專利名稱：鎂合金鍛造材料和鍛造構(gòu)件以及制造鍛造構(gòu)件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎂合金鍛造材料和至少含有鋁和鈣的鍛造構(gòu)件，以及制造鍛造構(gòu)件的方法。
眾所周知，鎂(下面用其元素符號Mg表示)合金是目前實際應用的金屬材料中密度最小的(最輕的)金屬。例如，在要求進一步提高燃料效率的機動車領(lǐng)域，從進一步減小重量考慮，鎂合金正在越來越多地用作各種部件的材料，代替通常用作輕質(zhì)材料的鋁(下面用其元素符號Al表示)。
Mg合金可用包括鍛造的壓力加工法，或包括鑄造或壓射成型的成形法來進行加工。例如，本申請人在日本專利2676466(后面稱作現(xiàn)有技術(shù)1)中提出的Mg合金構(gòu)件，可通過下面步驟來制造，即鍛造由含6-12％(重量)Al的Mg合金制成的壓射成型構(gòu)件，鍛造后，進行所謂的T6熱處理(在溶液熱處理后進行人工老化處理的熱處理)。
本申請人還在日本專利公開公報平9-272945(后面稱作現(xiàn)有技術(shù)2)中揭示一種耐熱Mg合金構(gòu)件，這種構(gòu)件可通過壓射成型半熔融狀態(tài)的Mg合金來獲得，Mg合金含有2-6％(重量)的Al和0.5-4％(重量)鈣(下面用其元素符號Ca表示)，Ca/Al比值為0.8或更低，以獲得優(yōu)良的模壓加工性能和伸長百分數(shù)，同時保證抗蠕變特性。
日本專利公開公報平9-263871(后面稱作現(xiàn)有技術(shù)3)公開了由高強度Mg合金制成的熱鍛造產(chǎn)品，通過熱鍛造稀土-Ca或Y基底的Mg合金(Ca or Y base Mgalloy)來制得，以獲得室溫強度和高溫強度皆優(yōu)良的Mg合金部件，這種產(chǎn)品可用作要求在高溫和室溫都具有可靠強度的機動車發(fā)動機部件。
這類Mg合金已經(jīng)投入實際應用，作為用于例如機動車車輪等的材料。然而，為了將這種Mg合金應用在如與內(nèi)燃發(fā)動機有關(guān)的機械部件(如發(fā)動機的空氣進氣/排氣閥的升降部件)，它們需要滿足較嚴格的溫度或強度方面的使用條件，要求Mg合金不僅當然要具有常溫時的強度特性，還要求即使在高溫(如150℃左右)時也具備高的拉伸強度(如不小于220MPa)和抗蠕變性能。上述閥升降部件的情況，其上盤部分與氣缸蓋和凸輪的孔部分的壁面滑動接觸(或與校正墊片接觸，校正墊片與凸輪滑動接觸)，因此要求上盤部分具有高的耐磨性。
在要求保證機械特性，如高于規(guī)定量(如不小于220MPa)的拉伸強度，或高溫(如150℃左右)時優(yōu)良的抗蠕變特性情況下，諸如鑄造和壓射成型之類的成型方法通常難以穩(wěn)定地獲得要求的特性，最好采用壓力加工，壓力加工能夠在加工過程中獲得致密材料，尤其是在高于規(guī)定的鍛造速度鍛造時。
因此，對Mg合金，必須保證成功的可鍛性，以獲得上述機械特性。
然而，在現(xiàn)有技術(shù)1的情況，盡管可以保證可鍛性，Mg合金的Al含量仍較高，因此抗蠕變特性較低，不適合高溫使用。正如人們了解的，這是因為Al和Mg易于產(chǎn)生對諸如抗蠕變特性的高溫特性有不利影響的化合物，因此，Al含量大于規(guī)定量會使這些有害化合物大量沉積，就不能保證抗蠕變特性。
在現(xiàn)有技術(shù)2中，也由于Mg合金構(gòu)件主要是壓射成型的產(chǎn)品，很難保證象鍛造產(chǎn)品那樣的高機械特性，特別是高溫時的穩(wěn)定強度。因此，Mg合金構(gòu)件與鍛造產(chǎn)品相比，其應用范圍不可避免地受到限制。
在現(xiàn)有技術(shù)3的情況中，由于Mg合金還含有貴重的稀土元素，其缺點在于成本非常高，缺乏實用可能性。
本發(fā)明針對上述問題，其一個目的在于，提供鎂合金鍛造材料和鍛造構(gòu)件，以及制造鍛造構(gòu)件的方法，這類鍛造材料和構(gòu)件在室溫和高溫時都具有優(yōu)良的機械特性，可鍛性好，且成本相對低廉。
本發(fā)明人針對上述問題進行了深入研究，已發(fā)現(xiàn)在由至少含Al和Ca的Mg合金制成的鍛造材料中，在Ca含量不大于規(guī)定值(不大于4％(重量))條件下，抗蠕變特性隨Ca含量的增加而提高；在Al含量在不大于規(guī)定值(不大于6％(重量))范圍內(nèi)，可保持良好的抗蠕變特性；在Al含量在不大于規(guī)定值(不大于2％(重量))范圍內(nèi)，可保證高溫(150℃)時高的拉伸強度；在Ca/Al比值(Ca含量(重量)與Al含量(重量)的比值)不大于規(guī)定值(不大于0.8)條件下，可以將高速鍛造時裂紋的發(fā)生率抑制到很低，同時又可以保證要求的鍛造速度，而且還發(fā)現(xiàn)鍛造材料的平均粒徑越小，鍛造過程中可以保證越高的臨界鐓鍛率。
因此，本發(fā)明第一方面提供了Mg合金鍛造材料，其特點是至少含有Al和Ca，在300℃時的臨界鐓鍛率不小于70％。
設(shè)定臨界鐓鍛率不小于上述70％是因為當由鍛造Mg合金鍛造材料所獲得的鍛造構(gòu)件是用于要求大于規(guī)定值的高強度的構(gòu)件、部件等，如發(fā)動機的氣門挺桿時，最好能確保臨界鐓鍛率不小于70％。這種情況下，鍛造溫度如果設(shè)定在300℃，該溫度低于提高改善可鍛性的效果趨于飽和時的溫度，但應比低400℃低得多，因為400℃會引起高溫氧化問題，這樣可以避免高溫時氧化的不利影響。
本發(fā)明的第二方面，提供的Mg合金鍛造材料的特點是含有不小于2％(重量)但不大于6％(重量)的Al和不小于0.5％(重量)但不大于4％(重量)的Ca，其平均粒徑不低于300微米。
這種情況下Al含量的下限設(shè)定為2％(重量)的原因是因為Al含量低于此值就很難保證高溫(150℃)時有足夠的拉伸強度(不小于220MPa)，上限設(shè)為6％(重量)是因為Al含量大于此值會使抗蠕變特性降低。
同時，Ca含量下限設(shè)為0.5％(重量)是因為Ca含量小于此值會引起抗蠕變特性降低，上限設(shè)為4％(重量)是因為Ca含量超此值會使改善抗蠕變特性的效果趨于極限。
此外，鍛造材料的平均粒徑設(shè)為不大于300微米是因為平均粒徑大于此值會難以保證要求的臨界鐓鍛率(不小于50％)。
本發(fā)明第三方面，根據(jù)第一或第二方面的Mg合金鍛造材料的特點是Ca含量與Al含量的比值不大于0.8。
Ca/Al比值設(shè)為不大于0.8是因為Ca/Al在此范圍可以確保所要求的鍛造率(50％)，另外，即使以高速鍛造也能將裂紋發(fā)生率抑制到極低。
本發(fā)明第四方面，根據(jù)第一至第三的任一方面的Mg合金鍛造材料的特點是可以在鍛造前用壓射成型使鍛造材料預成形為特定的形狀。
本發(fā)明第五方面，提供了制造Mg合金鍛造構(gòu)件的方法，其特點是將本發(fā)明第一至第四方面的任一方面的Mg合金鍛造材料進行熱鍛造，這些鍛造材料含有不小于2％(重量)但不大于6％(重量)的Al和不小于0.5％(重量)但不大于4％(重量)的Ca。
Al含量的下限設(shè)定為2％(重量)是因為Al含量小于此值就很難保證高溫(150℃)時有足夠的拉伸強度(不小于220MPa)，上限設(shè)為6％(重量)是因為Al含量大于此值會使抗蠕變特性降低。
同時，Ca含量下限設(shè)為0.5％(重量)是因為Ca含量小于此值會引起抗蠕變特性降低，上限設(shè)為4％(重量)是因為Ca含量超此值會使改善抗蠕變特性的效果趨于飽和。
本發(fā)明第六方面，根據(jù)第五方面的制造Mg合金鍛造構(gòu)件方法的特點是以不小于400[毫米/秒]的速度熱鍛造Ca含量與Al含量比值(Ca/Al比)不大于0.8的Mg合金鍛造材料。
Ca/Al比值設(shè)為不大于0.8是因為Ca/Al在此范圍可以確保所要求的鍛造率(50％)，另外，即使以高速鍛造也能將裂紋發(fā)生率抑制到極低。鍛造速度設(shè)為不小于400[毫米/秒]是因為制造諸如發(fā)動機的氣門挺桿的機械部件要求確保大約這樣的鍛造速度來提高生產(chǎn)率。
本發(fā)明第七方面，根據(jù)第五或第六方面的制造Mg合金鍛造構(gòu)件方法的特點是熱鍛造的溫度在250℃-400℃范圍內(nèi)。
鍛造溫度的下限設(shè)為250℃是因為高于此值的鍛造溫度能夠確保滿意的臨界鐓鍛率(不小于70％)，使Mg合金鍛造構(gòu)件可應用于要求大于規(guī)定值的高強度的構(gòu)件、部件等，如發(fā)動機的氣門頂桿。鍛造溫度上限設(shè)為400℃是因為鍛造溫度高于此值會使提高可鍛性改善效果趨于飽和，而且鍛造的構(gòu)件極可能被氧化。
本發(fā)明第八方面，根據(jù)第五至第七的任一方面的制造Mg合金鍛造構(gòu)件的方法的特點是鍛造材料在熱鍛造前在300℃-500℃保溫5-50小時。
熱處理溫度下限設(shè)為300℃是因為熱處理溫度低于此值，僅會產(chǎn)生很小的改善可鍛性的效果，其上限設(shè)為500℃是因為熱處理溫度高于此值會使可鍛性改善效果趨于飽和，而且會發(fā)生氧化和部分分解，因此沒有好處。
另一方面，在熱處理溫度下保溫時間的下限設(shè)為5小時是因為保溫時間小于此值僅會產(chǎn)生很小的改善可鍛性的效果，而上限設(shè)為50小時是因為保溫時間大于此值會導致改善可鍛性效果趨于飽和。
本發(fā)明的第九方面，根據(jù)第五至第八的任一方面的制造Mg合金鍛造構(gòu)件的方法的特點是熱鍛造中的鍛造率不小于10％。
鍛造率下限設(shè)為10％是因為鍛造率小于此值會難以達到壓碎存在于未鍛造材料中的顯微缺陷，從而達到鍛造該材料的效果。
本發(fā)明第十方面，根據(jù)第五至第十的任一方面的制造Mg合金鍛造構(gòu)件的方法的特點是使熱鍛造后制得的鍛造構(gòu)件經(jīng)過熱處理，在熱處理中，鍛造構(gòu)件在100℃-250℃溫度范圍內(nèi)保溫5-50小時。
熱處理溫度下限設(shè)為100℃是因為熱處理溫度低于此值僅會產(chǎn)生很小的強度改善效果，其上限設(shè)為250℃是因為熱處理溫度高于此值會使強度改善效果趨于飽和。
另一方面，熱處理溫度下保溫時間的下限設(shè)為5小時是因為保溫時間小于此值僅會產(chǎn)生很小的改善強度的效果，而上限設(shè)為50小時是因為保溫時間大于此值只會使強度改善效果趨于飽和。
本發(fā)明的第十一方面，提供了一種Mg合金鍛造構(gòu)件，該構(gòu)件可由鍛造至少含鋁和鈣、在150℃時的拉伸強度不小于220MPa的Mg合金鍛造材料來制成。
在150℃時的拉伸強度設(shè)為220MPa的目的是使Mg合金的鍛造構(gòu)件可用于要求強度在約150℃高溫時大于規(guī)定的高強度值的構(gòu)件、部件等，如發(fā)動機的氣門挺桿。
本發(fā)明的第十二方面，根據(jù)第十一方面的Mg合金鍛造構(gòu)件的特點是該Mg合金鍛造構(gòu)件是裝配到內(nèi)燃機的氣門挺桿。
本發(fā)明的第十三方面，根據(jù)第十二方面的Mg合金鍛造構(gòu)件的特點是氣門挺桿上盤部分的鍛造率不小于20％。
氣門挺桿上盤部分的鍛造率設(shè)為不小于20％的目的是要對要求具有高強度的上盤部分，得以壓碎存在于未鍛造材料中的顯微缺陷，從而達到鍛造該材料的效果，另外，要確保所要求的拉伸強度(不小于250MPa)。
本發(fā)明第十四方面，根據(jù)第十三方面的Mg合金鍛造構(gòu)件的特點是氣門挺桿的上盤表面鍍鎳。
本發(fā)明第十五方面，根據(jù)第十三方面的Mg合金鍛造構(gòu)件的特點是氣門挺桿的上盤表面火焰噴涂鐵。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，因為Mg合金鍛造材料的臨界鐓鍛率不小于70％，由鍛造Mg合金鍛造材料所獲得的鍛造構(gòu)件可應用于要求大于規(guī)定值的高強度構(gòu)件、部件等，如發(fā)動機的氣門挺桿。這種情況下，由于300℃的鍛造溫度低于提高可鍛性改善效果趨于飽和時的溫度，Mg合金鍛造材料為經(jīng)濟的，而且鍛造溫度比會引起高溫氧化問題的溫度400℃低得多，因此可以避免高溫時的不利影響。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，因為Mg合金鍛造材料含有不小于2％(重量)的Al，可以保證高溫(150℃)時足夠的拉伸強度(不小于220MPa)，并由于Mg合金鍛造材料含有不小于0.5％(重量)Ca和不大于6％(重量)的Al，可以保證滿意的抗蠕變特性。這種情況下，因為Ca含量不大于4％(重量)，就Ca含量對獲得提高改善抗蠕變特性效果而言，這類Mg合金鍛造材料為經(jīng)濟的。
還因為鍛造材料的平均粒徑不大于300微米，可以保證要求的臨界鐓鍛率(不小于50％)。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，基本上可以達到與第一或第二方面相同的效果。還因為Ca含量與Al含量比值(Ca/Al比)不大于0.8，可以保證要求的鍛造率(50％)，另外，即使以高速鍛造也可將裂紋發(fā)生率控制到極低，從而可獲得滿意的可鍛性。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，基本上可達到與第一至第三方面的任一方面相同的效果。具體而言，因為鍛造材料在鍛造之前用壓射成型預成形為特定的形狀，且因鍛造材料是用壓射成型的，因此可使該材料的平均粒徑更小，以提高可鍛性(增強臨界鐓鍛率)。通過將該材料預成形為通過壓射成型的鍛造構(gòu)件的最終形狀，可以使隨后的鍛造法的壓力加工變得更為方便和簡單，因此，較大程度地提高了鍛造法的生產(chǎn)效率。
根據(jù)本發(fā)明第五方面，因為Mg合金鍛造材料含有不小于2％(重量)的Al，熱鍛造這類鍛造材料可以確保高溫(150℃)時足夠的拉伸強度(不小于220MPa)，并且因為Mg合金鍛造材料含有不小于0.5％(重量)的Ca和不大于6％(重量)的Al，可以確保滿意的抗蠕變特性。這種情況下，由于Ca含量不大于4％(重量)，就Ca含量對獲得提高改善抗蠕變特性效果而言，這類鍛造材料是經(jīng)濟的。
根據(jù)本發(fā)明第六方面，可達到與第五方面相同的效果。因為Ca含量與Al含量比值(Ca/Al比)不大于0.8，可以確保所要求的鍛造率(50％)，另外，即使以高速鍛造仍可將裂紋發(fā)生率控制到極低，因而可獲得滿意的可鍛性。還由于是以不小于400[毫米/秒]的鍛造速度熱鍛造這類鍛造材料，在生產(chǎn)諸如機動車發(fā)動機的氣門挺桿的機械部件時可以確保足夠高的生產(chǎn)率。
根據(jù)本發(fā)明第七方面，基本上可達到與第五或第六方面相同的效果。具體而言，因為熱鍛造的鍛造溫度在250-400℃范圍內(nèi)，可以確保滿意的臨界鐓鍛率(不小于70％)，使鍛造的構(gòu)件可以應用于要求大于規(guī)定值的高強度的構(gòu)件、部件等，如發(fā)動機的氣門挺桿。還由于鍛造溫度上限為400℃，對在鍛造溫度時達到提高可鍛性改善效果而言，該鍛造構(gòu)件為經(jīng)濟的，而且可以避免高溫氧化的任何不利影響。
根據(jù)本發(fā)明第八方面，基本上可達到與第五至第七方面的任一方面相同的效果。具體而言，因為鍛造材料在熱鍛造之前進行了熱處理，臨界鐓鍛率提高得更多。
根據(jù)本發(fā)明第九方面，基本上達到與第五至第八方面的任一方面相同的效果。具體而言，因為熱鍛造中的鍛造率不小于10％，可以達到壓碎存在于未鍛造材料中的顯微缺陷，從而在實際應用上達到有效地鍛造該材料的效果。
根據(jù)本發(fā)明第十方面，基本上可達到與第五至第九方面的任一方面相同的效果。具體而言，因為使通過熱鍛造獲得的鍛造構(gòu)件進行熱處理，可以保證高溫(150℃)時的拉伸強度。
根據(jù)本發(fā)明第十一方面，因為鍛造構(gòu)件150℃的拉伸強度不小于220MPa，鍛造后的構(gòu)件可應用于要求在約150℃的高溫時大于規(guī)定值的高強度(拉伸強度不小于220MPa)的構(gòu)件、部件等，如發(fā)動機氣門挺桿。
根據(jù)本發(fā)明第十二方面，基本上可達到與第十一方面相同的效果。具體而言，因為Mg合金的鍛造構(gòu)件是裝配在內(nèi)燃機中的氣門挺桿，在通過鍛造法制造氣門挺桿時，使鍛造的構(gòu)件具有在約150℃高溫時大于規(guī)定值的高強度。
根據(jù)本發(fā)明第十三方面，基本上達到與第十二方面相同的效果。具體而言，因為氣門挺桿的上盤部分的鍛造率不小于20％，能獲得壓碎存在于未鍛造材料中的顯微缺陷，從而就要求上盤部分具有高強度方面而言，可達到鍛造該材料的效果，另外可以保證要求的拉伸強度(室溫下不小于250MPa)。
根據(jù)本發(fā)明第十四方面，基本上可達到與第十三方面相同的效果。具體而言，因為氣門挺桿的上盤部分的表面鍍鎳，使與其配對構(gòu)件反復滑動接觸的上盤部分具有足夠高的耐磨性。
根據(jù)本發(fā)明第十五方面，基本上可達到與第十三方面相同的效果。具體而言，因為氣門挺桿的上盤部分的表面火焰噴涂鐵，使與其配對構(gòu)件反復滑動接觸的上盤部分具有足夠高的耐磨性。


圖1是表示鈣含量對鎂合金鍛造構(gòu)件的穩(wěn)態(tài)蠕變率影響的曲線圖；圖2是表示鋁含量對鎂合金鍛造構(gòu)件的穩(wěn)態(tài)蠕變率影響的曲線圖；圖3是表示鋁含量對鎂合金鍛造構(gòu)件的高溫拉伸強度影響的曲線圖；圖4是表示Ca/Al比對高速鍛造時的裂紋發(fā)生率影響的曲線圖；圖5是表示鍛造后熱處理對高溫拉伸強度影響的曲線圖；圖6是表示鍛造溫度和鍛造前熱處理對臨界鐓鍛率影響的曲線圖；圖7是表示鍛造率對鍛造后比重的影響的曲線圖；圖8是表示鍛造率對室溫拉伸強度的影響的曲線圖；圖9是表示鍛造材料的平均粒徑對臨界鐓鍛率的影響的曲線圖；圖10是表示由鎂合金鍛造構(gòu)件制成的氣門挺桿在電動機工作試驗后的磨損量的曲線圖；圖11是本發(fā)明的鎂合金鍛造材料的立體圖；圖12是鎂合金鍛造材料的鍛造方法的示意說明圖；圖13是鍛造后鎂合金鍛造構(gòu)件的說明圖；圖14是本發(fā)明鎂合金鍛造材料的臨界鐓鍛率試驗初態(tài)狀態(tài)的說明圖；圖15是臨界鐓鍛率試驗中，處于鍛造過程的鎂合金鍛造材料的示意說明圖；以及圖16是本發(fā)明氣門挺桿的主要部件的局部剖切說明圖。
下面結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明的實施方案。
圖11-13簡略說明使用此實施方案的鎂合金鍛造材料來獲得鍛造構(gòu)件的方法。此實施方案中，制造按照圖11所示A1高×B1寬×L1長的長方體的鎂合金鍛造材料M1，此材料M1受到約束，例如，如圖12所示，由一對固定板P1將該材料M1夾在當中，使其橫向受到約束。在這種狀態(tài)下，施加壓縮負荷，就可以使材料M1進行壓力加工(鍛造)，制造鍛造的構(gòu)件樣品。
由于鍛造加工的結(jié)果，材料M1的高度由最初的A1變成A2(變小)，長度由最初的L1變?yōu)長2(變長)。這種情況下，由下面公式1計算鍛造加工的鍛造率鍛造率＝(A1-A2)/A1×100[％] (公式1)此實施方案中，鎂合金鍛造材料的原始基本尺寸(見圖11)設(shè)為A1＝B1＝12毫米，L1＝50毫米。
取這種方式所獲得的鍛造構(gòu)件樣品作為樣品材料，由這些樣品材料切割成適合各種試驗的大小和形狀的試樣。按照下面所述進行各種試驗表1表示用于確定此實施方案的鎂合金鍛造材料特性的各種試驗中所用樣品(發(fā)明實施例1-6和比較例1-4)的化學組成和Ca/Al比(Ca含量與Al含量比值)。
即，使用表1所示的樣品(鍛造材料)制造鍛造的構(gòu)件樣品，并進行下面所述的各種試驗。表1中，各數(shù)值按％(重量)給出，除了Al(鋁)、Ca(鈣)、Mn(錳)、Si(硅)和其它(雜質(zhì))外，余量為Mg(鎂)。
表1樣品合金的化學組成和Ca/Al比(單位％(重量))<
余量Mg首先，進行確定主要添加元素Al(鋁)和Ca(鈣)的含量對鍛造構(gòu)件的高溫機械性能的影響的試驗。
圖1和圖2表示分別確定Ca含量和Al含量對鍛造構(gòu)件的穩(wěn)態(tài)蠕變率影響的試驗結(jié)果。另外，蠕變試驗的試驗條件以及樣品材料的設(shè)定條件如下·試驗溫度150℃·負荷條件100Mpa·樣品材料的鍛造率50％。
如圖1的試驗結(jié)果所示，如果Ca含量在0.5％(重量)(發(fā)明實施例2)至4％(重量)(發(fā)明實施例5)的范圍內(nèi)，穩(wěn)態(tài)蠕變率隨Ca含量增加而下降。Ca含量超過4％(重量)(比較例2)，穩(wěn)態(tài)蠕變率幾乎不變，因此，發(fā)現(xiàn)當Ca含量超過4％(重量)，Ca含量對增加改善抗蠕變特性的效果已達到極限。
另外，在比較例1的情況中，一點也不含有Ca，蠕變率達不到穩(wěn)態(tài)，試驗開始10小時后試樣破碎，發(fā)現(xiàn)其蠕變特性相當差。
由圖2的試驗結(jié)果可以理解，在Al含量不大于6％(重量)(發(fā)明實施例6)條件下，盡管穩(wěn)態(tài)蠕變率保持通常恒定的低值，但是隨Al含量超過此值就會急劇增加。
即，發(fā)現(xiàn)將Al含量設(shè)定在不大于6％(重量)，就可獲得滿意的抗蠕變特性。
圖3表示Al含量對高溫拉伸強度的影響。高溫拉伸強度試驗的試驗條件以及樣品材料的設(shè)定條件如下·試驗溫度150℃·樣品測量的鍛造率50％正如從圖3的試驗結(jié)果可理解的，Al含量不小于3％(重量)(發(fā)明實施例1)，高溫拉伸強度就可以保持在通常的高恒定值。然而，當Al含量降低至小于2％(重量)時(發(fā)明實施例7)，高溫拉伸強度顯示出略有下降的趨勢，但仍保持較高值(不小于220MPa)。
因此，發(fā)現(xiàn)如果Al含量不小于2％(重量)，即使在高溫(150℃)時也可以保持足夠的拉伸強度，如果Al含量不小于3％(重量)則更好，這樣，可以更穩(wěn)定地保持更高的拉伸強度。
從高溫拉伸強度考慮，當鍛造構(gòu)件用于要求在約150℃的高溫環(huán)境下大于規(guī)定值的高強度的構(gòu)件、部件等，如發(fā)動機的氣門挺桿時，從實際使用考慮最好保證強度不小于220MPa。在用于圖3的高溫拉伸試驗中的樣品的任何情況下，能夠要保證在150℃高溫環(huán)境下不小于220MPa的拉伸強度，這樣，鍛造構(gòu)件完全能夠應用于要求大于規(guī)定值的高強度的構(gòu)件、部件等。
隨后，進行確定Ca/Al比對Mg合金鍛造材料可鍛性影響的試驗。
圖4是表示Ca/Al比對高速鍛造下的裂紋發(fā)生率影響的曲線圖。注意到術(shù)語“高速鍛造”指以約100毫米/秒或更高的鍛造速度來進行的鍛造加工。
圖4所示的高速鍛造的試驗條件以及樣品材料的設(shè)定條件如下·試驗溫度150℃·鍛造速度400毫米/秒·鍛造率三種鍛造率10％、25％、50％。
正如從圖4所示的試驗結(jié)果可理解的，Ca/Al比在不大于0.8(發(fā)明實施例4)范圍，則無論鍛造率為多少，裂紋發(fā)生率都被抑制至極低值，幾乎不大于0.1％。另一方面，當Ca/Al比超過0.8(發(fā)明實施例5)，對鍛造率為25％和50％的樣品，其裂紋發(fā)生率急劇上升。然而，10％鍛造率的樣品材料，并沒有發(fā)生裂紋，正如Ca/Al比為0.8或更小的情況那樣。
由這些結(jié)果，發(fā)現(xiàn)10％鍛造率的樣品材料，其實用性較低，但卻都顯示即使在高速鍛造下也沒有裂紋，而無論Ca/Al比為多少，并發(fā)現(xiàn)鍛造率不小于25％(25％和50％)的樣品材料，通過將高速鍛造時的裂紋發(fā)生率抑制在很低的水平，就可以保證足夠的可鍛性。
另外，作為以約10毫米/秒的低速(不同于上面的高速鍛造試驗)進行鍛造試驗的結(jié)果，無論Ca/Al比是多少，即使對25％和50％鍛造率的樣品材料以及當然還有10％鍛造率的樣品材料，都沒有發(fā)生裂紋。
即發(fā)現(xiàn)對低鍛造速度，無論鍛造率和Ca/Al比為多少，都沒有發(fā)生裂紋，因此可鍛性不存在問題。
下面將進行確定熱處理對樣品材料的高溫強度(拉伸強度)和可鍛性(臨界鐓鍛率)影響的試驗。
圖5表示鍛造后熱處理對高溫拉伸強度的影響。圖5所示的高溫拉伸試驗的試驗條件以及樣品材料的設(shè)定條件如下·試驗溫度 150℃·樣品材料類型發(fā)明實施例4·樣品材料的鍛造率50％·樣品材料的熱處理條件鍛造后經(jīng)150℃保溫30小時后未經(jīng)熱處理/空氣冷卻。
由該試驗的結(jié)果可以理解，鍛造后經(jīng)熱處理的樣品材料與未經(jīng)熱處理的樣品材料相比，其高溫(150℃)拉伸強度有很大提高。因此，能夠證實鍛造后熱處理對提高高溫拉伸強度的效果。
關(guān)于高溫拉伸強度，當鍛造構(gòu)件用于要求在約150℃環(huán)境下大于規(guī)定值的高強度的構(gòu)件、部件，如發(fā)動機的氣門挺桿時，從實際使用考慮，最好保證強度不小于220MPa。在圖5的試驗所示的發(fā)明實施例4的樣品情況中，無論樣品材料是否經(jīng)過鍛造后的熱處理，都足以保證在約150℃環(huán)境下不小于220MPa的拉伸強度。因此，可以肯定證實鍛造的構(gòu)件完全可以應用于要求在上述高溫環(huán)境下大于規(guī)定值的高強度的構(gòu)件、部件等。
關(guān)于鍛造后熱處理的加熱溫度和保持時間，由熱鍛造所獲得的鍛造構(gòu)件以在100-250℃范圍內(nèi)保持5-50小時為宜。
上面給出的此時熱處理溫度下限100℃是因為溫度低于此值會使熱處理對提高強度僅有很小的效果，而熱處理上限250℃是因為溫度高于此值會使強度提高效果趨于飽和。另一方面，上面給出的熱處理溫度下5小時的保持時間下限是因為保持時間小于此值會使熱處理對提高強度僅有很小的效果，而熱處理溫度下50小時的保持上限是因為保持時間大于此值會使強度提高效果趨于飽和。
圖6表示鍛造溫度和鍛造前熱處理對鍛造加工中臨界鐓鍛率的影響。圖6所示的臨界鐓鍛率的試驗條件以及樣品材料的設(shè)定條件如下·樣品材料類型發(fā)明實施例4·樣品材料熱處理條件在鍛造前于410℃保溫16小時后未經(jīng)熱處理/空氣冷卻。
術(shù)語“臨界鐓鍛率”指在按直徑D×長L3的圓柱形制得的試樣M2上，按照圖14示意說明，在M2的軸向施加壓縮負荷，使試樣如圖15所示意說明的壓縮變形(變形后長度為L4)時，試樣M2發(fā)生裂紋的臨界鐓鍛率。
在圖14和15的實施例中，假設(shè)當最初長度為L3的試樣M2變形至長度為L4時發(fā)生裂紋，可由下面公式2計算出這種情況下的臨界鐓鍛率臨界鐓鍛率＝(L3-L4)/L3×100[％](公式2)另外，此實施方案中，試樣M2的原始主要尺寸(見圖14)設(shè)定為D＝16毫米，L3＝24毫米。
由圖6所示的結(jié)果可以理解，在鍛造溫度不高于約400℃條件下，無論樣品是否經(jīng)過熱處理，臨界鐓鍛率隨鍛造溫度提高而增加。因此，在此范圍，可以證實提高鍛造溫度對提高可鍛性的效果。
隨鍛造溫度超過400℃，改善可鍛性的作用趨于飽和，而且很可能發(fā)生氧化。因此，從防止氧化考慮，鍛造溫度以不超過400℃為宜，不超過350℃則更好。
在鍛造前進行熱處理，與不進行熱處理的情況相比，臨界鐓鍛率會提高。因此，可以證實鍛造前熱處理對提高臨界鐓鍛率的效果。
在實際應用中，臨界鐓鍛率一般以保證至少不小于50％為宜。具體而言，當鍛造構(gòu)件用于要求大于規(guī)定的高強度的構(gòu)件、部件等，如發(fā)動機的氣門挺桿時，保證臨界鐓鍛率不小于70％則更好。在發(fā)明實施例4的樣品情況中，即使在低于250℃的鍛造溫度下，未經(jīng)鍛造前熱處理，也能保證不小于70％的臨界鐓鍛率，因此，這類鍛造構(gòu)件也可應用于如上所述的要求大于規(guī)定的高強度的構(gòu)件、部件等。
關(guān)于鍛造前熱處理的加熱時間和保持時間，鍛造材料宜在300-500℃熱處理5-50小時。
上面給出的熱處理溫度下限300℃是因為溫度低于此值會使熱處理對提高鍛造成形性僅有很小的效果，而熱處理上限500℃是因為溫度高于此值使提高鍛造成形性的效果趨于飽和，而且會發(fā)生氧化和部分分解，因此沒有好處。另一方面，在上面給出的熱處理溫度下5小時的保持時間下限是因為保持時間小于此值會使熱處理對提高鍛造成形性僅有很小的效果，而在熱處理溫度下50小時的保持上限是因為保持時間大于此值會使提高鍛造成形的效果趨于飽和。
圖7和圖8表示鍛造后的鍛造率分別對比重和室溫拉伸強度的影響。在這些試驗中使用發(fā)明實施例4的樣品作為樣品材料。
由圖7所示的試驗結(jié)果可以理解，在鍛造率不大于約25％的范圍內(nèi)，比重隨鍛造率的提高而增加，而在鍛造率超過此值(25％)時它對提高比重的效果趨于飽和。鍛造率小于10％，對于壓碎存在于未鍛造材料中的顯微缺陷僅有很小的效果，從而鍛造該材料的效果很小。因此，一般在實際應用中，以確保鍛造率至少不小于10％為宜，具體而言，當鍛造構(gòu)件應用于要求大于規(guī)定的高強度的構(gòu)件、部件等，如發(fā)動機的氣門挺桿時，確保鍛造率不小于20％則更好。
如圖8的試驗結(jié)果所示，室溫拉伸強度隨鍛造率的增加而提高，特別是在鍛造率不大于約25％的范圍內(nèi)，增大鍛造率對提高拉伸強度的效果大于超出此值范圍的情況。
當鍛造構(gòu)件要用于要求大于規(guī)定值的高強度的構(gòu)件、部件等，如發(fā)動機的氣門挺桿時，以確保常溫拉伸強度不小于250Mpa為宜，因此，較好的要確保鍛造率不小于20％。
圖9表示Mg合金鍛造材料的平均粒徑對于鍛造加工過程中的臨界鐓鍛率的影響。圖9的臨界鐓鍛試驗條件以及樣品材料的設(shè)定條件如下
·鍛造溫度400℃·樣品材料類型發(fā)明實施例4由圖9所示的試驗結(jié)果可以理解，臨界鐓鍛率隨鍛造材料的平均粒徑的減小而增加，因此，為保證50％的臨界鐓鍛率，平均粒徑設(shè)定為不大于300微米。正如人們已經(jīng)知道的，在細化Mg合金材料的平均粒徑方面，用壓射成型來成形材料是非常有效的。由壓射成型來成形的材料可使材料的平均粒徑更小，可以提高可鍛性(使臨界鐓鍛率更高)。通過將該材料預成形為用壓射成型的鍛造構(gòu)件的最終形狀，可以使隨后的鍛造法的壓力加工變得更為方便和簡單，較大程度地提高鍛造法的生產(chǎn)效率。
參閱如圖16所示將使用本實施方案的Mg合金鍛造材料的鍛造構(gòu)件應用于發(fā)動機的氣門挺桿的情況，在一個氣門挺桿W的上盤部分Wa上，其側(cè)面以高速度反復與氣缸蓋Hc滑動接觸，其凸出部分也與校正墊片Cm接觸，Cm與凸輪S滑動接觸，因此，要求鍛造構(gòu)件具有高的耐磨性。所以，用鍛造Mg合金鍛造材料制成的氣門挺桿W上盤部分Wa的表面Wf，包括側(cè)面和頂面，須經(jīng)過表面處理，如電鍍或火焰噴涂，然后裝配到發(fā)動機中，之后，進行所謂的發(fā)動機工作狀態(tài)試驗。該試驗的條件以及樣品材料的設(shè)定條件如下·發(fā)動機轉(zhuǎn)速300[rpm](凸輪轉(zhuǎn)速1500[rpm])·試驗持續(xù)時間100小時·氣門挺桿上盤部分表面處理未經(jīng)表面處理/鍍鎳/火焰噴涂鐵。
發(fā)動機工作狀態(tài)試驗的結(jié)果示于圖10。圖10的曲線中，相對于在未經(jīng)表面處理情況下磨損量的參考值(1)，給出了氣門挺桿上盤經(jīng)過鍍鎳或火焰噴涂鐵情況下的磨損量。
由圖10所示的試驗結(jié)果可以理解，與未進行表面處理的情況相比，通過將氣門挺桿的壁部分經(jīng)鍍鎳或火焰噴涂鐵，可使其磨損量顯著下降，極大提高了耐磨性。
在進行上述表面處理中，其電鍍方法可以是電極電鍍或者是非電極電鍍，還可以進行高含量P(磷)的Ni-P電鍍。
另外，本發(fā)明不受上面實施方案的限制，在不偏離本發(fā)明宗旨情況下還可以進行各種修改或設(shè)計變動。
權(quán)利要求
1.一種鎂合金鍛造材料，其特征在于，所述材料至少含有鋁和鈣，其300℃時的臨界鐓鍛率不小于70％。
2.一種鎂合金鍛造材料，其特征在于，所述材料含有不小于2％重量和不大于6％重量的鋁，不小于0.5％重量和不大于4％重量的鈣，其平均粒徑不大于300微米。
3.如權(quán)利要求1或2所述的鎂合金鍛造材料，其特征在于，所述材料的鈣含量與鋁含量的比值不大于0.8。
4.如權(quán)利要求1-3中任一權(quán)利要求所述的鎂合金鍛造材料，其特征在于，所述鍛造材料通過鍛造加工前的壓射成型，預成形為特定的形狀。
5.一種制造鎂合金鍛造構(gòu)件的方法，其特征在于，所述的方法為對權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求所述的鎂合金鍛造材料進行熱鍛造，所述鍛造材料含有不小于2％重量和不大于6％重量的鋁，不小于0.5％重量和不大于4％重量的鈣。
6.如權(quán)利要求5所述的制造鎂合金鍛造構(gòu)件的方法，其特征在于，所述方法是以不小于400毫米/秒的速度，對鈣含量與鋁含量比值不大于0.8的鎂合金鍛造材料進行熱鍛造。
7.如權(quán)利要求5或6所述的制造鎂合金鍛造構(gòu)件的方法，其特征在于所述的熱鍛造的鍛造溫度在250-400℃范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求5-7中任一權(quán)利要求所述的制造鎂合金鍛造構(gòu)件的方法，其特征在于，使鍛造材料在熱鍛造之前，經(jīng)受熱處理，所述熱處理為鍛造材料在300-500℃溫度范圍保持5-50小時。
9.如權(quán)利要求5-8中任一權(quán)利要求所述的制造鎂合金鍛造構(gòu)件的方法，其特征在于，熱鍛造的鍛造率不小于10％。
10.如權(quán)利要求5-9中任一權(quán)利要求所述的制造鎂合金鍛造構(gòu)件的方法，其特征在于，使通過熱鍛造獲得的鍛造構(gòu)件經(jīng)受熱處理，所述熱處理為鍛造構(gòu)件在100-250℃溫度范圍內(nèi)保持5-50小時。
11.一種通過鍛造至少含鋁和鈣的鎂合金鍛造材料所獲得的鎂合金鍛造構(gòu)件，所述鍛造材料150℃時的拉伸強度不小于220Mpa。
12.如權(quán)利要求11所述的鎂合金鍛造構(gòu)件，其特征在于，所述鎂合金鍛造構(gòu)件是裝配到內(nèi)燃機中的氣門挺桿。
13.如權(quán)利要求12所述的鎂合金鍛造構(gòu)件，其特征在于，所述氣門挺桿的上盤部分的鍛造率不小于20％。
14.如權(quán)利要求13所述的鎂合金鍛造構(gòu)件，其特征在于，所述氣門挺桿上盤部分的表面鍍鎳。
15.如權(quán)利要求13所述的鎂合金鍛造構(gòu)件，其特征在于，所述氣門挺桿上盤部分的表面用火焰噴涂鐵。
全文摘要
本發(fā)明提供了鎂合金鍛造材料和鍛造構(gòu)件,以及制造鍛造構(gòu)件的方法,這些鍛造構(gòu)件在常溫和高溫下的機械特性和可鍛性俱佳,并且價格低廉,鎂合金鍛造材料至少含有鋁和鈣,其300℃時的臨界鐓鍛率不小于70%。它含有不小于2%(重量)和不大于6%(重量)的鋁,不小于0.5%(重量)和不大于4%(重量)的鈣,其平均粒徑不大于300微米。
文檔編號B21J5/00GK1249355SQ9911846
公開日2000年4月5日 申請日期1999年8月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月30日
發(fā)明者坂本和夫, 山本幸男, 石田恭聰 申請人:瑪志達株式會社