專利名稱：鎂合金材料的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎂合金材料制造方法，其能夠穩(wěn)定制造機械性能和表面質(zhì)量優(yōu)異的鎂合金材料如鎂合金鑄造材料或鎂合金壓延材料，以及由上述制造方法得到的鎂合金材料如鎂合金鑄造材料或鎂合金壓延材料。本發(fā)明還涉及用具有上述優(yōu)異特性的壓延材料得到的鎂合金成型制品，以及其制造方法。
背景技術(shù)：
比重(20℃時的密度g/cm3)為1.74的鎂是用于構(gòu)造用途的金屬材料中最輕的金屬，而且可以通過與多種元素形成合金來提高強度。此外具有相對低的熔點和回收中需要有限能源的鎂合金從回收的觀點是合乎需要的，而且期望作為樹脂材料的替代物。因此，在要求減輕重量的小型移動設(shè)備如移動電話或移動式儀器以及汽車部件中，鎂合金的應(yīng)用近來在增加。
然而，由于鎂及其合金具有塑性加工性能差的hcp結(jié)構(gòu)，目前商業(yè)化的鎂合金制品主要通過利用注塑的鑄造方法如模鑄法(die casting)或觸融模制(thixomolding)法制造。然而，經(jīng)由注塑的鑄造具有以下缺點1.機械性能如抗拉強度、延展性和韌性差；2.由于大量的對成型制品不必要的部分如將熔融金屬(molten metal)導(dǎo)入模具中的流槽(runner)而導(dǎo)致材料收率差；3.成型制品可能在其內(nèi)部包含例如由鑄造操作時氣泡卷入而造成的氣孔，以及因此可能在鑄造后進(jìn)行熱處理；4.由于鑄件缺陷如流痕(flow line)、孔隙和毛口(burs)，需要修正或清除操作；5.由于涂布在模具上的脫模劑粘在成型制品上，需要清除操作；和6.由于昂貴的制造設(shè)備、不必要部件的存在以及為此所需的清除操作而與高的制造成本聯(lián)系在一起。
另一方面，通過對鑄造所得的材料進(jìn)行塑性加工如壓延或鍛造而制成的精制材料(wrought material)在機械特性上優(yōu)于鑄造材料。然而，由于鎂合金在上述塑性加工性能方面差，研究在受熱狀態(tài)下進(jìn)行塑性加工。例如，專利文獻(xiàn)1和2公開了，通過向配備有一對輥的活動模具(movable mold)供給熔融金屬來進(jìn)行連續(xù)鑄造并對所得的鑄造材料施加熱壓延，可以得到壓延材料。
專利文獻(xiàn)1WO02/083341小冊子專利文獻(xiàn)2日本專利No.3503898發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明將要解決的問題隨著鎂合金制品的應(yīng)用領(lǐng)域的新近擴展，要求的質(zhì)量水平變得更為嚴(yán)格，特別是對于更輕的重量、改善的耐腐蝕性和改進(jìn)的外觀而言。例如，為了獲得更輕的質(zhì)量，意欲利用形狀上的復(fù)雜化諸如利用肋式形狀(ribbedshape)或局部地改變厚度，或者提高制品自身的強度。此外，為了實現(xiàn)改善的耐腐蝕性，意欲使添加的元素最優(yōu)化以及使成型制品的表面處理最優(yōu)化。另外在通過先前的鑄造方法制成的鎂合金制品中，盡管采用一般的涂料作為表面處理，但是為了提高材料的質(zhì)感，希望利用所謂透明涂料充當(dāng)保護膜。然而，這些要求難以滿足上述的現(xiàn)有技術(shù)。
因此，本發(fā)明的主要目的在于提供能夠穩(wěn)定制造機械特性和表面質(zhì)量優(yōu)異的鎂合金材料的鎂合金材料制造方法，以及由上述制造方法得到的鎂合金材料、特別是鎂合金鑄造材料和鎂合金壓延材料。本發(fā)明的另一目的在于提供用所述壓延材料制成的鎂合金成型制品，以及其制造方法。
解決問題的手段根據(jù)本發(fā)明，通過在連續(xù)的鑄造操作中規(guī)定構(gòu)成熔融鎂合金與之接觸的部分的材料，可以實現(xiàn)上述目的。
更具體地，本發(fā)明的鎂合金制造方法包括在熔爐中熔化鎂合金以得到熔融金屬的熔化步驟，將所述熔融金屬從所述熔爐轉(zhuǎn)移至熔融金屬池(reservoir)的轉(zhuǎn)移步驟；和經(jīng)過澆注口(pouring gate)從所述熔融金屬池向活動模具供給所述熔融金屬，以及凝固所述熔融金屬以連續(xù)制造厚度為0.1-10mm的鑄造材料的鑄造步驟，其中在從所述熔化步驟到所述鑄造步驟的過程中，所述熔融金屬接觸的部分由氧含量為20質(zhì)量％以下的低氧材料(low-oxygen material)形成。
在先前的用于鋁、鋁合金、銅或銅合金的連續(xù)鑄造裝置中，熔爐的坩堝、存儲來自坩堝的熔融金屬用的熔融金屬池(tandish)、將熔融金屬引入活動模具用的澆注口等用耐熱性和絕熱性優(yōu)異的陶瓷形成，如二氧化硅(硅氧化物(SiO2)，氧含量47質(zhì)量％)、氧化鋁(鋁氧化物(Al2O3)，氧含量53質(zhì)量％)或氧化鈣(CaO，氧含量29質(zhì)量％)。另一方面，在用于鋁等的連續(xù)鑄造裝置中，活動模具例如由具有優(yōu)異強度的不銹鋼形成。因此，鎂合金的連續(xù)鑄造利用構(gòu)造上與用于連續(xù)鑄造鋁等的連續(xù)鑄造裝置相似的裝置。然而，作為由本發(fā)明人所進(jìn)行的研究的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在鎂合金的連續(xù)鑄造中，由上述氧化物構(gòu)成的部件當(dāng)用于鎂合金接觸的部分中時導(dǎo)致氧化鎂的形成，這使得在對所得鑄造材料進(jìn)行二次加工如壓延時，降低表面質(zhì)量或產(chǎn)生裂縫。
構(gòu)成鎂合金主要成分的鎂是非常活潑的金屬，其氧化物或者氧化鎂(MgO)的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能為-220kcal/mol，這小于用作實用材料的氧化物如氧化鋁的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能。因此，在與熔融金屬接觸的部分如坩堝、熔融金屬池或澆注口中采用主要由氧構(gòu)成的高氧材料如氧化鋁或二氧化硅的情況下，作為熔融金屬主要成分存在的鎂將上述高氧材料還原，因而生成氧化鎂。沒有被再溶解的氧化鎂可能在鑄造材料中沿著熔融金屬的流動混合，從而導(dǎo)致缺陷如不均勻凝固，造成降低鑄造材料表面質(zhì)量，或者構(gòu)成異物，它在鑄造材料的二次加工如壓延時導(dǎo)致裂縫由此降低其表面質(zhì)量，或者在最不利的情況下它本身就抑制二次加工。此外，失去氧的材料可能碎裂(chipped)并且溶解在熔融的鎂合金中，由此局部降低其溫度而且導(dǎo)致不均勻凝固，從而降低鑄造材料的表面質(zhì)量?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn)，本發(fā)明規(guī)定，在條帶狀的(web-shaped)鑄造材料的連續(xù)制造中，采用低氧含量的材料作為熔融金屬接觸部分中的構(gòu)成材料。以下將進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
為了獲得基本上無限長的鎂合金材料(鑄造材料)，本發(fā)明利用進(jìn)行連續(xù)鑄造的連續(xù)鑄造裝置。該連續(xù)鑄造裝置例如包括用于熔化鎂合金以得到熔融金屬的熔爐，用于暫時存儲來自該熔爐的熔融金屬的熔融金屬池(tandish)，設(shè)置在熔爐和熔融金屬池之間的傳送槽(transfer gutter)，向活動模具供給來自該池的熔融金屬的澆注口，以及用于鑄造所供給的熔融金屬用的活動模具。此外，可在澆注口附近設(shè)置熔融金屬封板(dam)(側(cè)封板，side dam)以防止?jié)沧⒖谂c活動模具之間的熔融金屬泄漏。例如，熔爐配備有用于儲存熔融金屬的坩堝和為熔化鎂合金而圍繞坩堝設(shè)置的加熱裝置以便熔化鎂合金。在包括傳送槽和澆注口的供給部件的外邊緣上，優(yōu)選設(shè)置加熱裝置以便維持熔融金屬的溫度?；顒幽＞呃缈梢允?1)如雙輥法所代表的由一對輥構(gòu)成的模具，(2)如雙帶法所代表的由一對帶子構(gòu)成的模具，或(3)如輪帶法所代表的由多根輥(輪)與帶的組合形成的模具。在這種利用輥和/或帶的活動模具中，容易維持恒定的模具溫度，而且由于與熔融金屬接觸的表面連續(xù)顯現(xiàn)，在鑄造材料中容易保持光滑和恒定的表面狀態(tài)。特別地，活動模具優(yōu)選具有下述構(gòu)造，其中在彼此不同的方向上旋轉(zhuǎn)的一對輥以相對關(guān)系配置，即由上述(1)代表的構(gòu)造，這是因為模具制造的精度高以及因為模具表面(與熔融金屬接觸的表面)能夠容易地維持在恒定位置。此外在上述構(gòu)造中，由于接觸熔融金屬的表面隨著輥的旋轉(zhuǎn)連續(xù)顯現(xiàn)，可以在用于鑄造的表面再次與熔融金屬接觸之前的期間內(nèi)進(jìn)行涂敷脫模劑和清除附著物的操作以及簡化用于進(jìn)行上述涂敷和清除操作的裝置。
上述連續(xù)鑄造裝置容許提供理論上無限長的鑄造材料，由此使大規(guī)模生產(chǎn)變得可能。在本發(fā)明中，為了減少在進(jìn)行上述連續(xù)鑄造時鎂合金與氧的結(jié)合，所有與熔融金屬接觸的部分由氧含量20質(zhì)量％以下的低氧材料形成。在上述連續(xù)鑄造裝置中所有與熔融金屬接觸的部分例如包括至少構(gòu)成部件的表面部分，如熔爐的內(nèi)部(特別是坩堝)、包括傳送槽的供給部件、熔融金屬池和澆注口、活動模具和熔融金屬封板。自然地，這些構(gòu)成部件可以完全由氧含量為20質(zhì)量％以下的低氧材料形成。在本發(fā)明中，通過用上述低氧材料形成從熔化到鑄造步驟中的與熔融金屬接觸的部分，可以減少氧化鎂或失氧材料(oxygen-deprived material)的碎片的形成，這導(dǎo)致表面質(zhì)量的劣化以及在鑄造材料的二次加工如壓延中加工性能的劣化。
所述低氧材料優(yōu)選具有盡可能低的氧含量，并且為了實現(xiàn)上述預(yù)期目的，本發(fā)明規(guī)定20質(zhì)量％作為上限。更優(yōu)選氧含量是1質(zhì)量％以下。特別地，優(yōu)選為基本上不含氧的材料。具體實例包括選自碳系材料、鉬(Mo)、碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)、銅(Cu)、銅合金、鐵、鋼和不銹鋼中的至少一種。銅合金的實例包括通過添加鋅(Zn)形成的黃銅。鋼的實例包括耐腐蝕性和強度優(yōu)異的不銹鋼。碳系材料的實例包括碳(石墨)。
活動模具優(yōu)選由具有除了低氧含量以外，還具有優(yōu)異導(dǎo)熱性的材料形成。在這種情況下，由于從熔融金屬傳遞至活動模具的熱量可以在模具中足夠快地得到吸收，可以有效耗散熔融金屬(或凝固部分)的熱量，由此用穩(wěn)定方式以今人滿意的生產(chǎn)率制造在縱向上均一質(zhì)量的鑄造材料。由于導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性通常是線性相關(guān)的，所以導(dǎo)熱性可以由導(dǎo)電性替代。因此，對于形成活動模具用的材料，提出滿足下列電導(dǎo)率關(guān)系的材料(電導(dǎo)率條件)100≥y＞x-10其中y代表活動模具的電導(dǎo)率，而x代表鎂合金材料的電導(dǎo)率。
滿足上述電導(dǎo)率關(guān)系的材料的實例包括銅、銅合金和鋼。
此外通過在活動模具表面(接觸熔融金屬的表面)上形成具有優(yōu)異導(dǎo)熱性的覆蓋層(over layer)，能夠得到與通過用導(dǎo)熱性優(yōu)異的材料形成活動模具本身的情況類似的效果。更具體地，提出形成滿足下列電導(dǎo)率關(guān)系的覆蓋層(電導(dǎo)率條件)100≥y’＞x-10其中y’代表構(gòu)成覆蓋層的材料的電導(dǎo)率，而x代表鎂合金材料的電導(dǎo)率。
滿足上述電導(dǎo)率關(guān)系的材料的實例包括銅、銅合金和鋼。這種覆蓋層可如下形成例如通過涂布上述材料的粉末、轉(zhuǎn)移上述材料的膜、或安裝上述材料的環(huán)形部件。在通過涂布或通過轉(zhuǎn)移形成覆蓋層的情況下，其適宜地具有0.1μm-1.0mm的厚度。小于0.1μm的厚度難以為熔融金屬或凝固部分提供散熱作用，而超過1.0mm的厚度導(dǎo)致覆蓋層自身的強度降低或?qū)顒幽＞叩母街档?，由此難以達(dá)到均勻冷卻。在安裝環(huán)形構(gòu)件的情況下，考慮到強度，優(yōu)選具有約10-20mm的厚度。
此外為了形成覆蓋層，也可以采用含有占鑄造材料50質(zhì)量％以上的鎂合金的合金組成的金屬材料。例如，可以采用組成與構(gòu)成鑄造材料的鎂合金相似的材料，或者構(gòu)成鎂合金主要成分的鎂。利用與構(gòu)成鑄造材料的鎂合金相似或接近組成的材料的金屬覆蓋層，滿足上述具有優(yōu)異導(dǎo)熱性的覆蓋層中的電導(dǎo)率條件，因此可以在熔融金屬和凝固部分中實現(xiàn)有效的熱消散。此外，它可以提高熔融金屬對活動模具的潤濕性，從而提供抑制鑄造材料上表面缺陷的作用。
鑄造操作時，活動模具優(yōu)選具有低于或等于構(gòu)成該活動模具的材料熔點的50％的表面溫度。上述溫度范圍容許防止活動模具變軟和損失強度，由此容許得到穩(wěn)定形狀的長制品。此外在所述溫度范圍內(nèi)，所得到的鑄造材料具有足夠低的表面溫度，從而減少咬合(seizure)等以及提供具有令人滿意的表面質(zhì)量的鑄造材料。盡管活動模具的表面溫度優(yōu)選盡可能地低，但是選擇室溫作為下限，因為過低的溫度由于結(jié)露現(xiàn)象在表面上生成濕氣附著。
如上所述，通過用低氧材料形成從熔化到鑄造步驟中與熔融金屬接觸的部分，可以抑制這些步驟中鎂合金與氧的結(jié)合。為了進(jìn)一步減少鎂合金與氧的這種結(jié)合，優(yōu)選將熔爐內(nèi)部、熔融金屬池內(nèi)部以及熔爐與池之間的傳送槽內(nèi)部中的至少之一保持在低氧氛圍中。在高溫條件如熔融金屬狀態(tài)下與氧結(jié)合時的鎂合金可能會劇烈地與氧反應(yīng)以及可能引起燃燒。因此，在存儲熔融金屬的熔爐(特別是坩堝)和熔融金屬池中以及在傳送槽中，優(yōu)選使氧濃度降低以及優(yōu)選使其變得至少低于空氣中的氧濃度。有利的是將熔爐內(nèi)部和熔融金屬池內(nèi)部都保持在低氧氛圍下。特別地，所述氛圍優(yōu)選包含少于5vol％的氧，而95vol％以上的(除氧以外的)其余氣體包含氮氣、氬氣和二氧化碳中的至少一種。優(yōu)選氧盡可能少地存在。因此其可以是氮氣、氬氣和二氧化碳三種氣體的氣體混合物，或者具有氮氣、氬氣和二氧化碳中任意兩者的氣體混合物，或者具有氮氣、氬氣和二氧化碳中任一種的氣體。此外上述氛圍還可以包括普通阻燃?xì)怏w如SF6或氟代烴(hydrofluorocarbon)，由此進(jìn)一步提高阻燃效果。阻燃?xì)怏w優(yōu)選含在0.1-1.0vol％的范圍內(nèi)。
為了便于控制上述氛圍以及避免加工環(huán)境因從熔融鎂合金生成的金屬煙霧而惡化，熔爐(特別是坩堝)和熔融金屬池可以設(shè)置有用于引入氛圍氣體用的引入管(入口)和用于排出上述氣體用的排氣管(出口)。上述構(gòu)造允許簡單地控制氛圍，例如利用含50vol％以上的氬氣或二氧化碳的吹掃氣體，或者含總計50vol％以上的氬氣和二氧化碳的吹掃氣體。
在向活動模具供給熔融金屬的情況下，熔融金屬可能由于鎂合金與空氣中氧氣的反應(yīng)而引起燃燒，特別是在澆注口附近。此外，鎂合金在鑄造成模型同時可能被部分氧化從而在鑄造材料表面上顯示黑色著色。因此象熔爐和熔融金屬也一樣，希望圍住澆注口和活動模具附近并向其中注入低氧氣體(可以包含阻燃?xì)怏w)。在沒有氣體屏障(gas shielding)的情況下，可以將澆主口構(gòu)造成與活動模具的截面形狀相同的封閉結(jié)構(gòu)，由此熔融金屬在澆注口附近不會與外部空氣接觸，從而防止燃燒或氧化以及能夠提供具有令人滿意的表面狀態(tài)的鑄造材料。
優(yōu)選在熔融金屬的流動傾向于停滯的位置上攪拌熔融金屬，例如在熔爐(特別是坩堝)、用于將熔融金屬從熔爐傳送到熔融金屬池的傳送槽和熔融金屬池的至少之一中進(jìn)行。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使后面將要敘述的包含添加元素的熔融鎂合金靜置時，由于與鋁等相比鎂具有較小的比重，所以所述添加元素成分可能會沉降。也發(fā)現(xiàn)攪拌有效防止鑄造材料中的偏析以及獲得金屬間化合物的細(xì)微均勻分散。在對上述防止沉降和偏析的預(yù)期中，提出在熔融金屬于熔爐或熔融金屬池中時的保持靜置之處攪拌熔融金屬。攪拌方法的實例包括例如通過在熔爐中設(shè)置翅片(fin)或通過引入氣泡的直接攪拌熔融金屬的方法，以及通過從外部提供振動、超聲波或電磁力來間接攪拌熔融金屬的方法。
熔融金屬在從澆注口供給至活動模具時的壓力(該壓力以下稱為供給壓力)優(yōu)選為101.8kPa以上和小于118.3kPa(1.005atm以上和小于1.168atm)。在101.8kPa以上的供給壓力下，熔融金屬被有效地壓至模具中，由此實現(xiàn)在模具和澆注口之間所形成的彎液面(meniscus)(在從澆注口前端到熔融金屬最初接觸活動模具的位置的區(qū)域中形成的熔融金屬的表面)的容易形狀控制以及提供阻礙波痕形成的作用。尤其在用一對輥形成活動模具的情況下，彎液面形成區(qū)域的距離(從澆注口的前端到熔融金屬最初接觸活動模具的位置的距離)基本上小于包含輥旋轉(zhuǎn)軸的平面與澆注口前端之間距離(以下稱為位移(offsct))的10％，以使得熔融金屬經(jīng)過較寬的范圍與構(gòu)成模具的輥接觸。由于熔融金屬主要通過與模具接觸來冷卻，彎液面的較短區(qū)域提高熔融金屬的冷卻效果，由此容許得到在橫向和縱向上具有均勻凝固結(jié)構(gòu)的鑄造材料。另一方面，過高的供給壓力，具體地118.3kPa以上的供給壓力造成缺陷如熔融金屬泄漏，所以上限選為118.3kPa。
向熔融金屬施加供給壓力可以如此進(jìn)行，例如在熔融金屬利用泵從澆注口供給至活動模具的情況下通過控制該泵來進(jìn)行，以及在熔融金屬通過其重量從澆注口供給至活動模具的情況下通過控制池中熔融金屬的液面來進(jìn)行。更具體地，活動模具由一對輥構(gòu)成，所述輥被設(shè)置成輥間間隙的中心線為水平的；而將熔融金屬池、澆注口和活動模具如此設(shè)置以使得熔融金屬在水平方向上從熔融金屬池經(jīng)由澆注口供給至輥間間隙中以及在水平方向上形成鑄造材料。在上述情形中，通過將熔融金屬池中熔融金屬的液面保持在比輥間間隙的中心線高30mm以上的位置，可以對熔融金屬賦予在上述范圍內(nèi)的供給壓力。有利地調(diào)整液面以使得供給壓力為101.8kPa以上和小于118.3kPa，而上限是約1000mm。優(yōu)選的是選擇比輥間間隙的中心線高30mm以上的高度作為熔融金屬池中熔融金屬液面的設(shè)定值，以及通過熔融金屬池中熔融金屬的液面正好滿足上述設(shè)定值或者在±10％誤差內(nèi)來控制所述液面。上述控制范圍提供穩(wěn)定的供給壓力，由此穩(wěn)定彎液面區(qū)域以及提供在縱向上具有均一的凝固結(jié)構(gòu)的鑄造材料。
在上述供給壓力下供給至輥間間隙的熔融金屬在位移區(qū)域中具有高的填充率(fill rate)。因此，在由從澆注口供給的熔融金屬最初接觸的活動模具(輥)的部分、澆注口前端以及需要的話熔融金屬封板所形成的封閉空間中，可能發(fā)生從鑄造材料排出部分以外的部分泄漏熔融金屬。因此，優(yōu)選通過活動模具(輥)與澆注口的外邊緣前端之間的間距為1.0mm以下、特別是0.8mm以下來設(shè)置澆注口。
澆注口處的熔融金屬優(yōu)選保持在熔點(liquid curve temperature)+10℃以上和熔點+85℃以下的溫度。熔點+10℃以上的溫度降低了從澆注口流出的熔融金屬的粘度，從而允許容易地穩(wěn)定彎液面。此外熔點+85℃以下的溫度不會過度增加在熔融金屬與模具接觸到凝固開始的期間內(nèi)模具從熔融金屬奪取的熱量，從而提高冷卻效果。因此得到優(yōu)異的效果，諸如減少鑄造材料中的偏析，在鑄造材料中形成更細(xì)微的結(jié)構(gòu)，阻礙鑄造材料表面上縱向流痕的形成，以及防止模具中過度的溫度增加由此穩(wěn)定在鑄造材料縱向上的表面質(zhì)量。在某些合金類型中，盡管為了使熔融金屬中固相率為0，熔化時的熔融金屬溫度可能最大提高至約950℃，但是在熔融金屬從澆注口供給至活動模具時，不管其合金類型，在上述溫度范圍內(nèi)的控制是優(yōu)選的。
除了在澆注口處熔融金屬的溫度控制以外，在澆注口的橫截面方向上熔融金屬優(yōu)選控制在10℃以內(nèi)的溫度波動。溫度波動很少的狀態(tài)允許將熔融金屬充分填入鑄造材料橫向上的側(cè)面端部(lateral edge portion)，由此能夠形成橫向上均勻的凝固殼體(solidification shell)。從而可以提高鑄造材料的表面質(zhì)量和成品收率。可以通過在澆注口附近為了溫度管理而設(shè)置溫度測量裝置以及需要時由加熱裝置加熱熔融金屬來進(jìn)行溫度控制。
當(dāng)熔融金屬與活動模具接觸而凝固時，冷卻速率優(yōu)選為50-10,000K/s。鑄造時低的冷卻速率可能會產(chǎn)生粗大的金屬間化合物，從而阻礙二次加工如壓延。因此優(yōu)選用上述冷卻速率進(jìn)行快速冷卻，以便抑制金屬間化合物的生長。通過調(diào)整鑄造材料的目標(biāo)厚度、熔融金屬和活動模具的溫度以及活動模具的驅(qū)動速度，或者通過將優(yōu)異冷卻能力的材料用于模具材料、特別是熔融金屬接觸的模具表面的材料，可以調(diào)整冷卻速率。
在用一對輥來形成活動模具的情況下，包含輥旋轉(zhuǎn)軸的平面與澆注口前端之間的距離(位移)優(yōu)選是輥整個圓周長度的2.7％以下。在這種情況下，在包含輥旋轉(zhuǎn)軸(輥的半徑)的平面與澆注口前端之間于輥旋轉(zhuǎn)軸附近形成的角度(輥面角)為10°以下，由此減少了鑄造材料上的裂縫。更優(yōu)選地，所述距離是輥整個圓周長度的0.8-1.6％。
另外，在用一對輥形成活動模具的情況下，澆注口的外邊緣前端之間的距離優(yōu)選是最小輥間間隙的1-1.55倍。特別地，熔融金屬最初接觸的輥部分之間的距離(以下稱為起始間隙)優(yōu)選為最小間隙的1-1.55倍。由構(gòu)成活動模具的對輥的相對設(shè)置形成的間隙(間隔)朝著鑄造方向從澆注口逐漸變小以及在輥設(shè)置得最為靠近的最小間隙之后逐漸變大。從而，使用于向活動模具供給熔融金屬的澆注口的外邊緣前端的距離、或者優(yōu)選地包括熔融金屬開始接觸活動模具的地點的起始間隙保持在上述范圍內(nèi)，由此，由于在凝固過程中輥間間隙減小，在熔融金屬(包括凝固部分)與模具之間幾乎不會形成間隙和得到高的冷卻效果。當(dāng)澆注口的外邊緣前端之間的距離(或起始間隙)超過最小間隙的1.55倍時，從澆注口供給的鎂表現(xiàn)出與活動模具的較大接觸部分。在這種情況下，在熔融金屬凝固開始之后于起始的凝固相中生成的凝固殼體在該過程中可能會經(jīng)受活動模具的變形力直到凝固完成為止。作為不易加工材料的鎂合金由于上述變形力可能產(chǎn)生裂縫，由此難以得到滿意表面質(zhì)量的鑄造材料。
熔融金屬的凝固優(yōu)選在其從活動模具中排出時已完成。例如，在用一對輥形成活動模具的情況下，當(dāng)熔融金屬經(jīng)過輥設(shè)置得最為靠近的最小間隙時完成其凝固。更具體地，進(jìn)行凝固以致于凝固的完成點存在于包含輥旋轉(zhuǎn)軸的平面與澆注口前端之間的區(qū)域(位移段)中。在上述區(qū)域內(nèi)完成凝固的情況下，從澆注口引入的鎂合金與模具接觸并且由模具奪取熱量，由此可以防止中心線偏析。另一方面，在經(jīng)過位移段之后最終包含在鎂合金的中心部分的未凝固區(qū)域構(gòu)成中心線偏析或逆偏析的原因。
特別地，在鑄造方向上從位移段的后端(最小間隙處)起，凝固優(yōu)選在位移距離15-60％的范圍內(nèi)完成。當(dāng)凝固在上述范圍內(nèi)完成時，凝固部分經(jīng)受活動模具的壓縮。所述壓縮使得消除或減少最終存在于凝固部分中的空隙，以及容許在二次加工如壓延中獲得具有足夠加工性能的高密度的鑄造材料。此外，由于完全凝固之后通過活動模具的減量小于30％，由活動模具的減量所造成的缺陷如裂縫很少或根本不會發(fā)生。此外，即使在完全凝固之后凝固部分也仍然在輥之間夾緊以及在由輥形成的封閉空間中被模具(輥)奪取熱量，由此從模具排出(放出)的鑄造材料具有充分冷卻的表面溫度以及防止了例如由于快速氧化而損失表面質(zhì)量。例如通過相對于所需的合金組成和所需的片材厚度適當(dāng)?shù)剡x擇模具材料，通過利用足夠低的模具溫度以及調(diào)節(jié)活動模具的驅(qū)動速度，可以實現(xiàn)在位移段中完成上述的凝固。
在通過從活動模具排出之際完成凝固來控制凝固狀態(tài)的情況下，從活動模具中排出的鎂合金材料(鑄造材料)的表面溫度優(yōu)選是400℃以下。當(dāng)鑄造材料從活動模具如輥之間的封閉部分中釋放出到含氧氛圍(如空氣)中時，上述情形允許防止引起變色的鑄造材料的快速氧化。此外在鎂合金包含高濃度(具體地約4-20質(zhì)量％)的添加元素(稍后將描述)的情況下，可以防止鑄造材料的滲出(exudation)。例如通過相對于所需的合金組成和所需的片材厚度適當(dāng)?shù)剡x擇模具材料，通過利用足夠低的模具溫度以及調(diào)節(jié)活動模具的驅(qū)動速度，可以達(dá)到400℃以下的表面溫度。
此外在通過從活動模具排出之際完成凝固來控制凝固狀態(tài)的情況下，當(dāng)凝固材料被活動模具壓縮，直至從中放出為止時，由材料對活動模具在材料的橫向上施加的壓縮荷載優(yōu)選為1,500-7,000N/mm(150-713kgf/mm)。直到凝固完成點(solidification completion point)為止，由于在材料中殘留有液相，幾乎沒有荷載施加于活動模具。因此，小于1,500N/mm的荷載表明最終的凝固點存在于從活動模具放出之后的位置中，而在這種情況下，傾向于產(chǎn)生縱向流痕等由此導(dǎo)致表面質(zhì)量降低。另外超過7,000N/mm的荷載可能會在鑄造材料中造成裂縫，從而同樣降低質(zhì)量。通過調(diào)節(jié)活動模具的驅(qū)動速度可以控制所述壓縮荷載。
為了提高機械性能，本發(fā)明利用包含鎂作為主要成分以及包含后面將要描述的添加元素(第一添加元素、第二添加元素)的鎂合金。更具體地，采用含鎂(Mg)50質(zhì)量％以上的組成。所述組成和添加元素的更具體的實例如下所示。雜質(zhì)可能由并非有意添加的元素構(gòu)成，或者可能包括有意添加的元素(添加元素)組成1，包含選自Al、Zn、Mn、Y、Zr、Cu、Ag和Si的至少一種第一添加元素，每種元素的量為0.01質(zhì)量％以上和小于20質(zhì)量％；以及由鎂和雜質(zhì)構(gòu)成的余量；組成2，包含選自Al、Zn、Mn、Y、Zr、Cu、Ag和Si的至少一種第一添加元素，每種元素的量為0.01質(zhì)量％以上和小于20質(zhì)量％；0.001質(zhì)量％以上和小于16質(zhì)量％的Ca、以及由鎂和雜質(zhì)構(gòu)成的余量；組成3，包含選自Al、Zn、Mn、Y、Zr、Cu、Ag和Si的至少一種第一添加元素，每種元素的量為0.01質(zhì)量％以上和小于20質(zhì)量％；選自Ca、Ni、Au、Pt、Sr、Ti、B、Bi、Ge、In、Te、Nd、Nb、La和RE的至少一種第二添加元素，其量為0.001質(zhì)量％以上和小于5質(zhì)量％；以及由鎂和雜質(zhì)構(gòu)成的余量。
盡管第一添加元素有效提高鎂合金的特性如強度和耐腐蝕性，但是超過上述范圍的添加是不理想的，因為會導(dǎo)致合金的熔點提高或者半固體相(solidphase)的增加。盡管Ca具有為熔融金屬提供耐燃性的作用，但是超過上述范圍的添加是不理想的，因為會產(chǎn)生粗大的Al-Ca型金屬間化合物和Mg-Ca型金屬間化合物，從而降低二次加工性能。盡管預(yù)期第二添加元素通過更細(xì)微的晶體顆粒形成能夠有效提高機械特性以及為熔融金屬提供耐燃性，但是超過上述范圍的添加是不理想的，因為會導(dǎo)致合金的熔點提高或熔融金屬的粘度增加。
利用上述連續(xù)鑄造的制造方法容許得到具有優(yōu)異表面性能的鎂合金鑄造材料?？蓪λ描T造材料進(jìn)行熱處理或時效處理(aging treatment)，以便得到均質(zhì)化。具體的優(yōu)選條件包括200-600℃的溫度和1-40小時的時間。根據(jù)合金組成可以適當(dāng)?shù)剡x擇溫度和時間。在本發(fā)明中，通過上述連續(xù)鑄造得到的鑄造材料或者在連續(xù)鑄造之后經(jīng)受熱處理的鑄造材料具有0.1-10.0mm的厚度。厚度小于0.1mm時，難以用穩(wěn)定的方式供給熔融金屬以及獲得條帶狀制品。另一方面，超過10.0mm的厚度傾向于在所得鑄造材料中造成中心線偏析。厚度特別優(yōu)選1-6mm。通過調(diào)整活動模具，例如在用對置設(shè)置的一對輥形成活動模具的情況下通過調(diào)整輥間的最小間隙，可以控制鑄造材料的厚度。在本發(fā)明中，上述獲得的厚度為平均值。例如通過在鑄造材料的縱向上于任意的多個位置測量厚度并且用這些數(shù)值得到厚度的平均值。在后面將要描述的壓延材料中方法也一樣。
所得鎂合金鑄造材料優(yōu)選具有0.5-5.0μm的DAS(枝晶臂間距(dendritearm spacing))。上述范圍內(nèi)的DAS提供優(yōu)異的二次加工性能如壓延，以及對在二次加工材料進(jìn)一步進(jìn)行塑性加工如沖壓或鍛造的情況下優(yōu)異的加工性能。獲得上述范圍內(nèi)的DAS的方法例如是將凝固時的冷卻速率保持在50-10,000K/s。在這種情況下，更優(yōu)選在鑄造材料的橫向和縱向上保持均勻的冷卻速率。
此外所得鎂合金鑄造材料包括大小為20μm以下的金屬間化合物，這容許進(jìn)一步提高二次性能如壓延、以及在對二次加工材料進(jìn)一步進(jìn)行塑性加工如沖壓或鍛造的情況下提高加工性能。此外，10μm以下的金屬間化合物大小不僅容許改善鑄造材料在二次加工和后續(xù)加工步驟中的變形能力，而且容許改善耐熱性、抗蠕變性、楊氏模量和伸長率。此外，在實現(xiàn)上述特性進(jìn)一步改進(jìn)方面更優(yōu)選5μm以下的大小。在進(jìn)一步增加的冷卻速率下獲得和包含以細(xì)微分散在晶體顆粒中的3μm以下金屬間化合物的材料在上述特性和機械性能方面得到改進(jìn)并且是優(yōu)選的。此外，1μm以下的金屬間化合物使得進(jìn)一步提高所述特性以及是優(yōu)選的。超過20μm的粗大金屬間化合物構(gòu)成上述二次加工或塑性加工中的破裂起始點。獲得20μm以下的金屬間化合物大小的方法例如是將凝固時的冷卻速率保持在50-10,000K/s。在這種情況下，更優(yōu)選在鑄造材料的橫向和縱向上保持均勻的冷卻速率。除了控制冷卻速率以外，更有效的是在熔爐中或在熔融金屬池中攪拌熔融金屬。在這種情況下，優(yōu)選控制熔融金屬溫度，使其不成為造成部分金屬間化合物生成的溫度或更低。例如通過在光學(xué)顯微鏡下觀察鑄造材料的截面，然后確定該截面中金屬間化合物的最大截面長度作為該截面上的金屬間化合物大小，類似地確定在任意的多個截面上金屬間化合物的大小，以及例如在20個截面中取金屬間化合物的最大值，從而得到金屬間化合物的大小?？梢赃m當(dāng)改變所觀察的截面數(shù)量。
在所得鑄造材料的鎂合金組成包含上述第一添加元素和第二添加元素的情況下，為了在二次加工如壓延中或在對二次加工材料進(jìn)行塑性加工如沖壓或鍛造時獲得優(yōu)異的加工性能，在所述第一和第二添加元素中，在含量為0.5質(zhì)量％以上的每種元素中，在鑄造材料的表面部分和中心部分，設(shè)定含量(質(zhì)量％)與實際含量(質(zhì)量％)之間的差(絕對值)優(yōu)選較小，具體地10％以下。在調(diào)查鎂合金中含0.5質(zhì)量％以上的元素的偏析對二次加工如壓延或在對該材料進(jìn)一步進(jìn)行塑性加工如沖壓時的加工性能的影響時，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在鑄造材料的表面部分和中心部分處設(shè)定含量與實際含量之間的差超過10％，則會引起表面部分與中心部分之間機械性能的不平衡，由此從相對易碎的部分開始容易產(chǎn)生破裂以及因此降低成形極限。因此，對于含量0.5質(zhì)量％以上的每種元素，使鑄造材料的表面部分處的設(shè)定含量與實際含量之間的差、以及在鑄造材料的中心部分處的設(shè)定含量與實際含量之間的差為10％以下。鑄造材料的表面部分指的是在鑄造材料截面的厚度方向上，對應(yīng)于從表面起20％鑄造材料厚度的區(qū)域；而中心部分指的是在鑄造材料截面的厚度方向上，對應(yīng)于從中心起10％鑄造材料厚度的區(qū)域。構(gòu)成成分例如可以通過ICP分析。設(shè)定含量可以是用于獲得鑄造材料的混合量，或者通過分析整個鑄造材料而得到的值。例如，如下獲得表面部分的實際含量通過切削或拋光表面以露出表面部分、在上述表面部分中的5個或多個不同位置的截面上進(jìn)行分析、并取分析值的平均值。例如，可以如下獲得中心部分的實際含量通過切削或拋光表面以露出中心部分、在上述中心部分中的5個或多個不同位置的截面上進(jìn)行分析、并取分析值的平均值?？梢赃m當(dāng)改變分析的位置數(shù)量。得到10％以下差異的方法例如是利用夠快的鑄造速度，或者在200-600℃的溫度下對鑄造材料施加熱處理。
此外，所得鑄造材料的表面缺陷的深度優(yōu)選小于該鑄造材料厚度的10％。在調(diào)查表面缺陷深度對于二次加工性能和塑性加工性能的影響時，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)深度小于鑄造材料厚度10％的表面缺陷幾乎不會變成破裂的起始點，特別是在通過沖壓的折疊加工的情況下，從而提高加工性能。因此，如上限定表面缺陷的深度。為了獲得小于鑄造材料厚度10％的表面缺陷深度，例如可以采用較低的熔融金屬溫度以及采取加高的冷卻速率。也可以利用具有導(dǎo)熱性和熔融金屬對活動模具潤濕性優(yōu)異的金屬覆蓋層的活動模具，或者將澆注口橫截面方向上的熔融金屬溫度的溫度波動保持在10℃以下。通過在鑄造材料縱向上長1m的區(qū)域內(nèi)選擇任意兩點，得到該兩點的截面，用#4000或更細(xì)的砂紙和粒徑1μm金剛石研磨顆粒將各截面拋光，在200×放大倍率的光學(xué)顯微鏡下觀察整個長度的表面，并且將最大的值定義為表面缺陷的深度，從而可以確定表面缺陷的深度。
另外，為了減少經(jīng)受二次加工的鎂合金材料的塑性加工性能損失，存在于鑄造材料表面上的波痕，對于最大寬度rw與最大深度rd的關(guān)系而言，優(yōu)選滿足rw×rd＜1.0。例如通過將熔融金屬在從澆注口供給至活動模具時的壓力(供給壓力)保持在101.8kPa以上和小于118.3kPa(1.005atm以上和小于1.168atm)，或者通過調(diào)整活動模具的驅(qū)動速度，可以滿足rw×rd＜1.0的關(guān)系。過低的模具驅(qū)動速度傾向于擴大波痕，而過高的驅(qū)動速度可能會引起表面破裂等。通過對存在于鑄造材料表面上的波痕用三維激光測量裝置，對預(yù)定測量半徑的任意20個波痕測量最大寬度和最大深度，從而得到波痕的最大寬度和最大深度。在鑄造材料上限定多個測量范圍，在每一測量范圍中以相似方法確定最大寬度和最大深度，以及在所有測量范圍中所述最大寬度和最大深度都滿足上述關(guān)系，在這種情況下，這樣的鑄造材料具有減少塑性加工性能損失的更好效果。測量范圍的數(shù)量優(yōu)選為5-20。
此外所得的鑄造材料優(yōu)選具有150MPa以上的抗拉強度和1％以上的斷裂拉伸率，因為它可以減少經(jīng)受二次加工的鎂合金材料的塑性加工性能的損失。為了提高強度和延展性，優(yōu)選形成更細(xì)微的結(jié)構(gòu)以及降低表面缺陷的大小，由此使鑄造材料能夠壓下(depressed)。更具體地，例如通過選擇0.5-5.0μm范圍內(nèi)的DAS，20μm以下范圍內(nèi)的金屬間化合物大小，材料厚度10％以下范圍內(nèi)的表面缺陷的深度，以及將凝固完成點設(shè)定在位移距離15-60％的范圍內(nèi)，可以得到具有上述機械特性的鑄造材料。
通過連續(xù)鑄造得到的鑄造材料或在連續(xù)鑄造后經(jīng)受熱處理的鑄造材料在壓延等中具有優(yōu)異的二次加工性能，因此最適宜作為二次加工材料。此外通過使上述鑄造材料進(jìn)行塑性加工如通過一對壓延軋輥壓延可以得到更好強度的鎂合金材料。
壓延優(yōu)選在總壓延減量(reduction rate)為20％以上的條件下進(jìn)行。在總壓延減量小于20％的壓延中，殘留下構(gòu)成鑄造材料結(jié)構(gòu)的柱狀晶體，由此傾向于顯示不均一的機械特性。特別地，為了將鑄造結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成實質(zhì)上壓延結(jié)構(gòu)(再結(jié)晶結(jié)構(gòu))，總壓延減量優(yōu)選為30％以上?？倝貉訙p量C定義為C(％)＝(A-B)/A×100，鑄造材料厚度為A(mm)而壓延材料厚度為B(mm)。
壓延可以在一個道次或多個道次中進(jìn)行。在進(jìn)行多道次壓延的情況下，優(yōu)選包括一道次壓延減量為1-50％的壓延道次。當(dāng)一道次壓延減量小于1％時，為獲得所需厚度的壓延材料(壓延片材)，重復(fù)壓延道次的數(shù)量增加，從而導(dǎo)致較長的時間和較低的生產(chǎn)率。此外在1道次的壓延減量超過50％的情況下，由于加工度大，需要在壓延之前充分加熱材料，由此增加塑性加工性能。然而，所述加熱產(chǎn)生更粗大的晶體結(jié)構(gòu)，從而可能在沖壓或鍛造中降低塑性加工性能。壓延減量c定義為c(％)＝(a-b)/a×100，壓延前材料厚度為a(mm)而壓延后材料厚度為b(mm)。
另外所述壓延過程可以包括以下壓延步驟，其中作為壓延前材料的溫度t1(℃)和壓延時材料的溫度t2(℃)中較高者的溫度T(℃)與壓延減量c(％)滿足關(guān)系100＞(T/c)＞5。在(T/c)為100以上的情況下，盡管事實上該材料由于高溫而具有足夠的壓延性能并且允許采取高加工度，但是壓延操作以低的加工度進(jìn)行，以致于該操作在經(jīng)濟上是浪費的。在(T/c)為5以下的情況下，盡管事實上該材料由于低溫而具有低的壓延性能，但是壓延操作以高的加工度進(jìn)行，以致于壓延時在材料內(nèi)部或表面上容易產(chǎn)生裂縫。
此外，壓延過程優(yōu)選包括以下壓延步驟，其中即將進(jìn)入壓延軋輥時的材料表面溫度為100℃以下以及壓延軋輥的表面溫度是100-300℃。材料通過與如此加熱的壓延軋輥接觸而間接加熱。在下文中，其中將壓延之前的材料保持在100℃以下的表面溫度而實際壓延操作中的壓延軋輥被加熱至100-300℃表面溫度的壓延方法稱作“非預(yù)熱壓延”。所述非預(yù)熱壓延可以在多個道次中進(jìn)行，或者在多個道次中在進(jìn)行除了所述非預(yù)熱壓延以外的壓延之后僅在最后道次中施用。換句話說，可以利用除了所述非預(yù)熱壓延以外的壓延作為粗軋(crude rolling)而非預(yù)熱壓延作為精軋(finish rolling)。至少在最后道次中進(jìn)行非預(yù)熱壓延，這容許得到具有足夠強度和塑性加工性能優(yōu)異的鎂合金壓延材料。
在所述非預(yù)熱壓延中，即將進(jìn)入壓延軋輥時的材料的表面溫度在下限方面沒有特別限制，室溫下的材料不需要加熱或冷卻，對于能效是有利的。
在所述非預(yù)熱壓延中，低于100℃的壓延軋輥溫度造成對材料的加熱不足，從而最終在壓延過程中產(chǎn)生裂縫以及阻礙壓延操作。此外在壓延軋輥具有超過300℃的溫度的情況下，壓延軋輥需要大規(guī)模的加熱設(shè)備，而且壓延過程中材料的溫度變得過高從而形成更粗大的晶體結(jié)構(gòu)，因此傾向于降低沖壓或鍛造中的塑性加工性能。
除了所述非預(yù)熱壓延以外的壓延優(yōu)選是熱壓延(hot rolling)，其中材料被加熱至100-500℃、特別優(yōu)選150-350℃溫度。每道次的壓延減量優(yōu)選是5-20％。
繼連續(xù)鑄造之后連續(xù)地進(jìn)行時，壓延加工可以利用鑄造材料中的余熱，在能效方面是優(yōu)異的。在溫軋(warm rolling)的情況下，材料可以通過向壓延軋輥設(shè)置加熱裝置如加熱器而間接加熱，或者通過在材料附近設(shè)置高頻加熱裝置或加熱器來直接加熱。利用潤滑劑有利地進(jìn)行壓延加工。潤滑劑的使用容許在一定程度上提高所得鎂合金壓延材料中的韌性如彎曲能力。對于潤滑劑，可以使用一般的壓延用油。通過在壓延之前涂布在材料上，有利的使用潤滑劑。在沒有繼連續(xù)鑄造之后進(jìn)行壓延加工或者進(jìn)行精軋的情況下，材料優(yōu)選在壓延之前于350-450℃的溫度下進(jìn)行溶體處理(solution treatment)1小時以上。所述溶體處理容許除去由壓延之前的加工如粗軋所引入的殘余應(yīng)力或應(yīng)變，以及減少上述在先加工中所形成的織構(gòu)化結(jié)構(gòu)(textured structure)。在隨后的壓延操作中，它還可防止材料中不期望的破裂、扭曲或變形。在低于350℃的溫度下進(jìn)行或者進(jìn)行少于1小時的溶體處理，對充分除去殘余應(yīng)力或減少織構(gòu)化結(jié)構(gòu)的效果小。另一方面，超過450℃的溫度導(dǎo)致例如清除殘余應(yīng)力的效果飽和，并且造成溶體處理所需能源的浪費。溶體處理的上限時間是約5小時。
另外，對經(jīng)受上述壓延加工的鎂合金壓延材料優(yōu)選進(jìn)行熱處理。此外在多個道次中進(jìn)行壓延的情況下，可以對每一道次或者每多個道次施加熱處理。熱處理的條件包括100-600℃的溫度以及約5分鐘-40小時的時間。為了通過除去由壓延加工而引入的殘余應(yīng)力或應(yīng)變來提高機械特性，熱處理可以在上述溫度范圍內(nèi)的低溫(例如100-350℃)下進(jìn)行以及在上述時間范圍內(nèi)的短時間(例如約5分鐘-3小時)中進(jìn)行。過低的溫度或過短的時間造成不充分的再結(jié)晶由此殘存著應(yīng)變，而過高的溫度或過長的時間產(chǎn)生過度粗大的晶體顆粒，從而降低塑性加工性能如沖壓或鍛造。在進(jìn)行溶體處理的情況下，熱處理可以在上述溫度范圍內(nèi)的高溫(例如200-600℃)下以及在上述時間范圍內(nèi)的長時間(例如約1-40小時)中進(jìn)行。
經(jīng)受上述壓延加工以及此后特別地進(jìn)行熱處理的鎂合金壓延材料具有微細(xì)晶體結(jié)構(gòu)，在強度和韌性方面優(yōu)異，以及如在沖壓或鍛造中的塑性加工性能優(yōu)異。更具體地，得到平均結(jié)晶粒度為0.5μm-30μm的微細(xì)晶體結(jié)構(gòu)。盡管小于0.5μm的平均結(jié)晶粒度提高強度，但是在韌性提高的效果上已飽和，而超過30μm的平均結(jié)晶粒度由于構(gòu)成破裂等起始點的粗大顆粒存在而降低塑性加工性能。通過對壓延材料的表面部分和中心部分由JIS G0551規(guī)定的切割方法確定結(jié)晶粒度并得到平均值，可以獲得平均結(jié)晶粒度。壓延材料的表面部分指的是在壓延材料截面的厚度方向上對應(yīng)于從表面起20％壓延材料厚度的區(qū)域，而中心部分指的是在壓延材料截面的厚度方向上對應(yīng)于從中心起10％壓延材料厚度的區(qū)域。通過調(diào)整壓延條件(如總壓延減量和溫度)或熱處理條件(如溫度和時間)可以改變平均結(jié)晶粒度。
壓延材料表面部分的平均結(jié)晶粒度與其中心部分平均結(jié)晶粒度的差值(絕對值)在20％以下，這使得進(jìn)一步提高塑性加工性能如在沖壓或鍛造中的加工性能。在上述差值超過20％的情況下，不均勻的結(jié)構(gòu)造成不均勻的機械特性，從而導(dǎo)致降低的成形極限。20％以下的平均結(jié)晶粒度的差值可以通過至少在最后道次中進(jìn)行非預(yù)熱壓延而達(dá)到。因而優(yōu)選通過低溫下的壓延均勻地引入應(yīng)變。
此外在所得到的鎂合金壓延材料中，20μm以下的金屬間化合物的大小使得進(jìn)一步提高塑性加工性能如在沖壓或鍛造中的加工性能。超過20μm的粗大金屬間化合物構(gòu)成塑性加工中破裂的起始點。20μm以下的金屬間化合物的大小可以例如通過采用具有金屬間化合物大小為20μm以下的鑄造材料來得到。
在所得壓延材料的鎂合金組成包含上述第一添加元素和第二添加元素的情況下，為了得到優(yōu)異的塑性加工性能如在沖壓或鍛造中的加工性能，所述第一和第二添加元素中含量為0.5質(zhì)量％以上的每種元素，在壓延材料的表面部分和中心部分處，設(shè)定含量(質(zhì)量％)與實際含量(質(zhì)量％)之間的差(絕對值)優(yōu)選較小，具體地10％以下。設(shè)定含量(set content)與實際含量之間的差超過10％引起表面部分與中心部分之間機械特性的不平衡，由此從相對易碎的部分開始容易產(chǎn)生破裂以及因此降低成形極限。組成成分的分析可以用在鑄造材料的情況下相同的方法進(jìn)行。此外，為了使設(shè)定含量與實際含量之間的差為10％以下，可以利用其中鑄造材料表面部分處設(shè)定含量與實際含量之間的差和中心部分設(shè)定含量與實際含量之間的差都為10％以下的鑄造材料。
此外，所得壓延材料的表面缺陷的深度優(yōu)選小于該壓延材料厚度的10％。深度小于壓延材料厚度10％的表面缺陷幾乎不會變成破裂的起始點，特別是在通過沖壓的折疊加工的情況下，從而提高加工性能。為了獲得小于壓延材料厚度10％的表面缺陷深度，例如可以利用其中表面缺陷的深度小于鑄造材料厚度10％的鑄造材料。表面缺陷的深度可以用在鑄造材料情況下相同的方法測量。
另外所得到的壓延材料優(yōu)選具有200MPa以上的抗拉強度和5％以上的斷裂拉伸率，因為它可以減少塑性加工性能如沖壓或鍛造中的加工性能的損失。為了獲得所述強度和韌性，例如可以利用具有150MPa以上的抗拉強度和1％以上的斷裂拉伸率的鑄造材料。
上述壓延材料在塑性加工如沖壓或鍛造中具有優(yōu)異的加工性能，因此最適宜作為塑性加工用材料。另外塑性加工如沖壓對上述壓延材料的施用使得能夠在要求輕質(zhì)的各種領(lǐng)域中應(yīng)用。
至于塑性加工的具體條件，優(yōu)選在通過將壓延材料加熱至室溫以上和低于500℃的溫度來提高塑性加工性能的狀態(tài)下進(jìn)行。塑性加工的實例包括沖壓和鍛造。在塑性加工之后，優(yōu)選施加熱處理。該熱處理的條件包括100-600℃的溫度和約5分鐘-40小時的時間。在除去由加工造成的應(yīng)變、除去加工時引入的殘余應(yīng)力或提高機械特性的情況下，熱處理可以在上述溫度范圍內(nèi)的低溫(例如100-350℃)下進(jìn)行以及在上述時間范圍內(nèi)的短時間(例如約5分鐘-24小時)中進(jìn)行。在進(jìn)行溶體處理的情況下，熱處理可以在上述溫度范圍內(nèi)的高溫(例如200-600℃)下以及在上述時間范圍內(nèi)的長時間(例如約1-40小時)中進(jìn)行。通過上述塑性加工和熱處理得到的鎂合金成型制品可以在涉及家用電器、運輸、航空-宇宙、運動-休閑、醫(yī)療-福利、食品和建筑的領(lǐng)域內(nèi)用于構(gòu)造部件和裝飾制品中。
發(fā)明效果如上所述，本發(fā)明的鎂合金材料制造方法提供優(yōu)異效果，即以穩(wěn)定的方式低成本地提供機械特性如強度和韌性以及表面性能優(yōu)異的鎂合金材料。此外所得到的鎂合金鑄造材料是二次加工性能如壓延加工性能優(yōu)異的材料，以及采用該鑄造材料得到的鎂合金壓延材料是塑性加工性能如沖壓或鍛造中的加工性能優(yōu)異的材料。另外采用該壓延材料得到的鎂合金成型制品具有高強度和輕重量，可用作各種領(lǐng)域中的構(gòu)造部件。


圖1是鎂合金用連續(xù)鑄造裝置的示意圖。
圖2(A)是顯示在澆注口附近的結(jié)構(gòu)的部分放大圖，表明凝固完成點處于位移段內(nèi)的狀態(tài)。
圖2(B)是顯示在澆注口附近的結(jié)構(gòu)的部分放大圖，表明凝固完成點沒有處于位移段內(nèi)的狀態(tài)。
圖3(A)是沿著圖2(A)中線X-X的截面圖，顯示其中澆注口具有矩形截面的實例。
圖3(B)是沿著圖2(A)中線X-X的截面圖，顯示其中澆注口具有梯形截面的實例。
圖4(A)是活動模具的部分示意圖，顯示在活動模具的表面上具有覆蓋層的實例，其中覆蓋層與活動模具的表面接觸并固定于其上。
圖4(B)是活動模具的部分示意圖，顯示在活動模具的表面上具有覆蓋層的實例，其中覆蓋層可移動地設(shè)置在活動模具的表面上。
圖5是鎂合金用連續(xù)鑄造裝置的示意圖，其中熔融金屬通過其重量而被供給至活動模具。
具體實施例方式
在下文中，將參照附圖描述本發(fā)明的實施方式。在附圖中，相同部件由相同符號表示而將不再重復(fù)描述。圖中的尺寸比例并非必然地與說明書中的匹配。
圖1是鎂合金用連續(xù)鑄造裝置的示意圖。該連續(xù)鑄造裝置包括一對輥14作為活動模具，并且通過利用泵11b和泵12e向該活動模具供給鎂合金的熔融金屬1來制造鑄造材料。該裝置配備有用于熔化鎂合金以形成熔融金屬1的熔爐10，用于暫時存儲來自熔爐10的熔融金屬1的熔融金屬池12，設(shè)置在熔爐10和熔融金屬池12之間用于將熔融金屬1從熔爐10傳送到熔融金屬池12的傳送槽11，包括將熔融金屬1從熔融金屬池12供給至對輥14之間間隙的澆注口13的供給部件12d，以及用于鑄造所供給的熔融金屬1由此形成鑄造材料2的對輥14。
在圖1所示實例中，熔爐10包括用于熔化鎂合金并存儲熔融金屬1的坩堝10a，設(shè)置在坩堝10a外周上以將熔融金屬1保持在恒定溫度的加熱器10b，以及容納坩堝10a和加熱器10b的外殼10c。此外，配置溫度測量裝置(未示出)和溫度控制器(未示出)以調(diào)節(jié)熔融金屬1的溫度。另外，為通過后面所要敘述的氣體控制坩堝10a的內(nèi)部氛圍，坩堝10a配備有氣體引入管10d，排氣管10e和氣體控制器(未示出)。另外，坩堝10a配備有攪拌熔融金屬1用的翅片(未示出)由此能夠進(jìn)行攪拌。
在圖1所示實例中，傳送槽11將其一端插入坩堝10a中的熔融金屬1內(nèi)，而另一端與熔融金屬池12相連，以及在外周上配備有加熱器11a以便在傳送熔融金屬1時熔融金屬1的溫度不會降低。另外，設(shè)置將熔融金屬1供應(yīng)至熔融金屬池12用的泵11b。在傳送槽11的外周上，設(shè)置超聲攪拌裝置(未示出)，由此能夠在傳送期間攪拌熔融金屬1。
在圖1所示實例中，熔融金屬池1 2在其外周上配備有加熱器12a，溫度測量裝置(未示出)和溫度控制器(未示出)。加熱器12a主要在操作起始時用于加熱熔融金屬池12以便從熔爐10傳送的熔融金屬1至少保持在非凝固溫度。在穩(wěn)定的操作期間，考慮到由傳送自熔爐10的熔融金屬1的熱量輸入以及從熔融金屬池12消散的熱量輸出來適當(dāng)?shù)厥褂眉訜崞?2a另外如同在坩堝10a中那樣，為了通過氣體來控制氛圍，熔融金屬池12配備有氣體引入管12b，排氣管12c和氣體控制器(未示出)。另外，如同在坩堝10a中那樣，熔融金屬池12配備有攪拌熔融金屬1用的翅片(未示出)由此能夠進(jìn)行攪拌。
在圖1所示實例中，將供給部件12d一端插入熔融金屬池12的熔融金屬1中，而另一端(在構(gòu)成活動模具的輥14一例)設(shè)置有澆注口13。在澆注口13附近，設(shè)置溫度測量裝置(未示出)，以用于對供給至澆注口13的熔融金屬1進(jìn)行溫度管理。設(shè)置該溫度測量裝置以便不會阻礙熔融金屬1的流動。澆注口13單獨地設(shè)置有加熱裝置如加熱器以及優(yōu)選在操作開始之前加熱至熔融金屬1不會凝固的溫度范圍。此外為了減少在澆注口13的橫截面方向上熔融金屬1的溫度波動，可以適宜地用溫度測量裝置確定溫度以及通過加熱裝置加熱澆注口13。通過用具有優(yōu)異導(dǎo)熱性的材料形成澆注口13也可以減少溫度波動。為了將熔融金屬1從澆注口13供給至活動模具(輥14之間的間隙)，供給部件12d包括位于熔融金屬池12和澆注口13之間的泵12e。從澆注口13供給至輥14之間間隙的熔融金屬1的壓力可以通過調(diào)整泵12e的輸出來調(diào)節(jié)。
在圖1所示實例中，活動模具由對輥14構(gòu)成。輥14以其間有間隙地相對設(shè)置，以及通過未經(jīng)圖示的驅(qū)動機構(gòu)在彼此不同的方向上(一個順時針而另一個逆時針)可旋轉(zhuǎn)。將熔融金屬1供給至輥14之間的間隙中，在輥14的旋轉(zhuǎn)下，從澆注口13供給的熔融金屬1在與輥14接觸時凝固，并作為鑄造材料2排出。在本實例中，由于鑄造方向是垂直向上的，為了熔融金屬不會從活動模具與澆注口13之間的空隙向下泄漏而設(shè)置熔融金屬封板17(參見圖3(A)和3(B))。每根輥14包括任意調(diào)整表面溫度的加熱-冷卻機構(gòu)(未示出)，以及配備有溫度測量裝置(未示出)和溫度控制器(未示出)。
然后，本發(fā)明的特征在于采用氧含量為20質(zhì)量％以下體積比的低氧材料，作為形成在從熔化步驟到連續(xù)鑄造的過程中熔融金屬1所接觸部分用的材料。作為上述材料，本實例將鑄鐵(氧濃度重量比例100ppm以下)用于坩堝10a，不銹鋼(SUS430，氧濃度重量比例100ppm以下)用于傳送槽11、熔融金屬池12、供給部件12d、澆注口13和熔融金屬封板17(參見圖3(A)和3(B))，以及銅合金(組成(質(zhì)量％)銅99％，鉻0.8％和余量的雜質(zhì)，氧濃度重量比例100ppm以下)用于輥14。
由于用上述連續(xù)鑄造裝置制造鑄造材料容許使熔融金屬與氧的結(jié)合減少，可以減少會導(dǎo)致鑄造材料表面性能劣化的氧化鎂形成或失氧材料的碎裂。另外由于熔融金屬較少受氧化鎂或失氧材料的污染，也可以減少由這些異物存在所引起的二次加工性能的劣化。
特別地在圖1所示的連續(xù)鑄造裝置中，通過將氧濃度低的氣體密封在其內(nèi)，可以使坩堝10a內(nèi)部和熔融金屬池12內(nèi)部保持在低氧氛圍下。在這種狀態(tài)下，可以更有效地減少熔融金屬與氧的結(jié)合。構(gòu)成低氧氛圍的氣體的實例包括氧含量少于5vol％的氬氣，以及二氧化碳和氬的混合氣體。另外可以混合阻燃?xì)怏w如SF6。
另外在圖1所示的連續(xù)鑄造裝置中，考慮到所需的合金組成和所需的片材厚度以及構(gòu)成模具的材料，通過進(jìn)行控制以有效降低模具溫度和調(diào)整活動模具的驅(qū)動速度，可以將凝固完成點設(shè)置在由活動模具排出為止的區(qū)域中。圖2(A)和2(B)是顯示在澆注口附近的結(jié)構(gòu)的部分放大圖，圖2(A)表明凝固完成點處于位移段內(nèi)的狀態(tài)，而圖2(B)表明凝固完成點沒有處于位移段內(nèi)的狀態(tài)。包括輥14的中心軸的平面(該平面以下稱為模具中心15)和澆注口13前端之間的部分稱作位移16。如圖2(A)中所示，經(jīng)過澆注口13從供給部件12d供給至輥14之間間隙的熔融金屬1在由澆注口13、輥14和未圖示的熔融金屬封板所包圍的封閉空間中放出，并且在彎液面20形成下通過接觸輥14而冷卻，由此開始凝固。沿著鑄造方向(在圖2(A)和2(B)中向上)，輥14設(shè)置得更為接近，以致于輥14之間的間隙變得更小。更具體地，當(dāng)在鑄造的初始階段中從澆注口13供給的熔融金屬1開始最初接觸輥14時，在熔融金屬1最初所接觸的部分之間的起始間隙m1處間隙最大，當(dāng)凝固材料通過模具中心15，間隙變成輥14設(shè)置得最近的最小間隙m2。因此，在由凝固形成的固化殼體(solidification shell)與輥14之間沒有因凝固收縮而產(chǎn)生空隙的情況下，固化殼體與輥14保持緊密接觸以及保持其冷卻效果直到在凝固完成點21處完成凝固為止。另外在從凝固完成點21到模具中心15的部分中，輥14之間的間隙變得更小。因此，該固化的鎂合金通過來自輥14的壓延力(reducing force)而受到壓縮變形，并且從輥14之間的間隙中排出，由此提供具有如同在壓延材料中一樣光滑表面的鑄造材料2。優(yōu)選通過使凝固完成點21處于位移16的區(qū)域內(nèi)來控制凝固狀態(tài)。另外通過選擇起始間隙m1的距離為最小間隙m2的1-1.55倍來獲得高的冷卻效果。
另一方面，在沒有進(jìn)行上述凝固控制的情況下，如圖2(B)所示經(jīng)過澆注口13從供給部件12d供給至輥14之間間隙的熔融金屬1在由澆注口13、輥14和未圖示的熔融金屬封板所包圍的封閉空間中放出，并且在彎液面20形成下通過接觸輥14而冷卻，由此開始凝固。然而，在其經(jīng)過模具中心15時，大量未凝固部分殘留在中心部分。從而，凝固完成點23位于位移16區(qū)域之后的位置。由于通過模具中心15之后的鎂合金與輥14分離，凝固不是通過由輥14冷卻來進(jìn)行，而是經(jīng)過由鑄造材料2表面的熱輻射冷卻來進(jìn)行。因此在鑄造材料2中心部分處凝固速率變得較慢，從而造成中心線偏析。
圖3(A)和3(B)是沿著圖2(A)中線X-X的截面圖，其中圖3(A)顯示澆注口具有矩形截面的實例，而圖3(B)顯示其中澆注口具有梯形截面的實例。另外在圖1所示的連續(xù)鑄造裝置中，通過調(diào)節(jié)經(jīng)由泵12e從澆注口13供給至輥14之間間隙的熔融金屬1的壓力，可以使形成彎液面20的區(qū)域(參見圖2(A)和2(B))足夠小。另外通過控制以使得澆注口13的橫截面方向上熔融金屬1的溫度波動最小化，熔融金屬1立即填入彎液面形成區(qū)域中，由此提供今人滿意的鑄造材料2。例如，圖3(A)中所示的溫度測量裝置13a用于調(diào)整單獨的加熱裝置如加熱器的溫度，如此在澆注口13的橫截面方向上熔融金屬1中的溫度波動變成10℃以下，以及調(diào)節(jié)泵12e(參見圖1)，以使得供給至輥14之間間隙的熔融金屬1的壓力變成101.8kPa以上和小于118.3kPa(1.005atm以上和小于1.168atm)。以這種方式，能夠充分填充熔融金屬1，如圖3(A)所示。圖3(B)中所示實例僅在澆注口13的形狀方面不同，而如同圖3(A)中所示實例那樣，通過調(diào)整經(jīng)由泵12e(參見圖1)從澆注口13供給至輥14之間間隙的熔融金屬1的壓力，以及通過控制在澆注口13的橫截面方向上熔融金屬1的溫度波動，能夠充分填充熔融金屬1。
在圖1所示的連續(xù)鑄造裝置中，為了進(jìn)一步提高冷卻速率可以在活動模具上設(shè)置覆蓋層。圖4(A)和4(B)是活動模具的部分示意圖，其顯示在活動模具的表面上具有覆蓋層的實例，其中圖4(A)顯示覆蓋層與活動模具的表面接觸并固定于其上的實例，而圖4(B)顯示覆蓋層可移動地設(shè)置在活動模具的表面上的實例。圖4(A)中所示的活動模具30在輥14a的外圓周上設(shè)置有氧含量低和導(dǎo)熱性優(yōu)異的材料的覆蓋層14b。設(shè)置覆蓋層14b，以使得從澆注口13供給的熔融金屬1和通過凝固得到的鑄造材料2不會與輥14a接觸。用于形成所述覆蓋層14b的材料的實例包括銅和銅合金。用于形成覆蓋層14b的材料是僅要求如上所述具有低氧含量和導(dǎo)熱性優(yōu)異的材料，強度不足以用作輥14a的材料的材料也可以使用。具有優(yōu)異導(dǎo)熱性的覆蓋層14b在與熔融金屬1接觸時有效地使熔融金屬1的熱量消散，由此有助于提高熔融金屬1的冷卻速率。另外由于優(yōu)異的導(dǎo)熱性，它也具有防止輥14a因受到來自熔融金屬1的熱量而變形所引起的尺寸變化的作用。另外在覆蓋層14b由與輥14a相似的材料形成的情況下，當(dāng)在操作中受到損傷時，可以經(jīng)濟地僅僅替換覆蓋層14b。
如上所述覆蓋層14b可以與輥14a接觸并固定，但是如圖4(B)所示，可以設(shè)置覆蓋層19以使得可在輥14a的外圓周上移動。覆蓋層19用如同覆蓋層14b中那樣具有低氧含量以及導(dǎo)熱性優(yōu)異的材料制成帶狀部件，并且構(gòu)造成圖4(B)中所示的閉合回路結(jié)構(gòu)。所述閉合回路覆蓋層19由輥14a和張緊輪18支撐，以使得覆蓋層19在輥14a的外圓周上可移動。如同在覆蓋層14b中那樣具有優(yōu)異導(dǎo)熱性的覆蓋層19充分提高熔融金屬1的冷卻速率并且抑制輥14a由于熱變形的尺寸變化。此外在覆蓋層19由與輥14a相似的材料形成的情況下，在操作中受到損傷時可以僅僅替換覆蓋層19。另外，覆蓋層19構(gòu)造成在輥14a和張緊輪18之間移動，可在接觸熔融金屬1之后而在下一次接觸之前，進(jìn)行表面清潔或校正熱應(yīng)變引起的變形。另外可以在輥14a和張緊輪18之間設(shè)置加熱覆蓋層19用的加熱裝置。
圖5是鎂合金用連續(xù)鑄造裝置的示意圖，其中利用熔融金屬的重量將其供給至活動模具。該連續(xù)鑄造裝置在基本構(gòu)造上與圖1所示裝置類似。更具體地，其配備有熔化鎂合金以形成熔融金屬1的熔爐40，用于暫時存儲來自熔爐40的熔融金屬1的熔融金屬池42，設(shè)置在熔爐40和熔融金屬池42之間用于將熔融金屬1從熔爐40傳送到熔融金屬池42的傳送槽41，用于包括將熔融金屬1從熔融金屬池42供給至對輥44之間間隙的澆注口43的供給部件42d，以及用于鑄造所供給的熔融金屬1由此形成鑄造材料2的一對輥44。區(qū)別在于事實上熔融金屬1通過其重量供給至輥44之間的間隙。
在圖5所示裝置中，如同圖1所示的熔爐10中那樣，熔爐40包括坩堝40a、加熱器40b和外殼40c，溫度測量裝置(未示出)和溫度控制器(未示出)。另外坩堝40a設(shè)置有氣體引入管40d，排氣管40e和氣體控制器(未示出)。另外坩堝40a配備有用于攪拌熔融金屬1的翅片(未示出)由此能夠進(jìn)行攪拌。傳送槽41在其一端與坩堝40a相連，而在另一端與熔融金屬池42相連，以及在中間部分設(shè)置有加熱器41a和用于將熔融金屬1供給至熔融金屬池42閥41b。在傳送槽41的外周上，配置超聲攪拌裝置(未示出)。
在圖5所示實例中，熔融金屬池42在其外周上配備有加熱器42a，溫度測量裝置(未示出)和溫度控制器(未示出)。另外熔融金屬池42設(shè)置有氣體引入管42b，排氣管42c和氣體控制器(未示出)。另外熔融金屬池42配備有攪拌熔融金屬1用的翅片(未示出)由此能夠進(jìn)行攪拌。供給部件42d在其一端與熔融金屬池42相連，而另一端(在構(gòu)成活動模具的輥44一側(cè))具有澆注口43。在澆注口43附近，配備溫度測量裝置(未示出)，以用于對供給至澆注口43的熔融金屬1進(jìn)行溫度管理。設(shè)置該溫度測量裝置以致于不會阻礙熔融金屬1的流動。為了利用熔融金屬1的重量將熔融金屬1從澆注口43供給至輥44之間的間隙，將后面會敘述的輥44之間間隙的中心線50水平設(shè)置，而且設(shè)置熔融金屬池42、澆注口43和輥44，以使得熔融金屬1在水平方向上經(jīng)過澆注口43從熔融金屬池42供給至輥44之間的間隙，并且在水平方向上形成鑄造材料2。另外，設(shè)置供給部件42d低于熔融金屬池42中的熔融金屬1的液面。配備檢測液面用傳感器47，以便進(jìn)行調(diào)整，使熔融金屬池42中熔融金屬1的液面達(dá)到離輥44之間間隙的中心線50的預(yù)定高度h。傳感器47連接至未圖示的控制器，其響應(yīng)傳感器47的檢測結(jié)果來調(diào)節(jié)閥41b，從而控制熔融金屬1的流速，由此調(diào)整從澆注口43供給至輥44之間間隙中的熔融金屬1的壓力。更具體地，選擇距離中心線50有30mm遠(yuǎn)的點的高度作為熔融金屬1的液面的設(shè)定值，優(yōu)選控制該液面以處于上述設(shè)定值±10％。另外期望使熔融金屬1的壓力為101.8kPa以上和小于118.3kPa(1.005atm以上和小于1.168atm)。
在圖5所示實例中，活動模具由一對輥44構(gòu)成。輥44以其間有間隙地相對設(shè)置，以及通過未經(jīng)圖示的驅(qū)動機構(gòu)在彼此不同的方向上(一個順時針而另一個逆時針)可旋轉(zhuǎn)。特別地，設(shè)置輥44以使得輥間間隙的中心線50水平設(shè)置。熔融金屬1被供給至輥44之間的間隙中，在輥44的旋轉(zhuǎn)下，從澆注口43供給的熔融金屬1在與輥44接觸時凝固，并作為鑄造材料2排出。在本實例中，鑄造方向是水平的。每根輥44包括任意調(diào)整表面溫度的加熱-冷卻機構(gòu)(未示出)，以及具有溫度測量裝置(未示出)和溫度控制器(未示出)。
在本實例中，石墨(氧濃度重量比例50ppm以下，不包括孔中的氧)用作形成坩堝40a、傳送槽41、熔融金屬池42、供給部件42d和澆注口43的氧含量為20質(zhì)量％以下的低氧材料。另外作為形成輥44用的材料，采用銅合金(組成(質(zhì)量％)銅99％，鉻0.8％和余量的雜質(zhì)，氧濃度重量比例100ppm以下)。
如同在圖1所示裝置中那樣，用上述連續(xù)鑄造裝置制造鑄造材料，這容許減少由熔融金屬與氧結(jié)合造成的缺陷，即鑄造材料表面性能的劣化和二次加工性能的損失。另外在圖5所示裝置中，在坩堝40a內(nèi)部和熔融金屬池42內(nèi)部保持低氧氛圍，從而有效減少熔融金屬與氧的結(jié)合。
(試驗例1)用圖5所示連續(xù)鑄造裝置進(jìn)行連續(xù)鑄造以制造鑄造材料(片材)。調(diào)查所得鑄造材料的特性。經(jīng)調(diào)查的鎂合金的組成、鑄造條件和特性示于表1-5中。表1-5僅顯示模具的材料，除模具以外其他部件的材料與實施例5中所示相同(碳)。在表1-5中，熔融金屬的最高溫度、最低溫度和波動指的是在澆注口處的溫度以及在澆注口的橫截面方向上的波動。位移指的是圖5中包括輥44的中心軸的平面(以下稱為模具中心45)和澆注口43前端之間的距離(位移46)。氛圍由含量如表1-5所示的氧以及余量的氬和氮的混合氣體組成。澆注口處的間隙指的是從澆注口供給的熔融金屬最初接觸的輥部分之間的間隙。模具中心的輥間隙指的是輥設(shè)置得最為靠近時的最小間隙。壓延減量定義為(澆注口處的間隙/最小間隙)×100。供給壓力指的是從熔融金屬(包括固化部分)對輥施加的壓縮荷載。鑄造材料溫度指的是立即從輥放出之后的鎂合金材料的表面溫度。成分波動基于表1-5所示的各實施例組成相應(yīng)的設(shè)定含量來確定。






結(jié)果，可以進(jìn)行鑄造而不會造成破裂等，而且如表1-5中所示，發(fā)現(xiàn)所得到的鑄造材料具有均勻的組成，優(yōu)異的表面質(zhì)量，微細(xì)的金屬間化合物和優(yōu)異的機械特性。
(試驗例2)對如此獲得的鑄造材料進(jìn)行壓延加工以制造壓延材料。在壓延加工后，對每一壓延材料進(jìn)行熱處理(約1小時，在根據(jù)組成于100-350℃的溫度范圍內(nèi)適當(dāng)選擇的溫度下)。在熱處理后得到的壓延材料試驗其特性。壓延條件和特性示于表6-10中。在1道次的壓延減量為1-50％以及150-350℃的溫度下，通過多個道次進(jìn)行壓延加工，并且在最后道次中在表6-10所示條件下進(jìn)行壓延。將市售的壓延用油用作潤滑劑。






如表6-10中所示，所得到的壓延材料在表面質(zhì)量上以及在強度和韌性方面優(yōu)異。另外材料具有微細(xì)的晶體結(jié)構(gòu)以及呈現(xiàn)微細(xì)的金屬間化合物。此外當(dāng)Nos.1-20的鑄造材料在300-600℃的溫度范圍內(nèi)適于每一組成的溫度下進(jìn)行溶體處理1小時以上，進(jìn)一步在上述相似條件下進(jìn)行壓延和熱處理時，用相似方法調(diào)查其特性。結(jié)果，在壓延中完全沒有出現(xiàn)意外的破裂、應(yīng)變或變形，并且能夠以更穩(wěn)定的方法進(jìn)行壓延加工。
(試驗例3)對所得到的壓延材料在250℃進(jìn)行沖壓加工(沖壓成一般的殼狀)以制造鎂合金成型制品。結(jié)果，采用上述壓延材料的成型制品具有優(yōu)異的尺寸精度而沒有破裂。此外在壓延材料中，選擇某些試樣(選擇Nos.1-4，9-13，15，16，18和20)并在250℃進(jìn)行各種形狀的沖壓加工。這些壓延材料能夠以任意形狀沖壓，而且在外觀和尺寸精度上優(yōu)異。作為對比，市售的AZ31合金材料類似地進(jìn)行各種形狀的沖壓加工。結(jié)果，該AZ31合金材料由于破裂而不能沖壓，或者即使在可以沖壓加工時但提供外觀差的制品。
(試驗例4)另外在壓延材料中，選擇某些試樣(選擇Nos.5和6)并研究耐腐蝕性。這些試樣被證實具有耐腐蝕性，比得上通過一般的觸融模制法制造的AZ91合金材料。
(試驗例5)另外在壓延材料中，選擇某些試樣(選擇Nos.1，6，7，13和18)并評價彎曲量。在間隔150mm設(shè)置的、高20mm并且具有鋒利上端的兩個平行突起物上，將寬30mm、長200mm和厚0.5mm的試樣垂直放在突起物上，當(dāng)在突起物中央施加預(yù)定的荷載時，中央處高度的減少量除以用同樣方法對0.5mmt的市售AZ 31合金片材所測得的高度減少量，并且用百分?jǐn)?shù)表示。結(jié)果，如表12中所示，通過雙輥鑄造制造的試樣被證實具有等于或高于市售AZ31合金的抗彎曲性。
(試驗例6)此外，在壓延材料中，選擇某些試樣(選擇Nos.1，6，7，13和18)，并且將相同的組成用碳坩堝在氬氛圍下熔化，然后在涂布有石墨脫模劑的SUS316模具中以1-10K/s的冷卻速率鑄造以便得到100mm×200mm×20mmt的形狀，然后在400℃和空氣中進(jìn)行均質(zhì)化處理24小時，并進(jìn)行切削加工以獲得厚4mmt的試驗片，在表面和內(nèi)部沒有缺陷(表11中，表示為Nos.1_M1、6_M1、7_M1、13_M1和18_M1)。制成的試驗片進(jìn)行壓延加工至0.5mmt以便滿足關(guān)系100＞(T/c)＞5，其中c(％)是一道次壓延減量，T(℃)是壓延前材料的溫度t1(℃)和壓延操作時材料溫度t2(℃)中的較高者。結(jié)果，如表11中所示，在1-10K/s的冷卻速率下鑄造的鎂合金在壓延過程中顯示裂紋，除了No.1組成的合金以外無法進(jìn)行壓延。
(試驗例7)此外，在壓延材料中，選擇某些試樣(選擇Nos.1，6，7，13和18)，并且將相同的組成用碳坩堝在氬氛圍下熔化，然后在涂布有石墨脫模劑的SUS316模具中以1-10K/s的冷卻速率鑄造以便得到100mm×200mm×20mmt的形狀，然后在400℃和空氣中進(jìn)行均質(zhì)化處理24小時，并進(jìn)行切削加工以獲得厚0.5mmt的試驗片，在表面和內(nèi)部沒有缺陷(表11中，表示為Nos.1_M2、6_M2、7_M2、13_M2和18_M2)。在如此制成的試樣和上述壓延材料中，研究某些試樣(選擇Nos.1、6、7、13、18和1_M1)在室溫、200℃和250℃的機械特性以及在150℃的蠕變性能。在將試驗片在150°±2℃的環(huán)境中保持20小時后評價蠕變性能，并且由相對市售AZ31合金片材的蠕變應(yīng)力(在恒定溫度下產(chǎn)生0.1％/1000h的蠕變速率的應(yīng)力(MPa))的百分?jǐn)?shù)來表示。結(jié)果，如表12中所示，通過雙輥鑄造制成的試樣被證實顯示優(yōu)異的耐熱性。



工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明的鎂合金材料制造方法能夠穩(wěn)定制造機械特性、表面質(zhì)量、抗彎曲性、耐腐蝕性和蠕變性能優(yōu)異的鎂合金材料如鎂合金鑄造材料和鎂合金壓延材料。所得到的壓延材料具有優(yōu)異的塑性加工性能如在沖壓或鍛造中的加工性能，以及最適宜作為上述成型工藝用的材料。此外所得到的鎂合金成型制品可以在涉及家用電器、運輸、航空-宇宙、運動-休閑、醫(yī)療-福利、食品和建筑的領(lǐng)域內(nèi)用于構(gòu)造部件和裝飾制品中。
權(quán)利要求
1.鎂合金材料制造方法，其包括在熔爐中熔化鎂合金以得到熔融金屬的熔化步驟；將所述熔融金屬從所述熔爐傳送至熔融金屬池的傳送步驟；和經(jīng)過澆注口從所述熔融金屬池向活動模具供給所述熔融金屬以及凝固該熔融金屬以連續(xù)制造厚0.1-10.0mm的鑄造材料的鑄造步驟，其中在從所述熔化步驟到所述鑄造步驟的過程中，所述熔融金屬所接觸的部分由氧含量20質(zhì)量％以下的低氧材料形成。
2.權(quán)利要求1的鎂合金材料制造方法，其中所述熔融金屬所接觸的部分包括所述熔爐中的表面部分、在所述熔爐與所述熔融金屬池之間的傳送槽的表面部分、所述熔融金屬池的表面部分、在所述熔融金屬池與活動模具之間的供給部件的表面部分、和所述活動模具的表面部分。
3.權(quán)利要求1的鎂合金材料制造方法，其中所述低氧材料是選自碳系材料、鉬、碳化硅、氮化硼、銅、銅合金、鐵、鋼和不銹鋼中的一種。
4.權(quán)利要求1的鎂合金材料制造方法，其中所述活動模具由滿足下列電導(dǎo)率條件的材料形成100≥y＞x-10其中y代表所述活動模具的電導(dǎo)率，而x代表所述鎂合金材料的電導(dǎo)率。
5.權(quán)利要求1的鎂合金材料制造方法，其中所述活動模具在其表面上包括滿足下列電導(dǎo)率條件的覆蓋層100≥y’＞x-10其中y’代表構(gòu)成所述覆蓋層的材料的電導(dǎo)率，而x代表所述鎂合金材料的電導(dǎo)率。
6.權(quán)利要求1的鎂合金材料制造方法，其中所述活動模具在其表面上包括金屬覆蓋層，其由含有所述鎂合金材料的合金組成50質(zhì)量％以上的材料形成。
7.權(quán)利要求1的鎂合金材料制造方法，其中在所述鑄造步驟中，所述活動模具的表面溫度為構(gòu)成該活動模具的材料熔點的50％以下。
8.權(quán)利要求1的鎂合金材料制造方法，其中所述熔爐內(nèi)部、所述熔融金屬池內(nèi)部和所述熔爐與所述熔融金屬池之間的傳送槽內(nèi)部中的至少之一保持在低氧氛圍下；和所述氛圍的氧濃度小于空氣中的氧濃度。
9.權(quán)利要求8的鎂合金材料制造方法，其中所述氛圍包含少于5vol％的氧，和95vol％以上的其余氣體，所述其余氣體包含氮氣、氬氣和二氧化碳中的至少一種。
10.權(quán)利要求1的鎂合金材料制造方法，其中所述鎂合金包含選自Al、Zn、Mn、Y、Zr、Cu、Ag和Si的一種或多種元素，每種元素的量為0.01質(zhì)量％以上以及小于20質(zhì)量％，和由Mg和雜質(zhì)構(gòu)成的余量，Mg的存在量為50質(zhì)量％以上。
11.權(quán)利要求10的鎂合金材料制造方法，其中所述鎂合金還包含0.001質(zhì)量％以上以及小于16質(zhì)量％的Ca。
12.權(quán)利要求10的鎂合金材料制造方法，其中所述鎂合金還包含選自Ca、Ni、Au、Pt、Sr、Ti、B、Bi、Ge、In、Tc、Nd、Nb、La和RE的一種或多種元素，每種元素的量為0.001質(zhì)量％以上以及小于5質(zhì)量％。
13.權(quán)利要求1的鎂合金材料制造方法，其中在所述熔爐、將所述熔融金屬從所述熔爐傳送至所述熔融金屬池用的傳送槽和所述熔融金屬池的至少之一中攪拌該熔融金屬。
14.權(quán)利要求1的鎂合金材料制造方法，其中所述熔融金屬在從所述澆注口供給至所述活動模具時具有101.8kPa以上以及小于118.3kPa的壓力。
15.權(quán)利要求14的鎂合金材料制造方法，其中所述活動模具由一對輥構(gòu)成，其在彼此不同的方向上旋轉(zhuǎn)以及進(jìn)行設(shè)置以使得所述輥間間隙的中心線成水平；所述熔融金屬在水平方向上通過所述澆注口從所述熔融金屬池供給至所述輥間的間隙；所述熔融金屬向所述輥間間隙的供給通過該熔融金屬的重量進(jìn)行；和所述熔融金屬池中熔融金屬的液面是在比所述輥間間隙的中心線高30mm以上的位置。
16.權(quán)利要求15的鎂合金材料制造方法，其中選擇離所述輥間間隙的中心線高30mm以上的高度作為所述熔融金屬液面的設(shè)定值；和控制所述熔融金屬池中熔融金屬的液面以使得處于所述設(shè)定值±10％的范圍內(nèi)。
17.權(quán)利要求1的鎂合金材料制造方法，其中所述澆注口處的熔融金屬的溫度保持在熔點+10℃以上和熔點+85℃以下的溫度。
18.權(quán)利要求1的鎂合金材料制造方法，其中所述熔融金屬的溫度在所述澆注口的橫截面方向上具有10℃以內(nèi)的溫度波動。
19.權(quán)利要求1的鎂合金材料制造方法，其中凝固時的冷卻速率是50-10,000K/s。
20.權(quán)利要求1的鎂合金材料制造方法，其中所述活動模具對置設(shè)置有在彼此不同的方向旋轉(zhuǎn)的一對輥。
21.權(quán)利要求20的鎂合金材料制造方法，其中包括所述輥的旋轉(zhuǎn)軸的平面與所述澆注口的前端之間的距離是所述輥整個圓周長度的2.7％以下。
22.權(quán)利要求20的鎂合金材料制造方法，其中所述澆注口外邊緣的前端之間的距離是所述輥間最小間隙的1-1.55倍。
23.權(quán)利要求1的鎂合金材料制造方法，其中所述熔融金屬的凝固在其從所述活動模具排出時已完成。
24.權(quán)利要求23的鎂合金材料制造方法，其中所述活動模具對置設(shè)置有在彼此不同的方向旋轉(zhuǎn)的一對輥；和所述熔融金屬的凝固在從包括所述輥的旋轉(zhuǎn)軸的平面到所述澆注口前端的距離的15-60％范圍內(nèi)完成。
25.權(quán)利要求23或24的鎂合金材料制造方法，其中從所述活動模具排出的鎂合金材料的表面溫度是400℃以下。
26.權(quán)利要求23-25中任一項的鎂合金材料制造方法，其中由所述凝固的鎂合金材料對所述活動模具在該鎂合金材料的橫向上施加的壓縮荷載為1,500-7,000N/mm。
27.權(quán)利要求1-26中任一項的鎂合金材料制造方法，其進(jìn)一步包括對通過所述鑄造步驟得到的鑄造材料施加熱處理的熱處理步驟。
28.通過權(quán)利要求1-27中任一項的制造方法得到的鎂合金鑄造材料。
29.通過向活動模具供給鎂合金的熔融金屬隨后凝固的連續(xù)鑄造所得到的鎂合金鑄造材料，其中所述連續(xù)鑄造通過其中所述熔融金屬所接觸的部分用氧含量20質(zhì)量％以下的低氧材料形成的連續(xù)鑄造裝置來進(jìn)行；和所述鎂合金鑄造材料的厚度是0.1-10.0mm。
30.權(quán)利要求29的鎂合金鑄造材料，其中DAS是0.5μm-5.0μm。
31.權(quán)利要求29的鎂合金鑄造材料，其中金屬間化合物的大小為20μm以下。
32.權(quán)利要求29的鎂合金鑄造材料，其中所述鎂合金具有以下任一的組成組成1，包含選自Al、Zn、Mn、Y、Zr、Cu、Ag和Si的至少一種第一添加元素，每種元素的量為0.01質(zhì)量％以上以及小于20質(zhì)量％；以及由Mg和雜質(zhì)構(gòu)成的余量(Mg的存在量為50質(zhì)量％以上)；組成2，包含選自Al、Zn、Mn、Y、Zr、Cu、Ag和Si的至少一種第一添加元素，每種元素的量為0.01質(zhì)量％以上以及小于20質(zhì)量％；0.001質(zhì)量％以上以及小于16質(zhì)量％的Ca；以及由Mg和雜質(zhì)構(gòu)成的余量；和組成3，包含選自Al、Zn、Mn、Y、Zr、Cu、Ag和Si的至少一種第一添加元素，每種元素的量為0.01質(zhì)量％以上以及小于20質(zhì)量％；選自Ca、Ni、Au、Pt、Sr、Ti、B、Bi、Ge、In、Te、Nd、Nb、La和RE的至少一利第二添加元素，其量為0.001質(zhì)量％以及小于5質(zhì)量％；以及由Mg和雜質(zhì)構(gòu)成的余量(Mg的存在量為50質(zhì)量％以上)，其中在所述第一和第二添加元素中，在含量為0.5質(zhì)量％以上的各元素中，所述元素的設(shè)定含量與其在所述鑄造材料表面部分的實際含量之間的差為10％以下，以及所述元素的設(shè)定含量與其在所述鑄造材料中心部分的實際含量之間的差為10％以下。
33.權(quán)利要求29的鎂合金鑄造材料，其中表面缺陷的深度小于所述鑄造材料厚度的10％。
34.權(quán)利要求29的鎂合金鑄造材料，其中所述鑄造材料表面上存在的波痕滿足最大寬度rw和最大深度rd的關(guān)系rw×rd＜1.0。
35.權(quán)利要求1的鎂合金材料制造方法，其進(jìn)一步包括用壓延軋輥對通過所述鑄造步驟得到的鑄造材料施加壓延加工的壓延步驟。
36.權(quán)利要求35的鎂合金材料制造方法，其中總壓延減量為20％以上，所述總壓延減量C由C(％)＝(A-B)/A×100表示，其中A(mm)代表所述鑄造材料的厚度而B(mm)代表所述壓延材料的厚度。
37.權(quán)利要求35的鎂合金材料制造方法，其中所述壓延步驟包括一道次壓延減量c為1-50％的壓延，所述一道次壓延減量c由c(％)＝(a-b)/a×100表示，其中a(mm)代表壓延前材料的厚度而b(mm)代表壓延后材料的厚度。
38.權(quán)利要求35的鎂合金材料制造方法，其中所述壓延步驟包括其中即將進(jìn)入所述壓延軋輥時所述材料的表面溫度是100℃以下，和所述壓延軋輥的表面溫度是100-300℃的壓延。
39.權(quán)利要求35-38中任一項的鎂合金材料制造方法，其進(jìn)一步包括對進(jìn)行所述壓延加工的壓延材料施加熱處理的熱處理步驟。
40.通過權(quán)利要求35-39中任一項的制造方法得到的鎂合金壓延材料。
41.權(quán)利要求40的鎂合金壓延材料，其中平均結(jié)晶粒度是0.5μm-30μm。
42.權(quán)利要求40的鎂合金壓延材料，其中所述壓延材料表面部分中的平均結(jié)晶粒度與其中心部分中的平均結(jié)晶粒度的差異是20％以下。
43.權(quán)利要求40的鎂合金壓延材料，其中金屬間化合物的大小為20μm以下。
44.權(quán)利要求40的鎂合金壓延材料，其中所述鎂合金具有以下任一的組成組成1，包含選自Al、Zn、Mn、Y、Zr、Cu、Ag和Si的至少一種第一添加元素，每種元素的量為0.01質(zhì)量％以上和小于20質(zhì)量％；以及由Mg和雜質(zhì)構(gòu)成的余量(Mg的存在量為50質(zhì)量％以上)；組成2，包含選自Al、Zn、Mn、Y、Zr、Cu、Ag和Si的至少一種第一添加元素，每種元素的量為0.01質(zhì)量％以上以及小于20質(zhì)量％；0.001質(zhì)量％以上以及小于16質(zhì)量％的Ca；以及由Mg和雜質(zhì)構(gòu)成的余量；和組成3，包含選自Al、Zn、Mn、Y、Zr、Cu、Ag和Si的至少一種第一添加元素，每種元素的量為0.01質(zhì)量％以上以及小于20質(zhì)量％；選自Ca、Ni、Au、Pt、Sr、Ti、B、Bi、Ge、In、Te、Nd、Nb、La和RE的至少一種第二添加元素，其量為0.001質(zhì)量％以及小于5質(zhì)量％；以及由Mg和雜質(zhì)構(gòu)成的余量(Mg的存在量為50質(zhì)量％以上)，其中在所述第一和第二添加元素中，在含量為0.5質(zhì)量％以上的各元素中，所述元素的設(shè)定含量與其在所述壓延材料表面部分的實際含量之間的差為10％以下，以及所述元素的設(shè)定含量與其在所述壓延材料中心部分的實際含量之間的差為10％以下。
45.鎂合金成型制品的制造方法，其包括對權(quán)利要求40-44中任一項的鎂合金壓延材料施加塑性加工的塑性加工步驟；和對進(jìn)行所述塑性加工的材料施加熱處理的熱處理步驟。
46.權(quán)利要求45的鎂合金成型制品制造方法，其中所述塑性加工步驟在室溫以上以及小于500℃的溫度范圍內(nèi)對所述壓延材料進(jìn)行沖壓加工或鍛造加工。
47.由權(quán)利要求45或46的制造方法得到的鎂合金成型制品。
全文摘要
本發(fā)明提供機械特性和表面精度優(yōu)異的鎂合金材料如鎂合金鑄造材料或鎂合金壓延材料、能夠穩(wěn)定制造上述材料的制造方法、利用所述壓延材料的鎂合金成型制品及其制造方法。本發(fā)明提供鎂合金材料制造方法，其包括在熔爐中熔化鎂合金以得到熔融金屬的熔化步驟、將熔融金屬從熔爐傳送至熔融金屬池的傳送步驟、以及經(jīng)過澆注口從熔融金屬池向活動模具供給熔融金屬和使熔融金屬凝固以連續(xù)制造鑄造材料的鑄造步驟。在從熔化步驟到鑄造步驟的過程中，熔融金屬所接觸的部分由氧含量20質(zhì)量％以下的低氧材料形成。鑄造材料的厚度為0.1－10mm，由此提供機械特性和表面精度優(yōu)異的鎂合金材料如鎂合金鑄造材料或鎂合金壓延材料。
文檔編號B22D11/06GK1980759SQ200580022310
公開日2007年6月13日 申請日期2005年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者沼野正禎, 中井由弘, 池田利哉, 西川太一郎 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社