专利名称：由镁合金构成的线状体、螺栓、螺帽和垫圈的制作方法
技术领域：
本发明涉及由镁合金构成的线状体、以及各自由所述线状体制成的螺栓、螺帽和垫圈。更特别地，本发明涉及由镁合金构成的线状体，其具有优异的耐热性和塑性加工性并且适合用作紧固部件如螺栓用材料。
背景技术：
镁合金比铝轻并且具有比钢和铝更高的比强度和比刚度。因此，已经考虑使用镁合金作为用于各种构造元件如飞机部件、车辆部件、和电子/电气制品的壳体的材料。例如，专利文献I提出使用镁合金作为螺钉用材料。专利文献I公开了通过对由镁合金构成的线(线状体)进行诸如锻造加工和辊轧加工的螺钉用塑性加工来制造螺钉，所述线通过将挤出材料拉伸而获得。可使用紧固部件如螺钉和螺栓将金属元件相互紧固。在这种情况下，如果金属元件和紧固部件由不同种金属构成，或者如果紧固部件如螺栓和螺帽由不同种金属构成，则存在可能在不同金属之间发生电腐蚀，或者在高温环境中紧固状态可能因为热膨胀量之差而松弛的担忧。因此，当通过紧固部件将由镁合金构成的元件相互紧固时，优选地，使用也由镁合金构成的紧固部件，从而能够防止电腐蚀的发生或紧固状态的松弛。另外，当通过使用由金属构成的线状体作为材料并对所述材料进行塑性加工而制造紧固部件如螺栓时，实现期望的优异的生产率。现有技术文献专利文献专利文献1:日本特开2005-048278号公报
发明内容
技术问题然而，至今为止，没有考虑具有优异耐热性和适用于紧固部件如螺栓用材料的塑性加工性的由镁合金构成的线状体。某些部件如飞机部件和车辆部件在高温环境下使用。因此，由镁合金构成的紧固部件也要求具有优异的耐热性，并且因此，作为紧固部件用材料的线状体也要求具有优异的耐热性。另一方面，镁合金在室温(典型地约20°C)下具有差的塑性加工性。因此，如专利文献I中所述，通过将由镁合金构成的材料加热至实现高塑性加工性的温度而进行塑性加工。在此，例如，可考虑向镁合金中添加具有优异耐热性的元素而提高线状体的耐热性。然而，添加元素的量的增加倾向于降低塑性加工性。即使如上所述在塑性加工时对材料进行加热，也可能在塑性加工期间在材料中发生破裂等，从而导致紧固部件的生产率下降。因此，本发明的目的是提供一种在耐热性和塑性加工性方面优异的由镁合金构成的线状体。本发明的另一目的是提供具有优异耐热性的螺栓、螺帽和垫圈。
解决问题的手段本发明人已经发现，作为以特定范围将Ca和Zn包含到镁合金中的结果，Ca和Zn彼此相互作用而提高耐热性。另外，本发明人发现，通过以特定范围中的量将Ca和Zn包含到镁合金中，可减少由在由镁合金构成的线状体中包含添加元素而造成的塑性加工性的下降；并且由具有特定组成的镁合金构成的线状体可具有足以通过塑性加工制造螺栓等的塑性加工性。基于上述发现实现了本发明。根据本发明，线状体由镁合金构成，所述镁合金包含0.1质量％以上且6质量％以下的Zn，大于0.4质量％且4质量％以下的Ca，并且余量为Mg和不可避免的杂质，其中，当在150°C的温度、75MPa的应力和100小时的保持时间的条件下对所述线状体进行蠕变试验时，蠕变应变为1.0%以下。本发明的由镁合金构成的线状体具有以特定范围包含Ca和Zn的特定组成，并且因此，当进行蠕变试验时，其具有1.0%以下的小的蠕变应力，因此表现出优异的蠕变特性。因此，本发明的线状体具有优异的耐热性。另外，因为本发明的线状体具有特定组成，所以其具有优异的塑性加工性，并且可通过包括塑性加工的制造步骤令人满意地制造紧固部件如螺栓、螺帽或垫圈。因此，本发明的线状体可适合用作紧固部件用材料，并且此外，可适合用作进行各种塑性加工操作的二次制品用材料。另外，因为可通过材料除去量少(材料损失少)的塑性加工制造紧固部件，所以通过使用本发明的线状体作为材料，可以以高生产率制造紧固部件。另外，由本发明的线状体获得的紧固部件，即，通过对本发明的线状体进行塑性加工而获得的本发明的螺栓、本发明的螺帽或本发明的垫圈具有优异的耐热性。因此，通过使用本发明的螺栓、本发明的螺帽或本发明的垫圈，预期即使在高温环境中使用，也长期地维持牢固的紧固状态。特别地，因为本发明的螺栓具有优异的耐热性，所以即使在高温环境中使用，也能提高螺栓的轴向力，并且因此能够维持牢固的紧固状态。以下将更详细地说明本发明。在本发明的线状体中，耐热性随蠕变应力减小而提高。因此，蠕变应力优选为0.8%以下，并且特别是0.5%以下。Ca提高耐热性并有助于改善蠕变特性。当Ca含量为0.4%以下时，蠕变特性低。随着Ca含量增加，蠕变特性倾向于改善。然而，在以例如大于0.4质量％，特别是I质量％以上的高浓度包含Ca的情况下，伸长率倾向于下降，并且在塑性加工如拉伸加工时，容易发生破裂、断裂等。已经发现，例如，如后所述，对铸造材料进行特定的热处理或在拉伸加工的途中进行特定的中间热处理，可有效地减少塑性加工时的破裂、断裂等。因此，本发明的线状体以大于0.4质量％的量包含Ca。然而，当Ca含量超过4质量％时，塑性加工性降低。因此，将Ca含量设定为4质量％以下。更优选地，Ca含量为0.5质量％以上且3.2质量％以下。Zn与Ca相互作用而提高耐热性并有助于改善蠕变特性。当Zn含量小于0.1质量％时，蠕变特性低。当Zn含量超过6质量％时，塑性加工性降低。更优选地，Zn含量为
1.0质量％以上且5.4质 量％以下。Zn对Ca的原子比优选为ZniCa=1:0.5至2,并且特别地,Zn:Ca=1:0.8至1.5。当原子比满足上述范围时，预期会更容易地获得由Zn和Ca之间的相互作用造成的耐热性提高效果。可例如通过使用电感耦合等离子体发射光谱等测定元素含量(质量)并基于原子重量和元素质量之间的关系进行计算来获得原子比。因为本发明的线状体以上述特定范围包含Ca和Zn，所以表现出优异的耐热性和优异的塑性加工性。在使用除Ca和Zn之外，还包含选自Al、Sn、Mn、S1、Zr和Sr的至少一种元素的镁合金的情况下，可制造具有优异的机械特性、铸造性能、耐腐蚀性等的线状体，并且通过将这些元素的含量设定在下述特定范围内，可抑制与元素的包含相关的塑性加工性的降低。以质量百分比计，元素的含量如下:A1:0.1%以上且6%以下，Sn:0.1%以上且6%以下，Mn:0.01%以上且2%以下，S1:0.01%以上且2%以下，Zr:0.01%以上且4%以下，以及Sr:0.01%以上且4%以下。在上文所列的元素中，特别地，Zr具有使晶粒微细化的效果，并且可因为微细组织而提高镁合金的强度且可以提高塑性加工性。Mn具有提高强度的效果。应注意，术语“线状体”是指具有13mm以下的直径Φ (在其中线状体具有非圆形横截面如多边形或椭圆形横截面的情况下，面积与所述多边形或椭圆形横截面的面积相同的圆的直径)和直径Φ 100倍以上的长度的线状体。另外，线状体的实例包括具有预定横截面形状和尺寸的长的或固定长度(切割成预定长度)的棒材、线材、管材和形材。通过对由具有特定组成的镁合金构成的合适材料进行塑性加工如拉伸加工、挤出加工或压延加工而获得本发明的线状体。待进行塑性加工的材料的实例包括通过使具有特定组成的镁合金熔融并 然后将熔融的镁合金铸入具有预定形状的铸造模具中而获得的铸造材料，通过对具有任意形状的铸造材料进行热处理(例如后述的均质化热处理)而获得的热处理材料，通过对具有任意形状的铸造材料或热处理材料进行压延加工而获得的压延材料，通过对具有任意形状的铸造材料或热处理材料进行挤出加工而获得的挤出材料，以及通过对具有任意形状的铸造材料或热处理材料进行拉伸加工而获得的拉伸材料。特别地，本发明的线状体优选为通过最终进行拉伸加工而获得的线状体。优选在300°C以上的温度下对铸造材料进行热处理。通过在这种高温下进行热处理(均质化热处理)，可使在铸造材料中形成的树枝状晶粒中含有的合金元素固溶于母相中。通过热处理获得的热处理材料(固溶处理材料)具有其中晶粒为球状且小，或者基本上不存在晶粒的组织。预期这种组织有助于提高塑性加工性。更具体地，在温度为300°C至420°C和保持时间为I至100小时的条件下进行热处理。本发明一个实施方式的线状体可具有200MPa以上的0.2%屈服应力和260MPa以上的抗拉强度。本发明另一个实施方式的线状体可具有4%以上的伸长率。特别地，所述线状体优选具有200MPa以上的0.2%屈服应力、260MPa以上的抗拉强度和4%以上的伸长率。具有特定组成并且通过如上所述进行塑性加工如拉伸加工而制造的本发明线状体具有高的0.2%屈服应力、高的抗拉强度和优异的强度。因此，例如，当对本发明的线状体进行塑性加工(锻造加工、辊轧加工等)以形成螺栓时，可获得具有高强度(轴向力)的螺栓。另外，具有4%以上伸长率的本发明的线状体可在塑性加工时充分伸长，并因此不容易发生破裂等且表现出优异的塑性加工性。0.2%屈服应力、抗拉强度或伸长率越高，越优选。0.2%屈服应力优选为220MPa以上，特别是240MPa以上。抗拉强度优选为280MPa以上，特别是300MPa以上。伸长率优选为5%以上，特别是6%以上。如上所述，因为本发明的线状体具有优异的耐热性和优异的塑性加工性，所以其可适合用作进行塑性加工的二次制品用材料。塑性加工包括挤出加工、拉伸加工、锻造加工、辊轧加工、冲压加工、压延加工、压制加工、弯曲加工和拉伸加工。可对本发明的线状体单独进行或组合进行这些加工操作。除了紧固部件如螺栓、螺帽和垫圈之外，二次制品的实例还包括轴、销、铆钉、齿轮、板材、压制材料、飞机部件、车辆部件、以及各种电子/电气制品用部件和壳体。例如，通过在通过将本发明的线状体切割成预定尺寸而获得的棒状片上形成头部的锻造加工和在其轴部上形成螺纹的辊轧加工而制造本发明的螺栓。例如，通过冲压加工而制造本发明的螺帽，在冲压加工中，将通过将本发明的线状体切割成预定尺寸而获得的棒状片置于模具中，并在施加的压力下形成为预定形状且同时产生孔，然后在孔中切割螺纹。例如，通过对通过将本发明的线状体切割成预定尺寸而获得的棒状片进行压制加工或冲压加工而制造本发明 的垫圈。在将本发明的螺栓和螺帽或者本发明的螺栓、螺帽和垫圈组合而形成紧固结构的情况下，通过使用各自由镁合金(优选地，具有相同组成的镁合金)构成的部件，可抑制这些紧固部件之间的电腐蚀的发生或由于热膨胀之差而造成的紧固状态的松弛。本发明实施方式的螺栓、螺帽或垫圈的表面可设置有防腐蚀涂层。通过在所述螺栓等的表面上设置涂层，可防止镁合金因为与螺栓等的使用环境中包含的腐蚀性成分接触而被腐蚀，并且可提高所述螺栓等的耐腐蚀性。除了紧固部件如螺栓、螺帽和垫圈之外，轴、销、铆钉、齿轮、板材、压制材料、飞机部件、车辆部件、以及各种电子/电气制品用部件和壳体的各自的表面也可以设置有涂层。由具有抵抗在使用环境中包含的腐蚀性成分的耐腐蚀性的材料构成并具有防止腐蚀性成分侵入的结构的涂层可适合用作所述涂层。例如，可将无机涂层材料或有机涂层材料用作所述涂层，并且从耐热性、耐久性等观点来看，优选使用无机涂层材料。当在使用期间对其施加应力(载荷)的部件如螺栓上设置涂层时，根据需要，可向涂层中添加由陶瓷、金属或树脂构成的助剂以提高涂层的强度。可使用已知的涂布技术设置所述涂层。作为涂层材料，例如可使用购自德尔肯株式会社(Doerken Corp.)的 DELTA 系列。优选地，所述涂层的厚度为Iym以上且小于20 μπι。在I μ m以上的厚度下，可获得足够的耐腐蚀性。在小于20 μ m的厚度下，部件的尺寸精度不容易受影响。当在部件如螺栓的表面上设置涂层时，通过进行表面处理如脱脂处理、化学转化处理、喷丸处理或喷砂处理作为预处理可提高部件和涂层之间的粘附性。另外，在设置涂层时进行热处理的情况下，考虑到对构成涂布有涂层材料的部件的镁合金的晶体组织的热影响，优选将热处理的温度设定为低于250°C。发明的有益效果本发明的由镁合金构成的线状体具有优异的耐热性和优异的塑性加工性，并且可适合用作紧固部件如螺栓、螺帽和垫圈用材料。本发明的螺栓、螺帽和垫圈具有优异的耐热性。
[图1A]图1A是示出具有组成I的镁合金的金属组织的显微镜照片(400倍)，并示出铸造材料，所述组成I为试验例I中制造的组成中的一种。[图1B]图1B是示出具有组成I的镁合金的金属组织的显微镜照片(400倍)，并示出均质化材料，所述组成I为试验例I中制造的组成中的一种。[图1C]图1C是示出具有组成I的镁合金的金属组织的显微镜照片(400倍)，并示出挤出材料，所述组成I为试验例I中制造的组成中的一种。[图1D]图1D是示出具有组成I的镁合金的金属组织的显微镜照片(400倍)，并示出拉伸材料，所述组成I为试验例I中制造的组成中的一种。
具体实施例方式以下将说明本发明的实施方式。(试验例I)[线的制造]将各元素装入到坩埚中以满足表I中所示的组成(质量％)。将所得混合物在电炉中熔融并倒入铸造模具中形成镁合金坯料(铸造材料)。所用的坩埚和铸造模具由高纯碳构成，并在IS (Ar)气气氛中进行熔融和铸造。各还料具有直径Φ为80mm且长度为90mm的圆柱形状。接着，对各坯料的表面进行研磨以形成直径Φ为49_的研磨材料。然后对研磨材料进行挤出加工以制造直径Φ为13mm的棒材(挤出材料)。表I还示出了组成I至III的添加元素的原子数。当测定使用组成I至III制造的挤出材料的原子比时，测定值与表I中不出的数值相同。在挤出加工中，优选将加工温度设定为350°C至450°C。通过将加工温度设定为350°C以上，增强了镁合金的塑性加工性并且容易防止在加工期间发生破裂等。随着加工温度增加，可以增强塑性加工性。然而，如果加工温度超过450°C，则在加工期间晶粒生长进行而使晶粒变粗大，并且存在粗大的组织会在随后的加工中降低塑性加工性的可能性。挤出比优选为5%至20%。通过将挤出比设定为5%以上，可预期因与挤出加工相关的变形而提高机械特性。然而，如果挤出比超过20%，则存在在加工期间发生破裂、断裂等的可能性。当挤出后的冷却速度为0.1°C /秒以上时，可抑制晶粒生长，这是优选的。为了如上所述增加挤出后的冷却速度，例如可使用强制冷却手段。在本实验中，在385 °C的加工温度、15%的挤出比、0.2mm/秒的挤出速度和0.1°C /秒的冷却速度的条件下进行挤出加工。[表 I]成分(质量％)
权利要求
1.一种包含镁合金的线状体， 所述镁合金包含0.1质量％以上且6质量％以下的Zn,大于0.4质量％且4质量％以下的Ca，并且余量为Mg和不可避免的杂质， 所述线状体的特征在于，当在150°C的温度、75MPa的应力和100小时的保持时间的条件下对所述线状体进行蠕变试验时，所述线状体具有1.0%以下的蠕变应变。
2.一种包含镁合金的线状体， 所述镁合金包含0.1质量％以上且6质量％以下的Zn,大于0.4质量％且4质量％以下的Ca,选自由0.1质量％以上且6质量％以下的A1、0.1质量％以上且6质量％以下的Sn、0.01质量％以上且2质量％以 下的Mn、0.01质量％以上且2质量％以下的S1、0.01质量％以上且4质量％以下的Zr和0.01质量％以上且4质量％以下的Sr组成的组中的至少一种元素，并且余量为Mg和不可避免的杂质， 所述线状体的特征在于，当在150°C的温度、75MPa的应力和100小时的保持时间的条件下对所述线状体进行蠕变试验时，所述线状体具有1.0%以下的蠕变应变。
3.根据权利要求1或2所述的包含镁合金的线状体，其特征在于，Zn对Ca的原子比满足表达式Zn: Ca=1: 0.5 2。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的包含镁合金的线状体，其特征在于，所述线状体具有200MPa以上的0.2%屈服应力和260MPa以上的抗拉强度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的包含镁合金的线状体，其特征在于，所述线状体具有4%以上的伸长率。
6.一种螺栓，其特征在于，所述螺栓通过对根据权利要求1至5中任一项所述的包含镁合金的线状体进行塑性加工而制得。
7.一种螺帽，其特征在于，所述螺帽通过对根据权利要求1至5中任一项所述的包含镁合金的线状体进行塑性加工而制得。
8.一种垫圈，其特征在于，所述垫圈通过对根据权利要求1至5中任一项所述的包含镁合金的线状体进行塑性加工而制得。
全文摘要
本发明提供一种由镁合金构成的线状体，所述镁合金包括以质量百分比计，0.1%至6%的Zn，0.4%至4%的Ca，并且余量为Mg和不可避免的杂质，其中，当在150℃的温度、75MPa的应力和100小时的保持时间的条件下对所述线状体进行蠕变试验时，所述线状体具有1.0%以下的蠕变应变。Zn和Ca彼此相互作用而提高耐热性，并由此可获得具有优异蠕变特性的线状体。通过以特定范围内的量将Zn和Ca包含到镁合金中，还可以获得具有优异的塑性加工性的线状体。
文档编号C22C23/04GK103180473SQ20118004941
公开日2013年6月26日 申请日期2011年10月3日 优先权日2010年10月12日
发明者桑原铁也, 西川太一郎, 中井由弘, 丹治亮, 草刈美里 申请人:住友电气工业株式会社