专利名称：镁合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以镁为主成分的加工性良好而且高拉伸强度 高压缩强度的镁合
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背景技术：
对于镁合金，最近一直在开发高强度的镁合金，作为替代铝合金的新原材料，作为 汽车、飞机等的构成材料备受关注。但是，作为这些工业用材料使用时，加工性差，为改善加工性，虽然进行了各种开 发，但仍未能得到满意的材料。例如，作为用于提高延展性的对策，也对制成挤压加工材料进行了研究，但该情况 下，存在难以提高压缩强度，另外压缩屈服应力和拉伸屈服应力之比即变形各向异性增强， 难以作为轻量结构材料利用的问题。
发明内容
本发明鉴于这样的情况，其课题在于，提供一种新的镁合金，其为高强度，且具有 充分的加工性。发明1的镁合金的特征在于，其晶体结构具有大倾角晶界，被该大倾角晶界包围 的晶粒的内部由亚晶粒构成。发明2的镁合金的特征在于，在发明1的镁合金中，所述晶粒的平均结晶粒径为 5 u m以下，所述亚晶粒的平均粒径为1. 5 ii m以下。发明3的特征在于，所述平均结晶粒径为5i!m以下的晶粒占全部晶粒的70%以上。根据如上的本发明，实现了具有高的延展性，并且同时具有高拉伸强度 高压缩强 度等优异的强度特性的镁合金。目前这是难以预测和实现的。本发明的镁合金中，根据如上的特有的晶体结构，S卩，因亚晶粒的存在，从而推测 为虽然晶粒自身可能变形，但晶粒间的滑动被阻止，可实现良好的延展性和高强度特性的 并存。而且，由于具有延展性，可制造任意的长尺寸的棒材。另外，与现有的挤压法、或轧制法、拉伸法相比，为得到同程度的强度，可创造出需 要的截面积大的原材料，作为镁的轻量结构材料，例如可对大型构件的开发等作出贡献。
图1是将实施例2、5、6及比较例1的拉伸变形响应进行对比的图；图2是作为表示实施例5的晶粒组织的照片的、使用了 SEM/EBSD (Scanning Electron Microscopy 扫描型电子H微镜/Electron Back-Scattered Diffraction 电子 束后方散射衍射)的观察例，右图表示晶体取向彩色图，图中灰色线表示大倾角晶界(取向差角(misorientation angle) :15度以上)，图中G示例的大倾角晶界所包围的区域表示晶粒。图3是表示实施例5的底面集合组织的图，RD 有槽轧制平行方向、TD 有槽轧制 垂直方向、Max 表示由实施测定条件得到的X射线的最大峰强度；图4是表示比较例1的底面集合组织的图，RD 挤压平行方向、TD 有槽轧制垂直 方向、Max 表示由实施测定条件得到的X射线的最大峰强度；图5是表示实施例3的合金的微组织的照片，图中S表示亚晶粒的例子，由相同的 图案和对比度表示的区域为亚晶粒，被亚晶粒夹着的接近白色的区域也为亚晶粒；图6是表示实施例5的晶粒组织的照片，图中S表示亚晶粒的例子，由相同的图案 和对比度表示的区域为亚晶粒，被亚晶粒夹着的接近白色的区域也为亚晶粒；图7是表示实施例6的合金的微组织的照片，图中S表示亚晶粒的例子，由相同的 图案和对比度表示的区域为亚晶粒，被亚晶粒夹着的接近白色的区域也为亚晶粒。符号说明G:晶粒(由大倾角晶界(取向差角15°以上)包围的晶界。)S:亚晶粒(取向差角5°以下的晶界。)RD:有槽轧制平行方向TD:有槽轧制垂直方向Max 由实施测定条件得到的X射线的最大峰强度
具体实施例方式本发明的镁合金在其晶体结构上具有特征，该晶体结构具有下述构成(1)具有大倾角晶界，(2)被该大倾角晶界包围的晶粒内部为亚晶粒。在此，“大倾角晶界”被定义为取向差角为15度以上的晶界。关于这样的大倾 角晶界，通过 SEM/EBSD(Scanning ElectronMicroscopy 扫描型电子显微镜 /Electron Back-ScatteredDiffraction 电子束后方散射衍射)的晶体取向图或透射型电子显微镜 的取向差测量的装置具体确认。另外“亚晶粒”被定义为具有取向差角为5度以下的晶界的晶粒。亚晶粒是指在 可以被大倾角晶界包围的晶粒内的晶格角度稍微不同的区域。具有上述晶粒的内部被具有 5度以下的取向差角的晶格的集合(亚晶粒)分割的结构。本发明的镁合金中，其特性的水平比现有合金的优异，由于具有上述1)和2)的晶 体结构，从而实现了 拉伸值10%以上拉伸强度330MPa以上。而且实现了 拉伸屈服应力(A)300MPa以上压缩屈服应力(B)220MPa以上屈服应力各向异性比(B/A)0. 7以上。具有上述1)和2)的特征的镁合金目前尚未知晓，关于其组成，可以是以镁为主成 分的合金，通常，作为镁的质量比(质量％)为95%以上的合金，也可以是二元素、三元素或多元素的合金。作为与镁形成合金的元素，也可以是Al、Zn、Mn、Zr、Ca、RE (稀土类元素) 等各种元素，例如优选考虑下述质量％的Mg-Al-Zn、Mg-Al-Zn-Mn、Mg-Zn系等的组成。Al :2. 5 3. 5 质量％Zn :0. 5 1. 5 质量％Mn :0. 1 0. 5 质量％。例如，也可考虑作为Mg-Al-Zn-Mn系合金的AZ31 (JIS H4202)所属的AZ31B等公 知的组成。在此，基于高强度化和延展性改善的理由，A1和Zn是优选的合金构成元素；基于 抑制铁等杂质元素的混入的理由，Mn是优选的合金构成元素。由于上述1)大倾角晶界、2)亚晶粒的特征，本发明的镁合金实现了良好的延展性 并且实现了高强度特性，在其制造时，将加工应变的导入作为有效的手段考虑。此处的“加工应变”被定义为以规定的温度施加负荷而永久变形。这样的加工应 变的导入例如可考虑使用在实施例中例示的有槽轧辊轧制、或高挤压比下的挤压加工、高 压下率下的轧制、ECAE(Equal-channel-angular-extrusion 等截面积侧方挤压加工)这 样的高应变剪切等手段。有槽轧辊轧制例如也示于文献(井上等，日本金属学会誌，69 (2005)943 T. INOUE et. al.，Mater. Sci. Eng.，A466 (2007) 114 ；Y. Kimura et. al.，Scripta Mater.， 57(2007)465)，由于在轧辊表面设有三角形等截面形状的槽，在三角形截面形状的情况下， 在使上下的轧辊接触时，具有形成菱形的孔的特征。在本发明的镁合金的制造中，这样的有 槽轧辊轧制是优选的手段，关于该情况下的槽形状，优选考虑形成以上述菱形为主，以及六 角形形状、椭圆形状的孔，轧辊的圆周速度优选考虑1 50m/分钟的范围。另外，在进行有 槽轧辊轧制时，预先在100 300°C的范围内进行5 120分钟范围时间的热处理。在以以上那样的有槽轧辊轧制为主的各种手段的“加工应变的导入”中，例如优选 以材料可不破裂地通过的温度对材料整体进行均勻加热并保持，然后反复导入应变。关于 此时的截面减小率，可在与用于加工应变导入的诸条件的关系上适宜设定。即，只要将可形 成本发明合金的具有上述1)和2)的特征的晶体结构作为条件设定截面减小率即可。例如， 截面减小率如实施例所示，可设为47%、64%、95%等。本发明的镁合金中，例如实施例中所示，通过截面减小率90%以上的加工应变导 入，可以显著增加强度而不使良好的延展性降低。在导入上述的应变时，优选连续进行多道次的应变导入工序，该情况下以单道次 导入的应变例如可以为截面减小率10 20%。被大倾角晶界包围的晶粒的平均结晶粒径为5 ym以下的晶粒的比例随加工应变 导入(截面收缩率)的增大而增大，例如在使截面收缩率为90%以上的情况下，该比例为 90%以上，而且可以使该晶粒内的亚晶粒的平均粒径为1.5i!m以下的晶体结构占整体的 70%以上。例如，通过如上那样的加工应变的导入而成为具有上述那样的特有的晶体结构 的合金的本发明的镁合金的特性可以为拉伸屈服应力(A)300MPa以上、压缩屈服应力 (B)220MPa以上、屈服应力各向异性比(A/B)0. 7以上那样极其优异的水平。根据本发明，在组成上可适用于一般流通的Mg-Al-Zn系、Mg_Zn系，并赋予目前没有的飞跃的高强度，并且保证了延展性、韧性，因此，可作为新的镁形变合金提出。另外，也可以适用于截面积大的材料或复杂形状的长尺寸材料，也可以对应于原 材料的大型化，因此，有望实用化。实施例对于实用镁合金，进行加热处理和有槽轧辊轧制，反复导入剪切应变。作为例子使 用AZ31合金(Mg-3质量％ A1-1质量％ Zn-0. 2质量％ Mn)。任何实施例均以直径42mm的 热挤压材料(比较例1)为初始材料。作为加工前的加热温度，选择200°C。在加热炉中将原材料保持30分钟后，反复实 施有槽轧辊轧制。在此，轧辊表面温度为室温，轧辊圆周速度为每分钟30m。关于有槽轧辊 的槽形状，为通过以下的轧辊形成菱形的孔的形状。另外，使有槽轧辊轧制产生的截面积减 小为每一道次18%，作为最大道次数重复16道次。通过加工得到的材料的机械性质示于表1。另外，表1的比较例2表示对于相同的初始材料，以温度210°C、挤压比25 1进 行挤压加工的情况，比较例3表示对于相同的初始材料，使用孔直径20mm、孔弯折角90度的 ECAE模型，在温度200°C下使材料每个道次旋转90度，同时进行8道次的挤压加工的情况。表 1 强度、延展性的评价，使用具有平行部直径3mm、平行部长度15mm的圆棒试样作为 JPS规格标准的拉伸试样进行。截面积比和加工后的原材料截面积示于表1。通过经各加工导入应变，确认截面 积减小，同时强度增加以及同等的延展性。即，与初始材料(比较例1)相比，实施例1中， 维持同程度的延展性，并且作为压缩屈服强度实现了约85%的强度增加。实施例6的加工至截面积比95%的材料实现了压缩屈服强度约2. 8倍、作为拉伸屈服强度约2倍的高强度 化。另外，与加工至同程度截面积的直接挤压材料(比较例2)相比，实施例6的材料 拉伸屈服强度增加49%，针对高强度化的本发明材料的有效性是明显的。 具有本发明的材料组织的原材料的应力_应变曲线的例子示于图1。与作为初始 材料的挤压材料相比，还表现出飞跃的应力增加和同等的应变、以及直至拉伸变形时能看 到的最大拉伸强度的加工硬化，显示充分具有作为原材料的塑性加工性、变形能力。本发明的结构特征之一是具有5μπι以下的微细晶粒组织。实际上，作为本发明材 料的晶粒组织的例子,在图2中示出了利用SEM/EBSD (Scanning Electron Microscopy 扫 描型电子显微镜/Electron Back-Scattered Diffraction 电子束后方散射衍射)观察从 初始材料加工至截面减小率92%的AZ31合金(实施例5)。在此，通过EBSD的晶体取向解 析，将取向差角为15度以上的大倾角晶界以图中的灰色的曲线组作为晶界表示。由平均面 积计算被大倾角晶界包围的晶粒(例如图中用G表示的区域)的平均直径，约为2.5 μ m，整 体上可得到均勻的晶粒尺寸分布。另外，被大倾角晶界包围的晶粒的平均粒径为5μπι以下的比例在测定结果中，例 如在实施例1中为72%，在实施例2中为78%，在实施例5中为90%。使用X射线的背面劳厄法观察本发明材料的底面集合组织的例子示于图3。在此， 以截面减小率为95%的实施例6作为例子进行表示。作为X射线源使用Cu-K α。图中的 RD表示与有槽轧制平行的方向，TD表示与有槽轧制方向垂直的方向。另外，曲线表示取向 的集成度相同的部位。图中的等高线不是现有的板轧制材料中可见到的接近同心圆的形状，另外，也不 是现有的挤压材料中可见到的平行于TD的带形状。不如说是两者的中间形态。另外得知， 表示本发明材料的底面取向的峰的角度向TD右方向倾斜约10度，向RD下方向倾斜约5度， 底面取向的峰偏离中心。使用X射线的背面劳厄法观察作为初始材料的现有挤压材料(比较例1)的底面 集合组织的例子示于图4。测定条件与图3的情况相同。该材料中，形成有在镁合金的挤 压材料中容易看到的集合组织。即，表示底面的集成度的等高线与RD方向平行地形成。另 夕卜，由本次的测定条件得到的集成度的最大强度为7. 9，与之相对，本发明材料的最大强度 为5. 8。即，虽然实施了强应变加工，但底面的取向程度降低。另外，等高线的间隔宽，即，底 面取向的集成程度平缓。根据以上所示的底面取向分布的特征，表现出高强度并同时显示 与现有挤压材料同等的延展性(拉伸值)的特征。作为晶粒内部组织的例子，图5、图6及图7中分别示出了实施例3、实施例5及实 施例6的ΑΖ31合金的情况。图中的S表示亚晶粒的例子，以同样的图案和对比度表示的区 域也为亚晶粒，被亚晶粒夹着的接近白色的区域也为亚晶粒。由于取向角差小至5度以下， 所以边界(亚晶界)不一定清楚。通过透射型电子显微镜观察加工至截面积减小比为92% 的ΑΖ31合金(实施例5)的结果(图6)中，亚晶粒的平均直径为约0. 4 μ m。另外，通过透射型电子显微镜观察加工至截面积减小比为95%的AZ31合金(实施 例6)的结果(图7)中，亚晶粒的平均直径为约0.3 μ m。由小倾角构成的纳米级亚晶粒组织的特征在于，在带来飞跃的强度增加的同时，延展性几乎不降低。即，提供不阻碍镁合金的延展性的可高强度化的材料组织。将表1所示的压缩时的屈服应力进行比较时，实施例6的本发明材料显示了作为初始材料的现有挤压材料(比较例1)的约2. 8倍的高强度。另外，对于在AZ31合金挤压材料中特征性表现的压缩屈服应力/拉伸屈服应力 的变形各向异性而言，也具有降低的特征。即，比较例1中可见到的屈服应力各向异性比 (压缩屈服应力/拉伸屈服应力)为0. 57，显示强的各向异性，与之相对，实施例1 6中 为0. 73以上，且截面减小比越大，即强度越高，屈服应力各向异性比越大，达0. 82，得到接 近1，即接近各向同性的性质的材料。
权利要求
一种镁合金，以镁为主成分，其特征在于，其晶体结构具有大倾角晶界，被该大倾角晶界包围的晶粒的内部由亚晶粒构成。
2.权利要求1所述的镁合金，其特征在于，所述晶粒的平均结晶粒径为5y m以下，所述 亚晶粒的平均粒径为1. 5 ii m以下。
3.权 要求2所述的镁合金，其特征在于，所述平均结晶粒径为5i!m以下的晶粒占全 部晶粒的70%以上。
全文摘要
本发明提供一种镁合金，其为高强度、并且具有充分的加工性的镁合金。以镁为主成分的高拉伸强度·高压缩强度的镁合金，其晶体结构具有大倾角晶界，被该大倾角晶界包围的晶粒的内部由亚晶粒构成。
文档编号C22C23/00GK101861405SQ20088011662
公开日2010年10月13日 申请日期2008年10月2日 优先权日2007年10月2日
发明者A·辛格, 井上忠信, 向井敏司, 染川英俊 申请人:独立行政法人物质·材料研究机构