CN103635598A - 镁合金 - Google Patents

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CN103635598A CN201280015541.0A CN201280015541A CN103635598A CN 103635598 A CN103635598 A CN 103635598A CN 201280015541 A CN201280015541 A CN 201280015541A CN 103635598 A CN103635598 A CN 103635598A
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平井勤二
东健司
泷川顺庸
上杉德照
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Osaka Prefecture University
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Osaka Prefecture University
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    • C22F1/06—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of magnesium or alloys based thereon

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Abstract

本发明提供在室温和高温下具有充分高的强度的镁合金。一种镁合金，其特征在于，含有铝（Al）：14.0～23.0质量%、钙（Ca）：11.0质量%以下（不包括0质量%）、锶（Sr）：12.0质量%以下（不包括0质量%）以及锌（Zn）：0.2～1.0质量%。

Description

镁合金
技术领域
本发明涉及镁合金，尤其是可加工成挤出、锻造等的伸展材料的高强度和高耐热镁合金。
背景技术
已知镁在实用金属中最轻量且比强度最高。例如，作为地球变暖对策，为了通过车辆的轻量化来实现二氧化碳排放量的减少和电动汽车1次充电可行走的距离的扩大，应用使用镁合金而进行轻量化的部件等，镁合金在许多用途中使用不断在扩大。
镁合金的部件大多时使用铸造、压铸法来成型。
这是由于现有的很多镁合金，通过挤出加工、轧制加工和锻造加工等塑性加工，虽然能够使结晶粒径微细化得到较高的室温强度，但另一方面由于以网眼状形成的晶界析出物被破坏，高温下的拉伸特性降低，因此将利用塑性加工得到的伸展材料用于特别是在高温下使用的部件受到限制。
与此相对，专利文献1中公开了通过对含有0.1～15重量%钙，进一步根据需要含有不超过钙的2倍的量的铝或锌的镁合金进行挤出、轧制等塑性加工，从而使被粉碎的金属间化合物均匀分散在晶粒内而提高机械强度的技术。
另外，专利文献2中公开了通过使用Mg-Al-Ca-Sr-Mn系合金，以规定的加工温度和压下率进行热轧或锻造，从而抑制晶粒的微细化，在不显著破坏在结晶晶界析出的网眼状的金属间化合物地控制晶粒的长宽比（晶粒的长轴的长度/晶粒的短轴的长度），由此提高耐热性的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-109963号公报
专利文献2：日本特开2007-70688号公报
发明内容
但是，专利文献1的镁合金有时存在耐热性，即高温下的强度仍然不足这样的问题。
另一方面，对于对比文献2的镁合金而言，为了得到规定的晶粒的长宽比，需要将热轧和锻造的加工度（压下率）抑制为较低的值，因此有时存在室温下的强度不充分这样的问题。
即，专利文献1和2的镁合金中有时存在高温强度和室温强度中的一个不充分的情况。
即便是高温下使用的镁合金，由于其环境温度一定包括从室温到高温的范围，所以镁合金的拉伸特性在实用上需要在室温和高温这两者的环境中均优异。因此，需求一种在室温和高温下均具有充分的强度的镁合金。
本申请发明是以满足上述的需求为目的进行的，因此，其目的在于提供一种在室温和高温下均具有充分高的强度的镁合金。
本发明的形态1是一种镁合金，其特征在于，含有铝（Al）：14.0～23.0质量%、钙（Ca）：11.0质量%以下（不包括0质量%）、锶（Sr）：12.0质量%以下（不包括0质量%）以及锌（Zn）：0.2～1.0质量%。
本发明的形态2是如形态1中记载的镁合金，其特征在于，进一步含有选自硅（Si）：0.1～1.5质量%、稀土元素（RE）：0.1～1.2质量%、锆（Zr）：0.2～0.8质量%、钪（Sc）：0.2～3.0质量%、钇（Y）：0.2～3.0质量%、锡（Sn）：0.2～3.0质量%、钡（Ba）：0.2～3.0质量%以及锑（Sb）：0.1～1.5质量%中的至少一种。
本发明的形态3是如形态1或2中记载的镁合金，其特征在于，锶（Sr）的含量相对于钙（Ca）的含量的比率以质量比计为1:0.3～1:1.5。
本发明的形态4是如形态1～3中的任一项记载的镁合金，其特征在于铝（Al）的含量、钙（Ca）的含量和锶（Sr）的含量满足下式（1）所示的关系。
0.8×＜Al＞≤1.35×＜Ca＞＋1.23×＜Sr＞＋8.5≤1.2×＜Al＞（1）
（其中，＜Al＞为以质量%表示的铝（Al）的含量，＜Ca＞为以质量%表示的钙（Ca）的含量，＜Sr＞为以质量%表示的锶（Sr）的含量。）
本发明的形态5是如形态1～4中的任一项记载的镁合金，其特征在于，含有Al2Ca和Al4Sr的析出物在结晶晶界相互空出间隔地析出。
根据本申请发明，能够提供具有充分的室温强度和充分的高温强度的镁合金。
附图说明
图1表示利用激光共聚焦显微镜观察的金属组织，图1（a）表示挤出原样材料的金属组织，图1（b）表示400℃×48小时均质化热处理材料的金属组织，图1（c）表示420℃×48小时均质化热处理材料的金属组织。
图2表示挤出原样材料、400℃×48小时均质化热处理材料和420℃×48小时均质化热处理材料的在150℃下的高温拉伸试验结果（真应力-真应变曲线图）。
图3是室温下的拉伸强度的测定结果。
图4是高温拉伸强度的测定结果。
具体实施方式
本申请发明人等进行了同时活用作为镁合金的强化机构被知的固溶强化和析出强化这两者的研究。
即，进行了通过适当控制铝、锶和钙的含量而使固溶强化机构和析出强化机构这两者有效发挥作用的研究。
而且，本申请发明人求出铝的相对于镁合金基质的固溶限，以该固溶限为基准，发现了适当的铝量、钙量、锶量。由此完成了基质使充分量的铝固溶且析出有适当量的金属间化合物Al2Ca和Al4Sr的、在室温和高温这两者下具有充分的强度的本申请发明的镁合金。
以下说明其详细内容。
本申请发明涉及的镁合金含有铝（Al）：14.0～23.0质量%、钙（Ca）：11质量%以下（不包括0质量%）、锶（Sr）：12质量%以下（不包括0质量%）、锌（Zn）：0.2～1.0质量%。
（1）铝
对于镁合金的高温下的变形而言，如果层错能（stacking faultenergy）低，则阻碍位错的移动，难以变形，因此如果能够降低层错能，则能够提高耐热性（高温强度和蠕变）。
作为可固溶在镁合金中而降低层错能的元素，可以举出In、Tl、Sc、Pb、Al、Y、Sn、Bi。这些中，从安全性和经济性的观点考虑优选铝（Al）。
另外根据本发明人等的研究，可知通过与铝一起添加钙（Ca）和锶（Sr），能够使结晶粒径微细化，提高室温强度，并且析出（结晶）的金属间化合物Al2Ca和Al4Sr与其他的第2相（析出物）一起共存于结晶晶界，由此能提高室温和高温特性。
镁合金在铸造后，为了得到所希望的形状、韧性、强度等而进行轧制、挤出、拉出等塑性加工来制成伸展材料时，以网眼状在结晶晶界析出的含有Al2Ca和Al4Sr的第2相被破坏（断裂），在变形方向排列。
这样的在变形方向排列的含有Al2Ca和Al4Sr的析出物有助于高温强度的提高。
但是，本申请发明人等经过深入研究的结果发现通过在350～450℃下进行均质化热处理能够使含有Al2Ca和Al4Sr的第2相粒子再析出并分散，从而可进一步提高强度。而且，发现更优选在385℃～415℃下进行均质化热处理而能够使含有Al2Ca和Al4Sr的第2相在结晶晶界均匀地分散，可更可靠地提高强度。
本申请发明人进一步继续研究，发现在挤出等塑性加工后进行了400℃×48小时的均质化热处理的样品中，对基质的铝的最大固溶量（固溶限）为8.3质量%（7.5at%）。测定是使用电子探针显微分析仪（EPMA）通过点分析来进行的。
使用该固溶限，判明了本申请发明的镁合金的铝量恰当的是14.0～23.0质量%。
这是由于只要铝为14.0质量%以上，则即使是8.5质量%左右的铝固溶在基质中也有充分量的铝与钙和锶形成金属间化合物Al2Ca和Al4Sr。另外，只要铝量为23.0质量%以下，则能够确保伸长率等的延展性。
更优选铝量为15.0质量%～20.0质量%。
只要为该范围则能够进一步可靠地形成金属间化合物Al2Ca和Al4Sr且能确保延展性。
（2）钙
钙的含量为11.0质量%以下（不包括0质量%）。
钙的最大含量11.0质量%大致等于没有固溶的铝基本全部形成Al2Ca所需的钙量（（铝的上限－最大固溶量）/Al的原子量×Al2Ca的相对于Al的Ca的原子比×Ca的原子量＝10.9）。由此能够使未固溶的铝可靠地作为所希望的金属间化合物析出。
另一方面，必须含有钙，所以0质量%除外。
更优选钙为1.0～8.0质量%。这是由于能够更可靠地形成Al2Ca，并且可抑制成为过量。
（3）锶
锶的含量为12.0质量%以下（不包括0质量%）。
锶的最大含量12.0质量%大致等于没有固溶的铝基本全部形成Al4Sr所需的钙量（（铝的上限－最大固溶量）/Al的原子量×Al4Sr的相对于Al的Sr的原子比×Sr的原子量＝11.9）。由此能够可靠地使未固溶的铝作为所希望的金属间化合物析出。
另一方面，必须含有锶，所以0质量%除外。
优选锶为0.5～8.0质量%。这是由于能够更可靠地形成Al4Sr，并且可抑制成为过量。更优选为1.0～6.0质量%。这是由于能够最大限度发挥锶的效果。
（4）锌
本申请发明涉及的镁合金含有0.2～1.0质量%的锌（Zn）。
这是由于锌有提高强度、提高铸造性的效果。
（5）铝、钙和锶的关系
·钙和锶的比率
为了以更适宜的比率（Al2Ca和Al4Sr的生成量的比）形成金属间化合物Al2Ca和Al4Sr这两者，优选钙的含量:锶的含量的比率（将钙的含量设为1时的锶的含量）以质量比计为1:0.3～1:1.5，更优选以质量比计为1:0.5～1:1.1。
·铝含量、钙含量和锶含量的关系
在本申请发明涉及的镁合金中，为了使含有的锶和钙分别全部作为Al2Ca和Al4Sr析出，需要由以下的式（2）的y表示的铝量（质量%）。
y＝＜Ca＞/40.08（Ca的原子量）×2（Al2Ca的相对于Ca的Al的原子比）×26.98（Al的原子量）＋＜Sr＞/87.62（Sr的原子量）×4（Al4Sr的相对于Sr的Al原子比）×26.98（Al的原子量）＋8.3（Al的最大固溶量）
＝1.35×＜Ca＞＋1.23×＜Sr＞＋8.5   （2）
在此，＜Ca＞为以质量%表示的钙的含量，＜Sr＞为以质量%表示的锶的含量。
另外，式中的数值的物理意义在数值后的（）内表示。
而且，优选本申请发明涉及的镁合金满足以下的式（1）。
即，优选以锶和钙分别全部作为Al2Ca和Al4Sr析出所需的式（2）表示的铝量y成为铝含量的0.8～1.2倍的范围内地含有铝。
这是由于如果铝含量为式（1）表示的范围内，则铝、钙和锶中的任一种元素大体不会过度不足，使大致接近化学计量组成的Al2Ca和Al4Sr析出，且铝能充分固溶于基质中。
0.8×＜Al＞≤1.35×＜Ca＞＋1.23×＜Sr＞＋8.5≤1.2×＜Al＞（1）
在此＜Al＞为以质量%表示的铝的含量。
（6）其他成分
本申请发明的合金含有上述铝、钙、锶以及锌，剩余部分可以由镁（Mg）和不可避免的杂质构成。
但是，可以含有能够提高镁合金的特性的任意元素。此时，为了不失去镁合金具有的比强度高等特性，优选含有40质量%以上的镁，更优选含有50质量%以上的镁。
含有40%以上的镁、且含有上述规定量的铝、钙、锶以及锌的镁合金可以含有其他的任意元素，无论该元素的种类如何，大多数时都能够显示上述的本申请发明的效果。
作为可这样添加的任意元素，可例示以下元素。
可以含有选自下述元素中的至少一种，
硅（Si）：0.1～1.5质量%、
稀土元素（RE）：0.1～1.2质量%、
锆（Zr）：0.2～0.8质量%、
钪（Sc）：0.2～3.0质量%、
钇（Y）：0.2～3.0质量%、
锡（Sn）：0.2～3.0质量%、
钡（Ba）：0.2～3.0质量%以及
锑（Sb）：0.1～1.5质量%。
以下示出添加所例示的各元素的效果。
硅与镁形成金属间化合物，得到的金属间化合物在高温下稳定，因此在高温下的变形中，能够有效抑制晶界滑移，提高耐热性。硅的含量只要为0.1～1.5质量%，即可充分发挥其效果。
稀土元素与镁形成金属间化合物，得到的金属间化合物在高温下稳定，所以在高温下的变形中，能够有效抑制晶界滑移，提高耐热性。稀土元素的含量只要为0.1～1.2质量%，即可充分发挥其效果。
锆与形成镁金属间化合物，得到的金属间化合物在高温下稳定，所以在高温下的变形中，能够有效抑制晶界滑移，提高耐热性。锆的含量只要为0.2～0.8质量%，即可充分发挥其效果。
如果在镁中添加钪，则有降低层错能，降低高温下的变形速度的效果。钪的含量只要为0.2～3.0质量%，即可充分发挥其效果。
如果向镁中添加钇，则有降低层错能，降低高温下的变形速度的效果。钇的含量只要为0.2～3.0质量%，即可充分发挥其效果。
如果向镁中添加锡（Sn），则有降低层错能，降低高温下的变形速度的效果。锡的含量只要为0.2～3.0质量%，即可充分发挥其效果。
如果向镁中添加钡，则有降低层错能，降低高温下的变形速度的效果。钡的含量只要为0.2～3.0质量%，即可充分发挥其效果。
如果向镁中添加锑，则有降低层错能，降低高温下的变形速度的效果。钪的含量只要为0.1～1.5质量%，即可充分发挥其效果。
（7）热处理
Al2Ca和Al4Sr大多时会作为含有Al2Ca和Al4Sr的第2相以网眼状在结晶晶界析出。而且，若如上所述受到塑性加工，则网眼状的含有Al2Ca和Al4Sr的第2相（析出物）有被破坏（断裂）在变形方向排列的趋势。
这样断裂的含有Al2Ca和Al4Sr的析出物有助于高温强度的提高，因此通过塑性加工（塑性变形）得到的镁合金物品（镁合金伸展材料）也具有高的高温强度。
而且，塑性加工后通过在350～450℃下进行均质化热处理，从而能够使含有Al2Ca和Al4Sr的第2相粒子再析出并分散。发现这样能够进一步提高高温强度。因此，本申请发明涉及的镁合金（镁合金物品（伸展材料））优选塑性加工后在350～450℃下进行均质化热处理。在350～450℃下的均质化热处理优选在该温度范围保持24～72小时。这是由于通过该处理析出物再溶解（再析出），提高热稳定性。
此外，本申请发明人发现通过在385℃～415℃下进行均质化热处理，能够使含有Al2Ca和Al4Sr的第2相粒子再析出并沿晶界均匀分散，能够进一步提高高温强度。塑性加工后在385℃～415℃下进行均质化处理时，含有Al2Ca和Al4Sr的第2相粒子（析出物）不以网眼状而是以粒状相互空出间隔（即不连续）地沿晶界析出，该形态的析出物非常有助于高温强度的提高。因此，本申请发明涉及的镁合金（镁合金物品（伸展材料））优选塑性加工后在385～415℃下进行均质化热处理。385～415℃下的均质化热处理优选在该温度范围保持24～72小时。通过该处理，析出物再溶解而使组织均匀化，并且能够使晶界的热稳定性高的金属间化合物组织均匀化、稳定化。
应予说明，在此所说的塑性加工包括热和冷的各种塑性加工。作为塑性加工，可例示挤出、轧制、锻造、拉出、模锻以及它们的组合。
实施例
准备具有表1的成分的合金样品。
关于表1所示的实施例样品（实施例1和实施例2）的式（2）所示的y值，实施例1为15.5，实施例为20.9，满足式（1）。另外，实施例1和实施例2中的、钙的含量:锶的含量的比率以质量比计均为1:1。
表1
Figure BDA00003883029900101
合金样品是在700℃下熔融制造，用圆筒形的模具铸造成钢坯。将铸造钢坯以0.5℃/分钟的升温速度升温至400℃，保持48小时后，进行水冷。用机械加工除去表面的氧化层后，以挤出温度350℃、挤出速度0.2mm/秒、挤出比16进行挤出，制成圆棒（直径10mm）。
1）均质化热处理
为了观察均质化热处理的影响，对于上述实施例1的样品（挤出圆棒），制作了挤出原样的材料、进行了400℃×48小时的均质化热处理的材料和进行了420℃×48小时的均质化热处理的材料。
图1表示利用共焦点激光显微镜观察的金属组织，图1（a）表示挤出原样材料的金属组织，图1（b）表示400℃×48小时均质化热处理材料的金属组织，图1（c）表示420℃×48小时均质化热处理材料的金属组织。
对于挤出原样材料而言，含有Al2Ca和Al4Sr的析出物（第2相）断裂，在挤出方向（图的上下方向）排列。与此相对，对于400℃×48小时均质化热处理材料和420℃×48小时均质化热处理材料而言，含有Al2Ca和Al4Sr的析出物（第2相）进行分散，特别是对于400℃×48小时均质化热处理材料而言，相对微细的含有Al2Ca和Al4Sr的粒状析出物沿晶界均匀地相互空出间隔地分布。
图2表示挤出原样材料、400℃×48小时均质化热处理材料和420℃×48小时均质化热处理材料的在150℃下的高温拉伸试验结果（真应力-真应变曲线图）。拉伸试验是在温度150℃下，以拉伸速度1×10-3/秒实施的。
所有样品在150℃下的拉伸强度均为250MPa，显示出优异的高温强度（耐热性）。其中400℃×48小时均质化热处理材料和420℃×48小时均质化热处理材料，与挤出原样材料相比显示出更高的高温强度。特别是400℃×48小时均质化热处理材料具有大于300MPa的极高的高温强度。
鉴于以上结果，以下的评价是在对实施例1、2和比较例1～3的挤出圆棒实施400℃×48小时的均质化热处理并加工成拉伸试验片后实施的。
2）结晶粒径测定结果
表2中示出了各合金样品的结晶粒径。
结晶粒径的测定是利用EBSD（Electron back scattered diffractionpatterns）法求得的。将15°以上的方位的偏移作为结晶晶界定义晶粒。
平均结晶粒径用晶粒的数目单纯地除全面积而求得。
表2
合金 结晶粒径(μm)
比较例1 20.1
实施例1 9.2
实施例2 4.9
比较例2 4.2
比较例3 -
在比较例3中，由于析出物粗大化，所以无法测定结晶粒径。除比较例3外，随着铝、钙和锶的添加量的增加，结晶粒径（峰顶粒径和面积平均粒径均）变小。
3）室温拉伸特性
图3为室温下的拉伸强度的测定结果。示出各合金样品的拉伸强度、0.2%耐力、伸长率的测定结果。在比较例2和3中，因材料脆而未能测定0.2%耐力。
对于拉伸强度，比较例1、实施例1和实施例2为300MPa以上，显示出优异的值。但是，比较例1的0.2%耐力小于250MPa，可知具有250MPa以上的0.2%耐力的实施例1和实施例2与比较例样品相比，室温强度优异。对于伸长率，实施例1和实施例2中为2%以上，可知具有充分的延展性。
另外，已知将作为高强度镁合金被知的AZ91合金，以与实施例1和2样品相同程度的挤出温度360℃和相同程度的挤出比22挤出制成的样品的拉伸强度为295MPa（Hanlin Ding et.al,Journal of alloys andcompounds,456（2008）400-406），由此也可知实施例1和2的样品具有高的室温强度。
4）高温强度
图4为高温拉伸强度的测定结果。高温拉伸试验以测定温度175℃、变形速度1×10-4/秒实施。
比较例3的样品在赋予拉伸应力不久就断裂，因此未能测定高温强度。
实施例1和实施例2中，在175℃下的高温强度为210MPa以上，与比较例相比显示出高的高温强度。
根据以上结果，可知实施例样品在室温和高温这两者下均显示高的强度。
本申请要求以日本专利申请特愿2011-72505号为基础申请的优先权。将专利申请特愿2011-72505号通过参照而引入本说明书中。

Claims (5)

1.一种镁合金，其特征在于，含有：
铝（Al）：14.0～23.0质量%、
钙（Ca）：11.0质量%以下且不包括0质量%、
锶（Sr）：12.0质量%以下且不包括0质量%、以及
锌（Zn）：0.2～1.0质量%。
2.根据权利要求1所述的镁合金，其特征在于，进一步含有选自
硅（Si）：0.1～1.5质量%、
稀土元素（RE）：0.1～1.2质量%、
锆（Zr）：0.2～0.8质量%、
钪（Sc）：0.2～3.0质量%、
钇（Y）：0.2～3.0质量%、
锡（Sn）：0.2～3.0质量%、
钡（Ba）：0.2～3.0质量%以及
锑（Sb）：0.1～1.5质量%
中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的镁合金，其特征在于，锶（Sr）的含量相对于钙（Ca）的含量的比率以质量比计为1:0.3～1:1.5。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的镁合金，其特征在于，铝（Al）的含量、钙（Ca）的含量和锶（Sr）的含量满足下式（1）所示的关系，
0.8×＜Al＞≤1.35×＜Ca＞＋1.23×＜Sr＞＋8.5≤1.2×＜Al＞（1）
其中，＜Al＞为以质量%表示的铝（Al）的含量，＜Ca＞为以质量%表示的钙（Ca）的含量，＜Sr＞为以质量%表示的锶（Sr）的含量。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的镁合金，其特征在于，含有Al2Ca和Al4Sr的析出物在结晶晶界相互空出间隔地析出。
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