抗蠕变镁合金 【技术领域】
本发明涉及作为例如汽车零件和两轮车零件的机械零件使用的轻质镁合金件，更特别涉及镁合金，例如高压压铸用的镁合金，该镁合金具有优异的可铸性，并且不产生例如浇铸开裂的铸件缺陷，以及具有在高温环境中使用所要求的抗蠕变性、耐热强度和耐蚀性。
背景技术
由ASTM标准规范B 93规定的高压压铸镁合金是汽车零件材料中常用镁合金的例子。在常用镁合金中，AS型合金具有优异的耐热性。在AS型合金中，AS21合金具有较高的抗蠕变性，因而在例如人工变速汽车变速箱中的耐热零件上使用。
但是，AS 21合金未能克服诸如耐蚀性的问题。同时，在例如自动变速汽车变速箱的高温环境下要求更高的抗蠕变性。
在AS 21合金和AS 41合金中加入钙便可获得抗蠕变性更好的合金。加入钙和稀土元素的合金也具有比AS型合金更高的抗蠕变性。但是抗蠕变性仍然不能令人满意。
AE 42合金是一种有代表性的含稀土元素的高压压铸合金。AE 42合金的抗蠕变性比AS 21合金和AS 41合金强。但是AE 42合金存在着诸如模制残渣的可铸性问题，因此使用AE 42合金的高压压铸便成问题。另外，AE 42合金比例如AZ 91D合金的其他合金更贵和更难大量生产。
【发明内容】
本发明的目的是提供抗蠕变镁合金，其抗蠕变性优于AE 42合金，并有较高的耐蚀性，其可铸性好，不产生任何开口地裂纹，而且价格还比AE 42合金便宜。
达到本发明的这些目的和其他目的的措施是提供一种抗蠕变镁合金，其按质量计含1.5～4.0％ Al，0.5～1.8％ Si，0.05～0.6％RE，0.005～1.5％ Sr，其余为Mg和不可避免的杂质。
本发明还提供一种抗蠕变镁合金，其按质量计含1.5～4.0％Al，0.5～1.8％ Si，0.05～0.6％ RE，0.005～1.5％ Sb，其余为Mg和不可避免的杂质。
根据这些抗蠕变合金，在AS型合金中加入RE和Sr或在AS型合金中加入RE和Sb，便可大大提高抗蠕变性。亦能改善耐蚀性。并使价格低于AE 42合金。此外，由于含有以亚共晶、过共晶和共晶相存在的Si，故可铸性得以改善。
为了提高抗蠕变性，最好按质量计含有0.3～1.5％ Ca。加Ca后可获得大约为AE 42合金的两倍的抗蠕变性。同时，由于提高了镁合金的耐火性，所以该合金亦易于处理。为了提高耐蚀性，最好按质量计含有0.1～0.4％ Mn。
【附图说明】
在附图中；
图1为表示Si的添加量对RE在Mg中溶解度的影响的曲线图；
图2表示试验1中抗蠕变试验用的试样形状；
图3(a)为试验1中抗蠕变试验装置的平面图；
图3(b)为图3(a)装置的侧视图；
图4的曲线表示试验1中对本发明一个实施例的抗蠕变镁合金和对比材料测得的抗蠕变性结果；
图5(a)为对本发明一个实施例的抗蠕变镁合金和对比材料进行开裂评价所使用的浇铸试样的主视图；
图5(b)为图5(a)的浇铸试样的侧视图；以及
图6的曲线表示试验3中本发明一个实施例的抗蠕变镁合金和对比材料的耐蚀性。
【具体实施方式】
下面介绍本发明第一实施例的一种抗蠕变镁合金。该抗蠕变镁合金按质量计含1.5～4.0％ Al(铝)，0.5～1.8％ Si(硅)，0.05～0.6％稀土元素(下文以RE表示)，0.005～1.5％ Sr(锶)，其余为Mg(镁)和不可避免的杂质。此外，根据需要，按质量计含有0.3～1.5％ Ca钙)可以提高抗蠕变性。同样根据需要，按质量计含有0.1～0.4％ Mn(锰)可以提高耐蚀性。
如果按质量计的Al含量超过4.0％，则抗蠕变性和耐蚀性将降低，因而不可能达到AE 42合金的抗蠕变性水平。因此按质量计的Al添加量规定为4.0％或少于4.0％。另一方面，如果按质量计的Al含量少于1.5％，则可铸性(相对于开口裂纹)不能得到改善，从而产生开口裂纹和流动性问题，合适的浇铸便不能实现。因此，按质量计的Al添加量规定为2.0％或大于2.0％。
镁合金的抗蠕变性和可铸性随着Si的添加量增加而获得改善。但是，如果Si加入过多，则液相线温度升高，从而必须提高浇铸温度。如果按质量计的Si添加量超过1.8％，则液相线温度将超过700℃，从而使浇铸发生困难。而且耐蚀性也下降。因此，按质量计的Si添加量规定为1.8％或少于1.8％。另一方面，如果按质量计的Si添加量少于0.5％，则抗蠕变性下降。例如开口裂纹形成倾向性的可铸性将受到负面的影响，从而难于浇铸。因此，按重量计的Si添加量规定为0.5％或大于0.5％。
加入RE是为了提高抗蠕变性。但是如图1所示，随着Si的溶解度增加，RE的溶解度趋于下降。因而，考虑到Si添加量的下限值(0.5％)，按质量计的RE添加量上限值规定为0.6％。另一方面，当RE的添加量少于0.05％时，就不可能获得充分的抗蠕变强度。所以按质量计的RE添加量下限值规定为0.05％。
按质量计的Sr的添加量即使少到0.005％的少量，亦将形成精细结构，从而能有效防止浇铸时形成开口裂纹和提高抗蠕变性。因为当按质量计的Sr添加量少于0.005％时此种效果不再产生，故按质量计的Sr添加量规定为0.005％或大于0.005％。进一步增加Sr的添加量将提高镁合金的抗蠕变性，直到按质量计的Sr添加量达到1.5％为止。但是，如果按质量计其值超过1.5％，则抗蠕变性和耐蚀性将降低。结果，按质量计的Sr添加量规定为1.5％或少于1.5％。
加入Mn是为了改善耐蚀性。如果按质量计的Mn添加量大于0.4％，非但无望进一步改善耐蚀性，反而形成可能影响抗蠕变性的化合物。因此，按质量计的Mn添加量规定为0.4％或少于0.4％。另一方面，如果按质量计的Mn添加量少于0.1％，则发现未能改善耐蚀性。因此，按质量计的Mn添加量规定为0.1％或大于0.1％。
加入Ca能提高镁合金的抗蠕变性。但是，如果加入的Ca过多，则在浇铸时易于出现开口裂纹，从而无法获得完好的浇铸产品。因此，按质量计的Ca添加量规定为1.5％或少于1.5％。另一方面，如果按质量计的Ca添加量少于0.3％，则不能获得足够的抗蠕变强度。因此，按质量计的Ca添加量规定为0.3％或大于0.3％。
值得注意的是，一般按质量计的不可避免的杂质是以下述各最小数量存在的，Fe(铁)少于0.004％，Ni(镍)少于0.001％，Cu(铜)少于0.08％，Zn(锌)少于0.01％等。
其次介绍本发明第二实施例的一种抗蠕变镁合金。该抗蠕变镁合金按质量计由如下的成份制成，Al为1.5～4.0％，Si为0.5～1.8％，RE为0.05～0.6％，Sb(锑)为0.005～1.5％，其余部分由Mg和不可避免的杂质制成。此外，根据需要，为了提高抗蠕变性，可以按质量计含0.3～1.5％ Ca。同样根据需要，为了提高耐蚀性，可以按质量计含0.1～0.4％ Mn。
当按质量计的Sb添加量为0.005～1.5％时，抗蠕变性增加。按质量计的添加量即使小到0.005％的小量，抗蠕变性也会增加。如果按重量计的Sb添加量少于0.005％，则无效果，故按质量计的Sb添加量规定为0.005％或大于0.005％。另一方面，如果按质量计的Sb的量超过1.5％，则未能发现抗蠕变性有何改善，故按质量计的Sb添加量规定为1.5％或少于1.5％。除了Sb外，规定其他元素限制的理由和第一实施例的抗蠕变镁合金相同。
试验1
对本发明的合金和对比材料进行了抗蠕变试验。测量试样在200℃的环境温度下承受弯曲载荷时间内产生的位移变化。试样1采用图2所示的ASTM标准拉伸强度试验用试样，其平行部的直径为6.35mm，标距为50mm，长度为210mm。图3(a)和3(b)所示为三个试样1a、1b和1c平行对齐，在其端部由支承件2a、2b支承。支承件2a和支承件2b之间的距离规定为150mm。然后在试样1a、1b和1c上各加2kg的载荷。
表1示出这些试验中所用试样的成分。试样1为AZ 91D合金，试样2为AS 41合金，试样3为AE 42合金，试样4和5为本发明第一实施例的合金，试样6和7为本发明第二实施例的合金。
表1 合金 Al Zn Si Ca Sr Sb Mn Fe Ni RE Mg 试样1 9.21 0.86 0.02 - - - 0.26 ＜0.0005 ＜0.0004 - Bal. 试样2 3.90 0.01 1.1 - - - 0.25 ＜0.0005 ＜0.0004 - Bal. 试样3 4.23 0.01 0.01 - - - 0.11 ＜0.0005 ＜0.0004 2.0 Bal. 试样4 3.52 0.01 0.92 0.61 0.41 - 0.15 ＜0.0005 ＜0.0004 0.5 Bal. 试样5 3.23 0.01 1.11 - 0.3 - 0.25 ＜0.0005 ＜0.0004 0.5 Bal. 试样6 3.21 0.01 1.06 0.71 - 0.2 0.27 ＜0.0005 ＜0.0004 0.5 Bal. 试样7 3.34 0.01 0.98 - - 0.3 0.27 ＜0.0005 ＜0.0004 0.5 Bal.
图4示出试验结果。试样1(AZ 91 D合金)和试样2(AS 41合金)的抗蠕变性差。试样4～7(本发明的合金)的抗蠕变性优于试样1(AZ 91D合金)和试样2(AS 41合金)。试样5和7为本发明不加Ca的合金，图4中对于试样5和7的试验结果基本上和试样3(AE 42合金)的试验结果重合，从而显示基本相同的抗蠕变性。试样4和6为本发明加Ca的合金，虽然图4中试样4和6的试验结果基本重合，但这两种试样的抗蠕变性均比试样3(AE 42合金)好。由此看来，应该理解，在Mg-Al-Si合金中加RE和Sr或者Sb后，抗蠕变性均得到提高，其抗蠕变性优于AZ 91D合金和AS 41合金，且可获得一种其抗蠕变性和AE 42合金相同的合金。此外还应知道，当加入Ca后，可以得到一种其较高的抗蠕变性为AE 42合金两倍的合金。值得注意的是，本发明的所有合金(试样4～7)均比AE 42合金便宜。
试验2
使用不同成份的合金在表2所示的两组浇铸条件下制备图5所示形状的试样。研究了开口裂纹、封闭裂纹和细裂纹出现的情况。表3示出试验中使用的每种试样的合金成份。试样1为AZ 91D合金，试样2为AE 42合金，试样3和4为本发明第一实施例的合金，试样5和6为本发明第二实施例的合金。表2中的条件1为通常采用条件，而条件2则不常采用。图5的试样的形状在其平行部长度为105mm，并且具有夹持用的端部。夹持用端部具有曲率半径R为0mm或2mm的角形部。
表2 浇铸条件 条件1 条件2 金属模温度[℃] 活动模：130℃ 固定模：140℃ 活动模：130℃ 固定模：140℃ 压铸的压力[Mpa] 780 780 注射速度[m/s] 2.1 0.96 熔化金属温度[℃] 690 690 固化时间[s] 2 2压射滞后时间(Shot Time Lag)[s] 0 0 慢充料速度[m/s] 0.5 0.5
表3 合金 Al Zn Si Fe Ni Ca Cu Sr RE Sb Mn Mg 试样1 9.18 0.91 0.01 0.0005 0.0005 - 0.0005 - - - 0.25 Bal. 试样2 4.15 0.01 0.02 0.0005 0.0005 - 0.0005 - 0.5 - 0.25 Bal. 试样3 3.45 0.01 1.15 0.0005 0.0005 0.58 0.0005 0.5 0.5 - 0.10 Bal. 试样4 3.32 0.01 0.95 0.0005 0.0005 - 0.0005 0.4 0.5 - 0.20 Bal. 试样5 3.23 0.01 1.05 0.0005 0.0005 0.6 0.0005 - 0.5 0.3 0.25 Bal. 试样6 3.28 0.01 0.98 0.0005 0.0005 - 0.0005 - 0.5 0.3 0.25 Bal.
用目视检查开口的和封闭的裂纹，而用比色法检查细裂纹。对裂纹敏感性的评定方法是由在同样条件下各制备10个每种型式的试样来实现的，将浇铸后有开口裂纹、封闭裂纹和细裂纹的试样数加起来，并将其值作为一个指标。表4示出观察的结果。
表4 合金 条件 R[mm] 开口裂纹 封闭裂纹 细裂纹 合格品 试样1 1 0 0 0 0 10 2 0 0 1 9 2 0 0 5 5 0 试样2 1 0 1 3 4 2 2 7 1 1 1 2 0 0 10 0 0 试样3 1 0 0 0 5 5 2 0 0 0 10 2 0 0 4 6 0 试样4 1 0 0 0 5 5 2 0 0 0 10 2 0 0 4 6 0 试样5 1 0 0 0 6 4 2 0 0 0 10 2 0 0 4 6 0 试样6 1 0 0 0 4 6 2 0 0 0 10 2 0 0 5 5 0
全部试样在浇铸条件2下均显示某些封闭裂纹或细裂纹，所以不能获得合格的工件。在浇铸条件1下，试样1(AZ 91D合金)未发现有开口裂纹或封闭裂纹，但试样2(AE 42合金)发现有开口裂纹和封闭裂纹。试样3～6(本发明第一和第二实施例的合金)在浇铸条件1下未发现有开口裂纹或封闭裂纹，但仅有细裂纹。从这些结果看出，本发明合金的抗开裂能力稍逊于AZ 91D合金，但与AE 42合金相比，其抗开裂能力却是好的。
即使在相同的浇铸条件1下，不同的R产生开口和封闭裂纹的情况亦不同。就试样1(AZ 91D合金)而言，当R为0mm时，未发现有裂纹，但当R为2mm时，发现有一些细裂纹。就试样2(AE42合金)而言，当R为0mm和2mm时均发现有开口裂纹、封闭裂纹和细裂纹。至于试样3～6(本发明第一和第二实施例的合金)，当R为0mm时发现有细裂纹，但当R为2mm时，却未见裂纹。由此可见，通过提供圆角R，本发明合金的抗开裂能力基本上和AZ 91D合金相同。
试验3
在表2所示条件1下浇铸表5所示成份的合金，并用制成的试样(10mm×20mm×145mm)评定耐蚀性。试样表面用砂纸(#150、#400、#800和#2000)湿抛磨。采用盐水喷洒试验法(JIS Z 2371)完成65小时的耐蚀性试验，同时测定腐蚀速率(mg/day/dm2(MMD))。合金1为AZ 91D合金，合金2为AE 42合金，合金3为AS 41合金，合金4和5为本发明第一实施例的合金，合金6和7为本发明第二实施例的合金。
表5 合金 Al Zn Si Fe Ni Ca Cu Sr RE Sb Mn Mg试样1 9.03 0.89 0.01 0.0005 0.0005 - 0.0005 - - - 0.25 Bal.试样2 4.12 0.01 0.01 0.0005 0.0005 - 0.0005 - 0.5 - 0.25 Bal.试样3 4.21 0.01 1.12 0.0005 0.0005 - 0.0005 - - - 0.10 Bal.试样4 3.35 0.01 1.13 0.0005 0.0005 0.58 0.0005 0.5 0.5 - 0.21 Bal.试样5 3.36 0.01 0.98 0.0005 0.0005 - 0.0005 0.4 0.5 - 0.25 Bal.试样6 3.29 0.01 1.11 0.0005 0.0005 0.6 0.0005 - 0.5 0.3 0.25 Bal.试样7 3.31 0.01 0.99 0.0005 0.0005 - 0.0005 - 0.5 0.3 0.26 Bal.
图6示出试验结果。合金4～7(第一和第二实施例的合金)显示比合金3(AS 41合金)更好的耐蚀性。合金5(本发明第一实施例的一种不加Ca的合金)和合金7(本发明第二实施例的一种不加Ca的合金)的耐蚀性较合金2(AE 42合金)差，但较合金1(AZ 91D合金)更佳。由此可知，通过在AS型合金内加RE和Sr或Sb，合金的耐蚀性将获改善。此外，合金4(本发明第一实施例的一种加Ca的合金)和合金6(本发明第二实施例的一种加Ca的合金)显示出和合金1(AZ 91D合金)基本上相同的耐蚀性。
虽然本发明已就具体实施例进行了详细的说明，但本领域内的技术人员明白仍可进行各种变化和改进而不脱离本发明的精神和范围。