镁合金板材的制造方法
本申请为申请号201180016377.0、申请日为2011年3月31日、发明名称“镁合金板材”的分案申请。
技术领域
本发明涉及镁合金板材。详细地说,涉及具有高强度与高延展性的镁合金板材。
背景技术
一般,镁合金,在已实用化的合金中,由于密度最低、质轻、强度也高,正越来越多地在电子产品的壳体及汽车的车轮、底盘部件、发动机周围部件等中使用。
特别是,在汽车相关用途的部件中,由于要求高的机械特性,所以,把添加了Gd和Zn等元素的镁合金,采用单辊法、急速凝固法,制造特定形态的材料(例如,参照专利文献1、专利文献2)。
然而,上述的镁合金,在特定的制造方法中,为了得到高的机械特性而采用特定的制造方法,故必需有特殊的设备,而且存在生产效率低的问题,另外,还存在可以适用的构件有限的问题。
在此,提出了如下技术：在现有的制造镁合金时,不采用上述专利文献1及专利文献2中记载的特殊设备或工艺,从生产效率高的通常的熔解铸造实施塑性加工(挤出),可以得到实用上有用的机械特性的技术(例如,参照专利文献3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:特开平6-41701号公报
专利文献2:特开2002-256370号公报
专利文献3:特开2006-97037号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献3中公开的具有长周期叠层结构相(以下称作LPSO相::Long Period Stacking Order相)的镁合金,拉伸强度与延展性的平衡优良,当为铸造材料时,没有那样高的拉伸强度,例如,通过实施挤出加工即塑性加工,可不使延展性降低,能够实现拉伸强度的提高。即,即使进行挤出加工等大加工率的塑性加工,也可以得到充分的延展性。
但是,在制造作为原材料的板材或棒材时,实施塑性加工,可以谋求拉伸强度的提高,但招致延展性下降。
例如,图6示出Mg96ZnY3合金的铸造材料与热轧材料(R1、R2)的屈服强度、强度及伸长率。热轧材料(R2)显示比热轧材料(R1)高的屈服强度及强度,但伸长率小。应当指出,图6记载于非专利文献(R.G.Li,D.Q.Fang,J.An,Y.Lu,Z.Y.Cao,Y.B.Liu、MATERIALSCHARACTERIZATION60(2009)470-475)中。
另外,图7示出各种材料的机械特性,当比较同一合金在不同工艺的机械特性时,发现具有高屈服强度及强度的试样,伸长率小。应当指出,图7记载于非专利文献(T.Itoi et al.Scripta Material ia 59(2008)1155-1158)。
因此,拉伸强度与延展性的两特性难以同时提高。
本发明是鉴于以上问题提出的,本发明的目的是提供在实现拉伸强度提高的同时,也实现延展性提高的镁合金板材。
用于解决课题的手段
为了达到上述目的,本发明的镁合金板材是对具有在铸造时析出结晶的长周期叠层结构相的镁合金实施轧制加工而制成的镁合金板材,在用扫描型电子显微镜在与纵向方向大致成直角方向观察板厚横断面的合金组织时,包含如下组织：以长周期叠层结构相为主,同时在观察断面中的厚度为0.5μm以下的至少2个以上的αMg相与板状的长周期叠层结构相层叠为层状的组织。
在此,在用扫描型电子显微镜在与纵向方向大致成直角方向观察板厚横断面的合金组织时,包含如下组织：以长周期叠层结构相为主,同时在观察断面中的厚度为0.5μm以下的至少2个以上的αMg相与板状的长周期叠层结构相层叠为层状的组织,由此，在实现拉伸强度提高的同时,也实现延展性的提高,能够实现优良的拉伸强度与良好的延展性。
即,由于LPSO相以板状(plate shape)存在,与LPSO相以块状存在时比较,伴随着轧制加工,LPSO相的至少一部分变成易剪断变形或压缩变形的组织状态。另外,由于LPSO相的至少一部分变成易剪断变形或压缩变形的组织状态,故纽结带(kink band)易导入LPSO相,结果是可以实现优良的拉伸强度。还有,由于LPSO相的至少一部分变成易剪断变形或压缩变形的组织状态,故也可以实现良好的延展性。
再有,层叠了的组织中的LPSO相的最大膜厚在9μm以下时,可以实现约10％以上的伸长率。
另外,当在层叠了的组织中(具体的是LPSO相内或αMg相内)具有金属间化合物(例如,Mg3Zn2Y2)时,变成金属间化合物夹住板状(plateshape)的LPSO相而存在的组织状态。此外,这样的组织状态,由于金属间化合物易助长LPSO相的变形,故LPSO相为易变形的状态。因此,在LPSO相易导入纽结带,能够实现优良的拉伸强度。
还有,通过层叠组织的至少一部分发生剪断变形或压缩变形,则层叠组织的至少一部分发生弯曲或折弯。而且,如此弯曲或折弯了的组织成为实现优良的拉伸强度的一个原因。
在此,所谓“在用扫描型电子显微镜在与纵向方向大致成直角方向观察板厚横断面的合金组织时的板状LPSO相”,例如,是指图8所示的组织,图8中的用淡灰色表示的场所表示LPSO相。应当指出,图8(a)为放大150倍、图8(b)为放大2500倍、图8(c)为放大3000倍的扫描型电子显微镜照片。
另外,所谓“板厚横断面”,是指通过轧制,其厚度减少的断面,在轧制时,与板材的行进方向大致平行的断面(与轧制辊近似直角的断 面)。另外,所谓“板厚横断面的纵向方向”,是指轧制时,与板材的行进方向近似平行的方向(与轧制辊近似直角的方向)。另外,所谓“对板厚横断面的纵向方向近似直角方向”,是指板厚横断面的厚度方向。
即,所谓“在与纵向方向大致成直角方向观察板厚横断面”,是指,“通过轧制,其厚度减少的断面,轧制时与板材的行进方向大致平行的断面”,在“轧制时与板材的行进方向大致平行的方向”成近似直角方向的“该断面的厚度方向”进行的观察。
另外,作为“在铸造时LPSO相析出结晶的镁合金”,可以举出Mg-Zn-RE(RE＝Y,Dy,Ho,Er,Tm)、Mg-Cu-RE(RE＝Y,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm)、Mg-Ni-RE(RE＝Y,Sm,Gd,Tb,Dy,Ho,Er)、Mg-Co-RE(RE＝Y,Dy,Ho,Er,Tm)、Mg-Al-Gd等。应当指出,这里的RE表示稀土类元素。
还有,作为“在铸造时LPSO相析出结晶的镁合金”,不限于上述列举的3成分系,在上述镁合金中添加其他的添加元素的4成分系或比其更高的成分系也可以。
发明效果
采用本发明的镁合金板材,能够实现拉伸强度提高,同时也能够实现延展性提高。
附图说明
图1A(a)为表示本发明的镁合金板材Mg96Zn2Y2合金的结晶组织的显微镜照片(1)。
图1A(b)为表示本发明的镁合金板材Mg96Zn2Y2合金的结晶组织的显微镜照片(2)。
图1A(c)为表示本发明的镁合金板材Mg96Zn2Y2合金的结晶组织的显微镜照片(3)。
图1B(a)为表示本发明的镁合金板材Mg96Zn2Y2合金的结晶组织的显微镜照片(4)。
图1B(b)为表示本发明的镁合金板材Mg96Zn2Y2合金的结晶组织的显微镜照片(5)。
图1B(c)为表示本发明的镁合金板材Mg96Zn2Y2合金的结晶组织的显微镜照片(6)。
图2为用于说明镁合金板材制造方法的流程图。
图3为用于说明金属间化合物Mg3Zn3Y2的显微镜照片。
图4A为表示对不实施热处理工序的塑性加工物实施轧制加工S4的镁合金材料的结晶组织显微镜照片(1)。
图4B(a)为表示对不实施热处理工序的塑性加工物实施轧制加工S4的镁合金材料的结晶组织显微镜照片(2)。
图4B(b)为表示对不实施热处理工序的塑性加工物实施轧制加工S4的镁合金材料的结晶组织显微镜照片(3)。
图4B(c)为表示对不实施热处理工序的塑性加工物实施轧制加工S4的镁合金材料的结晶组织显微镜照片(4)。
图5为表示实施例及比较例的0.2％屈服强度、拉伸强度及延展性的图。
图6为表示Mg96ZnY3合金铸造材料与热轧材料(R1、R2)的屈服强度、强度及伸长率的图。
图7为表示各种材料的机械特性的表。
图8(a)为用于说明板状组织之一例的显微镜照片(1)。
图8(b)为用于说明板状组织之一例的显微镜照片(2)。
图8(c)为用于说明板状组织之一例的显微镜照片(3)。
图9为表示热处理时间与拉伸屈服强度的关系,以及热处理时间与室温伸长率的关系的图。
图10(a)为用于说明片状组织中的LPSO相的最大厚度与镁合金板材的伸长率的关系的图(1)。
图10(b)为用于说明片状组织中的LPSO相的最大厚度与镁合金板材的伸长率的关系的图(2)。
图11A(a)为对实施过度的热处理了的原材料进行轧制的镁合金板材的扫描型电子显微镜照片(1)。
图11A(b)为对实施过度的热处理了的原材料进行轧制的镁合金 板材的扫描型电子显微镜照片(2)。
图11B(a)为对实施过度的热处理了的原材料进行轧制的镁合金板材的扫描型电子显微镜照片(3)。
图11B(b)为对实施过度热处理了的原材料进行轧制的镁合金板材的扫描型电子显微镜照片(4)。
具体实施方式
以下,对本发明实施方案参考附图进行说明,用于理解本发明。
图1A及图1B为表示本发明的镁合金板材即Mg96Zn2Y2合金的结晶组织的扫描型电子显微镜照片,图1A及图1B中的黑色表示αMg相,灰色表示LPSO相,白色表示Mg3Zn3Y2。
应当指出,在本实施方案中,以Mg96Zn2Y2合金为例进行说明,但又不限于该合金组成。例如,也可以是其他3成分系,添加了微量的添加元素的4成分系也无妨。
在此,从图1A及图1B可知,适于本发明的镁合金板材,具有LPSO相与αMg相,LPSO相与αMg相以层状存在。但是,不是全部组织均呈层状组织,例如,图1A(c)中用符号X表示的区域不呈层状组织。
应当指出,所谓LPSO相,是指在镁合金的晶粒内及晶粒边界析出的析出物,在HCP结构中的底面原子层的排列,在底面法线方向具有长周期规则而重复的结构相,即长周期叠层结构相。通过该LPSO相的析出,能够提高镁合金板材的机械特性(拉伸强度、0.2％屈服强度及伸长率)。
另外,LPSO相具有板状(plate-shape)的组织(图1B(b)中用符号S表示的区域),在板状(plate-shape)的组织彼此的间隙中存在αMg相。即,LPSO相是以板状(plate-shape)的组织多层层叠。
具体的是,在适于本发明的镁合金板材中上述的层状组织(参照图1B(b)中符号S),以LPSO相为主,用扫描型电子显微镜,在相对纵向方向大致直角方向,观察板厚横断面时,观察断面中的厚度为0.5μm以下的多个αMg相与板状(plate-shape)的LPSO相为层叠成层状而构成。 应当指出,采用扫描型电子显微镜,在相对纵向方向大致直角方向,观察板厚横断面时,板状(plate-shape)的LPSO相,在观察断面中的厚度为0.25μm以上。
上述的层状组织(参照图1B(b)中符号S),在轧制前,对其原材料(例如,挤出材料)进行适当的热处理,可把LPSO相进行组织控制,以使具有所希望的板状(plate-shape)。
在这里,图9(a)表示“热处理时间与拉伸屈服强度的关系”,图9(b)表示“热处理时间与室温伸长率的关系”。应当指出,在此的热处理温度为480℃。如图9(b)所示的“热处理时间与室温伸长率的关系”可知,如仅实施热处理,伸长率得不到提高,故为了实现轧制后的薄板材的大伸长率,必需进行适当的热处理。
另外,图10(a)示出“层状组织中的LPSO相的最大厚度与镁合金板材的伸长率的关系”。如图10(a)所示可知,使层状组织中的LPSO相的最大观察断面中厚度变成9μm以下的方式微细化时,能够得到约10％以上的伸长率。
即,通过轧制前实施适当的热处理,使轧制后的层状组织中的LPSO相的最大观察断面中的厚度达到9μm以下的技术极为重要。
应当指出,在此的所谓“LPSO相的观察断面中的厚度”,是指相对板状(plate-shape)的LPSO相的纵向方向的垂直方向(图10(b)所示的箭头方向)的长度。
还有,当适当选择轧制前的热处理条件时,层状组织中的LPSO相的观察断面中的厚度即使看上去大的组织,提高扫描型电子显微镜放大倍数进行确认时,0.1μm或小于0.1μm的薄膜的αMg相与LPSO相形成层叠结构。即,可以确认,薄膜的LPSO相与观察断面中的厚度比其更小的αMg相进行层叠成的多层结构。
反之,通过不充分的热处理,板状(plate-shape)的LPSO相未充分形成,另外,采用延长加热时间等的过度热处理,板状(plate-shape)的LPSO相的观察断面中的厚度加大,与薄的αMg相形成层结构的形成频率降低(参照图11A及图11B)。
在此,图11A及图11B为表示对实施过度热处理的原材料进行轧制的镁合金板材的扫描型电子显微镜照片。应当指出,为了便于观察,图11A(a)及图11B(a)表示LPSO相的强化了对比度的状态,图11A(b)及图11B(b)表示化合物的强化了对比度的状态。
适于本发明的镁合金板材,轧制前,对其原材料实施后述的制造方法那样的适当热处理,层状组织中的LPSO相的观察断面中的厚度,换而言之,未夹持0.5μm以下的薄膜的αMg相的LPSO相的观察断面中的厚度,进行组织控制以使最大为8μm。
在此,通过LPSO相具有板状(plate-shape)的组织,与具有块状组织的LPSO相比较,伴随轧制加工,LPSO相的至少一部分变得易于剪断变形或压缩变形。明确可知,伴随轧制加工,LPSO相的至少一部分变得易于剪断变形或压缩变形,与下述同样,LPSO相与αMg相的层状组织一部分可产生弯曲或折弯。
还有,由于伴随轧制加工,LPSO相的至少一部分变得易于剪断变形或压缩变形的组织状态,结果是,易于向LPSO相导入纽结带,能够实现优良的拉伸强度。另外,伴随轧制加工,LPSO相的至少一部分变得易于剪断变形或压缩变形的组织状态,也能够实现优良的延展性。
应当指出,LPSO相不仅为板状(plate-shape)的组织,而且,例如,图1A(b)中符号Y表示的区域,也存在块状的组织。即,LPSO相的组织形状变成板状(plate-shape),或板状(plate-shape)与块状混合存在。
另外,已知呈现层状组织的LPSO相及αMg相,两个全部组织均形成弯曲。这可以认为是,板状(plate-shape)的LPSO相与被这样板状(plate-shape)LPSO相夹持的αMg相,产生剪断变形或压缩变形(图1B(b)中符号T表示的区域),组织或组织的一部分发生弯曲或折弯所致。应当指出,通过层状组织发生弯曲或折弯,是呈现优良的拉伸强度的原因之一。
再有,Mg3Zn3Y2微分散在LPSO相内或αMg相内(图1A(b)或图1A(c)中符号Z表示的区域、图1B(c)中符号T或符号U表示的区域)。
在此,金属间化合物Mg3Zn3Y2形成被LPSO相夹持的组织状态。而 且,LPSO相具有板状(plate-shape)的组织。因此,金属间化合物Mg3Zn3Y2,助长LPSO相的变形。还有,LPSO相的变形助长结果是,纽结带变成易导入LPSO相,能够实现优良的拉伸强度。
如上所述,在本发明的镁合金板材中,LPSO相具有板状(plate-shape)的组织,伴随轧制加工,变成易于剪断变形或压缩变形的组织状态,同时,通过金属间化合物Mg3Zn3Y2助长LPSO相变形,由此在实现拉伸强度提高的同时,也实现延展性的提高。
另外,在本发明的镁合金板材中,为了得到大的伸长率而实施适当的热处理,使LPSO相微分散,通过其后工序的轧制加工,由于强的剪断变形或压缩变形不破坏LPSO相,而有效地使LPSO相扭曲,即,通过弯曲变形而充分作用于LPSO相的强化机构。因此,能够得到不仅轧制加工率同样,而且具有更大的伸长率的镁合金板材。
以下对本发明的镁合金板材的制造方法进行说明。
图2为用于说明本发明的镁合金板材的制造方法的流程图。如图2所示,在本发明的镁合金板材的制造方法中,首先,通过铸造工序S1进行铸造。在此,在铸造工序S1中,把含有Zn与Y,余量为Mg与不可避免的杂质的Mg-Zn-Y系合金进行铸造,形成含LPSO相与αMg相的铸造材料。
应当指出,作为铸造材料的形成方法,可以采用在氩气气氛中,采用高频感应熔化的方法(参照国际公开第2007/111342号的实施例1),或采用电炉边使CO2气体流入铁制坩埚边熔化镁合金,注入铁制铸模的方法(参照国际公开第2007/111342号的实施例3)等任何一种方法均可。
在此,已知在铸造Mg96Zn2Y2合金时,于铸造时点可形成0.5μm～2.0μm左右的金属间化合物Mg3Zn3Y2。应当指出,图3(a)为表示Mg96Zn2Y2合金在400℃、1小时退火材料的结晶组织的扫描型电子显微镜照片,图3(b)为表示Mg96Zn2Y2合金在450℃、1小时退火材料的结晶组织的扫描型电子显微镜照片,图3(c)为表示Mg96Zn2Y2合金在500℃、1小时退火材料的结晶组织的扫描型电子显微镜照片,已知形成了金属间化 合物Mg3Zn3Y2。应当指出,图3(a)～图3(c)表示的显微镜照片中,用符号e表示的地方为金属间化合物Mg3Zn3Y2。
其次,对铸造了的铸造材料进行塑性加工工序S2。该塑性加工工序S2的塑性加工,例如,有挤出加工、锻造加工、轧制加工或拉伸加工等,含LPSO相的铸造材料,通过塑性加工得到的塑性加工物,与塑性加工前比较,拉伸强度、0.2％屈服强度、伸长率提高。
接着,对塑性加工了的塑性加工物,进行实施热处理的热处理工序S3,由此LPSO相形成板状(plate-shape)。作为一例,例如,在400℃以上500℃以下的温度范围内,并且在0.5小时以上10小时以内的时间范围内进行热处理。
应当指出,在本实施方案中,通过热处理工序S3,LPSO相形成板状(plate-shape),但为了实现图1A及图1B表示的结晶组织,在后述的轧制加工工序S4之前,将LPSO相制成板状(plate-shape)是必需的。因此,只要将LPSO相制成板状(plate-shape),则未必需要热处理工序S3,任何方法均可。同样地,把LPSO相制成板状(plate-shape)是必需的,并不限于所列示的温度范围及时间范围。
然后,实施热处理,对LPSO相变成板状(plate-shape)的塑性加工物实施轧制加工S4,能够得到图1A及图1B所示那样的本发明的镁合金板材料。
图4A及图4B为表示对没有实施热处理工序S3的塑性加工物,实施轧制加工S4的镁合金板材的结晶组织的显微镜照片,图4A及图4B中的黑色表示αMg相,灰色表示LPSO相,白色表示Mg3Zn3Y2。
从图4A及图4B可知,对没有实施热处理工序S3,LPSO相未形成板状(plate-shape)的塑性加工物,实施轧制加工S4的镁合金板材,LPSO相与αMg相也以层状存在。
但是,从图4A(b)及图4A(c)可知,关于对没有实施热处理工序S3,LPSO相未形成板状(plate-shape)的塑性加工物,实施轧制加工S4的镁合金板材的板状组织,LPSO相为块状,αMg相内微分散的LPSO相极少。另外,从图4B(b)及图4B(c)可知,LPSO相为直线状,未见弯曲或 折弯的部分。
应当指出,上述镁合金板材制造方法只不过是一例,当然也可采用其他的各种制造方法进行制造,本发明的镁合金,不限于采用上述制造方法制得。
实施例
以下,对本发明的实施例及比较例进行说明。应当指出,这里示出的实施例为一例,并非用于限定本发明。
[实施例]
首先,作为本发明实施例的镁合金板材,将含Zn为2原子％、Y为2原子％、余量为Mg与不可避免的杂质的Mg-Zn-Y系合金,在高频熔化炉内进行熔化。其次,把加热熔化了的材料用金属模具进行铸造,制成φ69mm×L200mm的锭材(铸造材料)。另外,在挤出温度350℃、挤出比10,进行塑性加工(挤出加工),制成板状,接着,于100℃～500℃的热处理温度,进行1小时的热处理(退火),LPSO相形成板状(plate-shape)。然后,实施轧制加工,制成测试片。
把这样得到的镁合金板材,于室温进行拉伸试验,机械特性的评价结果示于图5(b)。应当指出,图5中符号A表示0.2％屈服强度,图5中符号B表示拉伸强度,图5中符号C表示延展性。
[比较例]
其次,作为比较例的镁合金板材,将含Zn为2原子％、Y为2原子％、余量为Mg与不可避免的杂质的Mg-Zn-Y系合金,在高频熔化炉内进行熔化。其次,把加热熔化了的材料用金属模具进行铸造,制成φ69mm×L200mm的锭材(铸造材料)。另外,在挤出温度350℃、挤出比10,进行塑性加工(挤出加工),制成板状,接着,LPSO相不形成板状(plate-shape),实施轧制加工,制成测试片。
把这样得到的镁合金板材,于室温进行拉伸试验,机械特性的评价结果示于图5(a)。应当指出,图5中符号A表示0.2％屈服强度,图5 中符号B表示拉伸强度,图5中符号C表示延展性。
从图5可知,本发明的实施例的镁合金板材,与比较例的镁合金板材进行比较,0.2％屈服强度及拉伸强度均提高。另外,已知延展性也得到提高。即,在本发明的实施例的镁合金板材中,含LPSO相的镁合金板材不改变合金组成,能够同时提高强度与延展性。