專利名稱：合金粉體原料及其制造方法
技術領域：
本發明涉及具有微細的結晶粒的合金粉體原料及其制造方法。特別是，本發明涉及為制造同時具有高強度和高韌性的鎂合金，而要將構成作為原料的鎂基合金粉體的坯料的鎂結晶粒微細化。
背景技術：
鎂合金由于能夠實現低比重的輕量化效果，因此，以手機及便攜音像設備的框體為主，被廣泛用于汽車用部件、機械部件、構造用材料等。要實現更加輕量化效果，需要鎂合金高強度化和高韌性化。要得到這樣的特性提高，鎂合金的組成·成分的最優化及構成坯料的鎂結晶粒的微細化是有效的。特別是對于鎂合金原材料的結晶粒微細化來說，至此已經使用的有軋制法、擠壓加工法、鍛造加工法、沖壓加工法、ECAE(Equal ChannelAngular Extrusion)法等以塑性加工工藝為基礎的方法。
特開2001-294966號公報(特許文獻1)中公開有“鎂合金薄板及其制造方法以及使用該鎂合金薄板的成形品”。在該公報中公開的方法中，通過射出成形將溶融的鎂合金做成板狀原材料，通過輥子軋制使該板狀原材料壓縮變形，進而通過對該原材料進行熱處理，進行由再結晶化得到的鎂結晶粒的微細化。
特開2000-087199號公報(特許文獻2)中公開有“鎂合金軋制材料的制造方法、鎂合金沖壓方法、以及沖壓加工品”。在該公報中公開的方法中，將鎂合金板材以規定的壓下率進行冷軋制，然后，在規定的溫度區域對該板材進行熱處理，由此進行由再結晶化得到的鎂結晶粒的微細化。
在特開2001-294966號公報及特開2000-087199號公報中公開的方法中，被加工物都是板狀原材料，最終得到的也是板材。因此，通過這些公報中公開的方法，制作管狀原材料、棒狀原材料、具有異形截面的原材料等極其困難。另外，在軋制加工后需要進行熱處理工序，從而在經濟性方面也存在導致原材料的成本上升的問題。
特開2003-277899號公報(特許文獻3)中公開有“鎂合金部件和其制造方法”。在該公報中公開的方法中，在將鎂合金原材料進行固溶處理后，進行第一次鍛造加工、時效熱處理、第二次鍛造加工，由此進行鎂結晶粒的微細化。在該方法中，也必須重復進行多次鍛造加工和熱處理，從而導致原材料成本上升。另外，在第一次鍛造加工中，由于對原材料進行規定的加工應變是不能缺少的，因此，限制了制品的形狀。另外，該公報中公開的方法對制作棒狀原材料及管狀原材料這樣的長尺寸制品是不適合的。
國際公開公報WO03/027342Al(特許文獻4)中公開有“鎂基復合材料”。在該公報中公開的方法中，以鎂合金粉體或鎂合金片為初始原料，將該原料投入金屬陰模內，重復進行壓縮成形和擠壓成形，之后制作粉末或片的固化體塊坯，進而對該塊坯進行熱塑性加工，由此得到具有微細的鎂結晶粒的高強度的鎂合金。根據該公報中公開的方法，在制造大的固體塊坯時，產生結晶粒的微細粒化難以在塊坯內部均勻的問題。另外，要進行微細粒化，需要顯著增加上述的壓縮·擠壓加工次數，因此，也產生原材料成本上升的問題。
特開平5-320715公報(特許文獻5)中公開有“鎂合金制部件的制造方法”。在該公報中公開的方法中，將切削加工鎂合金制部件時排出的切粉、切屑、廢棄物等壓縮固化，對其進行擠壓加工或鍛造加工，由此制造有塑性加工史的鎂合金構件。此時，通過采用塑性加工促進鎂結晶粒的微細化，使鎂合金的強度提高。
上述方法的情況中，支配擠壓加工或鍛造加工后的鎂合金的強度特性的鎂坯料結晶粒徑不僅與塑性加工時給予原料的應變量，而且與作為初始原料使用的切粉、切屑、廢棄物或鑄造材料的鎂坯料的結晶粒徑的關聯性也強。即，構成初始原料的坯料的鎂的結晶粒微細化對成為最終制品的鎂合金原材料的高強度化是極其有效的。但是，這里使用的切粉、切屑、廢棄物、進而在鑄造材料中鎂的結晶粒徑為超過數百微米的粗大的粒徑。因此，將通常的鎂合金切粉、切屑、廢棄物、鑄造材料用作初始原料時得到的鎂合金中不期望顯著的高強度化·高韌性化。
另一方面，著眼于作為初始原料之一的鎂合金粉體粒子的鎂結晶粒的微細粒化方法，有通過噴霧法及單輥法等得到的速冷凝固工藝。這些方法中，可在以極短的時間將溶融狀態的鎂合金液滴冷卻·凝固的過程中抑制結晶粒的成長，制造具有微細的結晶粒的鎂基合金粉體粒子。
冷卻·凝固速度受液滴表面的去熱量限制。即，依賴于鎂合金液滴的比表面積，越是微細的液滴，凝固速度越大，為了能夠在短時間內凝固，因此，使用微細的鎂結晶粒。因此，可通過速冷凝固法制造具有微細結晶粒的鎂基合金粉體，但與此相反，由于粉末粒子直徑變小，因此，制造過程中粉末粒子容易漂浮，從而粉塵爆發等的危險性劇增。另外，在考慮到金屬模沖壓成形的壓縮固化時，由于細小的粉末粒子流動性低，因此，為對金屬模的充填率降低、或局部形成空隙、進而粉末間的摩擦力變大，因此，產生了難以固化的問題。
如上所述，在鎂合金的高強韌性化時，坯料的鎂結晶粒的微細化是有效的。因此，首先，鑄造法及壓鑄法這樣的不經過伴隨粒徑成長的溶解·凝固過程的方法是必須的。具體地說，將粉體或與其類似的具有幾何學形狀的原料在其溶點以下的溫度區域成形·致密化的固相工藝的構筑是一個課題。
其次，需要進行此時作為原料使用的鎂基合金粉體結晶粒的微細化。同時，優選不會引起粉塵爆發的較粗大的粉體，從沖壓成形的觀點考慮，還優選具有適當的大小。
發明內容
本發明的目的在于，提供合金粉體原料及其制造方法，粉末本身的粒徑大，但構成粉末坯料(matrix)的金屬或合金結晶粒微細。
本件發明者對上述課題進行了精心探討，通過重復進行多次試驗，發現以下記載的課題解決手段。具體地說，發現構成坯料的金屬或合金粒子的最大結晶粒徑為30μm以下，是微細的，而且沒有粉塵爆發等危險性的較粗大的合金粉體原料及其制造方法。
本件發明者對鎂基合金粉體原料進行了試驗，但本發明也可以適用于其它材料的粉末，例如鋁基合金粉體原料等。另外，在試驗中確認了將上述的鎂基合金粉體原料成形·固化而得到的鎂合金兼具有優良的強度和韌性。
在本說明書中，使用“金屬”及“合金”這樣的單詞，但沒有將兩者嚴格地區分使用。在本說明書中，“金屬”或“合金”這樣的單詞應該理解為包括純金屬及合金兩者。
實現上述目的的本發明如下。
本發明的合金粉體原料中，粉體的最大尺寸為10mm以下，粉體的最小尺寸為0.1mm以上，構成粉體的坯料的金屬或合金粒子的最大結晶粒徑為30μm以下。
構成粉體的坯料的金屬或合金例如是鎂或鎂合金。優選粉體的最大尺寸為6mm以下，粉體的最小尺寸為0.5mm以上。更優選構成粉體的坯料的鎂或鎂合金粒徑的最大結晶粒徑為15μm以下。
在一個實施方式中，該粉體原料對具有相對大的結晶粒徑的初始原料粉末施行塑性加工，得到相對較小的結晶粒徑。在其它實施方式中，該粉體原料是通過對具有最大結晶粒徑為30μm以下的坯料的金屬或合金原材料進行切削加工、剪斷加工、粉碎加工中的任一個機械加工得到的。
本發明第一方面提供本發明的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，通過對初始原料粉末施行塑性加工，將構成該初始原料粉末的坯料的金屬或合金粒子的結晶粒徑微細化。
塑性加工優選進行至粉體的最大尺寸為10mm以下，最小尺寸為0.1mm以上，且構成粉體的坯料的金屬或合金粒子的最大結晶粒徑為30μm以下為止。或，在設構成初始原料粉末的坯料的金屬或合金粒子的最大結晶粒徑為100％時，塑性加工進行至加工后的構成粉體的坯料的金屬或合金粒子的最大結晶粒徑為20％以下為止。
塑性加工優選在300℃以下的溫度進行。還優選初始原料粉末在惰性氣氛、非氧化氣氛、真空氣氛中任一種氣氛下加熱。初始原料粉末例如是鎂或鎂合金粉末。
在一個實施方式中，塑性加工是通過使初始原料粉末通過1對輥子間壓縮變形而進行。作為更具體的方式，1對輥子配置在箱體內。上述的方法還具有將初始原料粉末連續地投入向內的1對輥子間的原料投入工序、和將在一對輥子間進行了塑性加工后的粉體連續地送向箱體外的粉體排出工序。還可以具有用破碎機、粉碎機、粗粒機中的至少一個設備繼續對從箱體送出的粉體進行處理，形成顆粒狀粉體的工序。
也可以將1對輥子設置多組，使初始原料粉末通過多組輥子間進行塑性加工。1對輥子間的余隙例如為2mm以下。
優選初始原料粉末接觸的輥子的表面溫度為300℃以下。還優選包括1對輥子的塑性加工賦予區域為惰性氣氛、非氧化性氣氛、真空氣氛中的任一種氣氛。輥子例如在其表面具有凹部。
在其它實施方式中，塑性加工通過將初始原料粉末混合進行。作為更具體的方式，塑性加工是通過將初始原料粉末投入配置有1對旋轉刮板的箱體內進行混合而進行。在該情況下，上述方法優選具有將初始原料粉末連續投入箱體內的原料投入工序、和在箱體內將初始原料粉末混合的混合工序、以及將混合后的粉體連續送出箱體外的粉體排出工序。還可以具有用破碎機、粉碎機、粗粒機中的至少一個設備繼續對從箱體送出的粉體進行處理，構成顆粒狀粉體的工序。
也可以將1對刮板設置多組，通過多組刮板混合加工初始原料粉末。一對刮板之間的余隙例如為刮板直徑的2％以下、或初始原料粉末尺寸的20％以下、或2mm以下。另外，刮板和箱體之間的余隙例如為刮板直徑的2％以下、或初始原料粉末尺寸的20％以下、或2mm以下。
優選將初始原料粉末接觸的刮板的表面溫度設為300℃以下。還優選將初始原料粉末接觸的箱體內壁面的溫度設為300℃以下。更優選在箱體內設置惰性氣氛、非氧化性氣氛、真空氣氛中的任一種氣氛。
本發明其它方面提供合金粉體原料的制造方法，其具有準備具有板狀、棒狀、柱狀、塊狀中任一種形狀，且構成坯料的金屬或合金粒子的最大結晶粒徑為30μm以下的原材料的工序；對該原材料進行切削加工、剪斷加工、粉碎加工等機械加工，從該原材料提取最大尺寸為10mm以下、最小尺寸為0.1mm以上的粉體原料的工序。
圖1是表示粉體原料的各種形狀的圖；圖2是順序表示根據本發明的方法的制造工序的圖；圖3是作為連續式粉末塑性加工裝置之一例的碾壓試驗機的圖解圖；圖4是表示圖3所示的連續式粉末塑性加工裝置的第三級輥對和破碎裝置的圖；圖5是表示作為連續式粉末塑性加工裝置的其它例混合加工機的圖；圖6是表示圖5所示的連續式粉末塑性加工裝置的1對刮板的其它例的圖；圖7是表示圖5所示的連續式粉末塑性加工裝置的1對刮板的另外其它例的圖；圖8是表1及表2的試樣序號1及4的試樣的光學顯微鏡照片及投入原料AM60片的光學顯微鏡照片；圖9是表5及表6的試樣序號23及24的試樣的光學顯微鏡照片。
具體實施例方式
下面說明本發明的實施方式及作用效果。
(1)鎂基合金粉體原料(A)粉體原料的形狀對鎂基合金粉體原料進行連續的塑性加工，有效地促進鎂坯料的結晶粒的微細化。為促進這樣的微細化，使用的初始原料粉末最好具有粒子狀、粉末狀、塊狀、卷曲狀、帶狀、切削粉末狀、切削卷曲狀、切粉狀中的任一種形狀。圖1表示這些形狀。
作為塑性加工，施行壓縮加工、剪切加工、粉碎加工、混合加工等，但加工后得到的粉體是與作為初始原料使用的粉體類似的粉體或這種粉末的集合體，通過根據需要施行破碎加工，下一工序中的壓縮成形、固化變得容易。
具體地說，塑性加工后的鎂基合金粉體中要求適當的壓縮成形性及固化性，另外，在金屬陰模中成形固化鎂基合金粉體時，需要提高粉體的流動性及金屬模內的充填性。為提高這些特性，作為初始原料，也最好使用具有粉末狀、塊狀、卷曲狀、帶狀、切削粉末狀、切削卷曲狀、切粉狀中任一種形狀的鎂基合金粉體。
(B)粉末原料的大小通過本發明方法得到的鎂基合金粉體原料的粉末的最大尺寸為10mm以下。在此，最大尺寸表示該粉體的最大的尺寸，若為粒子狀、粉末狀、塊狀、切粉，則與最大粒子徑相當。若為帶狀，則在構成寬度、長度、厚度的情況下是指在最大的長度方向的尺寸。在卷曲狀的情況下，相當于將其看作圓的情況的直徑。
在本發明的鎂基合金粉體的最大尺寸為10mm以下時，上述的壓縮成形性、固化性、流動性、金屬模充填性沒有問題。更優選的最大尺寸為6mm以下。當粉末的最大尺寸超過10mm時，這些特性降低，特別是由于壓縮成形性降低，因此，存在固化體塊坯上產生了龜裂及裂紋的問題。
另一方面，通過本發明的方法得到的鎂基合金粉體原料的粉末的最小尺寸為0.1mm以上。這里的最小尺寸是表示該粉體的最小的尺寸，若為粒子狀、粉末狀、塊狀、切粉，則相當于最小粒子徑。若為帶狀，則在構成寬度、長度、厚度的情況下是指最小的厚度方向的尺寸。在卷曲狀的情況下，相當于構成該卷曲的原材料的寬度或厚度小的一方的尺寸。
在本發明的鎂基鐵合金粉體的最小尺寸為0.1mm以上時，上述的壓縮成形性、固化性、流動性、金屬模充填性沒有問題。更優選的最小尺寸為0.5mm以上。當粉末體最小尺寸低于0.1mm時，有關壓縮成形固化的粉末特性降低，同時伴隨著粉末的漂浮引起的粉塵爆發的機率增加的危險。
圖1表示相對于各粉末形狀的最大尺寸部分及最小尺寸部分。
(C)構成粉體坯料的鎂粒子的最大結晶粒徑在通過本發明的方法得到的鎂基合金粉體中，構成坯料的鎂粒子的最大結晶粒徑為30μm以下。這里的最大結晶粒徑是結晶粒的外接圓的直徑。具體地說，是指在通過磨料對粉體進行濕式研磨后，進行化學腐蝕(蝕刻)，在明確了結晶的晶界的狀態下，由光學顯微鏡觀察的結晶粒中最大的尺寸。
粉體的強度及硬度等機械特性的提高不僅要求減小構成坯料的粒子的平均的結晶粒徑，而且還要求減小最大結晶粒徑。因此，在本發明中明確了通過在適當的范圍內管理鎂粒子的最大結晶粒徑，可制造兼具有優良的強度和韌性的鎂基合金原材料。
另一方面，在使用構成坯料的鎂粒子的最大結晶粒徑超過30μm這樣的粉體原料的情況中，得到的鎂基合金不具備得到平衡的強度和韌性，其中之一或兩者的機械特性降低。由此更優選鎂基合金粉體原料中的鎂粒子的最大結晶粒徑為15μm以下。
上述那樣構成的鎂基合金粉體原料通過對初始原料粉末進行塑性加工或機械加工得到。具體地說，一個方法是，粉末原料是相對具有相對大的結晶粒徑的初始原料粉末施行塑性加工，構成小的結晶粒徑的原料。另一個方法中，粉末原料是通過進行切削加工、剪斷加工、粉碎加工中任一種機械加工而從具有最大結晶粒徑為30μm以下的坯料的金屬或合金原材料中提取的原料。
鎂基合金粉體原料是本發明的合金粉體原料的一個實施方式。本發明也可以對鋁基合金粉體原料等其它材質的結構適用。這一點在后述的方法中也相同。
(2)塑性加工得到的鎂基合金粉體原料的制造方法圖2中順序表示塑性加工得到的鎂基合金粉體原料的制造工序。
(A)原料的加熱工序在初始原料的連續式塑性加工中，加工時的原料溫度與鎂結晶粒的細微粒化具有密切的關系，需要在適當的溫度范圍內進行管理。因此，在施行塑性加工之前事先將原料粉末加熱保持在規定溫度是重要的。根據后述的理由，粉體的加熱保持溫度優選300℃以下，更優選100～200℃。
由于在上述的溫度范圍內對投入原料賦予規定的塑性變形，從而結晶粒的微細粒徑的作為驅動源的強應變加工產生的結晶粒的截斷及再結晶顯著。即使在常溫下，也可以進行連續的塑性加工，但強應變加工會使導入原料的位錯等缺陷增大，原料粉體變脆，在加工過程中粉碎、微粉化，因此，引起粉塵爆發的機率升高。
若在100～200℃的溫度范圍對初始原料粉末施行塑性加工，則能夠在給予加工后的粉末原料延展性的狀態下抑制粉碎、微粉化，同時促進鎂結晶粒的微細化。另一方面，若在超過300℃的溫度下進行塑性加工，則在塑性加工過程中，塑性加工用旋轉體和原料產生燒結、凝結現象。
在初始原料的加熱過程中，從阻止粉末表面氧化的觀點考慮，優選在氮氣及氬氣等惰性氣氛、非氧化性氣氛、或真空氣氛中加熱初始原料粉末。例如在大氣中加熱初始原料粉末時，由于粉末表面的氧化，而在后工序的熱擠壓加工及鍛造加工后的鎂基合金中存在氧化物，由此，產生了導致疲勞強度等特性降低的情況。
(B)原料的連續式塑性加工工序圖3及圖4表示連續式粉末塑性加工裝置之一例的碾壓試驗機，圖5～圖7表示連續式粉末塑性加工裝置的其它例的葉片式混沙機(混合加工機)。首先，對這些裝置的構成做簡單說明。
圖3所示的連續式粉末塑性加工裝置具備箱體1、配置于該箱體1內的多級式輥子旋轉體2、破碎裝置3、粉末溫度·供給量控制系統4、承受臺5。多級式輥子旋轉體2具有對初始原料粉末進行軋制加工的三組輥對2a、2b、2c。初始原料粉末在通過成對的輥子之間時壓縮變形。
初始原料粉末通過粉末溫度·供給量控制系統4調整為規定的溫度及規定的量，并投入箱體1內。從防止粉末表面氧化的觀點考慮，箱體1內部確保惰性氣氛、非氧化氣氛或真空氣氛。
圖4表示第三段輥對2c和破碎裝置3。從輥對2c送出的粉體繼續被破碎裝置3破碎，成為顆粒狀粉體。也可以使該顆粒狀粉體再次返回粉體溫度·供給量控制系統4，重復進行多級式輥子旋轉體2的塑性加工。加工后的顆粒狀粉體被承受臺5收容。
圖5表示的連續式粉體塑性加工裝置具備箱體11，該箱體11具有確保惰性氣氛、非氧化氣氛或真空氣氛的混合室12；接收初始原料粉末的供給口13；和送出混合加工后的粉體的排出口14。在箱體11內配置有通過軸承16旋轉自如地支承且通過驅動部19旋轉驅動的兩個旋轉軸15。在各旋轉軸15上固定有將投入箱體11內的初始原料粉末送入前方的螺桿17、和用于對初始原料粉末進行混合加工的刮板18。為了能夠加熱箱體11，也可以對箱體11設置加熱器或能夠供給加熱介質的套管。另外，為了能夠加熱旋轉軸15，也可以對旋轉軸15設置加熱器或能夠供給加熱介質的裝置。
用螺桿17送入混合室12內的初始原料粉末在通過1對旋轉刮板18之間的間隙、及各刮板18和箱體11內壁面之間的間隙時被進行混合加工。該混合加工給予初始原料壓縮機、剪斷力、分散力、沖擊力、變形力、粉碎力等。另外，成對的旋轉刮板18設有多組。
在圖5所示的實施方式中，1對刮板18沿相同的方向旋轉。另外，各刮板18具備有三個尖的頂點的形狀。圖6及圖7表示與圖5的刮板18不同的形狀的刮板對。圖6所示的1對刮板21、22都具備有兩個尖的頂點的形狀，沿相同的方向旋轉。圖7所示的1對刮板31、32具有相互不同的形狀，旋轉方向也相反。這樣，雖然具有各種刮板，但也可以適用任一個刮板進行混合加工。
圖3及圖5所示的連續式粉末塑性加工裝置都具有1對旋轉體，對向該旋轉體相互之間或旋轉體和箱體之間供給的初始原料粉體給予壓縮加工、剪斷加工、粉碎加工等塑性加工，此時，促進如上述那樣的強應變加工的結晶粒的微細化。
如上所述，用于塑性加工時的原料粉末的溫度管理是重要的，因此，與原料粉末接觸的1對旋轉體表面的溫度及/或箱體內壁面的溫度需要在在適當的范圍內進行管理。該溫度范圍與上述的原料粉末的加熱保持溫度相同，優選300℃以下，更優選100～200℃的范圍，其理由也與上述相同。
在連續式粉末塑性加工裝置中，通過配置多組1對的旋轉體，可對原料粉末賦予強應變加工。另外，在塑性加工后，再次將原料粉末加熱到規定的溫度后，再投入塑性加工裝置內，進行塑性加工，進行多次上述加工的方法是有效的。
優選將連續式粉末塑性加工裝置的1對旋轉體間的余隙及旋轉體和箱體之間的余隙設于適當的值。在圖3所示的裝置的情況中，優選將1對輥子之間的余隙設為2mm以下。在圖5所示的裝置的情況中，優選將1對刮板之間的余隙設為刮板直徑的2％以下、或初始原料粉末尺寸的20％以下、或2mm以下。另外，刮板和箱體之間的余隙也優選設為刮板直徑的2％以下、或初始原料粉末最大尺寸的20％以下、或2mm以下。
向1對旋轉體的間隙部分或各旋轉體和箱體之間的間隙部分連續地供給原料粉體，執行塑性加工，但在余隙的大小超出上述那樣優選的值時，不能賦予足夠的強應變加工，其結果是不能得到30μm以下的鎂結晶粒。加工度因投入的原料粉體的大小及形狀而不同，但通過將上述的余隙設定為原料粉末的最大尺寸的1/5以下，能夠穩定地將鎂結晶粒連續式微細化。
在連續式粉末塑性加工裝置中，也可以對與原料粉體接觸的1對輥子旋轉體的表面形狀進行改良。具體地說，在輥子旋轉體的表面形成凹部。作為凹部，考慮一個或多個凹狀的槽或凹狀的縫隙，但通過設置使它們沿相對于旋轉方向垂直的方向、平行的方向、或具有傾斜角度而交插的方向延伸，利用楔效果即能夠將原料粉末有效地引入輥子旋轉體間，同時，可強制地進行強應變加工。但是，即使對于不必設置凹部，而具有未附加這樣的凹狀槽或凹狀縫隙的表面的輥子旋轉體來說，也可以通過塑性加工而使結晶粒微細化。
為抑制塑性加工時的原料粉體的氧化，在連續式粉末塑性加工裝置中由發光箱(glow box)等覆蓋包括旋轉體的一部分或整體，在惰性氣氛、非氧化氛圍、真空氣氛等中管理該氣氛。
通過對初始原料粉末施行上述那樣的塑性加工，加工后的合金粉體原料具有以下這樣的特征。即，合金粉體原料的構成粉末坯料的合金粒子的最大結晶粒徑為30μm以下。或設構成初始原料粉末的坯料的合金粒子的最大結晶粒徑為100％時，進行塑性加工，直至構成加工后的粉體的坯料的合金粒子的最大結晶粒徑達到20％以下。如果不能實現這樣的結晶微細化，則在將得到的粉末成形固化而制作的鎂基合金原材料中難以同時得到優良的強度和韌性。
(C)粉體的搬運·排出工序進行了塑性加工的粉體連續地從箱體排出。在需要多次塑性加工時，再次將粉體供給到加熱工序，進行連續式塑性加工。在排出的粉體大的情況下，在將其破碎或顆粒化為適當的尺寸·形狀后供給向加熱工序。
(D)破碎·粗粒化·顆粒化工序如上所述，本發明的鎂合金粉體原料之后被壓縮成形而固化。因此，需要其具有適當的壓縮成形性、固化性、流動性、金屬模充填性。由于這些特性通過粉體的尺寸及形狀得到，因此，優選在施行了連續式塑性加工后，對從裝置排出的粉體適用破碎機、粉碎機、粗粒機等進行破碎處理、粗粒化處理、顆粒化處理，使尺寸(粒子直徑)及形狀均勻化。從粉碎加工性的觀點出發，此時粉末的溫度優選常溫。最終得到的合金粉體原料的其粉體最大尺寸為10mm以下，粉體的最小尺寸為0.1mm以上。粉末的形狀例如為顆粒狀粉體。
(3)機械加工進行的鎂基合金粉體原料的制造方法本發明的鎂基合金粉體原料不僅可通過上述的塑性加工制造，還可以通過機械加工制造。
該方法中，首先準備具有板狀、棒狀、柱狀、塊狀中的任一種形狀，且構成坯料的鎂合金粒子的最大結晶粒徑為30μm以下的原材料。這種原材料通過對作為初始材料的板狀、棒狀、板狀、塊狀的鎂基合金原材料施行軋制、擠壓加工等熱或溫塑性加工，賦予其強應變加工而得到。這樣，原材料的構成坯料的鎂合金粒子的最大結晶粒徑微細化為30μm以下，但優選鎂合金粒子的最大結晶粒徑微細化到15μm以下。
其次，對將微細化了結晶粒的鎂合金原材料進行切削加工、剪斷加工、粉碎加工等機械加工，從原材料提取粉體的最大尺寸為10mm以下，粉體的最小尺寸為0.1mm以上的粉體原料。構成提取的粉體的坯料的鎂合金粒子的最大結晶粒徑為30μm以下，優選15μm以下。對于粉體尺寸來說，可通過調整上述的機械加工條件，例如調整切削速度、選擇工具的材質·形狀、調整用球磨機粉碎時的處理時間等來對處。
實施例1作為初始原料，準備AM60(標稱組成Mg-6％Al-0.5％Mn/重量基準)合金制片(長度3.5mm、寬度1.5mm、厚度1.2mm、坯料鎂的最大結晶粒徑350μm、平均維氏硬度65.4Hv)。將具有1對輥子旋轉體(輥子直徑66mmφ、輥子寬度60mm、輥間余隙0.4mm)的碾壓試驗機作為連續式粉末塑性加工裝置。在由氮氣氛管理的加熱爐內將AM60片保持在表1所示的各溫度后，供給向加工裝置，對片給予壓縮變形。在將從裝置排出的試樣用分批裝置粉碎·顆粒化后，如同一表1所示，再次在規定的溫度加熱保持，之后，通過同一加熱裝置連續地賦予壓縮變形。
表1中，通過次數表示對室內模擬碾壓試驗機供給AM60片的次數。得到的粉體試樣的形狀及尺寸測定結果在同一表1表示，研磨·化學腐蝕后的光學顯微鏡觀察看到的最大結晶粒徑、維氏硬度的測定結果在表2表示。
本發明例的試樣序號1～5中確認了，與投入原料即AM60片相比，坯料的最大結晶粒徑微細化至30μm以下，通過使溫度條件適宜，可進一步微細粒徑化至15μm以下。另外，通過進行強應變加工，維氏硬度也增加。
作為比較例的試樣序號6，由于投入試樣AM60片的溫度為330℃超出適當范圍，因此，在塑性加工過程中產生了在輥子表面附著試樣片的問題。
表1
表2
表1及表2所示的本發明例的試樣序號1及4的試樣的通過光學顯微鏡得到的組織觀察結果及投入原料AM60片的通過光學顯微鏡得到的組織觀察結果在圖8表示。
圖8(a)表示試樣序號1的試樣，構成坯料的鎂粒子的最大結晶粒徑為26μm，根據圖像解析的結果，平均粒徑細微粒化到14.3μm。
圖8(b)表示試樣序號4的試樣，構成坯料的鎂粒子的最大結晶粒徑為小至11μm，根據圖像解析的結果，平均粒徑微細粒化到7.8μm。
圖8(c)表示作為投入原料的AM60片，構成坯料的鎂粒子的最大結晶粒徑為350μm，最小結晶粒徑為123μm，平均結晶粒徑為218μm(都是圖像解析的結果)。
從上述結果可知，通過本發明的連續式粉體塑性加工，能夠制作具有30μm以下的微細的鎂結晶粒的粗大的鎂基合金粉體。
實施例2作為初始原料，準備AM60(標稱組成Mg-6％Al-0.5％Mn/重量基準)合金制片(長度3.5mm、寬度1.5mm、厚度1.2mm、坯料鎂的最大結晶粒徑350μm、平均維氏硬度65.4Hv)。將具有1對輥子旋轉體(輥子直徑100mmφ、輥子寬度80mm、輥間余隙0.5mm)的碾壓試驗機用作連續式粉末塑性加工裝置。在由氮氣氛管理的加熱爐內將AM60片加熱保持在200℃后，供給向加工裝置，對片給予壓縮變形。在將從裝置排出的試樣用分批裝置粉碎·顆粒化后，再次在規定的溫度加熱保持，之后，通過同一加熱裝置連續地賦予壓縮變形。
在此，通過次數表示對室內模擬碾壓試驗機供給AM60片的次數。對于得到的粉體試料來說，研磨·化學腐蝕后的光學顯微鏡觀察看到的最大結晶粒徑、維氏硬度的測定結果在表3表示。
本發明例的試樣序號11～16中確認到，與投入原料即AM60片相比，坯料的最大結晶粒徑微細化至30μm以下，隨著通過次數的增加，最大結晶粒徑減小，進一步微細粒化至15μm以下。同時，由于強應變加工的蓄積，從而維氏硬度也增加。在施行連續塑性加工后進行分批處理的試樣都是板狀試樣和顆粒狀試樣的混合粉體，其大小為0.3～4.5mm，滿足本發明規定的適當的尺寸范圍。
表3
實施例3以表3表示的試樣序號12及16的試樣，且以投入原料AM60片為初始原料，將各粉體在常溫下固化，制作直徑35mmφ、高度18mm的壓粉成形體。在氮氣氛下以400℃加熱并保持5分鐘后，直接進行熱擠壓(擠壓比為25、鑄模溫度400℃)，制作致密的鎂基合金棒材(直徑7mmφ)。通過得到的各擠出棒材制作拉伸試驗片(平行部15mm、直徑3.5mmφ)，在常溫下評價拉伸強度特性(拉伸強度、屈服應力、破斷拉伸)。表4表示其結果。
對于使用通過本發明的連續式粉體塑性加工制作的具有鎂最大結晶粒徑為15μm以下的微細的組織構造的AM60鎂基合金粉體制造的擠壓原材料來說，與使用都不實施塑性加工處理的投入原料AM60片的情況相比，其拉伸強度、屈服應力及破斷拉伸顯著提高。其結果表明并確認，通過將使用了本發明提案的塑性加工法的鎂結晶粒子微細化，能夠使鎂基合金同時實現高強度化·高韌性化。
表4
實施例4作為初始原料，準備AM60(標稱組成Mg-6％Al-0.5％Mn/重量基準)合金制片(長度3.5mm、寬度1.5mm、厚度1.2mm、坯料鎂的最大結晶粒徑350μm、平均維氏硬度65.4Hv)。將具有1對旋轉刮板(1對輥子間的余隙為0.3mm、刮板和箱體的余隙為0.3mm)的葉片式混沙機(混合加工機)用作連續式粉體塑性加工裝置。在由氮氣氛管理的加熱爐內將AM60片保持在表5所示的各溫度后，供給向加工裝置，對片進行壓縮變形及剪斷加工。將從裝置排出的試樣用分批裝置粉碎·顆粒化。得到的粉體試樣的形狀及尺寸測定結果在表5表示，研磨·化學腐蝕后的光學顯微鏡觀察看到的最大結晶粒徑、維氏硬度的測定結果在表6表示。
本發明例的試樣序號21～25中確認到，與投入原料即AM60片相比，坯料的最大結晶粒徑微細化至30μm以下，通過使溫度條件最佳化，可使微細粒化進一步達到15μm以下。另外，確認通過進行強應變加工，維氏硬度也增加。
在比較例的試樣序號26中，由于投入試樣AM60片的溫度為350℃超出了適宜溫度，所以，在塑性加工過程中產生了刮板及箱體內壁面附著試樣片的問題。
表5
表6
圖9表示表5及表6所示的本發明例的試樣序號23及24的試樣的光學顯微鏡下的組織觀察結果。確認到在任一鎂基合金粉體中，鎂的最大結晶粒徑小到15μm以下，通過進行本發明的連續式粉體塑性加工，可以制作具有微細的鎂結晶粒的粗大的鎂基合金粉體。
實施例5作為初始原料，準備AM60(標稱組成Mg-6％Al-0.5％Mn/重量基準)合金制片(長度3.5mm、寬度1.5mm、厚度1.2mm、坯料鎂的最大結晶粒徑350μm、平均維氏硬度65.4Hv)。將具有1對輥子旋轉體(輥子直徑66mmφ、輥子寬度60mm、輥間余隙0mm)的碾壓試驗機(輥軸為單臂式)用作連續式粉末塑性加工裝置。
設試樣供給口的溫度為170℃，在由氮氣氛管理的加熱爐內將AM60片保持在200℃后，供給向加工裝置，對片給予壓縮變形。將從裝置排出的試樣用分批裝置粉碎·顆粒化之后，再次在200℃下加熱保持，然后，利用同一加工裝置連續的賦予壓縮變形。
這里的通過次數表示對室內模擬碾壓試驗機供給AM60片的次數。表7表示得到的粉末試樣的形狀及尺寸測定結果，表8表示研磨·化學腐蝕后的光學顯微鏡觀察看到的最大結晶粒徑、維氏硬度的測定結果。
本發明例的試樣序號31～36中確認到，與投入原料即AM60片相比，最大結晶粒徑細微化至15μm以下，通過使溫度條件最佳化，可使AM60片不隨材料向輥子表面的附著而微細粒化。另外，通過強應變加工，確認了維氏硬度也增加。
表7
表8
工業上的可利用性本發明可作為用于得到同時具有高強度和高韌性的合金的合金粉體原料及其制造方法有效地加以利用。
權利要求
1.一種合金粉體原料，其特征在于，粉體的最大尺寸為10mm以下，粉體的最小尺寸為0.1mm以上，構成粉體的坯料的金屬或合金粒子的最大結晶粒徑為30μm以下。
2.如權利要求1所述的合金粉體原料，其特征在于，構成所述粉體的坯料的金屬或合金是鎂或鎂合金。
3.如權利要求2所述的合金粉體原料，其特征在于，所述粉體的最大尺寸為6mm以下，粉體的最小尺寸為0.5mm以上。
4.如權利要求2或3所述的合金粉體原料，其特征在于，構成所述粉體的坯料的鎂或鎂合金粒子的最大結晶粒徑為15μm以下。
5.如權利要求1～4中任一項所述的合金粉體原料，其特征在于，該粉體原料是對具有相對大的結晶粒徑的初始原料粉末施行塑性加工形成相對小的結晶粒徑的原料。
6.如權利要求1～4中任一項所述的合金粉體原料，其特征在于，該粉體原料通過施行切削加工、切斷加工、粉碎加工中任一種機械加工，從具有最大結晶粒徑為30μm以下的坯料的金屬或合金原材料中提取。
7.一種合金粉體原料的制造方法，其特征在于，通過對初始原料粉末施行塑性加工，將構成該初始原料粉末的坯料的金屬或合金粒子的結晶粒徑微細化。
8.如權利要求7所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，所述塑性加工進行至粉體的最大尺寸為10mm以下、最小直徑為0.1mm以上、且構成粉體的坯料的金屬或合金粒子的最大結晶粒徑為30μm以下為止。
9.如權利要求7或8所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，在構成初始原料粉末的坯料的金屬或合金粒子的最大結晶粒徑為100％時，所述塑性加工進行至加工后的構成粉體的坯料的金屬或合金粒子的最大結晶粒徑為20％以下為止。
10.如權利要求7～9中任一項所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，所述塑性加工在300℃以下的溫度進行。
11.如權利要求7～10中任一項所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，將所述初始原料粉末在惰性氣氛、非氧化性氣氛、真空氣氛中的任一種氣氛下加熱。
12.如權利要求7～11中任一項所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，所述初始原料粉末是鎂或鎂合金粉末。
13.如權利要求7～12中任一項所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，所述塑性加工是使初始原料粉末通過1對輥子間并將其壓縮變形而進行。
14.如權利要求13所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，所述1對輥子配置于箱體內，所述方法還具有將初始原料粉末連續投入所述箱體內的1對輥子間的原料投入工序；和將在所述1對輥子間進行了塑性加工的粉體連續送到所述箱體外的粉體排出工序。
15.如權利要求14所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，還具有用破碎機、粉碎機、粗粒機中的至少一個設備繼續對從箱體送出的粉體進行處理，形成顆粒狀粉體的工序。
16.如權利要求13～15中任一項所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，所述1對輥子設有多組，所述初始原料粉末通過所述多組輥子間被塑性加工。
17.如權利要求13～16中任一項所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，所述1對輥子間的余隙為2mm以下。
18.如權利要求13～17中任一項所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，所述初始原料粉末接觸的所述輥子的表面溫度為300℃以下。
19.如權利要求13～18中任一項所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，包括所述1對輥子的塑性加工賦予區域為惰性氣氛、非氧化氣氛、真空氣氛中的任一種氣氛。
20.如權利要求13～19中任一項所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，所述輥子在其表面具有凹部。
21.如權利要求7～12中任一項所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，所述塑性加工通過將初始原料粉末混合而進行。
22.如權利要求21所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，所述塑性加工是通過將初始原料粉末投入配置了1對旋轉刮板的箱體內將其混合而進行。
23.如權利要求22所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，具有將初始原料粉末連續投入所述箱體內的原料投入工序、在所述箱體內將初始原料粉末混合的混合工序、將混合后的粉體連續送向箱體外的粉體排出工序。
24.如權利要求23所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，還具有用破碎機、粉碎機、粗粒機中的至少一個設備繼續對從箱體送出的粉體進行處理，形成顆粒狀粉體的工序。
25.如權利要求22～24中任一項所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，所述1對刮板設有多組，所述初始原料粉末通過所述多組刮板進行混合加工。
26.如權利要求22～25中任一項所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，所述1對刮板間的余隙為刮板直徑的2％以下、或初始原料粉末尺寸的20％以下、或2mm以下。
27.如權利要求22～26中任一項所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，所述刮板和所述箱體之間的余隙為刮板直徑的2％以下、或初始原料粉末尺寸的20％以下、或2mm以下。
28.如權利要求22～27中任一項所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，所述初始原料粉末接觸的所述刮板的表面溫度為300℃以下。
29.如權利要求22～28中任一項所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，所述初始原料粉末接觸的所述箱體內壁面的溫度為300℃以下。
30.如權利要求22～29中任一項所述的合金粉體原料的制造方法，其特征在于，所述箱體內為惰性氣氛、非氧化性氣氛、真空氣氛中的至少一種氣氛。
31.一種合金粉體原料的制造方法，其特征在于，具有準備具有板狀、棒狀、柱狀、塊狀中任一種形狀，且構成坯料的金屬或合金粒子的最大結晶粒徑為30μm以下的原材料的工序、和對所述原材料進行切削加工、切斷加工、粉碎加工等機械加工，從該原材料提取最大尺寸為10mm以下、最小尺寸為0.1mm以上的粉體原料的工序。
全文摘要
本發明提供一種合金粉體原料及其制造方法，通過使初始原料粉末在1對輥子(2a)之間通過，對該初始原料粉末進行塑性加工，將加工后的構成粉體的坯料的金屬或合金粒子的結晶粒徑微細化。這樣得到的合金粉體原料其粉體的最大尺寸為10mm以下，粉體的最小尺寸為0.1mm以上，構成粉體的坯料的金屬或合金粒子的最大結晶粒徑為30μm以下。
文檔編號C22C1/04GK1942267SQ200480042439
公開日2007年4月4日 申請日期2004年5月21日 優先權日2004年3月15日
發明者近藤勝義, 后藤充啟, 福井秀明, 鹽崎修司, 阿片肇, 板倉克仁, 福本和典 申請人:近藤勝義, 株式會社江州, 株式會社栗本鐵工所