TW200813237A - Combination of casting process and alloy composition - Google Patents

Description

200813237 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於鑄造鎂合金之方法，該鎂合金由鋁、辞 和猛所組成，餘者是鎂和無法避免的雜質，雜質總含量低 於以下所示的重量％。 【先前技術】 以鎂為基礎之合金被廣泛地在汽車工業中作為鑄件， ® 且在3C組件（3C :電腦、照相機和通訊器材）中越來越重 要。以鎂為基礎的合金鑄件可藉慣用的鑄造方法（包括模具 鑄造、翻砂鑄造、永久和半永久模塑鑄造、石膏模塑鑄造 和包模鑄造）製得。 以鎂為基礎之合金具有數個特別有利的性質，此提高 了汽車工業中對於以鎂為基礎之合金鑄件之需求。這些性 質包括低密度、高強度/重量比、良好的鑄造性、易機械 加工性和良好的減震效果。最常見之鎂的模具鑄造合金例 如具有<0.5%Mn的Mg-Al合金或Mg-Al_Zn合金，主要是 Mg-9%Al-l%Zn(命名為 AZ91)、Mg-6%A1(AM60)和 Mg-5%A1(AM50)。 WO 2006/000022 A1描述一種含有鋅、鋁、鈣和/或 鈹或選用的錳之以鎂為基礎之合金，其被用以改良鎂鑄件 的表面完工性。但此WO參考文獻與合金的鑄造性沒有特 別的關係。 6 200813237 【發明内容】 本發明用以提供相對低成本之以鎂為基礎之合金，其 具有改良的表面完工性和改良的鑄造性。 本考X明之特徵在於合金含有 10.00- l3.oo 重量 ％銘， 0·0(Μ〇·〇〇重量％鋅，或 5.〇(Μ3·〇〇 重量％鋁， 10.00- 22.00 重量。/❶鋅， 亦含有 〇·1〇-0·5 重量 ％錳， 餘者是鎂和無法避免的雜質，雜質總含量低於〇 1重量％， 藉此 合金在溫度控制在15G_34Gt:的範圍内之鑄模中禱造， •模具充填的時間(以毫秒表示)等於介於2矛口 300之間的 數字乘以平均零件厚度（以毫米表示）所得的乘積，

•禱，期間内’金屬靜壓維持介& 2G-7GMPa且之後可強 =咼至180MPa’在匕如所附的申請專利範圍帛丨項中之 定義。 、 中睛專利範圍附屬項第 + 例。 、 員疋義本發明之較佳具體實 :由：用前述定義之特定的…… 卜…使得產物具有極佳的表面完工性、： 展性和可接受的機械性質及腐。 較佳地，銘含量介於5.00和i3_〇〇重量％之間。若A1 7 200813237 =存在量低於Η)·〇〇%，則Zn的含量限制於1㈣_22 〇〇重 。較低的Zn含量提供較差的鑄造性和表面完工性之組 合。 如果A1的存在置超過1〇〇〇%，則Zn的範圍可擴展至 〇_〇〇-22·00%，此仍可提供令人滿意的鑄造性和表面 性。 用於對於延展性之要求最低的應用上，選擇合金之組 2，使得叙含量介於10·00和12.00重量％之間且Ζη含量 八；0和4·00重1%之間。如果合金之組成使得鋁含量 :0和12·00重1 %之間且Ζη含量介於10·00和22.00 ^里％之間’則可製得具有對等鑄造性和表面完工性的合 至。k些合金提供較低鑄造溫度的優點。 【實施方式】 下文中，將藉實例及參考附圖的方式，進一步描述本 發明。 〇 1B分別為冷槽和熱槽鑄模鑄造機械之示音 圖，各機械具有鎮掇1n u ^ 10、20 ’其分別配備液壓夾合系統11、 2 1 〇 士熔融金屬分別藉配備活塞13、23的注料筒12、22引 至每模中。在一 旦、， 回 所不的冷槽系統中，需要用以將金屬 H 料筒的辅助系統。圖1B中所示的熱槽機械則 疋吏用直接在溶融合金中之直立活塞系統22、23。 欲得到優良的Mg-A丨·Zn合金效能，則合金須在極迅 8 200813237 速冷卻的條件下鑄造。此盘古 為回壓鑄杈鑄造的情況。鋼鑄模 1 〇、2 0配備油（或水）冷系 〇Γ ’、、、、，將鑄楔的溫度控制在200-300 C的靶圍内。良好品質的 .^ ^ ^ , 的則獒在於鑄模充填時間短，以防 在充真』間内固化。建議鑄模充填時間約 零件厚度（毫米）。此藉由迫 干句 .ηη . 7 更σ金以同速率（基本上在30- 300未/秒的範圍内）通 / ± 心閘口而侍。柱塞速度高至10米 /秒，使用夠大的直徑，p 水、 以侍到在注料筒中之所欲的體積 "丨L，以達到所須的短充填 、 观Pa，之後可以使^化/使料金屬靜壓是2〇_ 辟左士 強化南至18〇MPa的壓力，在較厚 壁鑄造中更是如此。在此 乂 子 其 。/中，所得組件的冷卻速率 基本上在 l(M〇〇〇°c /孙6々 件的厚度。c/心的-圍内’此取決於所鑄造之組 圖2所示者為鑄造的合金之削⑽圍和微 Γ。水平轴所示者是固化速率，其以口秒表示，左手 ^的緃座標是次要樹狀臂間隔(單位是微米），而右手邊的 縱座標是晶粒直徑（單位是 、 +始， 1早疋试水）。線30代表所得晶粒尺 寸線31則是次要樹狀臂間隔所得的值。 藉冷卻速率達到鑄造晶粒之精細化。如前述者， ==常在HM_W秒的範圍内。此基本上得到 视圍為5-100微米者。 熟=晶粒尺寸有利於合金之延展性。此關係示於附 水平/、，顯不晶粒尺寸和相對拉伸率之間的關係。在 率均晶：尺寸以微米表示’縱轴則為相對拉長 ”以/。表不。在該圖中’顯示兩種不同的組成，分別 9 200813237 是Mg(線35)和命名為aZ9i的 36) 〇

Mg 合金（Mg-9%A1，1%Ζη)(線 方熟知細晶粒尺寸有利 ,^ n 虿幻於合金的抗張屈服強度。此關 11-Petch)示於附圖4。水平軸代表晶粒直徑，以㈣ …其中的d以微米表示，縱軸代表抗張立 以MPa表示。 又〆、 因此，證實欲得到抗張強度和延展性，鑄模鑄造法必 _須精由非常高的冷卻速率提供細晶粒尺寸。 料性是指合金鑄成具有所須功能性和性質之最終產 物的能力。其通常包含三個部分；⑴形成具有所有所欲幾 :特徵和尺寸之零件的能力，⑺製造具有所欲性質之緻密 :件的％力’和（3)在鑄模鑄造卫具修整、鑄造設備和禱模 鑄造法效能方面之效果。 在用於如膝上型電腦和行動電話殼體之3C工業之極 溥壁組件中，鑄件壁厚通常低於〇·5毫米。此導致對於合 • 金充填模具的能力及提供平滑和光亮表面的能力之強烈需 求。ΑΖ91是用於這些應用之最常見的合金，主要是因為 其鑄造性優於AMSO和ΑΜ60之故。但是，ΑΖ9ΐ之薄壁的 、、且件通常揲法令人滿意。通常，轉化塗層施用於這些組件 上。冗度杈低的表面有時會包括具有元素偏析的區域，故 必須使用多個塗層。通常，表面品質越佳，所須塗層越少。 1970年代檢視具有〇-1〇重量％A1和〇_35重量％Ζη的

Mg-Al-Zn 合金（G· S· Foerster; "New developments in magnesium die casting (鎂鑄模鑄造的新發展）"， 200813237 p—ing 1976 Ρ·35_39)。載自 F〇emer 的論文之圖 5 將 組成範圍分成可鑄造、易碎和熱裂等範圍。源自澳洲的專 利案WO 2⑽6/0⑽G22 A1中所描述的合金試圖I改良表面 完工性’其主要落在圖5之可鑄造的範圍内。本發明之合 金組成主要在先前技術所描述之組成範圍（圖5)之外，且 完全在專利案W0 2006/⑽〇〇22 A1所描述者之外。在下文 中會解釋的試驗期間内，相較於較早所描述的合金，顯然 本發明之合金於鑄模充填、鑄模黏附和熱裂方面獲明顯改 良。這些都是在複雜的薄壁組件鑄造中的決定性特徵。 具有本發明中指定之A1和Zn含量的Mg-Al-Zn合金 於約600°C開始固化，此視A1和Zn含量而定。圖6中顯 不為Mg-Al-Zn相圖之含Mg的角落的液體恆定溫度線。其 結果為，鑄造溫度（基本上比液體溫度線高出7〇t )明顯低 於慣用的AM50、AM60和AZ91合金之鑄造溫度。由於共 熔的Mg17Al12相於約420°C熔解，所以，慣用的Mg-Al合 金（如AM5 0、AM60和AZ91)之固化範圍約200°C，此如附 圖7所示者；附圖7中，顯示三種不同的合金之水平軸上 的固體分率（以重量％表示）相對於縱軸上的溫度（°C )之關 係。特定言之，AZ91於600°C開始固化且420°C完全固化。 將A1含量提高至14%，如AZ141，則於約570°C開始固化 並於420°C完全固化。合金AZ85因為大量Zn存在，所以 合金AZ85在590-350°C的範圍内固化。因為Mg-Al-Zn合 金中的Zn改變共熔的Mg17Al12相，所以，合金會於明顯 低於如AM50、AM60和AZ91的420°C溫度就完全固化。 11 200813237 通常，提高Mg-Al鑄模鑄造合金中的鋁含量可改良鑄 模鑄造性。這是因為Mg_A1合金的固化範圍寬廣，此^得 除非在固化作用終了時有大量的共熔物存在，否則它們本 身難以鑄造之故。此可以解釋AZ91D之良好禱造性，此與 圖7中所示的冷卻曲線一致。在本發明合金中，除了刈 以外，大量的Zn存在，於固化作用終了時，有更大量（經 改變的）共熔物存在，此解釋了本發明之Mg_A1_Zn合金之 改良的鑄造性。 除非文到覆盍氣體（如Sh和有或無c〇2的乾燥空氣或 s〇2和乾燥空氣）之保護，否則鎂合金易於以熔融態被點燃 和氧化（燃燒）。氧化反應隨著溫度的提高而加劇。通常， 亦添加小量的鈹（以重量計，1〇_15ppm)以降低氧化反應。 已經知道鈹會形成毒性物質且須小心使用。特定言之，因 為來自坩鍋清理的渣滓/淤渣中富含Be化合物，所以， 渣滓和淤渣之處理須要非常安全謹慎。本發明的一個優點 • 在於，可以在比慣用合金明顯低得多的溫度下鑄造，藉此 而IV低覆盍用氣體之必要性。因為相同的原因，鈹之添加 量可維持最低量。 相車父於慣用的合金，鑄造溫度較低可提供顯著的優點， 例如叶$系統、注料筒和鑄模之壽命獲得改善。特別當使 用熱槽鑄模鑄造時，鵝頸管的壽命明顯加長。鑄造溫度較 低的合金亦具有降低循環時間的趨勢，藉此可改良鑄模鑄 造操作之生產力。 12 200813237 欲評估構成合金的元素之影響，在下列三個不同的鑄 模中製備鑄造多種Mg合金： •具有肋條的盒鑄模，圖8 •板/條鑄模，圖9 •三板鑄模，圖10 合金組成和鑄造溫度示於下面的表1。

13 200813237 表 A1(重 量％) Zn(重 量％) 鑄造溫 度（°c) A1(重 量％) Zn(重 量％) 结^造溫 度（°c) AM20 2 0 710 AZQ5 8 5 670 AZ21 2 1 710 崩90 9 0 670 AZ22 2 2 705 AZ91 9 1 670 AZ2-3.5 2 3,5 700 AZ9B 9 6 650 AM40 4 0 700 AZ99 9 9 640 AZ41 4 1 695 处 9-12 9 12 620 AZ42 4 2 695 AZ9-18 9 18 585 •AZ4-3.5 4 3,5 690 AZ9-22 9 22 560 AZ45 4 5 680 崩100 10 0 660 .AZ4-14 4 14 650 ΑΣ10-1 10 1 660 AZ4-18 4 18 630 AZ10-2 10 2 660 AM60 6 0 680 AZ10-3.5 10 3,5 650 AZ61 6 1 680 AZ10-5 10 5 650 AZ62 6 2 680 姻20 12 0 650 AZ63 6 3 680 AZ12-1 12 1 650 AZ6-3.5 6 3,5 680 AZ12-2 12 2 640 AZ65 6 5 670 处 12-3.5 12 3,5 640 AZ66 6 6 670 AZ12-5 12 5 630 AZ6-12 6 12 640 AZ12-6 12 6 630 AZ6-18 6 18 610 AZ12-12 12 12 590 AZ7.1 7 1 680 AZ12-18 12 18 550 AZ72 7 2 680 AM140 14 0 640 AM80 8 0 680 AZ14-1 14 1 630 AZ81 8 1 680 AZ14-2 14 2 630 AZ82 8 2 670 处 14-3.5 14 3,5 620 AZ8-3.5 8 3.5 670 AZ14-5 14 5 610 _ 鑄造參數的細節示於下面的表2。 表2 速度1(米 /秒） 速度2(米 /秒） 煞停（米 /秒） 計算得到 的充填時 間（毫秒） 鑄模1 抗張試樣 0.5 5 3 50 鑄模2 三板 0.5 5 2.5 53 鑄模3 盒 0.5 5 3 40 未使用強化壓力。 14 200813237 進行的試驗如下： 每造缺陷 對仔自各合金的任10個盒進行肉眼評估。 缺陷分為： •缺陷的肋條包括充填不完全和冷界㈣dshut) •在節點上計數的熱裂（hot tear) •多而裂（endcrack) 〆 表面完工彳生 由數人分別以肉眼觀測表面完工性並以1至5評等（5 最佳）。 抗張強度和站释彳蜂 製得根據AS™ B557M之6毫米直徑的試驗條，並使 用下列試驗條件： • 10千牛頓Instron試驗機 •室溫 •至少10個相同者 •應變速率 -1.5宅米/分鐘高至05Q4變形 -10¾米/分鐘超過0.5%變形 •根據ISO 6892測試 腐蝕性 根據ASTM B117進行腐钱試驗。 實例2 裂紋和缺陷肋條之鑄造缺陷平均數繪於圖U，其以等 15 200813237 纖線綠於圖中，x軸為Zn含量，y轴為ai含量。看 到最低裂紋數出現於低Zn(<3%)和高Zn(>1〇%)區域。可以 看就轉造缺陷而言，在8-1。重量％的範圍内且Zn<2 重里％為特別佳的合金；Zn越少則越佳。同樣地，A1在7- 里。的範圍内且Zn在12-18重量。/。的範圍内之合金的 ί#造缺陷非常少。 實例3 _ 表面凡工性分為等級1至5，而以相同等級線繪於圖12 中/、中，x軸為Zn含量，y軸為A1含量。可發現表面 完工等級的最佳區域出現於A1>11重量％且Zn<3重量％ 處，Zn越低則越佳。此外，8_ 12重量❶/。A1且> 1 〇重量。/〇Zn 所粗略疋義的區域提供具有優良表面完工性的合金。 實例4 於至 >凰測疋多個組成物的強度和拉伸率。其结果示於 圖13。此處，z軸代表抗張強度，以MPa表示，而χ和y φ 軸則分別代表A1和Zn的含量。延展性則以在相同圖中以 等拉伸率表示。概括而言，可看出抗張強度（單位是Mpa) 隨著形成合金的元素之含量的提高而提高。提高八1(重量％) 的效果明顯優於Zn的效果。圖13亦指出延展性（以拉伸％ 表不）隨著形成合金的元素之含量的提高而降低。例如， 指出3°/。拉伸率的線幾乎線性地自12重量％A1和〇重量％ Zn 延伸至0%重量A1和18重量％乙11。 f例5 根據ASTMB117之定義，定出多種組成物之腐蚀性。 16 200813237 以含量相對於A1含量 此試驗中，加入大量的數據以定義 之影響。其結果示於圖14。 此圖中，腐蝕速率（以重詈招如主_、 (毫克/平方八八/^ )以等腐蝕速率線 (克/千方公分/天）緣於圖中，其中，y轴為Zn含量， :軸為A1含量。看出Zn含量低於約8重量 率隨著A1含詈的楹古而吹你 两蝕迷 3里的“而〜低，且實際上與Zn含量無關； η含以於約12重量％時，錢速率因a含量之

^而略為提高，且實際上與A1含量無關…2重量他 ^㈣域代表轉《 1定言之’ Q% Zn時，腐姓速率 A!的約請毫克/平方公分/天降低至9%的約〇 〇3 :克/平方公分/天。A1€、定地為9重量％時，腐餘速率 老 5毛兑/千方公分/天提高至於14%Zn 处的0.11毫克/平方公分/天。 由這些試驗結果，清楚地瞭解已提供用於鎂合金鑄造 方去，藉此，所得的產物具有提高的溫度潛變性、延展 t生和腐餘表現之優良組合。 【圖式簡單說明】 圖1A、1B分別為冷槽和熱槽鑄模鑄造機械之示意圖， 圖2所示者為鑄造Mg合金之固化速率和微結構（晶粒 尺寸和次要樹狀臂間隔）之間的關係圖， 圖3所示者為Mg合金之晶粒尺寸與延展性之間的關 係圖， 圖4所示者為Mg合金之晶粒尺寸與抗張屈服強度之 17 200813237 間的關係圖， 圖5所不者為得自先前技術之參考文獻（G· s. Fwrster ; ”New devel〇pments in magnesium die casting(鎂鑄模鑄造之 新發展），，，IMA Proceedings 1976 ρ·35_39)的圖表，該文獻 之作者將組成範圍分成可鑄造、易碎和熱裂等範圍， 圖6所示者為Mg-Al-Zn相圖（圖線為〉夜體等溫線）之富 含Mg的角落， • 圖7所示者中為三種不同的Mg合金之關分率和溫 度的關係圖，其中，播紅i m碰 也、軸為固體分率（以重量％表示），縱 軸是溫度（°c)， 圖8-10所示者為三種不同的⑽合金組份 的鑄具鑄造， 约數^ 者為在线模（圖8)上之鑄造缺陷、裂紋平 2和肋，缺陷’其以等缺陷數線緣於圖中，其中，X朝 马Zn s 1，y軸為A1含量， 圖12所示者為在含鑄模 1至5)，上之表面完工性（等級為 八以同專級線繪於圖中，其 Υ軸為A1含量， X軸為Zn含1， 和轴為抗張強度（單位是叫而： 之等拉伸％表示，和Zn的含量，延展性則以在同一圖中 圖W所示者為腐蝕速率 1 餘速率(毫克/平方公分/夭、㈣Ή里知耗以相同腐 量，X轴為A1含量。）線表不，其中”軸為Zn含 18 200813237 主要元件符號說明 10 鋼鑄模 11 夾合系統 12 注料筒 13 活塞 20 鋼鑄模 21 夾合系統 22 注料筒 23 活塞 19

Claims (1)

1. 200813237 十、申請專利範園： 種用以鑄造鎂合金之方法，該鎂合金由下列物種 構成： 10.00_13.00重量％鋁， 〇·〇〇]〇·〇〇重量％鋅，或 5·〇〇-ΐ3·ο〇 重量 ％鋁， 10·00-22·00 重量％辞， 亦含有 0.10-0.5 重量 ％錳， 餘者是錢和益法德& Μ 不…、决避免的雜質，雜質總含量低於01 其中 •合金在溫度控制在150_34(rc的範圍内之鑄模中鑄造， •模：充填的時·間(以毫秒表示)等於介於2和·之間的 士子乘以平均令件厚度（以毫米表示）所得的乘積，

   •鑄，期間内’金屬靜壓維持介⑨2G_7GMPa a之後可強 化高至1 80MPa。 其中鑄模溫度控 其中鑄模溫度控 2·根據申請專利範圍第1項之方法 制在介於160和30(rc之間的範圍内。 3 _根據申请專利範圍第2項之方法 制在介於2〇〇和270°C之間的範圍内。 中轉r= 至3項中任-項之方法，其 中“的充填㈣（以毫秒表示）等於平均零件厚度（以毫米 表不）乘时於2和之間的數字所得的乘積。 5.根據申請專利範圍第4項之方法，其中鑄模的充埴 20 200813237 時間（以氅秒表示）等於平均零件厚度（以毫米表示）乘以介 於3和50之間的數字所得的乘積。 ；， 士 6·根據申請專利範圍第5項之方法，其中轉模的充填 時間（以耄秒表示）等於平均零件厚度（以毫米表示）乘以介 於3和20之間的數字所得的乘積。 ；1 7·根據申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其 中鑄造期間内的金屬靜壓維持介於3〇-7〇MPa之間。 8.根據申請專利範圍第1至3項中任—項之方法，其 中鑄造之後的冷卻速率在1〇_1〇〇〇。〇 /秒的範圍内。 9·根據申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其 中I呂含量介於10.00和13⑽重量0/〇之間。 1〇·根據申請專利範圍第9項之方法，其中鋁含量介 10.00和12.00重量％之間。 11 ·根據申請專利範圍第1至3項中任_項之方法，其 中Zn含量介於〇·〇〇和ι〇 〇〇重量％之間。 " 12.根據申請專利範圍第丨至3項中任一項之方法，其 中鋁含量介於lo.oo和12·00重量％之間，且Zn含量介於 0·00和4.00重量％之間。 13 ·根據申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其 中鋁含量介於5.00和13 〇〇重量〇/〇之間。 I4.根據申請專利範圍第13項之方法，豆人旦 於6.00和12.00重量％之間。 里” 15·根據申請專利範圍第丨至3項中任一項之方法，並 中Zn含量介於1〇·〇〇和22 〇〇重量0/〇之間。 ’、 21 200813237 16. 根據申請專利範圍第13項之方法，其中Zn含量介 於10.00和22.00重量％之間。 17. 根據申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其 中铭含量介於6.00和12.00重量％之間，且Zn含量介於 10·00和18.00重量％之間。 18. 根據申請專利範圍第13項之方法，其中鋁含量介 於6.00和12.00重量％之間，且Zn含量介於10.00和18.00 重量％之間。 Η"一、圖式： 如次頁 22