CN101437970A - 压铸用Zn合金及其制造方法、压铸合金用Al母合金 - Google Patents
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Abstract
提供一种稀土类元素不发生偏析、而是均匀分散的压铸用Zn合金及其制造方法。其特征在于，含有Al：3～5质量％、Mg：0.03～0.06质量％、1种或2种以上的稀土类元素：0.01～1.0质量％，余量包含Zn和不可避免的杂质，结晶粒径为5～ 10μm。添加含有超过3质量％、低于10质量％的1种或2种以上稀土类元素、余量包含Al和不可避免的杂质的Al母合金，熔铸含有Al：3～5质量％、Mg：0.03～0.06质量％、1种或2种以上的稀土类元素：0.01～1.0质量％，余量包含Zn和不可避免的杂质的Zn合金，使其凝固，进行制造。
Description
技术领域
本发明涉及压铸用Zn合金及其制造方法，以及用于其制造方法的压铸合金用Al母合金。
背景技术
锌(Zn)合金有优异的机械性质和铸造性，能够得到薄壁、复杂的形状、精密的尺寸，所以继铝(Al)合金之后，被广泛用作压铸用合金。另外，压铸用Zn合金兼具以下优点：能够实施广泛的表面处理，耐腐蚀性优异，熔点低，所以能够在热室中进行压铸，金属模的价格低，还能够延长寿命，所以比较经济。因而压铸用Zn合金被广泛用于汽车相关部件、机械部件、建筑小五金、装饰品等。
作为被JIS化的压铸用Zn合金，有2种在Zn中添加了Al和镁(Mg)的压铸用Zn合金块、和1种在上述压铸用Zn合金块中进一步添加了1质量％左右的铜(Cu)的压铸用Zn合金块。另外，还已知3种虽未被JIS化、但在2种压铸用Zn合金块中添加了3质量％左右的Cu的金属模用合金。
一方面，Zn合金具有比重大于Al合金、Mg合金等其他压铸合金、树脂材料等的缺点。因此，在汽车、机械等的轻质化所产生的影响下，压铸用Zn合金的市场占有率正在逐步缩减。为了弥补上述缺点，必须制造尽可能薄壁的Zn合金压铸制品，进行轻质化。
另一方面，压铸制品容易在内部发生使机械强度及伸长率降低的称为“气孔”的气穴缺陷。另外，在制品的表面发生气穴缺陷导致成品率降低，在制品薄壁部发生的气穴缺陷导致气泡缺陷。Zn合金压铸制品的情况下，一般来说，一旦厚度达到1mm以下，气穴缺陷所导致的表面异常就会变得显著，另外发生流动性不足所导致的水纹，使生产率降低。因此，专利文献1中公开了一种压铸用Zn合金，所述压铸用Zn合金除了Al、Mg外，还添加了适量的稀土类元素，由此抑制制品化时气穴缺陷的发生，能够实现薄壁化。
专利文献1：特开2005-89862号公报
发明内容
发明要解决的问题
如上所述地添加了稀土类元素的压铸用Zn合金压铸时的熔融金属的流动性(液性)优异、能够抑制水纹等的发生。结果制得的Zn合金压铸制品气穴缺陷减少，表面不良、气泡缺陷变少，强度、伸长率、杨氏模量之类机械特性也得到提高。所以，能够实现薄壁化，也能够实现制品的轻质化。
但是，为了抑制气穴缺陷的发生而添加的稀土类元素的添加量微少，熔铸压铸用Zn合金时，添加到该Zn熔融金属中的稀土类元素没有均匀地分散，凝固时，出现稀土类元素在Zn合金中偏析的问题。即使在压铸用Zn熔融金属中直接添加稀土类元素，稀土类元素也没有熔化而是发生偏析。即，在对添加了稀土类元素的现有压铸用Zn合金的任意部位进行EPMA测定时，局部检测到稀土类元素，并检测到稀土类元素发生偏析。稀土类元素如上所述地发生偏析时，锌熔融金属的流动性、充型性变差。因此，制品化时无法充分地抑制部分气穴缺陷的发生，导致无法得到均质的Zn合金压铸制品。
本发明的目的在于提供稀土类元素不发生偏析而是均匀地分散的压铸用Zn合金及其制造方法。
解决问题的方法
本发明人等为了解决上述问题进行了各种研究，结果发现熔铸Zn合金时，将含有3质量％以上低于10质量％的稀土类元素的Al母合金添加到Zn熔融金属中时，稀土类元素均匀地分散到Zn熔融金属中，凝固时，稀土类元素在Zn合金中不发生偏析。另外，明确使添加上述Al母合金进行熔铸得到的Zn合金凝固得到的压铸用Zn合金的结晶粒径在10μm以下。
本发明是基于上述见解而提出的。根据本发明，提供一种压铸用Zn合金，其特征在于，含有Al：3～5质量％、Mg：0.03～0.06质量％、1种或2种以上的稀土类元素：0.01～0.5质量％，余量包含Zn和不可避免的杂质，结晶粒径为10μm以下。
另外，根据本发明，提供一种压铸用Zn合金，其特征在于，含有Al：3～5质量％、Mg：0.03～0.06质量％、1种或2种以上的稀土类元素：0.01～0.5质量％，余量包含Zn和不可避免的杂质，没有金属间化合物的最大径在20μm以上的金属间化合物。
进而还可以含有Cu：0.5～5质量％。另外，再次熔融使铸造凝固时，表面的结晶粒径和内部的结晶粒径之差优选在10％以内。
另外，根据本发明，提供一种压铸用Zn合金的制造方法，其特征在于，添加含有3质量％以上低于10质量％的1种或2种以上的稀土类元素、余量包含Al和不可避免的杂质的Al母合金，熔铸含有Al：3～5质量％、Mg：0.03～0.06质量％、一种或2种以上的稀土类元素：0.01～0.5质量％、余量包含Zn和不可避免的杂质的Zn合金，使其凝固。
进而，根据本发明，提供一种Al母合金，其特征在于，含有3质量％以上低于10质量％的1种或2种以上的稀土类元素、余量包含Al和不可避免的杂质。
发明的效果
根据本发明，通过添加含有3质量％以上低于10质量％的Al母合金，熔铸Zn合金，能够使稀土类元素均匀地混合，可以不使稀土类元素发生偏析地制造压铸用Zn合金。
附图说明
[图1]实施例1的压铸用Zn合金的SEM照片
[图2]比较例3的压铸用Zn合金的SEM照片
[图3]表示实施例1～3及比较例1～3的表1
具体实施方式
本发明的压铸用Zn合金中各组成成分的意义如下所述。
Al改善压铸时的熔融金属的流动性。但是，压铸用Zn合金是能够进行热室压铸的合金，如果Al的含量增加，则熔点提高，有时难以进行热室压铸，所以Al的添加量优选为3～5质量％。
Mg是为了抑制粒间腐食而含有的。如果含量少，则抑制效果低，如果含量变多，则Zn合金压铸制品的冲击强度有时降低，所以添加量优选为0.03～0.06质量％。
含有Cu并不是必须的，但是通过添加Cu，能够进一步提高强度。但是，如果添加量增多，则有时使得流动性或冲击强度降低，所以添加Cu时，其添加量为0.5～5质量％的范围。
稀土类元素是镧(La)至镥(Lu)的15种元素，通过添加上述稀土类元素中的一种或2种以上，能够抑制为气穴缺陷的“气孔”的发生，使Zn合金压铸制品的机械特性提高。作为稀土类元素，例如优选添加稀土金属混合物(mischmetal)。需要说明的是，所谓稀土金属混合物，是指含有稀土类元素中的1种以上的金属的集合体或合金，作为金属元素，为La、铈(Ce)、钕(Nd)、镨(Pr)等。特别是如果La为15％、铈(Ce)为45％以上，则可以更确实地抑制气穴缺陷的发生。
稀土类元素的含量为0.01～0.5质量％，优选低于0.2质量％。例如添加稀土金属混合物时那样，添加2种以上的稀土类元素时，上述2种以上的稀土类元素(例如稀土金属混合物)的含量总和为0.01～0.5质量％，更优选上述2种以上的稀土类元素(例如稀土金属混合物)的含量总和低于0.2质量％。进而，如果使上述2种以上的稀土类元素(例如稀土金属混合物)的含量总和为0.01～0.15质量％的低含量，则气穴缺陷的减少效果和液性的改善也显著。通过使稀土类元素的含量在0.2质量％以下，能够缩短制造压铸中使用的合金钢锭时的熔化时间，故而优选。另外，如果稀土类元素的含量超过0.5质量％，则熔化时间延长，所以制造成本增大，发生经济亏损。
为了制作具有以上组成的本发明的压铸用Zn合金，将纯度99％以上的Zn在熔化炉中熔化，在该Zn熔融金属中添加Al、例如含有3质量％以上低于10质量％稀土金属混合物等1种或2种以上的稀土类元素、余量包含Al和不可避免的杂质的Al母合金、Mg。另外，必要时也添加Cu。需要说明的是，Mg优选在添加Al或Al母合金后添加。熔铸含有Al：3～5质量％、Mg：0.03～0.06质量％、一种或2种以上的稀土类元素：0.01～0.5质量％、进而根据需要含有Cu：0.5～5质量％、余量包含Zn和不可避免的杂质的Zn合金。通过使用含有超过3质量％以上低于10质量％稀土类元素、余量包含Al和不可避免的杂质的Al母合金，能够使稀土类元素均匀地混合。特别是作为上述Al母合金中含有的稀土类元素，如果使用La、Ce总和在50％以上的稀土金属混合物，则更容易均匀地混合稀土类元素，能够抑制偏析制造压铸Zn合金。
添加稀土类元素的含量低于3质量％的Al母合金熔铸Zn合金时，在由此制造的压铸Zn合金中，合金内部和合金表面的结晶粒径之差变大，再熔化使其凝固时，发生气穴缺陷。
熔铸Zn合金时，通过使用稀土类元素的含量在3质量％以上低于10质量％的Al母合金，在制造的压铸Zn合金中，能够使稀土类元素均匀地分散，Zn压铸合金中的结晶粒径在10μm以下。
另一方面，添加稀土类元素的含量在10质量％以上的Al母合金熔铸Zn合金时，稀土类元素未被均匀地混合，由此制造的压铸Zn合金中，稀土类元素在组织内偏析，没有生成结晶粒径超过10μm的金属间化合物，无法制造结晶粒径小的(5～10μm范围的)压铸Zn合金。
需要说明的是，制作Al母合金时，首先升温至1000℃以上使Al完全熔化。在上述Al熔融金属内添加稀土金属混合物等的1种或2种以上的稀土类元素使其在3质量％以上低于10质量％。将熔融金属的温度维持在1000℃以上，进行数小时磁力搅拌，添加稀土金属混合物。然后，将熔融金属冷却至950℃进行铸造，制成添加有稀土类元素的Al母合金。
然后，将按上述要领熔铸的含有Al：3～5质量％、Mg：0.03～0.06质量％、一种或2种以上的稀土类元素：0.01～0.5质量％、进而根据需要含有Cu：0.5～5质量％、余量包含Zn和不可避免的杂质的Zn合金的熔融金属浇注到铸型中，使其凝固进行铸造，由此可以制造本发明的压铸用Zn合金。由此制造的本发明的压铸用Zn合金的结晶粒径超过20μm的金属间化合物不发生偏析，结晶粒径在10μm以下的范围内，即使再熔融使其凝固时，表面的结晶粒径和内部的结晶粒径之差也在10％以内。需要说明的是，通过添加0.5～5质量％的Cu，可以提高Zn合金的机械强度。
另外，使由此制造的本发明的压铸用Zn合金熔融得到的熔融金属的流动性(液性)优异，能够抑制水纹等的发生。另外，稀土类元素均匀地分散，由此使制造的Zn合金压铸制品整体中，气穴缺陷减少，表面不良或气泡缺陷变少，强度或伸长率、杨氏模量之类机械特性也提高。因此，可以薄壁化，也可以实现制品的轻质化。所以，也可以实现制品的轻质化。使用本发明的压铸用Zn合金制造的Zn合金压铸制品适用于例如汽车相关部件、机械部件、建筑小五金、装饰品等。
需要说明的是，进行压铸成形时，使原料熔融注入铸型内后，加水使其骤冷。因此，制品表面的结晶粒径变小，另一方面，由于内部没有被骤冷，所以难以与表面同样地缩小结晶粒径。根据本发明的压铸用Zn合金，可以通过使稀土类元素分散，缩小结晶粒径至压铸成形后的制品的内部。
实施例
(实施例1)
(1)Al母合金的制造
在熔融炉中将1t Al熔融，得到Al液。接下来，将Al液的温度升至1000℃。在上述Al液中投入90Kg Ce 53％、La 25％的稀土金属混合物(稀土类元素)，搅拌、熔化，使Al母合金的组成为91质量％Al、9质量％稀土金属混合物(稀土类元素)。确认熔化后，从熔融炉注入铸型内，使液温为950℃，进行铸造、冷却固化，得到Al母合金。
(2)压铸用Zn合金的制造
在熔融炉中将2t Zn在500℃下熔融，向其中投入约10Kg上述得到的Al母合金，依次添加Al、Cu、Mg，搅拌、熔化，制造稀土金属混合物(稀土类元素)的组成为0.05质量％的压铸用Zn合金(压铸制品)。上述熔化耗费的时间约为60分钟。熔化后，将熔铸的Zn合金在铸型中铸造，冷却后，从铸型中取出压铸用Zn合金。
实施例1的压铸用Zn合金的剖面的SEM照片如图1所示。图1(a)为2200倍，图1(b)为1000倍。在实施例1的压铸用Zn合金的剖面中，由1000倍的SEM照片测定组织的结晶粒径时，粒径为5～10μm，结晶粒径小，且一致。另外，对所得Zn合金的剖面SEM照片进行画像解析，求出缩孔的比例时，缩孔比例为0.20％，也未观察到最大径在1μm以上的金属间化合物的生成。采用EPMA对该Zn合金的剖面进行组成分析时，未观察到稀土类元素的偏析。
采用MIT法测定上述锌合金在420℃时的流动长度时，流动长度为270mm。
(实施例2)
调整Al母合金中的稀土金属混合物的添加量，除此之外，与实施例1同样地进行。实施例2的Al母合金的金属组成为Al97质量％、稀土金属混合物3质量。压铸用Zn合金的组成与实施例1相同。
实施例2的压铸用Zn合金的剖面中组织的结晶粒径由1000倍的SEM照片进行测定时，粒径为5～10μm，结晶粒径细，且一致。另外，缩孔比例为0.15％，也未观察到最大径在1μm以上的金属间化合物的生成。在用EPMA对上述Zn合金的剖面进行组成分析时，也未观察到稀土类元素的偏析。
上述锌合金在420℃时的流动长度为275mm。
(实施例3)
调整Al母合金中的稀土金属混合物的添加量，除此之外，与实施例1同样地进行。实施例3的Al母合金的金属组成为Al 94质量％、稀土金属混合物6质量％。压铸用Zn合金的组成与实施例1相同。
实施例3的压铸用Zn合金的剖面中组织的结晶粒径由1000倍的SEM照片进行测定时，粒径为5～10μm，结晶粒径细，且一致。另外，缩孔比例为0.11％，也未观察到最大径在1μm以上的金属间化合物的生成。对上述Zn合金的剖面进行EPMA测定时，没有观察到稀土类元素的偏析。
上述Zn合金在420℃下的流动长度为275mm。
(比较例1)
不添加稀土金属混合物制作压铸用Zn合金。没有添加稀土金属混合物，除此之外压铸用Zn合金的组成与实施例1相同。
测定比较例1的压铸用Zn合金的剖面中组织的结晶粒径时，观察到粒径为13～20μm和10μm以上的结晶。进而，缩孔比例高达0.67％。该Zn合金在420℃时的流动长度为290mm。
(比较例2)
调整Al母合金的稀土金属混合物含量，除此之外，与实施例1同样地进行。比较例2的Al母合金的金属组成为Al 88质量％、稀土金属混合物12质量％。压铸用Zn合金的组成与实施例1相同。
比较例2的压铸用Zn合金的剖面中组织的结晶粒径由1000倍的SEM照片进行测定时，观察到粒径为12～15μm和10μm以上的结晶。另外，缩孔比例高达0.40％，观察到最大径在20μm以上的金属间化合物的生成。上述Zn合金在420℃下的流动长度是250mm的短值。
(比较例3)
调整Al母合金的稀土金属混合物含量，除此之外，与实施例1同样地进行。比较例3的Al母合金的金属组成为Al90质量％、稀土金属混合物10质量％。压铸用Zn合金的组成与实施例1相同。
比较例3的压铸用Zn合金的SEM照片示于图2。图2(a)为2200倍，图2(b)为1000倍。比较例3的压铸用Zn合金的剖面中组织的结晶粒径由1000倍的SEM照片进行测定时，观察到粒径为5～15μm和10μm以上的结晶，缩孔比例为0.21％。
观察到最大径在20μm以上的金属间化合物的生成。上述Zn合金在420℃下的流动长度为252mm的短值。
另外，图2(a)中可见白色部分。利用EPMA对上述部分进行组成分析，结果可知具有Zn(约77.5质量％)、La(约15.0质量％)、Ce(约15.0质量％)的组成，稀土类元素发生偏析，形成金属间化合物。观测到上述金属间化合物分散存在于Zn合金中，确认存在其最大径约20μm以上的较大金属间化合物。
由上述实施例和比较例可知，通过制成添加有稀土金属混合物的合金，可以减少缩孔。进而，通过使Al母合金的稀土金属混合物浓度在3质量％以上低于10质量％，使金属间化合物的尺寸减小，流动长度变长。
熔铸实施例1～3及比较例1～3的压铸用Zn合金时添加的Al母合金(比较例1为Al)的Al浓度和稀土金属混合物浓度(MM浓度)、使用上述Al母合金制造的Zn合金的结晶粒径和420℃下的流动长度、Zn合金中的稀土金属混合物浓度、金属间化合物的最大径、缩孔比例示于图3(表1)。
产业上的可利用性
本发明可以适用于例如汽车相关部件、机械部件、建筑小五金、装饰品等制造领域。
Claims (6)
1.一种压铸用Zn合金，其特征在于，含有Al：3～5质量％、Mg：0.03～0.06质量％、一种或2种以上的稀土类元素：0.01～0.5质量％，余量包含Zn和不可避免的杂质，结晶粒径为5～10μm。
2.如权利要求1所述的压铸用Zn合金，其特征在于，还含有Cu：0.5～5质量％。
3.一种压铸用Zn合金，其特征在于，含有Al：3～5质量％、Mg：0.03～0.06质量％、一种或2种以上的稀土类元素：0.01～0.5质量％，余量包含Zn和不可避免的杂质，没有结晶粒径在20μm以上的金属间化合物。
4.如权利要求3的压铸用Zn合金，其特征在于，还含有Cu：0.5～5质量％。
5.一种压铸用Zn合金的制造方法，其特征在于，添加含有3质量％以上低于10质量％的1种或2种以上的稀土类元素、余量包含Al和不可避免的杂质的Al母合金，熔铸含有Al：3～5质量％、Mg：0.03～0.06质量％、一种或2种以上的稀土类元素：0.01～0.5质量％、余量包含Zn和不可避免的杂质的Zn合金，使其凝固
6.一种Al母合金，其特征在于，含有3质量％以上低于10质量％的1种或2种以上的稀土类元素，余量包含Al和不可避免的杂质。
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