专利名称：镁合金的压铸方法及其金属制品的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铸造方法，其使用粒状结晶镁合金固体作为铸造材料，将固体材料熔化到固相和液相共存的状态，以便通过压铸工艺形成金属制品，并且本发明还涉及由此制造的金属制品。
背景技术：
在从部分熔融金属制造产品的传统制造方法中，将熔融合金在固相和液相共存的状态下在保温容器中保持所需的时间，产生很多细小的球形初生晶粒，在所需的液相比例下将其压铸到压铸机的模具中，形成铸件(参见例如，专利文献1)。
并且，在使用镁合金成形金属制品时，将潜在保持触变性的固体材料加热到部分熔融状态，并通过注射设备将得到的材料填充到模具中(参见例如，专利文献2)。
(专利文献1)日本A-HEI 9-10893(第3页到第5页，图9)(专利文献2)JP-A-2001-252759(第6页到第7页，
图1)
上述专利文献1描述使用压铸机的铸件压铸方法，包括如下步骤将熔融合金浇注到温度保持在低于熔点的倾斜冷却装置中，使其向下流动；并在保温容器中使合金在等于或低于液相线温度并高于共晶温度或固相线温度的温度的状态下保持5秒到60分钟，从而在液相比例为20到90％，优选的是30到70％时形成铸件。
专利文献2描述一种铸造方法，包括如下步骤使熔融的镁合金在冷却倾斜板上流动，冷却到部分熔融；将合金保存在容器中直到其变成具有细小球形结晶的金属浆；接着通过快速冷却使浆体凝固，形成具有潜在触变性的金属材料；再将金属材料熔化成部分熔融状态的、表现出触变性的镁合金，将其通过注射设备充入模具中。
在专利文献1描述的现有技术中，熔融合金在部分熔融状态下冷却后，得到的合金必须保持在保温容器中，直到其具有所需的液相比例。这样，从材料的熔化到压铸成产品，需要花费很多时间。为了缩短时间，需要很多保温容器及其运送装置。而且，由于材料冷却到接近铸造温度的较低温度，并且立即运送到成形机进行成形，因此一些成形机存在问题，不能采用。
即使在专利文献2描述的现有技术中，由于部分熔融浆体的固相率高，因此也需要较多时间直到保持潜在的触变性。但是，成形步骤，即利用成形机将快速冷却凝固的金属材料重熔到部分熔融状态，并且将得到的材料在具有触变性的状态下压铸到模具中，可以在短时间内完成。并且，将金属材料供应到成形机中也是容易的，连续铸造也是可能的，从而该现有技术适合用于铸造机。
但是，在专利文献2中，对于在固相和液相共存温度区结晶出均匀球形晶体的金属浆晶体，难以设定温度条件和保持时间；并且在保持成形时优选的固相率方面也存在问题。本发明的发明人研究了这些问题。结果发现，即使晶体不变成均匀的球形，如果固相材料是粒状结晶的初生晶粒比例在一定范围内，则在固相和液相共存的状态下初生晶粒变成球形的固相，同时主要固相的固相率优选适合铸造成晶粒尺寸为50μm或大于50μm，并且如果保持时间在30分钟内，材料能压铸到模具中，而不改变设定条件，从而可以制成初生晶粒分布状态非常优秀的镁合金的大量金属制品。
发明内容
考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种新的镁合金压铸方法，包括如下步骤将已经粒状结晶的固体材料熔化，形成部分熔融状态(下面称为“半固体”)，在固相和液相共存状态(下面称为“半固体”)下具有触变性，并将半固体压铸到模具中，其中半固体中固相的晶粒直径和固相率设定为成形的优选状态，从而能稳定地制成具有优秀金属结构的金属制品。
本发明包括如下步骤将熔融的镁合金冷却，形成含有固相的部分熔融状态；进一步冷却部分熔融状态形成固相粒状结晶的固体材料；以及部分熔融固体材料，以便利用成形机将其压铸到模具中，其中，所述固体材料的初生晶粒比例设定为55％到65％，固体材料熔化成固相和液相共存状态的半固体，使半固体具有50μm到250μm的主要固相和30％到70％的固相率；在保持半固体状态的同时将半固体通过喷嘴压铸到模具中，形成初生晶粒比例20％到50％的金属制品。
并且，在本发明中，根据开始熔化固体材料到压铸半固体的时间，在铸造机中将半固体保持为半固体状态的加热装置，其温度设定为高于半固体温度5℃到15℃。另外，半固体从直径为8mm到15mm的喷嘴中通过厚度为1mm或小于1mm的浇道进入模具进行压铸。
本发明的金属制品是通过上述镁合金的压铸成形方法成形的金属制品，其包括的金属结构为主要初生晶粒是球形并且晶粒直径为10μm或大于10μm，并且金属制品的壁厚为0.4mm到1.5mm，优选的是0.6mm到1.0mm。
附图简述图1(A)是根据本发明压铸成形方法中使用的镁合金(AZ91D)的金相显微组织图，图1(B)是经过图像处理的、具有黑白二值的显微组织图；图2(A)是将固相和液相共存状态(570℃)的半固体快速冷却得到的固体的金相显微组织图，图2(B)是经过图像处理的、具有黑白二值的显微组织图；图3(A)是在固相和液相共存状态(570℃)将半固体保持30分钟后将其快速冷却得到的固体的金相显微组织图，图3(B)是经过图像处理的、具有黑白二值的显微组织图；
图4(A)是将固相和液相共存状态(590℃)的半固体快速冷却得到的固体的金相显微组织图，图4(B)是经过图像处理的、具有黑白二值的显微组织图；图5(A)是在固相和液相共存状态(590℃)将半固体保持30分钟后将其快速冷却得到的固体的金相显微组织图，图3(B)是经过图像处理的、具有黑白二值的显微组织图；图6(A)是在固相和液相共存状态(580℃，保持时间25分钟)由半固体成形的金属制品的金相显微组织图，图6(B)是经过图像处理的、具有黑白二值的显微组织图；图7(A)是在固相和液相共存状态(585℃，保持时间25分钟)由半固体成形的金属制品的金相显微组织图，图7(B)是经过图像处理的、具有黑白二值的显微组织图；图8(A)是在固相和液相共存状态(590℃，保持时间25分钟)由半固体成形的金属制品的金相显微组织图，图8(B)是经过图像处理的、具有黑白二值的显微组织图；以及图9(A)是在固相和液相共存状态(595℃，保持时间25分钟)由半固体成形的金属制品的金相显微组织图，图9(B)是经过图像处理的、具有黑白二值的显微组织图。
具体实施例方式
在每个图中，(A)是用金相显微镜得到的照片，(B)是通过图像处理将一部分照片变成黑白二值，并且从白点和黑点的点数可以计算固相的晶粒直径和固相率或初生晶粒比例。
图1表示本发明中用作固体材料的镁合金(AZ91D)的金属组织结构。粒状晶体结构的固体材料是通过如下步骤制造的在高于液相线温度的温度下加热并熔化镁合金；在冷却(例如，60℃)倾斜板的表面上使熔融合金向下流动，将合金冷却到液相线温度以下的固相与液相共存的温度(下面称为固相和液相共存温度)得到固相；接着保持固相和液相共存温度所需的时间，直到固相率达到固体材料中55％到65％的初生晶粒；并将合金冷却到固相线温度以下。作为一个例子，固体材料的制造是通过将温度为605℃的镁合金熔体冷却到比595℃(液相线温度)低5℃到25℃，并保持温度在此范围内一分钟，接着快速冷却合金到固相线温度以下。
作为固体材料的使用形式，可以选择任何类型的固体材料，如圆棒、铸锭或类似物，以及粒状固体材料，如碎片、小球或类似物。材料形式的选择是根据所用的金属铸机的结构确定的。并且，作为金属铸机，可以采用与下面机械具有相同结构的金属铸机直列螺旋注射成形机、柱塞注射成形机、(预塑化系统)注射成形机或类似物，或者是通过浇道从喷嘴将装在缸体中的半固体压铸到模具中的成形机，例如压铸机或类似物。
上述固体材料的金属制品成形是按如下过程进行的。首先，在选定的熔化温度下将固体材料制成固相和液相状态下的半固体。接着，将半固体的温度保持在液相线温度或低于液相温度线与固相线温度或高于固相线温度，维持固相和液相共存状态。此后，将半固体通过浇道从喷嘴压铸到模具中。
在上述熔化步骤中，当固体材料达到固相线温度或高于固相线温度时，金属组织中的共晶b熔化成半固体液相b’。并且初生晶粒a分散在液相中成为固相a’。另外，初生晶粒a的角，易于受加热影响，熔化变成球形固相。
主要固相a’的尺寸(晶粒直径)和半固体的固相率，在固体材料的熔化温度以及半固体的保持温度和时间的作用下，分别在50μm到250μm以及25％到75％范围内变化。如果固体材料的固相a’的尺寸在此范围内(更优选的是50μm到100μm，平均晶粒直径为80μm)以及固相率在此范围内(优选的是30％到70％)，压铸到模具中可以在没有任何问题的情况下进行，同时保持触变性(粘性流体性质)。
图2是快速冷却半固体得到的固体的金属组织，此半固体是在570℃熔化固体材料在没有保持时间下得到的，该固体材料，如图1所示，具有初生晶粒的比例为61％，晶粒直径为50μm到100μm。熔化前的此固体材料的初生晶粒a通过熔化得到100μm到200μm的固相a’，从而固相率增大到64％。并且，甚至将半固体在熔化温度570℃下保持30分钟后快速冷却得到的固体的金属组织，没有因为时间的原因而出现固相a’的非常长大，而是一般地长大，如图3所示。但是，主固相a’的尺寸达到150μm到250μm，固相率最大增大到69％。
图4是当固体材料在590℃下熔化经快速冷却得到的半固体而获得的固体的金属组织，固相a’的尺寸不同，但在100μm到200μm的范围内，以及固相率为48％。在将半固体在590℃保持30分钟后快速冷却得到的固体的金属组织中，如图5所示，固相率明显增大到65％，但一些固相a’的尺寸达到50μm到250μm的晶粒直径，这比熔化之前小。其原因可能是，由于保持温度接近于液相线温度(595℃)，易于受热影响的小的固相部分熔化，从而直径尺寸减小。
在上述的570℃和590℃温度下的半固体中，几乎所有固相a’是球形的，固相尺寸和固相率与固体材料相比进一步增大。并且，熔化过程中的固相率，在590℃为48％，在570℃为64％。即，当温度高时，熔化部分增多，导致固相率减小。但是，保持30分钟的固体材料的所有固相率不超过70％，固相a’的尺寸在50μm到200μm的范围内。这意味着，如果半固体维持固相和液相共存状态，就可以在相同的设定条件下、在具有触变性的状态下压铸到模具中，直到过去至少30分钟。
并且，根据从开始熔化固体材料到压铸半固体的时间，成形机中将材料保持在半固体状态的加热装置的温度可以设定为高于半固体温度5℃到15℃。仅仅保持固相和液相共存状态直到产生触变性状态的压铸完成。
在25％或小于25％的低固相率的半固体中，即使半固体是固相和液相共存的状态，液相比例太高并且流动性增大。这样，半固体没有适当的触变性或者缺少压铸所需的材料阻力，从而半固体成形变得不稳定。结果金属制品的成形不能完成。另一方面，在固相率高于75％的半固体中，触变性由于其中液相的干扰而丧失，使半固体通过喷嘴压铸到模具中变得极为困难。但是，当半固体的固相率在30％到75％的范围内时，压铸在触变性下容易进行，尽管在上限和下限之间触变性不同。
优选的是，半固体压铸到模具中，是通过使用直径8mm到15mm的喷嘴以及厚度为1mm和小于1mm的浇道进行的。如果使用这种喷嘴直径和浇道厚度，半固体在其通过受限的喷嘴和浇道时，易于受到剪切力。这样，使固相a’分开，在金属制品中形成初生晶粒a”的分布有小的偏差的金属组织结构。
图6到9是在通过如下步骤得到的金属制品的组织在设定成形机的加热装置的温度比半固体的温度高5℃之后，在从580℃到595℃提供5℃的温度差的同时，将半固体保温(25分钟)，通过厚度为0.5mm的浇道，从直径8mm的喷嘴中将每个得到的半固体压铸到模具中，制成金属制品。在成形图6到9的金属制品中使用的半固体的各个结构中，虽然在图中省略了，但主固相的尺寸(晶粒直径)是50μm或大于50μm。
在由所述半固体成形的金属制品中，从组织图中清楚看出，主要初生晶粒a”是球形的，尺寸为10μm或大于10μm，晶体的分布状态总体上是均匀地分散在共晶层b”中。金属制品中的初生晶粒a”的比例，随着半固体的温度从580℃升高到590℃，由46％增大到50％。但是，从590℃(被认为是液相线温度)的半固体得到的金属制品的初生晶粒a”，通过熔化和剪切而细化，从而晶体的整个晶粒直径减小。但是，主要初生晶粒a”的尺寸为10μm或大于10μm，并且结晶的比例保持28％。
如上所述，在初生晶粒a”的比例为20到50％以及主要初生晶粒a”的尺寸为10μm或大于10μm的镁金属制品中，产品厚度0.8mm的试验片与完全在温度为620℃或高于620℃下熔化的熔融镁合金成形的镁金属制品相比，可以得到如下效果伸长率增加60％，硬度增加20％，拉伸强度以及类似参数增加30％，并且镁金属制品便于机械加工，如压制、切削以及类似的加工。并且，根据本发明，金属制品中的初生晶粒的分布比传统触变成形方法得到的金属制品更加均匀，传统触变成形方法是将熔融材料冷却到固相和液相共存温度，并通过螺旋转动搅拌剪切，接着将得到的材料压铸到模具中。本发明的镁合金强度变得更加优秀。
权利要求
1.一种镁合金的压铸方法，包括如下步骤冷却熔融的镁合金以形成含有固相的部分熔融状态；进一步冷却部分熔融状态以形成固相粒状结晶的固体材料；以及部分熔化固体材料，从而通过成形机将其压铸到模具中；其中，所述固体材料的初生晶粒比例设定为55％到65％，将固体材料熔化成在固相和液相共存状态具有触变性的半固体，使半固体具有主要固相的尺寸为50μm到250μm以及固相率为30％到70％，在保持半固体状态的同时将半固体通过喷嘴压铸到模具中，形成初生晶粒比例为20％到50％的金属制品。
2.如权利要求1所述的镁合金压铸方法，其特征在于，成形机中用于将半固体保持在所述半固体状态的加热装置的温度，根据从开始熔化固体材料到压铸半固体的时间，设定为比半固体的温度高5℃到15℃。
3.如权利要求1所述的镁合金压铸方法，其特征在于，所述半固体从直径为8mm到15mm的喷嘴中通过厚度为1mm或小于1mm的浇道进行压铸。
4.一种利用如权利要求1到3中任一项所述的镁合金压铸方法成形的镁合金的金属制品，包括主要初生晶粒是球形的并且晶粒直径为10μm或大于10μm的金属组织。
5.如权利要求4所述的镁合金的金属制品，其特征在于，所述金属制品的壁厚为0.4mm到1.5mm，优选的是0.6mm到1.0mm。
全文摘要
本发明提供一种镁合金压铸方法。在此方法中，冷却熔融的镁合金以形成含有固相的部分熔融状态；进一步冷却部分熔融状态以形成固相粒状结晶的固体材料。固体材料部分熔化，并通过成形机压铸到模具中。所述固体材料的初生晶粒比例设定为55％到65％。将固体材料在选定的加热温度下部分熔化成固相和液相共存状态，从而形成具有触变性，主要固相的尺寸为50μm到250μm以及固相率为30％到70％的半固体。在保持半固体状态的同时将半固体通过喷嘴压铸到模具中，形成初生晶粒比例为20％到50％的金属制品。
文档编号B22D21/04GK1575887SQ20041006356
公开日2005年2月9日 申请日期2004年7月12日 优先权日2003年7月11日
发明者茂木彻一, 高山和利, 泷泽清登 申请人:日精树脂工业株式会社, 学校法人千叶工业大学