用注模法成形的零件及其制造方法 本发明涉及用半熔的颗粒状金属或合金注模法成形的部件及其制造方法。更具体地说，当半熔的颗粒状金属被注入模具，以使零件成形为想要的形状时，将其这样安排，以使得半熔的颗粒状金属的液相分布在该零件的表面部分，而半熔的颗粒状金属的固相分布在该零件的内部，以便该材料的每种物理性质(归因于液相部分和固相部分的每种化学组成)可作为该零件的功能加以利用。
通常，用铝合金或镁合金作原料，以压铸法或重力铸造法(通过将熔融原料缓慢浇注到模子中铸型)制造的零件在其表面和内部实际上具有均匀地化学组成，并且该材料的特性很少有变化。因此，在模制零件的表面上所要求的特性，如耐磨性和耐腐蚀性等，通常与对该零件内部所要求的高的挠性或类似性质不同，并且人们认为，难以同时很到这两种特性。
相对照，已提出一种技术，对模制零件局部地提供耐磨性，其中是将刚性的多孔材料，如陶瓷纤维或类似材料放置在模具内部预定的位置，并将熔融合金浇铸入模具中，和在模具内部加压，以使多孔材料与模制零件复合。
此外，一种众所周知的技术能将SiC(碳化硅)粒子以很高密的度集聚在特定部分，该技术通过将一过滤器安放在模具内部的预定位置，将熔融合金浇铸到模具中，并在模具内部对熔融合金加压(此时大的粒子如非金属材料或类似材料被分散)以进行模制(日本公开专利申请号No.3-5063)。
另外，还提出了一种方法，该方法中镁合金材料为半熔状态，具有60％或更低的固相率，将其注入模具中形成铸型制品，然后在其中完成增塑处理，随即形成模制产品(日本公开专利申请号No.6-297127)。
在前述的用半熔的颗粒状金属的注模法(以下称之为半熔注模法)中，半熔的合金包括固相部分和液相部分，它们各具有不同的化学组成，并具有下列特性。亦即：
①在铝-镁(以下称之为Al-Mg)镁合金中，固相部分具有少量的铝(以下称之为Al)组分，而液相部分具有大量的Al组分；
②在铝-硅(以下称之为Al-Si)铝合金中，固相部分具有少量的硅(以下称之为Si)组分，而液相部分具有大量的Si组分。
在上述给模制零件局部提供的磨性的技术中，因为多孔材料需要进行预加热，或在高于预定温度的温度下保温，以便将其放入模具中，所以这种处理引起生产效率下降。
另外，在半熔注模法中，材料的组成在固相部分和液相部分中是不同的。因此，可通过变动固相部分和液相部分的分布来改变该材料在模制零件的表面部分和内部部分上的特性。但是，还没有提出一种技术肯定能达到上述目的。
例如，当半熔注模法应用于Al-Mg镁合金时，其液相部分具有比较大量的Al组分，它倾向存在于模制零件的表面。虽然这种特性可用来为表面提供耐腐蚀性，但还没有提出一种技术从构成上将包括在液相部分中的Al组分分布到要求高耐腐蚀性的部分。因此，不能进一步防止零件的腐蚀性。
本发明已考虑到上述情况，并把其目标定为，提供用半熔的材料注模法成形的零件及其制造方法，用于在构成上将液相部分分布在要求高耐磨性的那些部分，如用半熔注模法成形的零件的表面，以便增加耐腐蚀性和耐磨性，并容易得到在表面部分和内部部分之间具有不同材料特性的模制零件。
为了解决上述问题和达到上述目的，本发明提供一种零件的制造方法，该零件通过将半熔的合金材料(包括固相部分和液相部分)注入模具中模制，其特征在于，在该零件的预定部分局部地形成一个由液相部分构成的层。
另外，按照本发明用半熔注模法模制的零件具有下面的特性。亦即，该零件通过将半熔的合金材料(包括固相部分和液相部分)注入模具中模制，并且其特征在于，在该部件的预定部分局部地形成一个由液相部分构成的层。
从下面结合附图所作的说明，本发明的另外一些特点和优点就很明显，在附图中同样参考字符代表所有图中相同或相似的零件。
结合附图并构成本说明书的一部分，说明本发明的实施例，并和本说明一起，用以阐明本发明的原理。
图1是说明用半熔注模法模制的比较试件的典型结构的剖面图；
图2是显示用半熔注模法成形的比较试件的实际结构的剖面的显微照片；
图3是显示按照本发明的实施例的半熔注模机主要零件的示意图；
图4是显示应用按照第一实施例的制造方法制造腐蚀试件方法的剖面图；
图5是沿着图4中A-A线切开的剖面图；
图6是显示对按照第一实施例的方法制造的腐蚀试件进行盐喷试验(SST)的结果的图表；
图7是说明按照第二实施例，应用半熔注模法模制腐蚀试件方法的剖面图；
图8为沿着图7中B-B线切开的剖面图；
图9所示的表为遵照日本工业标准(JIS)在两种试件上进行了T6加热处理，它们之中的每个试件都留下了没有经过精整处理的试件，并且还有用表面粗糙度为#600的砂纸对其进行抛光处理的试件；图9所示的图形为在该两种试件的表面上以腐蚀损耗表示的盐喷试验(SST)的结果；
图10所示的表为在两种试件上进行T6加热处理，它们之中的每个试件都留下了没有经过精整处理的试件，并且还有用表面粗糙度为#600的砂纸对其进行抛光处理的试件；图10所示的图形为在该两种试件的表面上以平均磨耗深度表示的盐喷试验的结果；
图11所示为4种Al-Mg镁合金的化学组成表，这4种合金含铝量不同，用常规的注射法模制，并且对它们进行了拉力试验和冲击试验；
图12所示为对图11所示的4种合金进行拉力试验和冲击试验所得的结果；
图13是说明按照第一实施例，应用半熔注模法模制汽车车轮方法的剖面图；
图14为按照第一实施例模制的汽车车轮的正视图，对此车轮已进行了机械加工；
图15为图14的剖面图；
图16所示为按照第二实施例，应用半熔注模法模制汽车车轮方法的剖面图；
图17为按照第二实施例模制施的汽车车轮的立视图，对此车轮已进行了机械加工；
图18为图17的剖面图；
图19所示为4种Al-Mg镁合金的化学组成表，这4种合金含Al量不同，按照第一和第二实施例用注射法模制，并对它们进行了拉力试验和冲击试验；
图20所示为对图19所示的4种合金进行拉力试验和冲击试验所得的结果；
图21为说明Al-Si铝合金状态的图；
图22所示的表为Al-Si铝合金化学组成；和
图23所示为对具有图22所示的化学组成的铝合金的表面和内部部分进行磨损试验所得的结果，它们是按照本实施例模制的。
下面将按照附图详细说明本发明的优选实施例。
(制造方法的原理)
首先，将要阐明按照本实施例，用半熔注模法模制零件的制造方法的原理。图1所示为用半熔注模法模制的比较试件的典型结构的剖面图。图2所示为用半熔注模法成形的比较试件的实际构造剖面的显微照片。
对于具有大量液相的半熔合金，亦即对于具有50％或更少的固相率{＝固相量/(固相量+液相量))的半熔合金来说，固相部分和液相部分被相对均匀地分布在薄的模制零件(5mm或更薄)的厚度方向上，如用普通压铸法模制的零件。但是，对厚的模制零件来说，固相部分趋向于朝厚度方向的中心，亦即朝内部部分聚焦。这是由模具中固相部分和液相部分之间流动性差异所产生的现象引起的。
按照本实施例用半熔注模法模制的零件是利用上述现象进行模制。本发明的发明人发现，该现象受固相的粒子粒度与半熔状态下模制零件厚度之间的关系影响，并且发现，固相的粒子粒度越小(和模制零件的厚度相比)，则固相部分朝内部部分聚焦的可能性越大。应该注意，固相的粒子粒度是固相部分中所包括的全部粒子的平均粒度。
(半熔注模机的构型)
图3所示为按照本实施例的半熔注模机的主要零件的示意图。
参照图3，将提供有关本实施例中所用的螺旋式半熔注模机的简要说明。在该图中，螺旋式注模机1转动螺旋桨2，以将原料3传送到加热钢筒4中，同时用螺旋桨2搅拌原料3，充分混合并加热，从而达到半熔状态。当半熔的原料3被推向螺旋桨2的前方时，该压力推动螺旋桨2退回，作为不用原料的压力退回螺旋桨的另一种方法，可强制螺旋桨以任意速度退回。当螺旋桨2退回一预定长度时，高速注射机构5探测到退回情况，停止螺旋桨的转动，与此同时，停止螺旋桨退回。原料3的量可通过设定螺旋桨2的退回距离来确定。通过用高速注射机构5将螺旋桨2向前推进，将半熔原料3从喷咀9注射到模具6中。原料3为镁丸(后面将要说明)，并从漏斗8输送到钢筒4中。在漏斗8连接到钢筒4的通路7中充满氩气。通过在氩气氛中处置原料，防止原料(如镁丸)氧化。
按照上述螺旋式注模机1，原料可在加热钢筒4内部的加热区l中，利用螺旋桨2搅拌该原料并充分混合，进行均匀加热。
〔半熔注模法模制零件的制造方法的第一实施例〕
下面，作为第一实施例，将对不是用过滤器(在第二实施例中用过滤器)、而是通过控制固相粒子的粒度和分布，用半熔注模法模制零件的制造方法提供说明。图4说明了应用第一实施例的制造方法制造腐蚀试件的方法。图5所示为沿图4中A-A线切开的剖面。图6所示为在腐蚀试件上进行盐喷试验(SST)所得的结果，该腐蚀试件是按第一实施例的方法的。
参看图4-6，在第一实施例中所用的腐蚀试件是通过将半熔的材料从喷咀9注射到模具6中模制施而成，同时满足下面的条件。图6中还列出了对用常规注模法制造的比较试件进行盐喷试验的结果，和对用压铸法加工的另一个比较试件进行盐喷试验的结果，用于比较。
〔制造条件〕
材料：符合美国材料试验协会(下面称之为ASTM标准)的AZ91D合金。
〔盐喷条件〕
加盐的水：5％(重量计)NaCl(氯化钠)
温度：35℃
持续时间：1000小时
〔制造方法〕
用常规方法注模法：
用图3所示的注模机，模制固相率约为25％的试件，以得到粒度约为100-150μm的固相粒子。
按照本实施例注模法：
模制试件，以便固相率约为25％。当用机器加工生产料丸时，利用在加工前已增塑了的料丸，以得到固相成细粒状的粒子粒度，亦即约为50-80μm。
压铸法：
试件用正规的冷压试压铸机模制。
(腐蚀试验结果)
如图6所示，按照第一实施例的方法，通过将合金的固相粒子粒化成比常规材料更细的材料，改善了耐腐蚀性。
(使固相粒子细粒化的方法)
下面，将对使固相粒子细粒化到小于模制零件厚度1/50的方法作出说明。
在加热半熔合金材料时所得到的固相的粒子粒度取决于造粒晶体的粒子粒度。换句话说，晶体的粒度越小，固相粒子的粒度也变得越小。因此，固相粒子可通过在作为基底材料的固体合金上进行增塑加工(如滚动加工、锻造加工或类似加工方法)进行细粒化，该基底材料是切成小丸之前的合金材料。
另外，在生产作为基底材料的固体合金时，可通过加CaCN2(氰化钙)或Sr(锶)来实现晶体粒子的细粒化。
此外，Sr(锶)有效地防止了固相粒子逐渐变粗，粒子变粗是由于合金材料长期停留在注模机内部并保持在半熔状态所引起的。
〔用半熔注模法模制零件的制造方法的第二实施例〕
下面，作为第二实施例，将对应用过滤器用半熔注模法模制零件的制造方法进行说明。
图7说明按照本第二实施例，应用半熔注模法模制腐蚀试件的方法，而图8为沿图7中B-B线切开的剖面图。
在第二实施例中，注意力集中在下面几点上：
①在Al-Mg镁合金中，固相部分具有少量的Al组分，而液相部分具有大量的Al组分；
②在Al-Si铝合金中，固相部分具有少量的Si组分，而液相部分具有大量的Si组份。
为了通过从构成上将液相部分分布到要求高耐腐蚀性和高耐磨性的那些部分(如表面部分)，以改善耐腐蚀性和耐磨性，利用过滤器12将模具6分开成模腔6a和6b(见图7)。过滤器12是一种多孔材料(如泡沫镍)，其孔隙小于固相部分粒子的粒度，亦即约为80μm。过滤器12截留从喷咀9注射的半熔金属材料的固相部分，而只让液相部分通入模腔6b。
(腐蚀性试验结果)
下面，将对按照第二实施例用半熔注模法成型的腐蚀性试件与用常规半熔注模法成形的比较试件之间的腐蚀性进行比较。
第二实施例中所用的试件和比较试件均是现有的镁合金AZ91D，即与第一实施例相同，并且模腔6b的6c部分是腐蚀性试验的评价表面。比较试件是用没有图7所示的过滤器12的模具，用半熔注模法成形的。正如在“相关技术的说明”中所述，当用半熔注模法成形时，具有相对大量Al组分的液相部分3a(见图1)趋向于聚集在模制零件的表面上。因此，在评价表面6c上形成一层，其厚度d为几μm到400μm，该层只包括液相部分3a，而在内部部分形成的一层包括液相部分3a和固相部分3b，如图1和2所示。
另外，因为固相部分3b被过滤器12截留在按第二实施例模制施的试件中，所以它的构造的剖面只包含液相部分3a。
图9所示的表为遵照日本工业标准(JIS)在两种试件上进行加热处理，它们之中的每个试件都留下了没有经过精整处理的试件，并且还有用表面粗糙度为#600的砂纸对其进行抛光处理的试件；图9所示的曲线图为在该两种试件的表面上以腐蚀损耗表示的盐喷试验(SST)的结果。图10所示的表为在两种试件上进行T6加热处理，它们之中的每个试件都留下了没有经过精整处理的试件，并且还有用表面粗糙度为#600的砂纸对其进行抛光处理的试件；图10所示的曲线图为在该两种试件的表面上以平均磨耗深度表示的盐喷试验(SST)的结果。正如从图9和图10中可以看到的那样，当不用过滤器进行实验时，试验结果表明，没有精整加工的试件表面比用#600粗糙度的砂纸抛光加工过的试件具有更好的结果。这是由于抛光加工使表面构成具有低铝组分，具有低铝组分的构造通过每次模制在工件的内部成形，它的耐腐蚀性低。
应该注意，T6处理是在溶液处理之后进行人工老化处理的加热处理。
当比较两种试件的试验结果时，按照第二实施例模制施的试件在未用抛光加工和用了抛光加工这两种情况下都占优势，在液试件中，具有大量铝组分的构造在结构上分布于表面部分中。
通过将按照第二实施例的半熔注模法应用于Al-Mg镁合金，模制零件的表面具有更好的耐腐蚀性、很高的刚度及改善了内部的挠性，此外，当应用Al-Si铝合金时，模制零件的表面得到改进了的耐磨性和改进了的内部挠性。
〔应用于汽车车轮〕
下面，将叙述依照第一和第二实施例应用半熔注模法模制施汽车车轮的情况。
一般对汽车在轮而言，轮辋、轮毂和轮辐是整体成形的，轮的重量越轻越能改进驱动的稳定性。因此，近来用铝合金或镁合金制作车轮的要求正在增加。
汽车车轮的表面部分需要耐腐蚀。特别是当用铸造方法例如像本实施例所用的压铸法或注模法制作镁合金车轮时，采用铝-锰(下文称为Al-Mn)镁合金(例如遵守ASTM(美国材料试验协会)标准的AM60合金)，因为它的耐冲击特性是优越的。
从耐腐蚀的观点，遵守ASTM标准铝含量大的AZ91D合金是可取的；然而，它的耐冲击力明显地低。实际上，没有能全部满足耐腐蚀、高刚性特性例如高屈服强度或抗拉强度和高挠性的合金。
从这种情况，考虑本实施例如下所述选择的合金组分适于汽车车轮。
图11示出四种型号的Al-Mg镁合金的化学组成，该合金是具有各种Al成分的以常规的注模法模制的，并对其进行了拉力试验和冲击试验。图12示出了对图11中所示四种型号合金的拉力试验和冲击试验的结果。
参看图11和12，在包括铝(Al)，锰(Mn)和锌(Zn)的合金中，铝组分对物理性能和耐腐蚀性影响最大，并且当铝含量提高到7％(重量)以上时，所有性能明显变坏。
为了达到比车轮需要值高的冲击值(图12中7J/cm2)，最好使Al含量小于7％；然而，当Al含量低时，抗拉强变坏，结果导致低的刚性并特别影响螺帽夹紧的表面的耐磨性。因此，需要局部地增加Al含量以便增加在特殊部分的刚性。
在本实施例中，对铝的特性加以考虑，并且规定了合金的组分以便满足前述的作为模制零件的功能要素，采用在第一和第二实施例中叙述过的半熔注模法模制汽车轮轮。
〔第一实施例的应用例子〕
下面，将叙述依照第一实施例采用的半熔注模法模制汽车车轮的应用例子。图13示出一个依照第一实施例采用半熔注模法模制的汽车车轮。图14示出已完成机械加工的汽车车轮的正面图。图15是图14的剖面图。注意：下述实施例除汽车车轮以外也可应用于自动传动装置或发动机活塞的离合器鼓轮。
一般，汽车车轮整体需要强度和耐腐蚀性，以及在螺夹紧的表面上需要耐磨性。
当应用第一实施例时，如图13所示，车轮可被模制成有液相部分集聚到车轮的表面。因此，能通过只硬化图13中车轮20的螺帽夹紧表面20a增加整体的强度(例如挠性和冲击强度)。当采用Al-Mg镁合金时，Al的浓度增加，当采用Al-Si铝合金时，Si的浓度增加；每一种情况都可增强螺帽夹紧表面20a的刚性。
〔第二实施例的应用例〕
下面，将叙述依照第二实施例采用半熔注模法模制汽车车轮的应用例子。图16图解了依照第二实施例采用半熔注模法模制的汽车车轮。图17是已完成机械加工的汽车轮的正面图。图18是图17的剖面图。
如图16所示，当采用第二实施例时，过滤器12位于模制零件的轮毂部分，该部分成为车轮的轮毂部分的螺帽夹紧表面30a，以便在汽车车轮的轮毂部分夹紧螺帽时防止磨损螺帽夹紧的表面。因为固相部分被过滤掉，螺帽夹紧表面30a完全由液相部分形成。因此，可以通过只硬化图17和18中车轮30的螺帽的夹紧表面30a就能增强整体的强度(例如挠性和冲击强度)。当采用Al-Mg镁合金时，Al浓度增加，而采用Al-Si铝合金时，Si浓度增加；每一种情况都能增强螺帽夹紧表面30a的刚性。
此外，当过滤器位于模制零件里面左边时，采用刚性材料做过滤器可以强化基底材料。
例如，可以在螺夹紧的表面的位置上放置金属的或陶瓷的多孔材料，以便此材料起过滤器的作用并在模制后用作加强材料以防止磨损。
〔应用本实施例于汽车车轮和合金选择的效果〕
图19示出进行过抗拉试验和冲击试验的四种型号Al-Mg镁合金的化学组成。图20示出对图19中四种型号合金进行腐蚀试验和冲击试验的结果。注意：模制零件的技术条件设置如下：
轮盘：最小厚度5mm(轮辐部分厚度15mm)固相粒子粒度：80μm。
图20中所示试验结果是依据用图19所示四种型号Al-Mg镁合金模制的汽车车轮得出的。耐腐蚀试验是对取自轮盘表面的P1(图14)和P2(图17)的试件进行的，而摆锤式冲击试验是对轮辐的内部部分进行的。图19和20说明Al含量如何影响每种合金的耐腐蚀性和物理性能。图20表明有高耐腐蚀性和高耐冲击力的合金是图19中的“No.5”和“No.6”合金，并指出Al含量的6.5重量％至7.5重量％的范围是可取的。
当如图16中所示采用过滤器时，Al含量可以高于7.5重量％，因为固相部分可以随意安排无需考虑模制零件的剖面厚度，但也不能高于10重量％，因为也能引起固相部分中Al含量增加。
〔与硅含量的关系〕
下面，将叙述与硅含量的关系。图21依据温度、硅含量的重量％(重量百分数)和原子％(原子百分数)，解释了包含在Al-Si铝合金中的液相部分和固相部分的平衡状态。
如图21中所示，虚线l1表示液相的变化(下文称液相线l1)，实线l2表示固相的变化(下文称固相线l2)。液相线l1和固相线l2的交叉点Q表示低共熔点(下文称低共熔点Q)。此外，液相线l1和固相线l2之间的区域A1表示在此区域内铝合金是半熔融的。靠近液相线l1、固相线l2和靠近低共熔点Q的括号内指示的值是以重量％(重量百分数)表示的硅含量，括号外的值是以原子％(原子百分数)表示的硅含量。
在低共熔点Q处的Si含量是11.3原子％和11.7重量％，即约12重量％。在低共熔混合物的熔点最低的半熔融状态下，低共熔混合物变成液相并分布在表面部分。有小量Si含量的固相部分分布在零件的内部部分，从而使零件具备了挠性。为了有上述的构形，Si含量必须小于约12重量％(如果Si含量小于12重量％，零件内部部分的混合物包含大的Si含量)。然而，当Si含量小于约6重量％时，构成具有低共熔混合物或含有大量Si的混合物的表面部分就变得困难。因此，在上述第一和第二实施例中采用Al-Si铝合金时，特别在Si含量至少在6重量％至12重量％时，在液相部分形成含有大量Si的一层，使得在表面部分增加了刚性并在风部部分增加了挠性。
图22显示了Al-Si铝合金的化学组成。图23显示了对具有图22中化学组成的铝合金的表面和内部部分磨损试验的结果，此铝合金是依照本实施例模制施的。
有图22化学组成的Al-Si铝合金是半熔成固相率为30％，搅拌、注入模具中，用下述试验条件进行耐磨试验。
〔试验条件〕
磨损试验方法：环-沿-盘型
(轮)环材料：Scr420符合JIS(日本工业标准)
(轮)盘材料：依照本实施例制造的铝合金材料(用T6加热方法完成的)表面压力：190kg/cm2
润滑油：等值于符合汽车工程师协会(SAE)编号的发动机油5W30
温度：100℃
滑动距离：5000m
如图23中所示，由于依照本实施例制造的(轮)盘材料中包含硅，与内部部分比较，表面部分显示出较好的耐磨性。
如上所述，依照由半熔注模法模制的零件的制造方法，由液相部分组成的层局部地模制在模制零件的预定部分，此零件是通过将由固相部分和液相部分组成的半熔合金材料注入模中模制成的。依靠前述特点在组成上可以将液相部分安排在那些需要高耐腐蚀性的部分例如通过半熔注模法成形的零件的表面部分上，以便改善耐腐蚀性和耐磨性，并容易得到在零件表面和内部间有不同材料特性的模制零件。
此外，通过在模具内预定位置上放置过滤材料并在注入半熔合金材料时截留固相部分，可将由液相部分组成的层局部地模制在模制零件的预定部位上。借助这点，液相部分能可靠地安排在那些特别需要高耐腐蚀性的部位上，例如通过半熔注模法成形的零件的表面。由于上述特点，耐腐蚀性和耐磨性都可得到加强。
本发明不限于上述实施例并且在本发明的精神和范围内可以完成各种各样的变化和改进。因此，为了评价本发明的范围，提出下述权利要求。