CN104011238A - 高强度Mg合金及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供不需使用高价格的稀土类元素RE就能够发挥高强度的Mg合金及其制造方法。一种高强度Mg合金，其特征在于，具有下述化学组成：在固溶限度内含有Ca以及Zn，余量包含Mg以及不可避免的杂质；具有下述组织，所述组织包含等轴晶粒，在该晶粒内有沿Mg六方晶格的c轴方向的Ca以及Zn的偏析区域，该偏析区域在Mg六方晶格的a轴方向以3个Mg原子的间隔排列着。一种高强度Mg合金的制造方法，其特征在于，通过以与所述组成对应的配合量向Mg添加Ca以及Zn，进行熔化以及铸造而形成铸锭，将该铸锭进行均质化热处理后，实施热加工，从而形成所述组织。

Description

高强度Mg合金及其制造方法
技术领域
本发明涉及高强度Mg合金及其制造方法。
背景技术
Mg合金因其轻量性而可得到高的比强度，所以作为结构材料受到关注。
在专利文献1中提出了一种高强度Mg-Zn-RE合金，其含有Zn和稀土类元素(RE：Gd、Tb、Tm中的1种以上)，余量为Mg以及不可避免的杂质，且具有长周期堆垛结构(LPSO：Long Period Stacking OrderedStructure)。
但是，上述提案的合金因以稀土类元素RE为必需元素，所以作为结构材料存在价格高这一问题。
因此，希望开发不需要高价格的稀土类元素RE就发挥高强度的Mg合金。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-221579号公报
发明内容
本发明的目的在于提供不需要使用高价格的稀土类元素RE就能发挥高强度的Mg合金及其制造方法。
为了达成上述目的，根据本发明，提供一种高强度Mg合金，其特征在于，
具有下述化学组成：在固溶限度内含有Ca以及Zn，余量包含Mg以及不可避免的杂质，
具有下述组织，所述组织包含等轴晶粒，在该晶粒内有沿Mg六方晶格的c轴方向的Ca以及Zn的偏析区域，该偏析区域在Mg六方晶格的a轴方向以3个Mg原子的间隔排列着。
根据本发明，还提供一种高强度Mg合金的制造方法，该制造方法是制造上述高强度Mg合金的方法，其特征在于，通过以与上述组成对应的配合量向Mg添加Ca以及Zn，进行熔化以及铸造而形成铸锭，将该铸锭进行均质化热处理后，实施热加工，从而形成上述组织。
根据本发明，通过具有下述组织，不需高价格的稀土类元素RE就能够达成同等的高强度，所述组织包含等轴晶粒，在该晶粒内有沿Mg六方晶格的c轴方向的Ca以及Zn的偏析区域，该偏析区域在Mg六方晶格的a轴方向以3个Mg原子的间隔排列着。
附图说明
图1是比较地示出本发明以及以往技术的组织和强化机构的示意图。
图2是表示本发明的实施例中的断裂伸长率与比强度的关系的曲线图。
图3表示本发明的周期结构的电子显微镜观察结果。
图4是从a轴方向观察本发明的周期结构的示意图。
图5是从c轴方向观察本发明的周期结构的示意图。
具体实施方式
本发明的合金具有下述化学组成：在固溶限度内含有Ca以及Zn，余量包含Mg以及不可避免的杂质。由此，可得到在Mg中固溶有Ca以及Zn的状态。因为为固溶状态，所以不生成金属间化合物(规则相)和/或粗大的析出物，不产生由此引起的延展性的下降。
固溶限度对于Mg-Ca-Zn三元系而言是未知的，但是在Mg-Ca二元系状态图(在515℃下的Mg固溶区域界限)中，Ca向Mg中的固溶限度是0.5at％，在Mg-Zn二元系状态图(在343℃下的Mg固溶区域界限)中，Zn向Mg中的固溶限度是3.5at％。以该公知事实为暂且的目标，在本发明的合金中，为了确保固溶状态，能够将含有量设为Ca：0.5at％以下、Zn：3.5at％以下。
作为本发明的合金的特征，具有下述组织，所述组织包含等轴晶粒，在该晶粒内有沿Mg六方晶格的c轴方向的Ca以及Zn的偏析区域，该偏析区域在Mg六方晶格的a轴方向以3个Mg原子的间隔排列着。
包含微细的等轴晶粒可抑制变形双晶的产生，所以压缩中的变形行为、尤其是屈服应力上升，能够确保结构材料所需要的良好的成形性。尤其是优选晶体粒径为不足1μm即数百nm以下。
另外，本发明的合金，在电子显微镜级别的组织中存在特征。即，在晶粒内有沿Mg六方晶格的c轴[0001]方向的Ca以及Zn的偏析区域，该偏析区域如在实施例中详细叙述那样形成在Mg六方晶格的a轴[11-20]方向以3个Mg原子的间隔排列着的周期结构。将线状的偏析区域D在图1中示意性地示出。因沿c轴方向的线状的偏析区域D的存在，Mg晶格产生应变，所以对于底面(0001)上的位错的移动，偏析区域成为障碍，能实现高强度。为了得到本发明的组织，需要在铸造、固溶化(均质化)热处理后，实施热加工。由此，不使用高价格的稀土类元素RE就能够实现高强度。
为了达成上述的周期结构，优选Ca和Zn的含有量的原子比为Ca：Zn＝1：2～1：3的范围内。
与此相对，在专利文献1的以往技术中，通过在图1所示的Mg六方晶格的底面P，Zn和稀土类元素RE面状地偏析，从而使Mg晶格产生应变，Mg晶格被强化。该面状的偏析层P是在c轴[0001]方向每隔数Mg原子(例如3～6个原子)层而层叠(堆垛)，形成长周期堆垛结构(LPSO：Long Period Stacking Ordered Structure)。由此可得到300～400MPa左右的强度。该组织通过在铸造、固溶化(均质化)热处理后以规定条件进行热处理而形成。不进行如本发明那样的热加工。但是，要想实现该强化机构，必须存在高价格的稀土类元素RE，不能避免材料成本的上升。
以下，通过实施例来详细地说明本发明。
实施例
采用下述步骤以及条件制作了本发明的Mg合金。
<合金的熔炼/铸造>
炼制了表1所示的各组成的Mg-Ca-Zn合金。
与表1的组成对应地配合各成分，在二氧化碳和防燃气体的混合气氛中进行了熔炼。
通过重力铸造而铸造成Ф90mm×100mmL的铸锭。
<均质化热处理>
对在上述过程中制作出的铸锭在二氧化碳气氛中实施480～520℃×24小时的热处理，进行了均质化(固溶化)。
<热加工>
以表1所示的温度、挤压比来进行了1阶段或者2阶段的热挤压加工。
<评价>
《机械性质》
对与挤压方向平行的方向进行了拉伸试验。将断裂伸长率、0.2％屈服强度、0.2％比强度在表1中示出。作为总体，根据挤压温度以及挤压比，得到了0.2％屈服强度280～482MPa以及0.2％比强度160～275kNm/kg的高强度和6％～23％的良好的断裂伸长率。
在图2中，针对表1的全部试样1～14，相对于横轴的断裂伸长率，绘出了0.2％比强度。本发明在下述方面具有特征：在相同的延展性下，使强度提高了。
试样编号1～6，在图2中相对于横轴的断裂伸长率达成了最高的比强度。这些试样编号的○(圆)标记处于图中的最上方所示的虚线的区域。试样编号1～6，Ca、Zn的含有量为本发明的优选的范围Ca≤0.5at％、Zn≤3.5at％，且含有量的原子比为Ca：Zn＝1：2～1：3的范围内，另外，第1挤压温度为300℃以上这一本发明的优选的热加工温度的范围。其结果，得到了本发明的周期结构，得到了如上述那样优异的延展性-强度的组合。
试样编号7，与上述试样编号1～6同样地，Ca、Zn的含有量以及含有量比、第1挤压温度为本发明的优选的范围内。但是，如图2中□(四角形)标记所示，Ca含有量为比试样编号1～6的0.3at％低的0.15at％，所以比试样编号1～6所得到的比强度低。在晶体组织中得到了周期结构。这样，因为强度根据合金元素Ca、Zn的含有量而变动，所以延展性与强度的组合严格来说需要在相同合金元素含有量下进行比较。对于试样编号7以外，全部具有相同的Ca含有量0.3at％。
试样编号8～11，含有量比Ca：Zn为本发明的优选的范围1：2～1：3的范围外。如图2中△(三角形)标记所示，这些试样位于比试样编号1～6的○标记的区域低的强度的区域。在晶体组织中看不到周期结构。
试样编号12～14与其他的试样不同，仅在低于300℃的温度进行了1次的挤压热加工。如图2中×(叉)标记所示，这些试样处在最低的位置。与本发明的优选的方式相对，Ca：Zn比为范围外(试样编号12、14)，热加工(挤压)温度低于300℃(试样编号12、13、14)，在晶体组织中无周期结构(试样编号12、13、14)。
《组织观察》
将通过透射电子显微镜(TEM)进行组织观察而测定出的平均晶体粒径和周期结构的有无示于表1中。在为试样名0309CZ-1(组成：Mg-0.3at％Ca-0.9at％Zn，第2挤压温度：238℃)以及试样名0306CZ-1(组成：Mg-0.3at％Ca-0.6at％Zn，第2挤压温度：236℃)的情况下，观察到了明了的周期结构。
在图3中，作为电子显微镜观察的典型例，对于试样名0309CZ-1示出(a)晶格像的傅里叶变换图形(与电子束衍射像对应)以及(b)晶格像。
如图3(a)的傅里叶变换图形所示，在{01-10}面的衍射点和(0000)之间，看到了2个衍射点。该2个衍射点是在纯Mg的情况下不出现的衍射点，表示本发明的合金在(0110)面的方向具有3倍的超晶格。所谓“超晶格”，意指：由于多个种类的晶格的重叠，其周期结构变得比基本单元晶格长的晶格。如表1所示那样，在试样名0306CZ-1中也观察到了同样的周期结构组织。因此，可以说在本实施例中制造的试样之中试样名0309CZ-1和试样名0306CZ-1这2例是满足本发明的规定的合金。这2个试样的平均晶体粒径都是300nm，都是等轴晶粒。另外，机械性质，如表1所示那样，试样名0309CZ-1达成了比强度375kNm/kg、断裂伸长率18％，试样名0306CZ-1达成了比强度482kNm/kg、断裂伸长率6％。
可知，在本实施例中，对于各组成而言，周期结构的形成被第2挤压温度控制。当然，一般地，周期结构的有无由与第1挤压条件等其他的热加工条件的组合来决定。能够根据组成通过预实验设定适合于周期结构的生成的热加工条件。该预实验能够由本领域技术人员采用众所周知的手法容易地实行。
上述的超晶格所致的周期结构，是本发明的合金的最重要的特征。即，如图1所示，Ca以及Zn的偏析区域D在c轴方向延伸成线状。
图4(a)是从图4(b)所示的a轴[-1-120]方向观察到的本发明的周期结构。Ca和Zn的偏析区域D在a轴[1-100]方向每隔3原子面而分散存在。这与图3(a)所示的在{01-10}面的衍射点和(0000)之间存在2个衍射点对应。以往技术的LPSO(长周期堆垛)结构，在如图4(a)所示那样沿c轴[0001]方向周期地堆垛方面与本发明完全不同。
图3以及图4表示从a轴[-1-120]方向观察到的状态。图5中示出从c轴[000-1]方向(图5(c))观察相同晶格的状态。即使从a轴看上去相同，也可设想到如图5(a)那样仅在一方向具有周期性的情况、和如图5(b)那样在全部3个方向具有周期性的情况这典型的2种情况。在本发明的合金中，作为偏析元素的Ca、Zn的添加量是微量的，所以可以认为是如图5(b)那样在3个方向具有周期性的周期结构。
产业上的利用可能性
根据本发明，可提供不需要使用高价格的稀土类元素RE就能够发挥高强度的Mg合金及其制造方法。

Claims (5)

1.一种高强度Mg合金，其特征在于，
具有下述化学组成：在固溶限度内含有Ca和Zn、余量包含Mg和不可避免的杂质，
具有下述组织，所述组织包含等轴晶粒，在该晶粒内有沿Mg六方晶格的c轴方向的Ca以及Zn的偏析区域，该偏析区域在Mg六方晶格的a轴方向以3个Mg原子的间隔排列着。
2.根据权利要求1所述的高强度Mg合金，其特征在于，含有0.5at％以下的Ca以及3.5at％以下的Zn。
3.根据权利要求1或2所述的高强度Mg合金，其特征在于，所述Ca以及Zn的含有量为以原子比计Ca:Zn＝1:2～1:3的范围内。
4.一种制造权利要求1～3的任一项所述的高强度Mg合金的方法，其特征在于，通过以与所述组成对应的配合量向Mg添加Ca以及Zn，进行熔化以及铸造而形成铸锭，将该铸锭进行均质化热处理后，实施热加工，从而形成为权利要求1中记载的组织。
5.根据权利要求4所述的高强度Mg合金的制造方法，其特征在于，在300℃以上的温度进行至少一次的所述热加工。
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