CN101517106A

CN101517106A - 精密合金

Info

Publication number: CN101517106A
Application number: CNA2007800355098A
Authority: CN
Inventors: 野村政博
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2009-08-26

Abstract

本发明提供了一种包含铝、硅和锌的模铸用精密合金，其中，基于合金总质量，铝的含量为40－45质量％，硅的含量为2－8质量％。本发明还描述了其它技术方案。

Description

精密合金

技术领域

本发明涉及精密合金，具体涉及模铸用精密合金、精密合金模铸部件以及制造模铸用精密合金的方法。

背景技术

在通信器材使用的部件中，户外用途的外壳部件以及含有安装电路元件的印刷电路板的高频电路器材，通常被配置成具有金属箱体或封闭在金属罩内的功能器件，原因是它们需要电磁屏蔽。另外，考虑到耐腐蚀性，使JIS规定的铝合金模铸材料ADC3得到应用。

制造上述机构部件的方法包括切削和模铸。铝是最常用的金属材料。特别地，大规模生产必然需要基于模铸来制造。然而，由于铸造箱体的几何结构(外形、内腔壁)各式各样，因此模铸的最大缺点是产品必须具有斜度(通常每侧2-3°)才能拔出。铸造性较差的ADC3需要较大的拔模斜度(draft)，这是已知的。

解决上述问题的已知方法如下：

1)对铸造产品进行机械加工，以使其形成所需的几何结构。

2)使用模铸用锌基合金作为待铸造材料。以前需要的斜度可能不再是必要的，从而可以减少二次加工。模铸用锌基合金的示例是JIS规定的ZDC2(Zn-4Al-0.04Mg)。

然而，在二次加工后，方法1)可能难以避免铸造缺陷(气孔)，并且可能无法获得期望的成本降低效果，这与加工元件的类型和数量有关。此外，该方法需要预先对具有坡度形状的制件进行评测，因此需要很长一段时间才能将产品投放市场。

方法2在很大程度上受限于质量设计，原因在于锌(Zn)的比重大于铝(Al)的比重(锌的比重为7.1g/cm³，是铝的2.6倍，铝的比重为2.7g/cm³)。而且，考虑到耐腐蚀性和蠕变特性，ZDC2无法达到对高频部件特别是波导的电路区段和耦合区段所要求的功能。特别地，考虑到锌的牺牲耐腐蚀性，ZDC2不适用于使用合金作为外壳的户外用途产品。

专利文献1公开了一种关于模铸用高强度锌合金的技术，该合金的拉伸强度为45kgf/mm或更大，不会引起时效软化，而且能够在500℃或更低的温度下铸造。该文献描述了，在锌合金中，特别是铝含量高的锌合金不是优选的，因为它们会引起时效软化，因此铝含量优选为12-30质量％。还描述了，铜含量优选为6-20重量％。

专利文献2公开了一种关于模铸用锌合金的技术，为了改善锌铝基合金的抗蠕变性，该合金包含镍(Ni)或锰(Mn)。该文献称，铝含量为2-10重量％。

专利文献3公开了一种热浸电镀用合金，具体为供给至锌电镀槽的含硅合金。

专利文件4公开了一种制造铝锌硅基合金材料的方法，其中设定合金坯料温度为250-350℃，同时进行挤出。专利文献4中公开的技术涉及一种用于低温钎料的合金材料。相反地，用于模铸的合金需要严格限制构成元素的质量比，从而满足热辐射性、轻质性和铸造性(例如拔模斜度)的要求。

专利文献1：日本专利早期公开特开平6-49572

专利文献2：日本专利早期公开特开平9-272932

专利文献3：日本专利早期公开特开2001-288519

专利文献4：日本专利早期公开特开平5-255822

发明内容

然而，如下文所述，以上专利文献中描述的常规技术仍存在改进的空间。

长期以来，模铸用锌合金材料因其固有的优异铸造性而被使用，而最近锌合金又得到了发展，其目的主要是为了改善蠕变特性(与铸造性相反，蠕变是缺点)。

众所周知，尽管锌合金作为固体金属具有优异的铸造性，但是还没有开发出适用于精密铸造的锌合金。换言之，已知的锌合金不能确保达到机械加工所能达到的几何精度。

本发明的构思正是考虑上述情形后形成的。因此，本发明的目的是提供一种精密合金，与常规的模铸用铝合金相比，该精密合金能够显著减小产品的拔模斜度，并且在保持锌的固有优点的同时减小比重。

本发明提供了一种包含铝、硅和锌的模铸用精密合金，其中，基于总质量，铝的含量为大于或等于40质量％且小于或等于45质量％，硅的含量为大于或等于2质量％且小于或等于8质量％。

本发明还提供了一种模铸用精密合金，其包含大于或等于40质量％且小于或等于45质量％的铝，大于或等于2质量％且小于或等于8质量％的硅，余量为锌和不可避免的杂质。

本发明还提供了一种模铸用精密合金，其包含大于或等于40质量％且小于或等于45质量％的铝，大于或等于2质量％且小于或等于8质量％的硅，大于或等于0.1质量％且小于或等于0.2质量％的铜，大于或等于0.01质量％且小于或等于0.1质量％的镁，余量为锌和不可避免的杂质。

本发明还提供了一种由本发明的模铸用精密合金构成的精密合金模铸部件。

本发明还提供了一种制造模铸用精密合金的方法，该方法包括：得到包含铝、锌、硅、铜和镁的熔融金属；得到模铸用精密合金，其包含，基于总质量，大于或等于40质量％且小于或等于45质量％的铝，大于或等于30质量％且小于或等于57.89质量％的锌，大于或等于2质量％且小于或等于8质量％的硅，大于或等于0.1质量％且小于或等于0.2质量％的铜，大于或等于0.01质量％且小于或等于0.1质量％的镁以及不可避免的杂质。

本发明可以提供一种模铸用精密合金，与常规的模铸用铝合金相比，该精密合金能够显著减小产品的拔模斜度，并且在保持锌的固有优点的同时减小比重。

附图说明

根据以下对特定优选实施方式的描述并结合附图，可以更清楚地看出本发明的上述和其它目的、特点和优点。

图1是实施例A6的精密合金模铸部件的剖面图。其中，A为正视图，B为右视图，C为正视图的上下开口部的剖面图，D为沿正视图中心的剖面图，E为后视图，其中剖面图中的G部和F部是表示通过后视图中非阴影部分所示的波导传播的电波传播方向改变的部位。

具体实施方式

本实施方式的模铸用精密合金包含铝、硅和锌，其中，基于总质量，铝的含量为大于或等于40质量％且小于或等于45质量％，硅的含量为大于或等于2质量％且小于或等于8质量％。

本发明的模铸用精密合金可包含大于或等于0.1质量％且小于或等于0.2质量％的铜和大于或等于0.01质量％且小于或等于0.1质量％的镁。

在本实施方式中，锌含量的下限优选为30质量％，更优选35质量％，还更优选48质量％。锌含量的上限优选58质量％，更优选57.89质量％，还更优选57质量％，还更优选50质量％。

或者，锌含量可以是铝、硅、锌和不可避免的杂质所组成的合金的余量。或者，锌含量可以是铝、硅、锌、铜、镁和不可避免的杂质所组成的合金的余量。

通过包含上述范围的锌，可以改善合金的精密铸造性。由于具有精密铸造性，二次加工不再是必须的，从而可以降低成本。

实施例

下面参考实施例来阐述本发明。

在下面的这些实施例中，实施例A1-A4和B1-B4说明了本发明的模铸用精密合金，实施例A5说明了制造本发明的模铸用精密合金的方法。实施例A6-A9说明了使用本发明的模铸用精密合金的模铸部件。

应当注意，本文中以“-”表示的数值范围是指分别以“-”前后的数值作为上下限并包括该上下限在内的范围。

实施例Al

制备包含铝、锌和硅的合金l。

本发明的主要目的在于进行精密铸造，具体来说是较大程度地减小拔模斜度，并且在保持锌作为固体金属润滑剂的固有优点的同时减小合金的比重。更具体地，本发明的模铸用精密合金被设定为包含40-45质量％的铝和30-57质量％的锌作为主要金属，并包含2-8质量％的硅、任意的成分调节金属以及不可避免的杂质。

硅(Si)具有改善铸造性(铸造流动性)的效果，可用于抑制铝与锌分离，以使它们彼此间均匀分散。虽然本发明中的铝含量被设定为大于常规锌合金中的铝含量，但可以通过添加硅来抑制铝含量增加所导致的铸造性下降。如上文所述，硅可以说是JIS规定或未规定的普通锌合金中绝对不存在的元素。相反地，本发明正是基于如下发现：添加硅后达到几何精度与机械加工所能达到的相当。在本发明中，硅的作用应当是作为铝元素与锌元素之间的晶格，同时抑制固化过程中的收缩，从而可以进行精密铸造，换句话说可以明显减小拔模斜度。

硅含量可被调节为，基于合金的总质量(同时考虑铝的重量)，优选2-8质量％，更优选4-7质量％。

优选地，硅相对于铝的质量比可被调节为6-15质量％。硅相对于铝的重量比太小，容易使合金的流动性变差；而硅相对于铝的重量比太大，虽然不会造成流动性方面的问题，但容易使韧性变差，从而使合金变脆。

铝(Al)有助于提高合金的强度和硬度并减小合金的重量。在本发明的精密合金中，基于合金的总重量，优选将铝含量调节为40-45质量％，更优选42-45质量％。铝含量太小，则无法使上述特性达到足够水平，还会使流动性变差。另一方面，铝含量太大，则难以对合金进行精密铸造(每一侧的拔模斜度为1/10或更小)。通常认为，在锌合金中，由于顾虑时效软化，铝含量太大是不优选的，但大约12-30质量％的铝含量是优选的(专利文献1)。相反在本发明中，铝含量增加所导致的铸造性变差可通过添加硅来避免。因此，铝含量可被调节为大于常规锌合金中的铝含量。

基于合金的总重量，优选将锌含量调节为30-57质量％，更优选48-50质量％。

本发明的精密合金还可包含不可避免的杂质。本文中的不可避免的杂质是指制造工艺中的材料中非有意包含的物质，不可避免的杂质的示例是铁、铅、钙、锡等。

实施例A2

制备包含铝、锌、硅、铜和镁的合金2。此实施例的合金成分示于表1。

如果需要，本发明的精密合金还可包含其它成分调节元素。作为成分调节元素，例如可以包含铜和/或镁。

在本发明的精密合金中，铜(Cu)的作用是改善机械加工性，相对于锌的重量，优选将铜调节为0-0.5质量％。在本发明的精密合金中，相对于合金的总重量，铜含量可优选为0.1-0.2质量％，更优选0.1-0.17质量％。铜含量太小，则无法使上述特性达到足够水平，而铜含量太大会使流动性变差。

镁(Mg)的作用是防止在含铝的锌合金中经常出现的晶间腐蚀。在本发明的精密合金中，相对于合金的总重量，镁含量可优选为0.01-0.1质量％，更优选0.01-0.07质量％。镁含量太小，则无法使上述特性达到足够水平，而镁含量太大会加速熔融金属的氧化从而降低冲击强度。

实施例A3

按照表1所示的含量比例，制备包含铝、锌、硅、铜和镁的合金3。

实施例A4

制备包含铝、锌、硅、铜和镁(其中硅含量为3.0质量％)的合金4。

实施例B1

此实施例将说明一种示例性的包含铝、锌和硅的模铸用精密合金。

本发明的主要目的在于进行精密铸造，具体来说是较大程度地减小拔模斜度，并且在保持锌作为固体金属润滑剂的固有优点的同时减小合金的比重。本发明的模铸用精密合金包含铝、硅和锌，并且基于合金的总质量包含40-45质量％的铝和2-8质量％的硅。

基于合金的总质量同时考虑铝的重量，优选添加2-8质量％的硅，更优选添加4-7质量％的硅。

如上所述，相对于铝的质量，硅含量优选被调节为约6-15质量％。

如上所述，在本发明的精密合金中，基于合金的总质量，铝含量优选为40-45质量％，更优选42-45质量％。

基于合金的总质量，锌含量优选为35-58质量％，更优选48-50质量％。或者，锌含量可以是包含上述范围的铝和硅以及不可避免的杂质的合金的余量。

本发明的精密合金还可包含如上所述的不可避免的杂质。

模铸用合金所需的特性包括：(1)机械强度和机械加工性，(2)热辐射特性，(3)抗蠕变特性，(4)耐腐蚀性，(5)重量减轻，(6)铸造性(小拔模斜度)，这些特性都是必须满足的。特别地，上述特性(2)、(5)和(6)对于提供模铸用铝合金的替代性材料来说是关键的，其中为了同时满足这些要求，严格限制合金成分的质量百分比十分重要。本发明的精密合金在模铸用合金所需的这些特性之间实现了很好地平衡。

实施例B2

本实施例将说明一种示例性的包含铝、硅、铜、镁和锌的模铸用精密合金。

在本实施例中，基于合金的总质量，锌含量优选为35-57.89质量％，更优选48-50质量％。或者，锌含量可以是包含铝、硅、铜、镁和不可避免的杂质的合金的余量。

通过包含上述范围的锌，可以改善合金的精密铸造性，二次加工不再是必须的，从而可以降低成本。

除了实施例B1中的合金成分以外，本实施例的精密合金还可包含铜和镁。

如上所述，如果本发明的精密合金中包含铜，则其含量相对于锌的重量可优选被调节为0-0.5质量％。在本发明的精密合金中，基于合金的总重量，铜含量优选被调节为0.1-0.2质量％，更优选0.1-0.17质量％。

如上所述，如果本发明的精密合金中包含镁，则其含量基于合金的总质量优选被调节为0.01-0.1质量％，更优选0.01-0.07质量％。

通过包含上述范围的铜和镁，本发明的精密合金可以在模铸用精密合金所需的特性之间实现更好地平衡。在添加铜和镁的具体情况下，可以进一步改善上述(1)机械强度和机械加工性、(3)抗蠕变特性和(4)耐腐蚀性。特别地，与常规的铝合金(如ADC3)相比，本发明得到的模铸用精密合金可以实现相当或更优异的抗蠕变特性、改善的机械强度并且在机械特性之间实现很好地平衡。

表1

实施例B3

按照表2所示的成分比例制备包含铝、铜、镁和硅的合金5，合金5还包含余量的锌和不可避免的杂质。

表2

		Al	Cu	Mg	Si	Zn
		Al	Cu	Mg	Si	Zn	质量％	质量％	质量％	质量％	质量％
实施例B3	合金5	45.00	0.12	0.02	6.00	余量	质量％	质量％	质量％	质量％	质量％

测量合金5的机械强度和铸造性。结果示于表3。

这里，按照JIS Z2242标准测量拉伸强度，按照JIS Z2271标准测量高温蠕变。按照JIS B7725标准规定的Vickers硬度测试法测量硬度。

按照下面的过程测量低温脆性断裂。

得到一个热绝缘盒(400mm×200mm×150mm)和两块干冰(100mm×100mm×100mm)。将合金3的测试件(6mm×6mm×80mm)夹在干冰块之间，并与其它干冰块一起置于热绝缘盒中约1小时。在此过程中，将固定夹具(小钳子)置入同一热绝缘盒以使其冷却。接下来，在热绝缘盒中将测试件与干冰块分离，并用小钳子将测试件取出。将测试件贴附在JIS B7779规定的Charpy冲击测试机上。从热绝缘盒取出测试件与将其贴附在测试机上之间的时间间隔约为3秒。贴附之后，对测试件施加冲击直至其断裂。测试件贴附与断裂之间的时间长度约为5秒。

对比例1

获得可购得的ADC3。按照与实施例B3类似的过程测量机械强度和铸造性。结果示于表3。

表3

如表3所示，与现有的合金(ADC3)相比，合金5在拉伸强度、低温脆性断裂和硬度方面呈现出良好的结果。可以看出，合金5的高温蠕变与ADC3水平相当，表明合金5整体上表现出良好的特性，在机械强度上实现了良好的平衡。还发现，与常规的模铸用锌合金材料相比，合金5尽管是锌基合金，但比重显著降低，能够有效地减轻重量。还发现，与ADC3相比，合金5极大程度地减小了拔模斜度，这表明铸造性得到了改善。

实施例B4

制备包含铝和锌作为主要成分、另外包含硅、铜和镁的合金(硅含量为3.0质量％)。可以预料，此合金可以达到与合金3相当的机械强度和铸造性。

这些实施例所得到的合金的特点是，虽然它们是锌基合金，但具有3.8g/cm³的比重，该值为常规模铸用锌合金的比重的54％(约一半)。与工业上使用的普通金属比较，这些合金是仅次于镁(1.74)和铝(2.70)的第三轻的金属。这种成分比例可使铸造中通常必需的拔模斜度(通常每侧的倾斜角度为2-3°)减小到1/5-1/10。当模具与金属的接触长度为20mm或更短时，拔模斜度甚至可为零。因此，可以省略二次加工，可以避免诸如内腔壁端部变窄之类的限制，从而在很大程度上改善了设计局限性。

实施例A5

本实施例将说明制造本发明的模铸用精密合金的方法。

本发明的模铸用精密合金可以通过获得包含铝、锌和硅以及任意包含铜和镁的熔融金属来制备。例如，可以作为铝-硅二元合金或所谓的母合金(在石墨坩埚中与其它金属一起熔融)的形式制备，或者可以如下制备：获得包含电解锌和期望量的铝、铜和镁的熔融金属，其中电解锌作为基料，与铝、铜和镁一起熔融形成基本金属(即母合金)，然后向该熔融金属中直接添加硅。

根据本实施例的方法，通过使含锌的铝-硅二元合金在石墨坩埚中以所谓的母合金形式熔融，成功地制备出本发明的合金。

实施例A6

图1示出了用实施例A1中的合金1制造的具有高频电路区段的模铸机构部件。这是高频电路部件的一个示例，并且一般通过铝模铸来制造。图中的G部和F部是表示通过后视图中非阴影部分所示的波导传播的电波传播方向改变的部位。通常，通过铸造将该部件形成大致的形状，然后再确保尺寸精度达到需要的水平，这一般是通过切削或放电机械加工去除部件侧面的拔模斜度来实现的。换言之，在以铸造的形式获得之后，常规的模铸用合金无法省略二次加工过程。

现在，图1E中的非阴影部分是最重要的波导，其左侧具有供电波进出的开孔(位于左侧和右侧的两个位置，位于上部和下部)。使用铝合金材料的常规的模铸需要拔模斜度，因此几乎所有的开孔、方形开口、沟槽和波导区段都需要二次加工。相反地，在本实施例中，仅仅对于螺纹加工(threading)(下孔是铸造所形成的)以及对接触印刷电路板的表面进行抛光时才需要二次加工。因此，与常规部件相比，成本降低了40％。

实施例A7-A9

通过与实施例A6中描述类似的方法，用实施例A2-A4中制备的合金2-4制造具有高频电路的模铸机械部件。类似于实施例A6，成功地获得了几乎不需要任何二次加工的模铸部件。

上面参考实施例描述了本发明。本发明的第一个技术效果是，与常规的模铸用铝合金材料相比，极大程度地减小了产品的拔模斜度。因此，可以极大程度地减少用于二次加工(机械加工)的元件。因为钻孔加工、方形钻孔加工、沟槽形成加工和袋槽加工的几乎所有部分都能够制造成基本平直的轮廓(依赖于位置，甚至不存在斜度)，所以能够以低成本最简单地制造部件。

本发明的第二个技术效果是，可以在保持部件的精度(尺寸和几何结构)不变的同时对部件进行预先评测，而不需要预先对具有待机械加工的坡度的部件进行电气评测，从而可以将产品更早地投放市场。特别地，对于其中形成有超高频波导的机构部件，可以大幅缩短研制开发时间。

本发明的第三个技术效果是，可以通过额外的机械加工使现有的制造带拔模斜度的产品的模具改造成用于精密铸造的模具。因此，可以进一步降低现有产品的成本。

本发明的第四个技术效果是，精密合金在铸造性方面优于常规的模铸用铝合金材料(例如ADC3)。本发明的精密合金的比重增大了1.4倍，但可将产品的平均厚度降至70％，而不影响产品的质量。结果，可将产品的质量调节为与铝合金产品的质量相当。

从上文可知，使用本发明的精密合金的突出技术效果是，可以通过模铸得到与常规机械加工部件相当的产品。

使用本发明的模铸用精密合金可以使铸造实现与机械加工相当的精度。仅通过铸造产品本身即实现了与机械加工部件相当的几何结构，从而使成本大幅降低并且缩短了研发和评测周期。

上文参照实施例仅仅描述了本发明的示例性情形，本发明还可以采用不同于以上描述的各种其它配置。

Claims

1.一种包含铝、硅和锌的模铸用精密合金，其中

基于总质量，所述铝的含量为大于或等于40质量％且小于或等于45质量％，所述硅的含量为大于或等于2质量％且小于或等于8质量％。

2.如权利要求1的模铸用精密合金，其中所述锌的含量为大于或等于30质量％且小于或等于58质量％。

3.如权利要求1的模铸用精密合金，其中所述锌的含量为大于或等于30质量％且小于或等于57质量％。

4.如权利要求1的模铸用精密合金，其中所述锌的含量为大于或等于35质量％且小于或等于58质量％。

5.如权利要求1-4中任一项的模铸用精密合金，还包含大于或等于0.1质量％且小于或等于0.2质量％的铜，大于或等于0.01质量％且小于或等于0.1质量％的镁以及不可避免的杂质。

6.如权利要求5的模铸用精密合金，其中所述锌的含量为大于或等于35质量％且小于或等于57.89质量％。

7.一种模铸用精密合金，包含大于或等于40质量％且小于或等于45质量％的铝，大于或等于2质量％且小于或等于8质量％的硅以及余量的锌和不可避免的杂质。

8.一种模铸用精密合金，包含大于或等于40质量％且小于或等于45质量％的铝，大于或等于2质量％且小于或等于8质量％的硅，大于或等于0.1质量％且小于或等于0.2质量％的铜，大于或等于0.01质量％且小于或等于0.1质量％的镁以及余量的锌和不可避免的杂质。

9.一种精密合金模铸部件，由权利要求1-8中任一项所述的模铸用精密合金构成。

10.一种制造模铸用精密合金的方法，包括：

得到包含铝、锌、硅、铜和镁的熔融金属；和

得到模铸用精密合金，其包含，基于总质量，大于或等于40质量％且小于或等于45质量％的铝，大于或等于30质量％且小于或等于57.89质量％的锌，大于或等于2质量％且小于或等于8质量％的硅，大于或等于0.1质量％且小于或等于0.2质量％的铜，大于或等于0.01质量％且小于或等于0.1质量％的镁以及不可避免的杂质。