專利名稱：鎂合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以鎂為主成分的加工性良好而且高拉伸強度 高壓縮強度的鎂合
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背景技術(shù)：
對于鎂合金，最近一直在開發(fā)高強度的鎂合金，作為替代鋁合金的新原材料，作為 汽車、飛機等的構(gòu)成材料備受關(guān)注。但是，作為這些工業(yè)用材料使用時，加工性差，為改善加工性，雖然進行了各種開 發(fā)，但仍未能得到滿意的材料。例如，作為用于提高延展性的對策，也對制成擠壓加工材料進行了研究，但該情況 下，存在難以提高壓縮強度，另外壓縮屈服應(yīng)力和拉伸屈服應(yīng)力之比即變形各向異性增強， 難以作為輕量結(jié)構(gòu)材料利用的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于這樣的情況，其課題在于，提供一種新的鎂合金，其為高強度，且具有 充分的加工性。發(fā)明1的鎂合金的特征在于，其晶體結(jié)構(gòu)具有大傾角晶界，被該大傾角晶界包圍 的晶粒的內(nèi)部由亞晶粒構(gòu)成。發(fā)明2的鎂合金的特征在于，在發(fā)明1的鎂合金中，所述晶粒的平均結(jié)晶粒徑為 5 u m以下，所述亞晶粒的平均粒徑為1. 5 ii m以下。發(fā)明3的特征在于，所述平均結(jié)晶粒徑為5i!m以下的晶粒占全部晶粒的70%以上。根據(jù)如上的本發(fā)明，實現(xiàn)了具有高的延展性，并且同時具有高拉伸強度 高壓縮強 度等優(yōu)異的強度特性的鎂合金。目前這是難以預(yù)測和實現(xiàn)的。本發(fā)明的鎂合金中，根據(jù)如上的特有的晶體結(jié)構(gòu)，S卩，因亞晶粒的存在，從而推測 為雖然晶粒自身可能變形，但晶粒間的滑動被阻止，可實現(xiàn)良好的延展性和高強度特性的 并存。而且，由于具有延展性，可制造任意的長尺寸的棒材。另外，與現(xiàn)有的擠壓法、或軋制法、拉伸法相比，為得到同程度的強度，可創(chuàng)造出需 要的截面積大的原材料，作為鎂的輕量結(jié)構(gòu)材料，例如可對大型構(gòu)件的開發(fā)等作出貢獻。


圖1是將實施例2、5、6及比較例1的拉伸變形響應(yīng)進行對比的圖；圖2是作為表示實施例5的晶粒組織的照片的、使用了 SEM/EBSD (Scanning Electron Microscopy 掃描型電子H微鏡/Electron Back-Scattered Diffraction 電子 束后方散射衍射)的觀察例，右圖表示晶體取向彩色圖，圖中灰色線表示大傾角晶界(取向差角(misorientation angle) :15度以上)，圖中G示例的大傾角晶界所包圍的區(qū)域表示晶粒。圖3是表示實施例5的底面集合組織的圖，RD 有槽軋制平行方向、TD 有槽軋制 垂直方向、Max 表示由實施測定條件得到的X射線的最大峰強度；圖4是表示比較例1的底面集合組織的圖，RD 擠壓平行方向、TD 有槽軋制垂直 方向、Max 表示由實施測定條件得到的X射線的最大峰強度；圖5是表示實施例3的合金的微組織的照片，圖中S表示亞晶粒的例子，由相同的 圖案和對比度表示的區(qū)域為亞晶粒，被亞晶粒夾著的接近白色的區(qū)域也為亞晶粒；圖6是表示實施例5的晶粒組織的照片，圖中S表示亞晶粒的例子，由相同的圖案 和對比度表示的區(qū)域為亞晶粒，被亞晶粒夾著的接近白色的區(qū)域也為亞晶粒；圖7是表示實施例6的合金的微組織的照片，圖中S表示亞晶粒的例子，由相同的 圖案和對比度表示的區(qū)域為亞晶粒，被亞晶粒夾著的接近白色的區(qū)域也為亞晶粒。符號說明G:晶粒(由大傾角晶界(取向差角15°以上)包圍的晶界。)S:亞晶粒(取向差角5°以下的晶界。)RD:有槽軋制平行方向TD:有槽軋制垂直方向Max 由實施測定條件得到的X射線的最大峰強度
具體實施例方式本發(fā)明的鎂合金在其晶體結(jié)構(gòu)上具有特征，該晶體結(jié)構(gòu)具有下述構(gòu)成(1)具有大傾角晶界，(2)被該大傾角晶界包圍的晶粒內(nèi)部為亞晶粒。在此，“大傾角晶界”被定義為取向差角為15度以上的晶界。關(guān)于這樣的大傾 角晶界，通過 SEM/EBSD(Scanning ElectronMicroscopy 掃描型電子顯微鏡 /Electron Back-ScatteredDiffraction 電子束后方散射衍射)的晶體取向圖或透射型電子顯微鏡 的取向差測量的裝置具體確認(rèn)。另外“亞晶粒”被定義為具有取向差角為5度以下的晶界的晶粒。亞晶粒是指在 可以被大傾角晶界包圍的晶粒內(nèi)的晶格角度稍微不同的區(qū)域。具有上述晶粒的內(nèi)部被具有 5度以下的取向差角的晶格的集合(亞晶粒)分割的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的鎂合金中，其特性的水平比現(xiàn)有合金的優(yōu)異，由于具有上述1)和2)的晶 體結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了 拉伸值10%以上拉伸強度330MPa以上。而且實現(xiàn)了 拉伸屈服應(yīng)力(A)300MPa以上壓縮屈服應(yīng)力(B)220MPa以上屈服應(yīng)力各向異性比(B/A)0. 7以上。具有上述1)和2)的特征的鎂合金目前尚未知曉，關(guān)于其組成，可以是以鎂為主成 分的合金，通常，作為鎂的質(zhì)量比(質(zhì)量％)為95%以上的合金，也可以是二元素、三元素或多元素的合金。作為與鎂形成合金的元素，也可以是Al、Zn、Mn、Zr、Ca、RE (稀土類元素) 等各種元素，例如優(yōu)選考慮下述質(zhì)量％的Mg-Al-Zn、Mg-Al-Zn-Mn、Mg-Zn系等的組成。Al :2. 5 3. 5 質(zhì)量％Zn :0. 5 1. 5 質(zhì)量％Mn :0. 1 0. 5 質(zhì)量％。例如，也可考慮作為Mg-Al-Zn-Mn系合金的AZ31 (JIS H4202)所屬的AZ31B等公 知的組成。在此，基于高強度化和延展性改善的理由，A1和Zn是優(yōu)選的合金構(gòu)成元素；基于 抑制鐵等雜質(zhì)元素的混入的理由，Mn是優(yōu)選的合金構(gòu)成元素。由于上述1)大傾角晶界、2)亞晶粒的特征，本發(fā)明的鎂合金實現(xiàn)了良好的延展性 并且實現(xiàn)了高強度特性，在其制造時，將加工應(yīng)變的導(dǎo)入作為有效的手段考慮。此處的“加工應(yīng)變”被定義為以規(guī)定的溫度施加負(fù)荷而永久變形。這樣的加工應(yīng) 變的導(dǎo)入例如可考慮使用在實施例中例示的有槽軋輥軋制、或高擠壓比下的擠壓加工、高 壓下率下的軋制、ECAE(Equal-channel-angular-extrusion 等截面積側(cè)方擠壓加工)這 樣的高應(yīng)變剪切等手段。有槽軋輥軋制例如也示于文獻(井上等，日本金屬學(xué)會誌，69 (2005)943 T. INOUE et. al.，Mater. Sci. Eng.，A466 (2007) 114 ；Y. Kimura et. al.，Scripta Mater.， 57(2007)465)，由于在軋輥表面設(shè)有三角形等截面形狀的槽，在三角形截面形狀的情況下， 在使上下的軋輥接觸時，具有形成菱形的孔的特征。在本發(fā)明的鎂合金的制造中，這樣的有 槽軋輥軋制是優(yōu)選的手段，關(guān)于該情況下的槽形狀，優(yōu)選考慮形成以上述菱形為主，以及六 角形形狀、橢圓形狀的孔，軋輥的圓周速度優(yōu)選考慮1 50m/分鐘的范圍。另外，在進行有 槽軋輥軋制時，預(yù)先在100 300°C的范圍內(nèi)進行5 120分鐘范圍時間的熱處理。在以以上那樣的有槽軋輥軋制為主的各種手段的“加工應(yīng)變的導(dǎo)入”中，例如優(yōu)選 以材料可不破裂地通過的溫度對材料整體進行均勻加熱并保持，然后反復(fù)導(dǎo)入應(yīng)變。關(guān)于 此時的截面減小率，可在與用于加工應(yīng)變導(dǎo)入的諸條件的關(guān)系上適宜設(shè)定。即，只要將可形 成本發(fā)明合金的具有上述1)和2)的特征的晶體結(jié)構(gòu)作為條件設(shè)定截面減小率即可。例如， 截面減小率如實施例所示，可設(shè)為47%、64%、95%等。本發(fā)明的鎂合金中，例如實施例中所示，通過截面減小率90%以上的加工應(yīng)變導(dǎo) 入，可以顯著增加強度而不使良好的延展性降低。在導(dǎo)入上述的應(yīng)變時，優(yōu)選連續(xù)進行多道次的應(yīng)變導(dǎo)入工序，該情況下以單道次 導(dǎo)入的應(yīng)變例如可以為截面減小率10 20%。被大傾角晶界包圍的晶粒的平均結(jié)晶粒徑為5 ym以下的晶粒的比例隨加工應(yīng)變 導(dǎo)入(截面收縮率)的增大而增大，例如在使截面收縮率為90%以上的情況下，該比例為 90%以上，而且可以使該晶粒內(nèi)的亞晶粒的平均粒徑為1.5i!m以下的晶體結(jié)構(gòu)占整體的 70%以上。例如，通過如上那樣的加工應(yīng)變的導(dǎo)入而成為具有上述那樣的特有的晶體結(jié)構(gòu) 的合金的本發(fā)明的鎂合金的特性可以為拉伸屈服應(yīng)力(A)300MPa以上、壓縮屈服應(yīng)力 (B)220MPa以上、屈服應(yīng)力各向異性比(A/B)0. 7以上那樣極其優(yōu)異的水平。根據(jù)本發(fā)明，在組成上可適用于一般流通的Mg-Al-Zn系、Mg_Zn系，并賦予目前沒有的飛躍的高強度，并且保證了延展性、韌性，因此，可作為新的鎂形變合金提出。另外，也可以適用于截面積大的材料或復(fù)雜形狀的長尺寸材料，也可以對應(yīng)于原 材料的大型化，因此，有望實用化。實施例對于實用鎂合金，進行加熱處理和有槽軋輥軋制，反復(fù)導(dǎo)入剪切應(yīng)變。作為例子使 用AZ31合金(Mg-3質(zhì)量％ A1-1質(zhì)量％ Zn-0. 2質(zhì)量％ Mn)。任何實施例均以直徑42mm的 熱擠壓材料(比較例1)為初始材料。作為加工前的加熱溫度，選擇200°C。在加熱爐中將原材料保持30分鐘后，反復(fù)實 施有槽軋輥軋制。在此，軋輥表面溫度為室溫，軋輥圓周速度為每分鐘30m。關(guān)于有槽軋輥 的槽形狀，為通過以下的軋輥形成菱形的孔的形狀。另外，使有槽軋輥軋制產(chǎn)生的截面積減 小為每一道次18%，作為最大道次數(shù)重復(fù)16道次。通過加工得到的材料的機械性質(zhì)示于表1。另外，表1的比較例2表示對于相同的初始材料，以溫度210°C、擠壓比25 1進 行擠壓加工的情況，比較例3表示對于相同的初始材料，使用孔直徑20mm、孔彎折角90度的 ECAE模型，在溫度200°C下使材料每個道次旋轉(zhuǎn)90度，同時進行8道次的擠壓加工的情況。表 1 強度、延展性的評價，使用具有平行部直徑3mm、平行部長度15mm的圓棒試樣作為 JPS規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣進行。截面積比和加工后的原材料截面積示于表1。通過經(jīng)各加工導(dǎo)入應(yīng)變，確認(rèn)截面 積減小，同時強度增加以及同等的延展性。即，與初始材料(比較例1)相比，實施例1中， 維持同程度的延展性，并且作為壓縮屈服強度實現(xiàn)了約85%的強度增加。實施例6的加工至截面積比95%的材料實現(xiàn)了壓縮屈服強度約2. 8倍、作為拉伸屈服強度約2倍的高強度 化。另外，與加工至同程度截面積的直接擠壓材料(比較例2)相比，實施例6的材料 拉伸屈服強度增加49%，針對高強度化的本發(fā)明材料的有效性是明顯的。 具有本發(fā)明的材料組織的原材料的應(yīng)力_應(yīng)變曲線的例子示于圖1。與作為初始 材料的擠壓材料相比，還表現(xiàn)出飛躍的應(yīng)力增加和同等的應(yīng)變、以及直至拉伸變形時能看 到的最大拉伸強度的加工硬化，顯示充分具有作為原材料的塑性加工性、變形能力。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征之一是具有5μπι以下的微細(xì)晶粒組織。實際上，作為本發(fā)明材 料的晶粒組織的例子,在圖2中示出了利用SEM/EBSD (Scanning Electron Microscopy 掃 描型電子顯微鏡/Electron Back-Scattered Diffraction 電子束后方散射衍射)觀察從 初始材料加工至截面減小率92%的AZ31合金(實施例5)。在此，通過EBSD的晶體取向解 析，將取向差角為15度以上的大傾角晶界以圖中的灰色的曲線組作為晶界表示。由平均面 積計算被大傾角晶界包圍的晶粒(例如圖中用G表示的區(qū)域)的平均直徑，約為2.5 μ m，整 體上可得到均勻的晶粒尺寸分布。另外，被大傾角晶界包圍的晶粒的平均粒徑為5μπι以下的比例在測定結(jié)果中，例 如在實施例1中為72%，在實施例2中為78%，在實施例5中為90%。使用X射線的背面勞厄法觀察本發(fā)明材料的底面集合組織的例子示于圖3。在此， 以截面減小率為95%的實施例6作為例子進行表示。作為X射線源使用Cu-K α。圖中的 RD表示與有槽軋制平行的方向，TD表示與有槽軋制方向垂直的方向。另外，曲線表示取向 的集成度相同的部位。圖中的等高線不是現(xiàn)有的板軋制材料中可見到的接近同心圓的形狀，另外，也不 是現(xiàn)有的擠壓材料中可見到的平行于TD的帶形狀。不如說是兩者的中間形態(tài)。另外得知， 表示本發(fā)明材料的底面取向的峰的角度向TD右方向傾斜約10度，向RD下方向傾斜約5度， 底面取向的峰偏離中心。使用X射線的背面勞厄法觀察作為初始材料的現(xiàn)有擠壓材料(比較例1)的底面 集合組織的例子示于圖4。測定條件與圖3的情況相同。該材料中，形成有在鎂合金的擠 壓材料中容易看到的集合組織。即，表示底面的集成度的等高線與RD方向平行地形成。另 夕卜，由本次的測定條件得到的集成度的最大強度為7. 9，與之相對，本發(fā)明材料的最大強度 為5. 8。即，雖然實施了強應(yīng)變加工，但底面的取向程度降低。另外，等高線的間隔寬，即，底 面取向的集成程度平緩。根據(jù)以上所示的底面取向分布的特征，表現(xiàn)出高強度并同時顯示 與現(xiàn)有擠壓材料同等的延展性(拉伸值)的特征。作為晶粒內(nèi)部組織的例子，圖5、圖6及圖7中分別示出了實施例3、實施例5及實 施例6的ΑΖ31合金的情況。圖中的S表示亞晶粒的例子，以同樣的圖案和對比度表示的區(qū) 域也為亞晶粒，被亞晶粒夾著的接近白色的區(qū)域也為亞晶粒。由于取向角差小至5度以下， 所以邊界(亞晶界)不一定清楚。通過透射型電子顯微鏡觀察加工至截面積減小比為92% 的ΑΖ31合金(實施例5)的結(jié)果(圖6)中，亞晶粒的平均直徑為約0. 4 μ m。另外，通過透射型電子顯微鏡觀察加工至截面積減小比為95%的AZ31合金(實施 例6)的結(jié)果(圖7)中，亞晶粒的平均直徑為約0.3 μ m。由小傾角構(gòu)成的納米級亞晶粒組織的特征在于，在帶來飛躍的強度增加的同時，延展性幾乎不降低。即，提供不阻礙鎂合金的延展性的可高強度化的材料組織。將表1所示的壓縮時的屈服應(yīng)力進行比較時，實施例6的本發(fā)明材料顯示了作為初始材料的現(xiàn)有擠壓材料(比較例1)的約2. 8倍的高強度。另外，對于在AZ31合金擠壓材料中特征性表現(xiàn)的壓縮屈服應(yīng)力/拉伸屈服應(yīng)力 的變形各向異性而言，也具有降低的特征。即，比較例1中可見到的屈服應(yīng)力各向異性比 (壓縮屈服應(yīng)力/拉伸屈服應(yīng)力)為0. 57，顯示強的各向異性，與之相對，實施例1 6中 為0. 73以上，且截面減小比越大，即強度越高，屈服應(yīng)力各向異性比越大，達(dá)0. 82，得到接 近1，即接近各向同性的性質(zhì)的材料。
權(quán)利要求
一種鎂合金，以鎂為主成分，其特征在于，其晶體結(jié)構(gòu)具有大傾角晶界，被該大傾角晶界包圍的晶粒的內(nèi)部由亞晶粒構(gòu)成。
2.權(quán)利要求1所述的鎂合金，其特征在于，所述晶粒的平均結(jié)晶粒徑為5y m以下，所述 亞晶粒的平均粒徑為1. 5 ii m以下。
3.權(quán) 要求2所述的鎂合金，其特征在于，所述平均結(jié)晶粒徑為5i!m以下的晶粒占全 部晶粒的70%以上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種鎂合金，其為高強度、并且具有充分的加工性的鎂合金。以鎂為主成分的高拉伸強度·高壓縮強度的鎂合金，其晶體結(jié)構(gòu)具有大傾角晶界，被該大傾角晶界包圍的晶粒的內(nèi)部由亞晶粒構(gòu)成。
文檔編號C22C23/00GK101861405SQ20088011662
公開日2010年10月13日 申請日期2008年10月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月2日
發(fā)明者A·辛格, 井上忠信, 向井敏司, 染川英俊 申請人:獨立行政法人物質(zhì)·材料研究機構(gòu)