chǎn)率制造緊固部件。另外，由本發(fā)明的線狀體獲得的緊固部件，即，通過對本發(fā)明的線狀體進行塑性加工而獲得的本發(fā)明的螺栓、本發(fā)明的螺帽或本發(fā)明的墊圈具有優(yōu)異的耐熱性。因此，通過使用本發(fā)明的螺栓、本發(fā)明的螺帽或本發(fā)明的墊圈，預(yù)期即使在高溫環(huán)境中使用，也長期地維持牢固的緊固狀態(tài)。特別地，因為本發(fā)明的螺栓具有優(yōu)異的耐熱性，所以即使在高溫環(huán)境中使用，也能提高螺栓的軸向力，并且因此能夠維持牢固的緊固狀態(tài)。以下將更詳細(xì)地說明本發(fā)明。在本發(fā)明的線狀體中，耐熱性隨蠕變應(yīng)力減小而提高。因此，蠕變應(yīng)力優(yōu)選為0.8%以下，并且特別是0.5%以下。Ca提高耐熱性并有助于改善蠕變特性。當(dāng)Ca含量為0.4%以下時，蠕變特性低。隨著Ca含量增加，蠕變特性傾向于改善。然而，在以例如大于0.4質(zhì)量％，特別是I質(zhì)量％以上的高濃度包含Ca的情況下，伸長率傾向于下降，并且在塑性加工如拉伸加工時，容易發(fā)生破裂、斷裂等。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，例如，如后所述，對鑄造材料進行特定的熱處理或在拉伸加工的途中進行特定的中間熱處理，可有效地減少塑性加工時的破裂、斷裂等。因此，本發(fā)明的線狀體以大于0.4質(zhì)量％的量包含Ca。然而，當(dāng)Ca含量超過4質(zhì)量％時，塑性加工性降低。因此，將Ca含量設(shè)定為4質(zhì)量％以下。更優(yōu)選地，Ca含量為0.5質(zhì)量％以上且3.2質(zhì)量％以下。Zn與Ca相互作用而提高耐熱性并有助于改善蠕變特性。當(dāng)Zn含量小于0.1質(zhì)量％時，蠕變特性低。當(dāng)Zn含量超過6質(zhì)量％時，塑性加工性降低。更優(yōu)選地，Zn含量為
1.0質(zhì)量％以上且5.4質(zhì) 量％以下。Zn對Ca的原子比優(yōu)選為ZniCa=1:0.5至2,并且特別地,Zn:Ca=1:0.8至1.5。當(dāng)原子比滿足上述范圍時，預(yù)期會更容易地獲得由Zn和Ca之間的相互作用造成的耐熱性提高效果?？衫缤ㄟ^使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜等測定元素含量(質(zhì)量)并基于原子重量和元素質(zhì)量之間的關(guān)系進行計算來獲得原子比。因為本發(fā)明的線狀體以上述特定范圍包含Ca和Zn，所以表現(xiàn)出優(yōu)異的耐熱性和優(yōu)異的塑性加工性。在使用除Ca和Zn之外，還包含選自Al、Sn、Mn、S1、Zr和Sr的至少一種元素的鎂合金的情況下，可制造具有優(yōu)異的機械特性、鑄造性能、耐腐蝕性等的線狀體，并且通過將這些元素的含量設(shè)定在下述特定范圍內(nèi)，可抑制與元素的包含相關(guān)的塑性加工性的降低。以質(zhì)量百分比計，元素的含量如下:A1:0.1%以上且6%以下，Sn:0.1%以上且6%以下，Mn:0.01%以上且2%以下，S1:0.01%以上且2%以下，Zr:0.01%以上且4%以下，以及Sr:0.01%以上且4%以下。在上文所列的元素中，特別地，Zr具有使晶粒微細(xì)化的效果，并且可因為微細(xì)組織而提高鎂合金的強度且可以提高塑性加工性。Mn具有提高強度的效果。應(yīng)注意，術(shù)語“線狀體”是指具有13mm以下的直徑Φ (在其中線狀體具有非圓形橫截面如多邊形或橢圓形橫截面的情況下，面積與所述多邊形或橢圓形橫截面的面積相同的圓的直徑)和直徑Φ 100倍以上的長度的線狀體。另外，線狀體的實例包括具有預(yù)定橫截面形狀和尺寸的長的或固定長度(切割成預(yù)定長度)的棒材、線材、管材和形材。通過對由具有特定組成的鎂合金構(gòu)成的合適材料進行塑性加工如拉伸加工、擠出加工或壓延加工而獲得本發(fā)明的線狀體。待進行塑性加工的材料的實例包括通過使具有特定組成的鎂合金熔融并 然后將熔融的鎂合金鑄入具有預(yù)定形狀的鑄造模具中而獲得的鑄造材料，通過對具有任意形狀的鑄造材料進行熱處理(例如后述的均質(zhì)化熱處理)而獲得的熱處理材料，通過對具有任意形狀的鑄造材料或熱處理材料進行壓延加工而獲得的壓延材料，通過對具有任意形狀的鑄造材料或熱處理材料進行擠出加工而獲得的擠出材料，以及通過對具有任意形狀的鑄造材料或熱處理材料進行拉伸加工而獲得的拉伸材料。特別地，本發(fā)明的線狀體優(yōu)選為通過最終進行拉伸加工而獲得的線狀體。優(yōu)選在300°C以上的溫度下對鑄造材料進行熱處理。通過在這種高溫下進行熱處理(均質(zhì)化熱處理)，可使在鑄造材料中形成的樹枝狀晶粒中含有的合金元素固溶于母相中。通過熱處理獲得的熱處理材料(固溶處理材料)具有其中晶粒為球狀且小，或者基本上不存在晶粒的組織。預(yù)期這種組織有助于提高塑性加工性。更具體地，在溫度為300°C至420°C和保持時間為I至100小時的條件下進行熱處理。本發(fā)明一個實施方式的線狀體可具有200MPa以上的0.2%屈服應(yīng)力和260MPa以上的抗拉強度。本發(fā)明另一個實施方式的線狀體可具有4%以上的伸長率。特別地，所述線狀體優(yōu)選具有200MPa以上的0.2%屈服應(yīng)力、260MPa以上的抗拉強度和4%以上的伸長率。具有特定組成并且通過如上所述進行塑性加工如拉伸加工而制造的本發(fā)明線狀體具有高的0.2%屈服應(yīng)力、高的抗拉強度和優(yōu)異的強度。因此，例如，當(dāng)對本發(fā)明的線狀體進行塑性加工(鍛造加工、輥軋加工等)以形成螺栓時，可獲得具有高強度(軸向力)的螺栓。另外，具有4%以上伸長率的本發(fā)明的線狀體可在塑性加工時充分伸長，并因此不容易發(fā)生破裂等且表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性加工性。0.2%屈服應(yīng)力、抗拉強度或伸長率越高，越優(yōu)選。0.2%屈服應(yīng)力優(yōu)選為220MPa以上，特別是240MPa以上。抗拉強度優(yōu)選為280MPa以上，特別是300MPa以上。伸長率優(yōu)選為5%以上，特別是6%以上。如上所述，因為本發(fā)明的線狀體具有優(yōu)異的耐熱性和優(yōu)異的塑性加工性，所以其可適合用作進行塑性加工的二次制品用材料。塑性加工包括擠出加工、拉伸加工、鍛造加工、輥軋加工、沖壓加工、壓延加工、壓制加工、彎曲加工和拉伸加工。可對本發(fā)明的線狀體單獨進行或組合進行這些加工操作。除了緊固部件如螺栓、螺帽和墊圈之外，二次制品的實例還包括軸、銷、鉚釘、齒輪、板材、壓制材料、飛機部件、車輛部件、以及各種電子/電氣制品用部件和殼體。例如，通過在通過將本發(fā)明的線狀體切割成預(yù)定尺寸而獲得的棒狀片上形成頭部的鍛造加工和在其軸部上形成螺紋的輥軋加工而制造本發(fā)明的螺栓。例如，通過沖壓加工而制造本發(fā)明的螺帽，在沖壓加工中，將通過將本發(fā)明的線狀體切割成預(yù)定尺寸而獲得的棒狀片置于模具中，并在施加的壓力下形成為預(yù)定形狀且同時產(chǎn)生孔，然后在孔中切割螺紋。例如，通過對通過將本發(fā)明的線狀體切割成預(yù)定尺寸而獲得的棒狀片進行壓制加工或沖壓加工而制造本發(fā)明 的墊圈。在將本發(fā)明的螺栓和螺帽或者本發(fā)明的螺栓、螺帽和墊圈組合而形成緊固結(jié)構(gòu)的情況下，通過使用各自由鎂合金(優(yōu)選地，具有相同組成的鎂合金)構(gòu)成的部件，可抑制這些緊固部件之間的電腐蝕的發(fā)生或由于熱膨脹之差而造成的緊固狀態(tài)的松弛。本發(fā)明實施方式的螺栓、螺帽或墊圈的表面可設(shè)置有防腐蝕涂層。通過在所述螺栓等的表面上設(shè)置涂層，可防止鎂合金因為與螺栓等的使用環(huán)境中包含的腐蝕性成分接觸而被腐蝕，并且可提高所述螺栓等的耐腐蝕性。除了緊固部件如螺栓、螺帽和墊圈之外，軸、銷、鉚釘、齒輪、板材、壓制材料、飛機部件、車輛部件、以及各種電子/電氣制品用部件和殼體的各自的表面也可以設(shè)置有涂層。由具有抵抗在使用環(huán)境中包含的腐蝕性成分的耐腐蝕性的材料構(gòu)成并具有防止腐蝕性成分侵入的結(jié)構(gòu)的涂層可適合用作所述涂層。例如，可將無機涂層材料或有機涂層材料用作所述涂層，并且從耐熱性、耐久性等觀點來看，優(yōu)選使用無機涂層材料。當(dāng)在使用期間對其施加應(yīng)力(載荷)的部件如螺栓上設(shè)置涂層時，根據(jù)需要，可向涂層中添加由陶瓷、金屬或樹脂構(gòu)成的助劑以提高涂層的強度。可使用已知的涂布技術(shù)設(shè)置所述涂層。作為涂層材料，例如可使用購自德爾肯株式會社(Doerken Corp.)的 DELTA 系列。優(yōu)選地，所述涂層的厚度為Iym以上且小于20 μπι。在I μ m以上的厚度下，可獲得足夠的耐腐蝕性。在小于20 μ m的厚度下，部件的尺寸精度不容易受影響。當(dāng)在部件如螺栓的表面上設(shè)置涂層時，通過進行表面處理如脫脂處理、化學(xué)轉(zhuǎn)化處理、噴丸處理或噴砂處理作為預(yù)處理可提高部件和涂層之間的粘附性。另外，在設(shè)置涂層時進行熱處理的情況下，考慮到對構(gòu)成涂布有涂層材料的部件的鎂合金的晶體組織的熱影響，優(yōu)選將熱處理的溫度設(shè)定為低于250°C。發(fā)明的有益效果本發(fā)明的由鎂合金構(gòu)成的線狀體具有優(yōu)異的耐熱性和優(yōu)異的塑性加工性，并且可適合用作緊固部件如螺栓、螺帽和墊圈用材料。本發(fā)明的螺栓、螺帽和墊圈具有優(yōu)異的耐熱性。


[圖1A]圖1A是示出具有組成I的鎂合金的金屬組織的顯微鏡照片(400倍)，并示出鑄造材料，所述組成I為試驗例I中制造的組成中的一種。[圖1B]圖1B是示出具有組成I的鎂合金的金屬組織的顯微鏡照片(400倍)，并示出均質(zhì)化材料，所述組成I為試驗例I中制造的組成中的一種。[圖1C]圖1C是示出具有組成I的鎂合金的金屬組織的顯微鏡照片(400倍)，并示出擠出材料，所述組成I為試驗例I中制造的組成中的一種。[圖1D]圖1D是示出具有組成I的鎂合金的金屬組織的顯微鏡照片(400倍)，并示出拉伸材料，所述組成I為試驗例I中制造的組成中的一種。
具體實施例方式以下將說明本發(fā)明的實施方式。(試驗例I)[線的制造]將各元素裝入到坩堝中以滿足表I中所示的組成(質(zhì)量％)。將所得混合物在電爐中熔融并倒入鑄造模具中形成鎂合金坯料(鑄造材料)。所用的坩堝和鑄造模具由高純碳構(gòu)成，并在IS (Ar)氣氣氛中進行熔融和鑄造。各還料具有直徑Φ為80mm且長度為90mm的圓柱形狀。接著，對各坯料的表面進行研磨以形成直徑Φ為49_的研磨材料。然后對研磨材料進行擠出加工以制造直徑Φ為13mm的棒材(擠出材料)。表I還示出了組成I至III的添加元素的原子數(shù)。當(dāng)測定使用組成I至III制造的擠出材料的原子比時，測定值與表I中不出的數(shù)值相同。在擠出加工中，優(yōu)選將加工溫度設(shè)定為350°C至450°C。通過將加工溫度設(shè)定為350°C以上，增強了鎂合金的塑性加工性并且容易防止在加工期間發(fā)生破裂等。隨著加工溫度增加，可以增強塑性加工性。然而，如果加工溫度超過450°C，則在加工期間晶粒生長進行而使晶粒變粗大，并且存在粗大的組織會在隨后的加工中降低塑性加工性的可能性。擠出比優(yōu)選為5%至20%。通過將擠出比設(shè)定為5%以上，可預(yù)期因與擠出加工相關(guān)的變形而提高機械特性。然而，如果擠出比超過20%，則存在在加工期間發(fā)生破裂、斷裂等的可能性。當(dāng)擠出后的冷卻速度為0.1°C /秒以上時，可抑制晶粒生長，這是優(yōu)選的。為了如上所述增加擠出后的冷卻速度，例如可使用強制冷卻手段。在本實驗中，在385 °C的加工溫度、15%的擠出比、0.2mm/秒的擠出速度和0.1°C /秒的冷卻速度的條件下進行擠出加工。[表 I]成分(質(zhì)量％)
權(quán)利要求
1.一種包含鎂合金的線狀體， 所述鎂合金包含0.1質(zhì)量％以上且6質(zhì)量％以下的Zn,大于0.4質(zhì)量％且4質(zhì)量％以下的Ca，并且余量為Mg和不可避免的雜質(zhì)， 所述線狀體的特征在于，當(dāng)在150°C的溫度、75MPa的應(yīng)力和100小時的保持時間的條件下對所述線狀體進行蠕變試驗時，所述線狀體具有1.0%以下的蠕變應(yīng)變。
2.一種包含鎂合金的線狀體， 所述鎂合金包含0.1質(zhì)量％以上且6質(zhì)量％以下的Zn,大于0.4質(zhì)量％且4質(zhì)量％以下的Ca,選自由0.1質(zhì)量％以上且6質(zhì)量％以下的A1、0.1質(zhì)量％以上且6質(zhì)量％以下的Sn、0.01質(zhì)量％以上且2質(zhì)量％以 下的Mn、0.01質(zhì)量％以上且2質(zhì)量％以下的S1、0.01質(zhì)量％以上且4質(zhì)量％以下的Zr和0.01質(zhì)量％以上且4質(zhì)量％以下的Sr組成的組中的至少一種元素，并且余量為Mg和不可避免的雜質(zhì)， 所述線狀體的特征在于，當(dāng)在150°C的溫度、75MPa的應(yīng)力和100小時的保持時間的條件下對所述線狀體進行蠕變試驗時，所述線狀體具有1.0%以下的蠕變應(yīng)變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的包含鎂合金的線狀體，其特征在于，Zn對Ca的原子比滿足表達式Zn: Ca=1: 0.5 2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的包含鎂合金的線狀體，其特征在于，所述線狀體具有200MPa以上的0.2%屈服應(yīng)力和260MPa以上的抗拉強度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的包含鎂合金的線狀體，其特征在于，所述線狀體具有4%以上的伸長率。
6.一種螺栓，其特征在于，所述螺栓通過對根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的包含鎂合金的線狀體進行塑性加工而制得。
7.一種螺帽，其特征在于，所述螺帽通過對根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的包含鎂合金的線狀體進行塑性加工而制得。
8.一種墊圈，其特征在于，所述墊圈通過對根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的包含鎂合金的線狀體進行塑性加工而制得。
全文摘要
本發(fā)明提供一種由鎂合金構(gòu)成的線狀體，所述鎂合金包括以質(zhì)量百分比計，0.1%至6%的Zn，0.4%至4%的Ca，并且余量為Mg和不可避免的雜質(zhì)，其中，當(dāng)在150℃的溫度、75MPa的應(yīng)力和100小時的保持時間的條件下對所述線狀體進行蠕變試驗時，所述線狀體具有1.0%以下的蠕變應(yīng)變。Zn和Ca彼此相互作用而提高耐熱性，并由此可獲得具有優(yōu)異蠕變特性的線狀體。通過以特定范圍內(nèi)的量將Zn和Ca包含到鎂合金中，還可以獲得具有優(yōu)異的塑性加工性的線狀體。
文檔編號C22C23/04GK103180473SQ20118004941
公開日2013年6月26日 申請日期2011年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月12日
發(fā)明者桑原鐵也, 西川太一郎, 中井由弘, 丹治亮, 草刈美里 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社