TWI481727B - 鎂合金之線狀體及螺栓、螺帽以及墊圈 - Google Patents

Description

鎂合金之線狀體及螺栓、螺帽以及墊圈

本發明係關於耐熱性優異，同時塑性加工性優異的鎂合金之線狀體。尤其是關於使用於螺栓、螺帽以及墊圈等之扣接零件之材料極為適當的鎂合金之線狀體。

鎂合金比鋁輕、而比強度(specific strength)、比剛度(specific stiffness)比鋼或鋁更優異，正研討利用作為飛航機零件、車輛零件及各種電製品之外殼等(參照專利文獻1)。

例如在專利文獻1有記載一種鎂合金(ASTM記號中EZ系(EZ33))，其含有耐熱性優異的稀土類元素5.0質量%以下。又，在專利專利文獻1，有記載在由拉伸加工所獲得之鎂合金所組成之金屬線(線狀體)，實施鍛造加工或型成輥加工(form rolling)等的螺栓加工(塑性加工)而獲得螺栓者。

然而，在使用扣接零件扣接鎂合金之構件彼此間之情形，為了消除電蝕之問題，較佳是利用鎂合金之扣接零件。又，因考量在以不同種材料之扣接零件扣接鎂合金構件之情形，在高溫環境中因熱膨脹量差而使扣接零件(例如螺栓)鬆弛，故由此點觀之，較佳是利用熱膨脹率大致相等的鎂合金之扣接零件。

又，鎂合金由於係屬電化學上的卑金屬，故有易產生腐蝕，而有抗蝕性不良的缺點。因此，在使用鎂合金之扣接零件之情形，在零件表面實施塗膜，謀求提高抗蝕性較為理想。例如在專利文獻2中，有記載於電導體(尤其是金屬製工作物)實施無機塗膜的塗膜技術。

先行技術文獻 專利文獻

專利文獻1 日本特開2005-48278號公報

專利文獻2 日本特表2001-503478號公報

但是，先前之鎂合金耐熱性與塑性加工性之並存並不足夠。

假定以鎂合金之扣接構件扣接鎂合金構件的製品能在高溫環境下使用。一方面，鎂合金之塑性加工性極為不良，而有必要加熱至使塑性加工性變大的溫度，並進行熱加工。因此，提高鎂合金之耐熱性為極重要的技術問題之一，不過欲提高耐熱性則與塑性加工性之降低相關聯。因此，要求例如使用於扣接零件之材料的鎂合金之線狀體，耐熱性與塑性加工性可以高水準並存。

本發明係鑑於上述情事而完成者，本發明一目的在於提供一種耐熱性優異，同時塑性加工性優異的鎂合金之線狀體。又，本發明之其它目的，係提供一種實施塑性加工於該鎂合金之線狀體所得之螺栓、螺帽及墊圈。

本發明人等，經戮力研究，結果首先發現，以質量%計，釔：含有0.1至6%，進一步含有選自由鋁：0.1至6%，鋅：0.01至2%，錳：0.01至2%，錫：0.1至6%，鈣：0.01至2%，矽：0.01至2%、鋯：0.01至2%及釹：0.01至2%所組成的族群中之一種以上之元素，其餘部分為由鎂及不可避免的雜質所構成之鎂合金，在加工成線狀體(金屬線)時，能發揮優異耐熱性與塑性加工性，因而完成本發明。

本發明之鎂合金之線狀體，係由上述組成之鎂合金所組成，以下述條件進行潛變試驗所獲得潛應變為1.0%以下。惟，潛變試驗條件係設為在溫度150℃、應力75MPa及100小時。

本發明之鎂合金之線狀體，具備上述組成，在上述潛變試驗之潛應變為1.0%以下、潛變特性良好。潛應變較佳是0.2%以下、特佳為0.1%以下。

釔可提高耐熱性並改善潛變特性。在釔小於0.1質量%之情形，潛變特性降低。一方面，釔超過6質量%之情形，則降低塑性加工性。適當釔之含量為1.75質量%以下，即使為此種較低的含量，亦可期待以高水準兼備耐熱性與塑性加工性。

除了釔以外，藉由含有選自鋁、鋅、錳、錫、鈣、矽、鋯及釹之一種以上之元素，則可改善機械性質、鑄造性、抗蝕性等，又，藉由使各元素之含量限定於上述範圍內，則不致使塑性加工性惡化。例如在含有鋅之情形，較佳是使鋅之含量小於1.25質量%，即使在該情形，可使耐熱性與塑性加工性以高等級並存。

此外，在此所謂線狀體係指直徑(剖面為多角形之情形，該直徑相當於具有面積等於該多角形剖面的圓之直徑)ψ為13mm以下、長度為直徑ψ之100倍以上之物，在線狀體中，含有具有預定之剖面形狀及尺寸的長形或固定尺寸之條料、線材料、管材料、形材料(建材或裝飾用金屬材料)。線狀體係例如，在溶解鎂合金後，以澆鑄並鑄造成預定形狀之鑄模，或對任意形狀之鑄造材料實施軋延加工、擠壓加工或拉伸加工而可獲得。尤其是線狀體，較佳是最後實施拉伸加工所獲得，在供作拉伸加工之材料方面，可為鑄造材料、軋延材料或擠壓材料之任一種。

上述本發明之線狀體，較佳為0.2%耐力為200MPa以上、拉伸強度為260MPa以上。或較佳為延伸4%以上。再者，更佳是0.2%耐力、拉伸強度及延伸完全滿足上述特性。

藉由使0.2%耐力為200MPa以上、拉伸強度為260MPa以上則強度優異。因此，例如對線狀體實施塑性加工而獲得螺栓之情形，可獲得強度(軸向張力)高的螺栓。再者，藉由使延伸為4%以上，則塑性加工性為優異。0.2%耐力較佳為230MPa以上、特佳為250MPa以上，拉伸強度為280MPa以上、特佳為300MPa以上、延伸為5%以上、特佳為6%以上。

上述本發明之線狀體，耐熱性優異，同時塑性加工性優異，故實施塑性加工，易於加工成二次製品。在塑性加工方面，可例舉擠壓加工、拉伸加工、鍛造加工、型成輥加工、壓造加工、軋延加工、壓製加工、彎曲加工、拉深加工等，該等加工可單獨使用或組合使用。又，在二次製品方面，除了螺栓、螺帽及墊圈等扣接零件之外，尚可例舉軸類、銷、鉚釘、齒輪、板材料、壓製材料、飛航機零件、車輛零件及各種電製品之零件或外殼。

本發明之螺栓係實施塑性加工於上述本發明之線狀體所獲得之物。例如螺栓係實施使頭部成形於切斷預定尺寸的線狀體之鍛造加工、或使螺紋成形於軸部的型成輥加工所獲得。本發明之螺栓，因係加工耐熱性優異的線狀體而得，故即使在高溫環境下使用，螺栓軸向張力之降低亦小。

本發明之螺帽，係對上述本發明之線狀體實施塑性加工所獲得之物。例如螺帽，係將切斷成預定尺寸的線狀體放入鑄模，施加壓力，使螺孔打開，同時實施成形為預定形狀的壓造加工後，藉由對螺孔進行切出螺紋溝所獲得。

本發明之墊圈係對上述本發明之線狀體實施塑性加工所獲得之物。例如墊圈係對切斷成預定尺寸的線狀體實施壓製加工或壓造加工所獲得。

在組合本發明之螺栓及螺帽或本發明之螺栓、螺帽及墊圈而構建扣接構造之情形，可消除在該等扣接零件間之電蝕或熱膨脹之差所致問題。

本發明之螺栓、螺帽或墊圈之表面亦可塗布保護免於腐蝕的塗膜。

藉由塗布塗膜於表面，可防止使用環境中所含的腐蝕成分與鎂合金接觸，可謀求抗蝕性之提高。又，除了螺栓、螺帽及墊圈等扣接零件之外，亦可在軸類、銷、鉚釘、齒輪、板材料、壓製材料、飛航機零件、車輛零件或各種電氣製品之零件或外殼表面，塗布保護免於腐蝕的塗膜。

塗膜相對於使用環境中所含有的腐蝕成分，係由具有抗蝕性之材料所組成，具有防止腐蝕成分侵入的構造。在塗膜中可使用無機塗膜劑或有機塗膜劑，由耐熱性或耐久性等觀點觀之，較佳為採用無機塗膜劑。又，例如在螺栓等使用中蒙受應力(負荷)之零件之情形，為了提高塗膜之強度，故可依照需要添加例如陶瓷、金屬或樹脂等之助劑於塗膜。

塗膜之厚度較佳為1μm以上小於20μm。塗膜之厚度小於1μm，則難以獲得充分的抗蝕性。一方面，即使塗膜之厚度為20μm以上，則對抗蝕性並無大變化，如果塗膜變厚，反倒是有影響零件之尺寸精度之虞。

塗膜可利用周知之塗膜技術，在塗膜劑中，可使用例如Doerken公司之DELTA系列。

在螺栓等零件表面實施塗膜時，為了提高塗膜之密接性，則前處理，例如脫脂處理、化學轉換處理或珠粒噴擊、噴砂(sand blast)等之表面處理可依照需要實施。又，在實施塗膜時，進行塗膜之熱處理之情形，考慮對鎂合金之結晶組織之影響，較佳為使熱處理溫度小於250℃。

本發明之鎂合金之線狀體，係藉由含有預定量的釔，具有特定組成、優異潛變特性，則耐熱性優異，同時塑性加工性優異，可適當使用於螺栓、螺帽以及墊圈等扣接零件之材料。

本發明之螺栓、螺帽及墊圈，係實施塑性加工於本發明之鎂合金之線狀體所獲得之物，其耐熱性優異。

(實施例1)

將各元素放入坩鍋以成為表1所示組成，以電爐溶解，傾注於鑄模中，鑄造鎂合金之小胚(billet)。在坩鍋與鑄模中各自使用高純度之碳製物，溶解與鑄造係在氬氣氣體環境下進行。又，小胚係作為ψ80×90(mm)之圓柱體。接著，研磨各小胚之表面成為ψ49mm後，實施擠壓加工，來製作ψ13mm之條料(bar stock)。

擠壓加工較佳是使加工溫度設於350至450℃。藉由使加工溫度設在350℃以上，而提高鎂合金之塑性加工性，易於防止加工中破裂等之產生。一方面，加工溫度超過450℃時，在加工中進行粒成長，使結晶粒徑粗大化，由於其後之塑性加工性惡化故不佳。又，關於擠壓比，較佳為設在5至20%。藉由使擠壓比成為5%以上，因伴隨加工之變形，而可期待機械特性之提高。但是，擠壓比超過20%時，會有在加工中發生破裂或斷線等顧慮。再者，擠壓後之冷卻速度較佳為0.1℃/秒鐘以上，低於該下限值時，則進行粒成長。在此，係以加工溫度：385℃、擠壓比：15%、擠壓速度：0.2mm/秒鐘、冷卻速度：1℃/秒鐘之條件進行擠壓加工。

單位為質量%

[金屬線加工]

對製作的鎂合金之各條料實施拉伸加工，並製作ψ8.9mm之線材(金屬線)。任一金屬線均無外觀破裂等之異常。任一金屬線亦具有直徑ψ之100倍以上之長度。

拉伸加工較佳是使加工溫度設在100至300℃。藉由使加工溫度設定在100℃以上，則可提高鎂合金之塑性加工性，易於防止加工中破裂或斷線等之發生。一方面，加工溫度超過300℃時，在加工中進行粒成長，使結晶粒徑粗大化，因其後之塑性加工性惡化故不宜。又，關於在一次之拉伸加工中加工度(剖面減少率)，則較佳是設在5至20%。藉由使加工度為5%以上，尤其是設定在10%以上，則由於伴隨加工之變形，而可期待機械特性之提高。但是，加工度超過20%時，則會顧慮加工中破裂或斷線等之發 生。再者，拉伸後冷卻速度較佳為0.1℃/秒鐘以上，若低於該下限值，則進行粒成長。

進行複數次拉伸加工，在進行自初期線徑至最終線徑之總加工度超過20%之加工的情形，則在總加工度為20%以下之時機，藉由於拉伸加工後實施中間熱處理，並除去因加工所導入的應變，則在其後之拉伸加工中可減輕破裂或斷線之發生，可進行總加工度超過20%之拉伸加工。

在用以除去以拉伸加工所導入的應變之熱處理溫度方面，較佳為設在100至450℃。熱處理溫度小於100℃時，則無法充分除去應變，一方面，由於在500℃以上，於熱處理中結晶粒徑粗大化，而其後之塑性加工性惡化故不佳。又，熱處理並非僅是在複數次拉伸加工之中途實施，亦可在最後之拉伸加工後實施。藉由在成為最終線徑後，實施熱處理，則可調整金屬線之強度或延伸。

在此，加工溫度：250℃(惟，組成D之情形為150℃)、一次之加工度：11至14%、拉伸速度：50mm/秒鐘、冷卻速度：以1℃/秒鐘之條件進行複數次拉伸加工、總加工度：53%、中間之熱處理溫度：450℃(但是，組成D之情形為400℃)、最後之熱處理溫度：350℃(但是，組成D之情形為400℃)。

[金屬線之特性評價]

自已製作的各組成之鎂合金金屬線採取試驗片，就各試驗片實施潛變試驗，並評價各金屬線之潛變特性。此外，潛變試驗係在對試驗片施加75MPa之一定負荷(應力)之狀態下，藉由設定於150℃保持100小時，並測定100小時後潛應變(creep strain)，而評價潛變特性。其結果如表2所示。

又，就各金屬線，測定0.2%耐力、拉伸強度及延伸。其結果亦如表2所示。此外，任一值均係在室溫下測定之值。

可知組成A及B之鎂合金金屬線W_A 及W_B 係潛應變為1.0%以下，耐熱性(潛變特性)優異者。又，0.2%耐力為220MPa以上、拉伸強度為260MPa以上，因強度優異、且延伸為4%以上，故塑性加工性亦優異。相對於此，組成C之鎂合金金屬線Wc，雖然耐熱性與強度優異，可是延伸低。因此，塑性加工性不良，難以加工成二次製品。組成D之鎂合金金屬線W_D ，由於在潛變試驗中，於10小時裂斷，故耐熱性極度不良、又強度亦低。

[螺栓之加工]

將已製作的鎂合金之各金屬線切斷成預定尺寸，對此實施鍛造加工，使螺栓頭成形後，實施型成輥加工，使螺紋(threads)成形，製作相當於M10之螺栓。在此係設定鍛造加工溫度：350℃、型成輥加工溫度：190℃。

[螺帽之加工]

又，將各金屬線切斷成預定尺寸，對此實施壓造加工，一邊打開螺孔一邊成形為六角狀後，在螺孔進行切出螺紋溝，製作對應於上述各組成之鎂合金螺栓的相同組成之螺帽。在此，設定壓造加工溫度：350℃，切出螺紋溝係在室溫進行。

[螺栓之特性評價]

就已製作的各組成之鎂合金螺栓，實施軸向張力鬆弛(bolt load relaxation)試驗，評價各螺栓之軸向張力鬆弛特性。但是，使用組成C之鎂合金金屬線製作的螺栓，由於被確認外觀有破裂，故並不實施軸向張力鬆弛試驗。

軸向張力鬆弛試驗係以下述方式進行。準備具有螺栓孔的鎂合金之板材料，使螺栓插通螺栓孔，並使用螺帽(與螺栓相同組成之物)鎖緊。此時，使用超音波螺栓軸向張力計(bolt axial tension meter)(TMI Dakota公司製BOLT-MAX II)測定鎖緊前後之螺栓之延伸，自螺栓長度之變化量與楊氏係數計算初期軸向張力。此時螺栓之鎖緊力，係設定為在螺栓加工前以金屬線之0.2%耐力之50%，楊氏係數係使用由金屬線之拉伸試驗所求得之值。接著，在鎖緊螺栓之狀態下，在150℃保持24小時，在冷卻至室溫後，卸下螺栓。此時，使用超音波螺栓軸向張力來計測定卸下前後之螺栓之延伸，自螺栓長之變化量與楊氏係數計算殘留軸向張力。

藉由以自上述軸向張力鬆弛試驗所獲得之初期軸向張力與殘留軸向張力為基礎，由下式求得各螺栓之軸向張力鬆弛率，來評價軸向張力鬆弛特性。其結果如表3所示。此外，軸向張力鬆弛率小者，其軸向張力鬆弛特性優異，作為螺栓極為優越。

軸向張力鬆弛率=(初期軸向張力-殘留軸向張力)/初期軸向張力

可知組成A及B之鎂合金螺栓B_A 及B_B ，軸向張力鬆弛率小，軸向張力鬆弛特性優異。因此，即使在高溫環境下使用，軸向張力亦呈穩定，因軸向張力不致降低，故鬆弛少見。相對於此，組成D之鎂合金螺栓B_D ，軸向張力鬆弛率為90%以上，在高溫環境下使用之情形，由於軸向張力降低而有鬆弛之情況，故無法充分耐受於高溫環境下之使用。在此情形，軸向張力鬆弛率為50%以下，再者為30%以下，尤其是20%以下較適當。

(實施例2)

與實施例1同樣地，製作表1所示組成B之鎂合金金屬線，在該金屬線實施螺栓加工，製作四個相當於M10的相同鎂合金螺栓。再者，在製作的四個鎂合金螺栓中除了一個以外，以下述方式，在螺栓表面實施保護免於腐蝕的塗膜。

[塗膜]

在實施塗膜前之前處理，係進行珠粒噴擊(shot blast)所致螺栓之表面處理。珠粒噴擊係使用粒徑38至75μm之鋼珠(steel shot)於投射材料，進行2至3分鐘。於表面處理後，在螺栓表面塗布塗膜劑(Doerken公司製DELTA-PROTEKT(註冊商標)VH300)，塗布後，為了使螺栓表面之塗膜劑硬化反應，故放入感應加熱器，進行熱處理。熱處理係設定熱處理溫度為200℃，進行5至10秒鐘。此外，實施塗膜之鎂合金螺栓各塗膜之厚度係設為2μm、18μm、25μm。

[塗膜之評價]

關於不實施塗膜的鎂合金螺栓及實施塗膜的鎂合金螺栓，係實施依照ISO 9227：1990(對應JIS Z 2371：2000)的鹽水噴霧試驗，並評價抗蝕性。此外，鹽水噴霧試驗係進行2000小時，藉由測定變色可以目視確認為止之時間(變色發生時間)，來評價抗蝕性。其結果如表4所示。

又，準備對應相當於M10之螺栓的螺帽，確認上述各螺栓可否鎖緊於螺帽(可否鎖緊螺栓)。其結果亦如表4所示。

由表4結果可知，實施塗膜的鎂合金螺栓，在鹽水腐蝕環境下，並不發生2000小時以上變色，相較於不實施塗膜的鎂合金螺栓(塗膜之厚度為0)，抗蝕性為優異。但是，塗膜之厚度為25μm之鎂合金螺栓，則無法對螺帽鎖緊。認為此原因係藉由增加塗膜之厚度，從而使得螺栓之尺寸(外徑)變大，而無法使螺栓對螺帽進行螺紋接合(thread engage)。

以上係就本發明鎂合金之線狀體(金屬線)及使用該等螺栓與螺帽加以說明，不過本發明之線狀體，不僅耐熱性優異，而且塑性加工性優異，故除了螺栓或螺帽以外，當然可適當使用於墊圈等之材料。

此外，本發明並非限定於上述之實施例，可在不離脫本發明要旨之範圍適宜作變更。例如，亦可變更釔及其他元素之含量。

[產業上可利用性]

本發明之鎂合金之線狀體，不僅耐熱性優異而且塑性加工性優異，可實施塑性加工並利用於二次製品。例如，可適當使用於螺栓、螺帽以及墊圈等扣接零件之材料。

Claims (9)

1. 一種鎂合金之線狀體，其特徵為該鎂合金之線狀體的組成以質量%計為：含有釔：0.1至6%、鋅：0.01至2%，惟釔：0.5%以下除外；含有選自由鋁：0.1至6%、錳：0.01至2%、鈣：0.01至2%、矽：0.01至2%、鋯：0.01至2%及釹：0.01至2%所組成的族群中之一種以上之元素；其餘部分為由鎂及不可避免的雜質所構成，且在潛變試驗條件設定：溫度150℃、應力75MPa及100小時下進行潛變試驗所得潛應變(creep strain)為1.0%以下。
2. 如申請專利範圍第1項之鎂合金之線狀體，其中0.2%耐力為200MPa以上、拉伸強度為260MPa以上。
3. 如申請專利範圍第1或2項之鎂合金之線狀體，其延伸為4%以上。
4. 一種螺栓，其特徵為實施塑性加工於如申請專利範圍第1或2項之鎂合金之線狀體所獲得。
5. 如申請專利範圍第4項之螺栓，其係在表面塗布保護免於腐蝕的塗膜。
6. 一種螺帽，其特徵為實施塑性加工於如申請專利範圍第1或2項之鎂合金之線狀體所得。
7. 如申請專利範圍第6項之螺帽，其係在表面塗布保護免 於腐蝕的塗膜。
8. 一種墊圈，其特徵為實施塑性加工於如申請專利範圍第1或2項之鎂合金之線狀體所得。
9. 如申請專利範圍第8項之墊圈，其係在表面塗布保護免於腐蝕的塗膜。