專利名稱：：耐熱鎂合金成型部件、用于成型的耐熱鎂合金及其成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種在確保抗蠕變性的同時，特別具有優(yōu)異的成形性及延展性的耐熱鎂合金成形部件、用于所述成形的耐熱鎂合金及其成形方法。在目前實際使用的金屬材料中，鎂合金的密度是最低的，人們特別期望鎂合金能用作今后汽車用的輕質(zhì)材料。目前使用最廣泛的鎂合金是Mg-Al-Zn-Mn系列合金(例如，AZ91D合金)。該合金在室溫下強度大，耐腐蝕性良好，被用作汽車用的變速箱、汽缸蓋等的材料。然而，在超過120℃的溫度范圍內(nèi)，其強度特性開始降低，特別是其抗蠕變性能變差，這與在實用中螺栓連接部位接合面的變鈍等的問題有關(guān)。另一方面，作為改善耐熱性的合金，使用了Mg-Al-Si系列的AS41鎂合金。然而，關(guān)于抗蠕變性方面AZ41鎂合金雖然比上述AZ91D要好，但，當(dāng)使用溫度在150℃左右時，其特性就不夠完善，而且，其在室溫、高溫下的拉伸強度特性皆低，為了確保所需強度，不得不增加壁厚，這樣，又產(chǎn)生減小鎂合金輕量化的效果。其它作為改善耐熱性能的合金，雖有添加銀及稀土類元素的QE22等的合金，但其缺點是，該合金價格昂貴，不適于模鑄等。為此，有人又提出使用具有優(yōu)異的高溫強度的Mg-Al-Ca-Mn系列合金(特開平6-25790)。這里，如果Ca/Al之比為0.7，優(yōu)選的是在0.75以上，則鎂合金中結(jié)晶析出的結(jié)晶組織形態(tài)發(fā)生變化，結(jié)晶出Mg-Ca化合物，顯示出優(yōu)異的高溫強度特性。但是，要以Ca/Al比高的鎂合金作模鑄成形時，尚有這樣的問題模鑄制品容易發(fā)生熱裂，熔融金屬溫度高時易燒損金屬模具。本發(fā)明鑒于如上所述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，其第一目的是，提供一種具有適于汽車等的發(fā)動機部件的物性、特別是在確保其抗蠕變性的同時，具有優(yōu)異的成形性及延展性的耐熱鎂合金成形部件。本發(fā)明的第二個目的是，提供一種取代目前廣泛使用的模鑄方法，用于上述耐熱鎂合金成形部件的合適的成形方法。本發(fā)明的第三目的是，提供一種適于制造上述在確保其抗蠕變性的同時，具有優(yōu)異的成形性及延展性的耐熱鎂合金成形部件的合金組成。本發(fā)明者們?yōu)榱私鉀Q上述課題，進行了種種研究，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)如對Al-Ca系列的鎂合金采用在固相、液相混合狀態(tài)下進行注射成形的半熔融成形方法取代模鑄法，則可防止金屬模的燒損，同時，使所成形的部件具有優(yōu)異的強度。但是，為了維持所述的固、液相混合狀態(tài)，須極大地增加鋁的添加量。另一方面，鋁固溶于鎂，顯示了時效硬化性，這是為提高合金的機械特性而添加的。但是，隨著對鎂添加鋁的進行，該合金的高溫強度有下降的傾向，為了增強其高溫強度，有人推薦添加鈣，以將Ca/Al比保持在0.7以上(特開平6-25790)。然而，本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)如所述鈣的添加量大，則在成形時容易發(fā)生鑄裂及燒損金屬模具；而且，由于大量地結(jié)晶出Ma-Ca系列化合物，成形制品的延展性能有降低的傾向，所以，應(yīng)選擇Ca/Al比保持在0.8以下?；谌缟纤龆矫娴囊娊?，本發(fā)明系一種含有鋁2-6％(重量)及鈣0.5-4％(重量)，其余成分為鎂及不可避免的雜質(zhì)、其中Ca/Al比在0.8以下的鎂合金成形的成形構(gòu)件；本發(fā)明在于提供一種適于制造上述在確保其抗蠕變性的同時，具有優(yōu)異的成形性及延展性的耐熱鎂合金成形部件。一般認為，為使其固溶于鎂，顯示時效硬化性，提高合金的機械特性，最好將鋁以2-10％(重量)添加于鎂合金中。在本發(fā)明中，固然有必要添加鋁2％(重量)以上，但當(dāng)該添加量超過6％(重量)時，則即使進行半熔融注射成形，其延展性能仍然低下。為此，為達到所期望的效果，在進行半熔融注射成形時，將該添加量控制在6％(重量)以下。另一方面，鈣的添加是為了提高伴隨著對鎂添加鋁時出現(xiàn)的、處于降低傾向的合金高溫強度，但為了不降低成形性和成形構(gòu)件的延展性，有必要將Ca/Al比控制在0.8以下，因此Ca的添加量控制在0.5-4％(重量)。鍶在鎂合金的鑄造中用作為細化劑，但是由于在本發(fā)明所涉及的半熔融注射成形法中也可發(fā)揮固相的細化效果，所以，最好添加。其添加量以0.15％(重量)為宜。上述成形部件的晶體粒徑在30μm以下，其延展強度在180MPa(298K參照圖9)以上，且顯示了在試驗溫度150℃、試驗載荷50MPa下的最小蠕變速度4×10-10/s以下的優(yōu)異的抗蠕變性能(根據(jù)JISZ2271“金屬材料的延展蠕變試驗方法”)。因此，適用于汽車用的變速箱部件及發(fā)動機部件。特別是，當(dāng)Ca/Al比在0.6以下時，顯示出優(yōu)異的抗蠕變性能。又，在本發(fā)明中，作為上述鎂合金成形部件成形用的合金材料，含有鋁2-6％(重量)及鈣0.5-4％(重量)，其余成分為鎂及不可避免的雜質(zhì)，較好的是，還含有Sr0.15％(重量)以下。概括的說，本發(fā)明在于提供一種由Ca/Al比調(diào)節(jié)在0.8以下、更好的是Ca/Al比調(diào)節(jié)在0.6以下的、由半熔融成形法確保其優(yōu)異的抗蠕變性的同時，具有優(yōu)異的成形性及延展性的耐熱鎂合金。本發(fā)明者們特別發(fā)現(xiàn)，作為合金材料，在以半熔融成形法成形時，導(dǎo)入內(nèi)應(yīng)變的金屬?；蚪饘兕w粒形態(tài)對結(jié)晶細化是有效的(參照圖10)。作為其加工方法，切削加工有利于降低成本。再有，在采用固相、液相混合狀態(tài)下進行注射成形的半熔融成形方法取代模鑄法時，可在低于模鑄法液相線以下的低溫溫度下實施所述的鑄造成形。因此，本發(fā)明提供一種確保其優(yōu)異的抗蠕變性的同時，具有優(yōu)異的成形性及延展性的耐熱鎂合金的成形方法，其特征在于，所述鎂合金是在其溫度低于液相線溫度以下、在固相、液相混合狀態(tài)下進行半熔融成形。模鑄法通常是在其溫度高于熔融溫度以上30-50℃的溫度時，將熔融金屬注射于金屬模中，相比之下，由于本發(fā)明的半熔融注射成形是在低于液相線的溫度時進行注射成形，因此，其注射溫度至少低于前者30-60℃。由此，可以防止對金屬模的燒損?？梢哉J為，凝固原本是從半熔融狀態(tài)開始的，因此，凝固應(yīng)力小，從而使用所述的方法可抑制熱裂的發(fā)生。特別是，對所述的金屬模燒損的防止及抑制熱裂的效果在半熔融成形法中，當(dāng)含固率在30％以下時，其對流動長度的影響顯著(參照圖8)，可有效地抑制熱裂的發(fā)生。因此，在進行所述的半熔融成形法時，半熔融狀態(tài)下的含固率最好在30％以下。通常，可以認為，當(dāng)含固率越高，其對燒損及凝固應(yīng)力方面的影響也越是有利，但是在本發(fā)明中，含固率高，則流動性差，容易發(fā)生填充性能的降低及鑄造冷疤，難以得到完好的成形構(gòu)件。特別是，這些凝固組織的平均粒徑在30μm以下時，其延展值得到特別顯著的提高。上述鎂合金也可再含有2％(重量)以下的、選自鋅、錳、鋯、及硅的至少一種的元素，及/或含有4％(重量)的稀土類元素(例如，銥、釹、鑭、鈰、含鈰稀土金屬混合物)。這些元素在所述的上限以下可有效地提高上述鎂合金的強度或高溫強度。發(fā)明的實施方式圖1所示為用于本發(fā)明的半熔融成形法的成形機1的整體結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的成形方法中，將由機械磨削等方法制作的鎂合金金屬?；蝾w粒(直徑在3mm以上)的原料3投入圖中的加料斗8。原料3從加料斗8經(jīng)氬氣的入口7供給至滾筒4內(nèi)。原料3在該滾筒4內(nèi)籍螺旋2邊被推向前方，邊被加熱。10表示加熱區(qū)。當(dāng)加熱溫度大致達液相線時，鎂合金原料3成為熔融狀態(tài)；當(dāng)加熱溫度在液相線以下的溫度時，則如圖所示，該原料成為固相和液相混合的半熔融狀態(tài)。另外，如圖所示，處于半熔融狀態(tài)的鎂合金因螺旋的旋轉(zhuǎn)攪拌，其剪切力將固相細分、切斷。此時，由置于后部的高速注射結(jié)構(gòu)5將螺旋2朝前方推擠，則其固相被細分、切斷的、處于半熔融狀態(tài)的熔融金屬即如圖所示，從噴嘴9高速噴射出，填充于金屬模6內(nèi)。這里，對金屬模內(nèi)保持加壓，直至凝固，凝固后，打開模，取出成形制品。實施例1-7及比較例1-5在低頻爐上設(shè)置鐵坩堝，使SF6氣體1％(其余為干燥空氣)在熔融金屬表面流動，熔練制得實施例及比較例的成分的合金。在板上鑄造這些合金，由鏇床加工制得3-5mm直徑的顆粒，將其用作原料，使用上述的成形機，進行半熔融成形。半熔融成形使用鎖模力達450噸的機器，其條件為共同注射時的注射速度在金屬模澆口處為50m/s，注射壓力為約700kg/cm2，噴嘴部的合金溫度設(shè)定為液相線溫度以下的550-580℃。在如上所述的成形條件下，制作延展試片(JIS4號試片)，按照JISZ2271的延展蠕變試驗方法，研究其在150℃、50MPa條件下的蠕變特性。其結(jié)果示于圖2?？梢钥吹?，本發(fā)明的鎂合金與抗蠕變性優(yōu)于比較例3的AZ91D的AS41相比，前者具有更優(yōu)異的抗蠕變性。表1</tables>又，由英斯特郎強力試驗儀在滑塊速度10mm/分、測試溫度25℃下測得其斷裂強力和斷裂伸長。其結(jié)果示于表2。比較例2中的鋁含量超過本發(fā)明范圍的2-6％(重量)，比較例4的鋁及鈣的含量雖在本發(fā)明的范圍內(nèi)，但其Ca/Al比超過0.8。相比之下，本發(fā)明的含有鋁2-6％(重量)、鈣0.5-4％(重量)、Ca/Al比在0.8以下的實施例顯示了優(yōu)異的延展性能。表2在實施例和比較例中，Ca/Al比和上述伸長率之間的關(guān)系示于圖3。由圖可知，當(dāng)Ca/Al比超過0.8時，伸長率急劇降低。再看Ca/Al比與最小蠕變應(yīng)變速度之間的關(guān)系，則如圖6所示，Ca/Al比在0.6以下時(實施例2)，蠕變應(yīng)變速度更小，具有優(yōu)異的抗蠕變性。又，使用如圖4所示的試驗用金屬模，在確保如圖示的熔融金屬流動的情況下進行半熔融成形，得到如表3所示的結(jié)果。隨著Ca/Al比接近1，鑄造熱裂發(fā)生于圓筒部上端的溢出部一側(cè)，但當(dāng)Ca/Al比小于0.8時，則完全不發(fā)生如上所述的鑄造熱裂。表3通常，鑄造時的滯留時間長，則固相直徑急劇增大(圖5的實施例2)，但是，由于添加鍶可產(chǎn)生細化結(jié)晶體的效果，因此可由該滯留時間的調(diào)節(jié)抑制固相直徑的增大。使用實施例2的合金材料，改變半熔融成形的溫度，并改變?nèi)廴诮饘僦械暮搪?，使熔融金屬沿圖示的方向進入如圖7所示的金屬流動性評價用金屬模，評價該熔融金屬的流動性，其評價結(jié)果示于圖8。根據(jù)該結(jié)果，當(dāng)含固率超過30％，則流動長度(flowinglenth)急劇下降。由此可知，由于該熔融金屬流對成形部件的組織晶體粒徑產(chǎn)生影響，半熔融成形法最好是在含固率30％以下的狀態(tài)下進行。在半熔融成形中，使用呈金屬粒或顆粒形態(tài)的鎂合金材料，但是，該金屬粒由于其內(nèi)部的切削加工等原因產(chǎn)生加工應(yīng)變，加熱不久后生成再結(jié)晶晶粒的核，增大了固相直徑，所以，如將使用沒有加工應(yīng)變的金屬粒的情況與使用具有加工應(yīng)變的金屬粒的情況作比較，則如圖10所示可知，其固相的成長速度不同，其后者在成形部件晶體粒徑的細化方面效果更為優(yōu)異。由如上所述可知，根據(jù)本發(fā)明，在Mg-Al-Ca系耐熱鎂合金部件中，控制Ca/Al比，可以得到具有優(yōu)異的高溫下的抗蠕變特性的成形部件。所以，用輕質(zhì)的鎂合金制造如離合器分離活塞和離合器鼓等汽車用的變速箱部件及往復(fù)桿等的發(fā)動機部件，可以使其具有充分的持久耐用性。另外，在本發(fā)明中，系在低于液相線的溫度時進行半熔融成形，可以解決以往模鑄法所產(chǎn)生的熱裂和金屬模燒損的問題，同時，可以保持其如同以往方法、或較以往方法優(yōu)異的常溫及高溫強度及延展伸長。附圖的簡單說明圖1所示為用于本發(fā)明的半熔融成形法及注射成形法的成形機結(jié)構(gòu)示意圖。圖2所示為用于比較各種鎂合金成形部件的蠕變特性曲線圖。圖3所示為各種鎂合金成形部件的Ca/Al比與室溫下延展伸長的關(guān)系圖。圖4所示為鑄造裂縫試驗用金屬模的示意圖。圖5所示為固相直徑和滯留時間的關(guān)系圖。圖6所示為各種鎂合金成形部件的最小蠕變應(yīng)變特性速度。圖7所示為用于評價各種鎂合金的熔融金屬流動性的金屬模的示意圖。圖8所示為以圖7金屬模測得的實施例2的合金組成中含固率和流動長的關(guān)系圖。圖9所示為以實施例3的合金組份成形的構(gòu)件的平均晶體粒徑和拉伸強度的關(guān)系圖。圖10所示為使用無加工應(yīng)變的金屬粒和有加工應(yīng)變的金屬粒時的固相長大階段的示意圖。圖中，1表示注射成形機，2表示螺旋，3表示原料顆粒，4表示滾筒，5表示高速注射結(jié)構(gòu)，6表示金屬模，7表示通往滾筒的材料通道，8表示加料斗，9表示噴嘴，10表示加熱區(qū)。權(quán)利要求1.一種具有優(yōu)異抗蠕變性的耐熱鎂合金部件，其特征在于，這是一種由含有鋁2-6％(重量)及鈣0.5-4％(重量)，其余成分為鎂及不可避免的雜質(zhì)、其中Ca/Al比在0.8以下的鎂合金成形的成形部件。2.一種如權(quán)利要求1所述的具有優(yōu)異抗蠕變性的耐熱鎂合金部件，其特征在于，所述合金的Ca/Al比在0.6以下，具有在試驗溫度150℃、試驗載荷50MPa下的最小蠕變速度4×10-10/s的優(yōu)異的抗蠕變性能。3.一種如權(quán)利要求1或2所述的具有優(yōu)異抗蠕變性的耐熱鎂合金部件，其特征在于，所述合金還含有0.15％(重量)以下的Sr。4.一種如權(quán)利要求1-3之任一項所述的耐熱鎂合金部件，其特征在于，所述合金的平均結(jié)晶粒徑在30μm以下。5.一種如權(quán)利要求1-4之任一項所述的具有優(yōu)異抗蠕變性的耐熱鎂合金部件，其特征在于，所述合金成形部件為汽車用變速箱部件或發(fā)動機部件。6.一種具有優(yōu)異抗蠕變特性的耐熱鎂合金，其特征在于，這是一種含有鋁2-6％(重量)及鈣0.5-4％(重量)，其余成分為鎂及不可避免的雜質(zhì)，且在固相和液相混合的液相線以下的溫度下通過半熔融注射成形制得的具有優(yōu)異抗蠕變性的耐熱鎂合金。7.一種如權(quán)利要求6所述的耐熱鎂合金，其特征在于，所述合金還含有0.15％(重量)以下的Sr。8.一種如權(quán)利要求6或7所述的耐熱鎂合金，其特征在于，所述合金的Ca/Al比在0.8以下。9.一種如權(quán)利要求8所述的耐熱鎂合金，其特征在于，所述合金的Ca/Al比在0.6以下。10.一種如權(quán)利要求6-9之任一項所述的耐熱鎂合金，其特征在于，所述合金呈導(dǎo)入內(nèi)應(yīng)變的金屬粒或顆粒形態(tài)。11.一種具有優(yōu)異抗蠕變性的耐熱鎂合金成形部件的成形方法，其特征在于，將權(quán)利要求6-10之任一項所述的耐熱鎂合金在低于固相和液相混合存在的液相線的溫度下，進行半熔融注射成形。12.一種如權(quán)利要求11所述的耐熱鎂合金部件的成形方法，其特征在于，在進行所述的半熔融注射成形時，半熔融狀態(tài)時的含固率為30％以下。全文摘要本發(fā)明提供一種在確保抗蠕變性能的同時特別具有優(yōu)異的成型性及延展伸長特性的耐熱鎂合金部件,其成型方法及用于該合金部件的合金組成。本發(fā)明系將含有鋁2—6%(重量)及鈣0.5—4%(重量),其余成分為鎂及不可避免的雜質(zhì)、且Ca/Al比為0.8、更好為0.6以下的鎂合金在低于液相線的溫度時進行半熔融注射成型。文檔編號B22D17/00GK1174243SQ97105000公開日1998年2月25日申請日期1997年4月4日優(yōu)先權(quán)日1996年4月4日發(fā)明者坂本和夫,山本幸男,坂手宣夫,平原莊司申請人:瑪志達株式會社