镁合金新材料研发及加工工艺的新进展

来源：网络作者：发布时间：2007-10-27

镁合金是最轻的工程金属材料之一，具有很好的比强度、比刚度等性能，特别适合制造有重量轻、强度高、减震降噪要求的工程结构部件和有一定强度要求的壳体类零件。中国作为镁资源大国，如何利用镁资源的优势正受到越来越多国内有识之士的关注。随着镁合金及其相关技术的发展，镁合金在中国各个领域的应用也得到了进一步的推广。下面分别介绍中国在新型镁合金开发和加工工艺（液态成型、固态成型和半固态成型三个方面）的研究进展。

一、新型镁合金的开发

由于交通工具轻量化的推动，世界各国都展开了对镁合金的研究，寻找一种可以满足要求的新型合金，是各国科技工作者的一个共同目标，在这方面中国科技人员也进行了大量的研究工作。限制镁合金发展的一个主要原因是镁合金的高温性能——抗蠕变能力和高温疲劳性能较差，因此新材料的研发主要是针对这一问题进行的，概括的说主要包括两个方面：一是对现有合金的优化，主要是针对现有的商业镁合金，特别是对Mg-Al系合金进行改性，通过添加合金元素以期改善合金的高温性能；二是新合金系的开发，主要是指新型Mg-RE系合金的研发。

1. Mg-Al耐热镁合金

目前，对于Mg-Al 系耐热镁合金的研究主要集中在以下两方面：1 AZ 系(Mg-Al-Zn) 镁合金的耐热性改善,其主要通过添加微量合金元素(如RE、Si、Ca、Ba、Bi、Sb和Sn等) 改善AZ系合金中β相（Mg17Al12）的形态结构和/或形成新的高熔点、高稳定性的第二相来提高其耐热性；2 新型耐热镁合金系列的开发，其主要以Mg-Al二元合金为基础，通过单独或复合添加Si、RE、Ca、Sr等合金元素，以形成具有抗高温蠕变性能的新型耐热镁合金系列。表1显示了部分新开发的Mg-Al系耐热镁合金的化学成份及主要强化相。

表1 部分Mg-Al系耐热镁合金的主要化学成份及强化相

2. Mg-RE合金

稀土元素的价格相对较为昂贵，但由于稀土元素特殊的价电子结构以及在镁合金中的显著的强化效果，使Mg-RE系成为发展高强度耐热镁合金的一个重要合金系。中国关于Mg-RE系合金的研究近年来不断增多和深入，中国作为稀土资源第一大国，镁稀土合金的成功研发将有助于我们利用这一优势。

混合稀土，尤其是轻稀土，是较早发现对镁合金具有良好强化效应的元素。上海交通大学的研究发现，在中国牌号ZM6合金的基础上通过纯钕元素替代富钕混合稀土、调整合金元素含量范围以及添加微量合金元素等手段开发的Mg-2.5~3.5Nd-0.2Zn-0.5Zr-X合金的综合性能远远超过ZM6合金和 EZ33A合金，而且无须氢化处理。这种合金采用了高温固溶工艺，从而可以提高固溶处理后的Nd元素在基体中的固溶量以及后续时效强化效果。

稀土元素Y和Gd的优良时效强化作用是近年的重要发现之一。何上明等人在Rohklin和Kamado等人的工作基础上系统地研究了Mg-Gd-Y-Zr -Ca系合金的显微组织和力学性能，并开发高强度镁合金Mg-10Gd-3Y-0.6Zr-0.4Ca（GW102K)以及Mg-12Gd-3Y- 0.4Zr-0.4Ca（GW123K)，两种合金经过热挤压后的力学性能如图1所示。

图1 Mg-Gd-Y-Zr 系列合金力学性能与温度的关系

与日本Kamado等人的研究结果不同的是，他们发现Mg-Gd-Y-Zr系合金的时效沉淀析出顺序应为Mg(SSSS) → β〞（D019） → β′（bco） →β1（fcc） →β（fcc），而不是常规报导的Mg（SSSS） → β〞（D019） → β′（bco） →β（bcc）序列，其中β〞和β′在时效峰值处共存，并以极细的针状或片状弥散析出，沿镁基体的{11-20}棱面分布，首次在该合金系内发现一种具有面心立体的新型过渡相β1，该相在基面上呈现菱形颗粒状。几种主要的过渡相的形貌与斑点如图2所示。

图2 250℃下时效(a) 16h, (b) 193h和(c) 2400h的GW103K合金TEM明场像和微束衍射分析花样显示了β’, β1, 和β析出相的形态与晶体特徵。入射束分别平行于[0001]α和[001]β’ (a), [110]β1(b), 以及 [110]β(c)。

此外，上海交通大学还对Mg-Dy-Nd，Mg-Y-Sm，Mg-Gd-Nd等其它稀土系合金进行了研究与优化，得到不同稀土含量的镁合金，与Mg-Gd-Y和Mg-Nd系合金类似，这些镁稀土系主要强化方式为高温时效析出的亚稳相，因此具有良好的强度与耐热性，为高强度耐热镁合金。

二、液态成型

当前，镁合金的液态成型仍然以压力铸造(HPDC)、重力铸造为主，镁合金采用其它铸造方式，如低压铸造(LPDC)、熔模铸造等形式较少，表2为2005年中国国内镁合金消费领域的比较（来自镁业分会）。

表2 2005年中国国内镁合金消费领域比较（来自镁业分会）单位：千吨

中国镁合金零部件的主要生产厂家有一汽铸造公司、东风汽车公司、上海镁镁合金压铸有限公司、长安汽车等。这些公司的产品以汽车用镁合金压铸件为主。此外，台湾香港等企业在大陆投资的镁成型企业主要生产3C镁合金压铸件，目前已经成为全球最大的3C镁合金零件供应商。利用镁合金压铸件代替传统铸铁、铸钢件，甚至代替铝合金压铸件，正成为制造业特别是汽车制造业的发展趋势。