专利名称：流动性优异的镁合金及其材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及流动性优异并适用于各种高压铸造法如金属注模法、压模铸法或挤压铸法的镁合金，并涉及通过半熔融金属的喷注而制备的该镁合金的材料。
背景技术：
因为镁合金具有轻重量和高强度的特性，因此镁合金被用于例如便携式电器等领域，并且其应用范围和应用量均在逐渐增加。迄今为了制备这些元件，已广泛采用了各种各种高压铸造法，如金属注模法、压模铸法或挤压铸法。
作为可用于高压铸造的镁合金，已标准化了下列Mg-Al基合金。以下示出的数值是以质量％为单位的。
(1)多用途合金9Al-0.6Zn-0.3Mn-余量Mg(AZ91D)(2)高展性合金6Al-0.3Mn-余量Mg(AM60B)(3)高展性合金5Al-0.3Mn-余量Mg(AM50A)(4)高展性合金2Al-0.3Mn-余量Mg(AM20)(5)耐热合金4Al-1Si-0.4Mn-余量Mg(AS41B)(6)耐热合金2Al-1Si-0.2Zn-0.4Mn-余量Mg(AS21)(7)耐热合金4Al-2Mm-0.3Mn-余量Mg(AE42)据认为这些镁合金具有相对较高的强度，在铸造工艺中还具有良好的熔融金属流动性。例如，AZ91D合金作为多用途合金不仅流动性好，而且强度和耐蚀性也好，且已被作为平衡合金用于镁合金产品的主要部分(约90％)。
近来，要求便携式电器具有更轻的重量，且要求厚度为1mm或更小且更轻重量的外壳。但对于具有较好流动性的先有镁合金(如AZ91D)，当通过高压铸造工艺制造具有1mm或更小厚度的产品时，出现的问题是由于熔融金属的差流动性而容易引起表面缺陷，从而降低产品产率。
发明内容
本发明是在上述情况的背景下实现的，从而本发明的目的是提供具有比先有材料更为提高的流动性且适用于生产厚度更薄的产品的镁合金，以及提供通过利用上述合金的注模工艺而制备的镁合金材料。
为了解决上述问题，在发明的镁合金中，第一发明物的特征在于含有质量％如下的物质Al10.0-12.8％，Si0.4-1.4％，和Mn0.1-0.9％，质量％20ppm～800ppm总量的Be、Ca、Sr、Ba和网状金属(Mesh metal)的一种或两种或多种，而其余为Mg和不可避免的杂质，其中所述材料是通过在半金属条件下(50％或更低的固相比例)将所述合金喷注进模具的高压铸造工艺而制备的。
在上述第一发明物中，镁合金的特征在于进一步包含质量％小于0.7％的Zn。
下面将通过本发明的镁合金组分说明加工过程并说明确定其含量的原因。
Al10.0-12.8％Al降低熔点和固线温度，并提高潜热以提高流动性。另外，几乎不在Mg的基相制备固体，而是在Mg的初晶固化之前进行浓缩，以便保持良好的流动性，直至当固化时与Mg形成共晶化合物。固化之后，通过与Mg的共晶化合物分散强度而使强度增加。如果Al量小于10％，则不产生足够的强度。另一方面，如果高于12.8％，作为金属间化合物的高强度和易碎的Mg17Al12很大程度上结晶为具有极低的延展性，并在铸造中易出现破裂。鉴于这些原因，Al含量被确定为上述范围。出于同样的原因，优选将下限定为10.2％。
Si0.4-1.4％Si与Mg形成金属间化合物Mg2Si，并对Al导致共晶反应以结晶出共晶Si。这些物质各自均有助于潜热的增加和流动性的提高。为提供上述效能，Si含量需要为0.4％或更高。相反，若超过1.4％，则延展性降低，所以Si含量被确定为上述范围。
Mn0.1-0.9％Mn与Al结合形成金属间化合物，并通过使Fe成为Mn中的杂质元素固体而控制耐蚀性的降低。为完全获得这些效能，需要Mn为0.1％或更高，而低于0.1％时，效果会不够。但如Mn含量高于0.9％，熔融金属的溶度将降低，所以Mn含量被确定为上述范围。出于同样原因，优选将其下限设为0.2％。
Zn小于0.7％因为Zn降低熔点，所以如果需要的话可以含有Zn，但如含量高于0.7％，铸造时易出现破裂，所以含量应低于0.7％。
Be、Ca、Sr、Ba、Mm20ppm-800ppm这些元素是用来控制熔融金属的氧化作用，同时维持高流动性，并用于防止燃烧。因此如果需要的话可以含有一种或多种。为完全提供这些作用，总共20ppm或更多是必需的，而如低于10ppm，则阻燃作用不充分。另一方面，如总计超过800ppm，则熔融金属的溶度降低，并导致出现这样的问题，即这样的含量不仅是无用的，而且易于在铸造过程中产生破裂。因此，这些元素的总含量被确定为上述范围。本发明的镁合金的熔融是以上述元素范围为目标，但本发明物对于金属熔融方法没有特别的限制，从而可以采用普通常用的方法。在使金属保持熔融时或在一次板坯轧制后，可将熔融镁合金提供给作为后续程序的铸造工艺。
作为铸造步骤中的铸造方法，可以采用众所周知的工艺，但因为本发明的镁合金具有极佳的铸造性能并根据对铸造性能的要求，它是适用于可生产高质量材料的高压铸造工艺如注模法、挤压铸法或金属注模法的材料。
对于这些铸造工艺的要求，本发明没有特别的限制，但对于半熔融条件下的注模工艺，优选熔融金属的固相率为50％或更低。因为如果超过50％，即使是在具有良好铸造性能的本发明的合金中熔融金属的流动性也将降低，从而可能难以进行所需的注模铸造。
在高压铸造工艺中，因为熔融合金(也包括半熔融条件)具有高流动性，因此铸造可在熔融金属的良好流动下进行，以形成薄厚度的产品，并可获得高产率。另外，熔融金属的优选流动性导致生产出的元件具有较少的缺陷，并且在高强度材料中也确保了极佳的性能。
这样，通过本发明合金所形成的产品可在各种用途中用作轻重量和高强度的元件。因此，可以预期的是将使使用量扩大到许多种便携式设备，并使使用扩大到用电工具或业余设备。此外，与现有的塑料制品相比，镁合金产品可以进行回收，这将有助于环境保护。
图1为表示用于实施例中的成型体的视图；图2为表示常规材料(AZ91D)中压辊温度与熔融金属流动长度的关系的线图。
图3为表示Al含量与熔融金属流动长度的关系的线图。
图4为表示Zn含量与熔融金属流动长度的关系的线图。
图5为表示Si含量与熔融金属流动长度的关系的线图。
图6为表示Al含量及0.5％的Si与熔融金属流动长度的关系的线图。
图7为表示室温时不同Al含量的压辊温度与屈服强度关系的线图。
图8为表示室温时不同Al含量的压辊温度与抗拉强度关系的线图。
图9为表示室温时不同Al含量的压辊温度与延展性关系的线图。
具体实施例方式
下面将以实施例进一步说明本发明。
将本发明的镁合金(本发明材料)、本发明范围之外的作为对比的合金和现有合金均分别以示于表1的试样进行熔化。切割获得的铸块并制备原料片(约2mm)。将这些片作为原料，采用金属注模工艺(夹模力为450t)作为一种高压铸造工艺，制备螺线流动性的评定模具(未示出)，以获得具有示于图1的形状的螺线体1(厚度2mm，宽度15mm)，成型是在压辊温度下进行，且喷注速度如下面示于评估流动性中的速度。在流动性评估中，为了形成如图1所示的螺线形状体，如果熔融金属到最远部分的距离无论熔融金属填充中是否存在破裂均是L2，而没有破裂时熔融金属到最远部分的最佳距离是L1，则用L1作为用于评估的熔融金属填充的流动距离。
图2的图线显示在先有合金中通过改变压辊温度和喷射速度而引起的注模时填充熔融金属的流动长度的变化，并评估压辊温度和喷射速度对流动性的影响。由图可见，喷射速度比压辊温度对流动性的影响更大。
随后，通过用原料片测试试样对流动性的影响。
Al含量的影响首先，使压辊温度恒定为873K，然后对除Al含量之外具有相同成分的原料片比较填充熔融金属的流动长度。结果示于图3中，当Al含量增加时，流动长度基本上成直线增加。但当使用含14.5％的Al的原料片时，成型体破裂。因此，可见尽管Al的增加增强了流动性，但如含量过量，成型体会破裂。
根据12％的Al的参照值，测试Zn和Si含量对流动性的影响。
Zn含量的影响为了看出Zn的影响，使喷注速度恒定为2m/s，对含有几乎12％的Al和不同量Zn的原料片比较流动长度。尽管示于图4中。通过包含Zn，流动性趋于增大，但当使用含0.8％的Zn的合金时，则难以在858K或更低得到成型体。
Si含量的影响与上类似，为了看出Si的影响，使喷注速度恒定为2m/s，对含有几乎12％的Al和不同量Si的原料片比较流动长度。结果示于图5中。通过包含Si，流动性增大，当压辊温度相对较低时这一效应很明显。压辊温度越低，则熔融金属的流动性越低，因此可成形的温度具有一个低限，但在本发明中，因为通过Si含量提高了低温时的流动性，所以在更低的温度下也可以成型。同时还证实在约为0.5％的Si含量时由含Si而导致的流动性的提高达到峰值。
另外，为了使元素最佳化，根据0.5％的Si的参照量，使喷注速度恒定为2m/s，并再一次对不同Al含量的原料片比较和评估流动长度。结果示于图6中，与图3中的结果相似，当增加Al时流动性增加，但工艺中的即时评估更为显著。因此，在流动性的增加中，假设Al和Si协同作用。在本评估中，当使用13.5％Al含量的合金原料时，成型体破裂。因此，与图3的情况类似，通过增加Al，流动性增加，但可见在具有适当Si量的合金中，超过13％的Al量会导致破裂。
为了研究室温时Al含量对机械性能的影响，在具不同Al含量的原料片中，通过使喷注速度恒定(2m/s)和改变压辊温度而进行注模，且对得到的成型体测定屈服强度、抗张强度和延展性。结果示于图7-9中。图7示出屈服强度，而图8示出抗张强度。可见如果Al少于10.0％，则屈服强度和抗张强度低，且尤其是当压辊温度低时，它们显著地差。图9示出了每一成型体的延展性，而本发明的合金显示了与压辊温度高低无关的稳定性能。因此，含12％的Al的本发明合金的成型体在室温时显示出令人满意的机械性能。具13.5％的Al的材料的成型体具有良好的机械性能。
上述实施例显示的是各自含有特定量的Zn的本发明材料，但当使用不含Zn的本发明范围的合金时，尽管略有降低，但仍可获得基本上相同的流动性，并且证实了相同的结论也适用于机械性能。
如上所述，因为本发明的镁合金含有以质量％计的Al10.0-12.8％，Si0.4-1.4％，Mn0.1-0.9％，和如果需要的话，Zn小于0.7％，其余是Mg和不可避免的杂质，所以既不会发生铸造引起的破裂，也不会破坏所述的机械性能，而且可以显著提高流动性，并可能制备薄厚度和轻重量的产品。
另外，因为本发明的镁合金材料是通过将上述合金以50％或更低的固相率的半熔融条件下喷注到模具中的注模法制备的，所以它们具有优选的机械性能，且易于获得轻的重量。
表1
权利要求
1.镁合金，含有以质量％计的Al10.0-12.8％，Si0.4-1.4％，和Mn0.1-0.9％，以质量％计总量为20ppm-800ppm的Be、Ca、Sr、Ba和Mesh金属中的一种或两种或多种，而其余是Mg和不可避免的杂质，其中，本所述材料是通过将所述合金在半固体条件下以50％或更低的固相率喷注到模具中的高压铸造法制备的。
2.权利要求1的镁合金，还包含小于0.7％的以质量％计的Zn。
全文摘要
镁合金，含有以质量％计的Al10.0－12.8％，Si0.4－1.4％，Mn0.1－0.9％，以质量％计总量为20ppm－800ppm的Be、Ca、Sr、Ba和Mesh金属中的一种或两种或多种，而其余是Mg和不可避免的杂质。既不会发生铸造引起的破裂，也不会破坏机械性能，而且可以显著提高流动性，并可能制备薄厚度和轻重量的产品。
文档编号C22C23/00GK1488772SQ0214358
公开日2004年4月14日 申请日期2002年10月11日 优先权日2002年10月11日
发明者附田之欣, 前原明弘, 缝部胜彦, 内田良平, 平, 弘, 彦 申请人:株式会社日本制钢所