耐热镁合金及其开发思路

连菊红 西北师范大学化学化工学院09级化学1班兰州730070 摘要:简述了耐热镁合金的特点和概况,介绍了合金化耐热镁合金、镁基复合材料和快速凝固镁合金3 大领域,重点分析了开发新型耐热镁合金的思路、方法与需要注意的问题,并提出了一些建议,为进一步拓宽镁合金在汽车、航天航空等领域的应用提供理论依据。 关键词:耐热镁合金;开发;思路 He a t Re s i s t a nt Ma g ne s i um All o ys a n d De vel opi n g S t r a t e gi e s Lianjuhong Class1.college of chemistry and chemical Engineering ,Northwest normal university ,lanzhou730070. Abs t rac t :The characteristics and survey of heat re sistant Mg alloys were briefly reviewed , then alloying heat re sistantmagne sium alloys 、magne sium matrix compositeandrapidlysolidified magne sium alloys were introduced , finally the thought s means and existing problems of developingnew heat re sistantMgalloys were mainly analyzed andsomesuggestionswereproposed ,which provided theoretical reference for the magne sium alloystowiden their application in the automobile industry ,aerocraft and so on. Ke y w ords :Heat re sistant magne sium alloys ; Development ; Strategie s 镁合金是目前工业上可应用的最轻的金属结构材料,具有密度小、比强度高、比刚度高、尺寸稳定的特点,也有电磁屏蔽好以及良好的切削加工性能、充型流动性等优点,但是由于镁合金的高温性能差、蠕变强度低,限制了镁合金的应用范围。例如,对于使用温度较高、必须防止油的渗漏的发动机引擎盖等汽车、摩托车零部件,都要求镁合金具有良好的高温性能和抗蠕变性能。因此,耐热镁合金的研究与开发成为全球材料研究的主要课题之一。 1 耐热镁合金的分类 根据获得耐热性的方法不同把耐热镁合金分为合金化耐热镁合金、镁基复合材料和快速凝固镁合金3 大类。 1. 1 合金化耐热镁合金 合金化是材料强化的主要手段。目前常用的镁合金系列有Mg2Al 、Mg2Zn 、Mg2RE 系等,其中Mg2RE 系合金耐热性能最好。Mg2Al 系合金是目前牌号最多、应用最广的合系,Mg2Al 合金为基础发展的三元合有:Mg2Al2ZnMg2Al2SiMg2Al2Mn 、Mg2Al2RE 常用系列及近期开发的Mg2Al2Ca 、Mg2Al2Sr 等系列。Mg2Zn 系合金研究较少,但近年来的研究也出现可喜的成果,有Mg2Zn2Cu 系合金的开发成功,典型代表ZC63 和ZC62 。另外还有Mg2Zn2Al 系镁合金,如ZA102 、ZA104 、ZA144 , 但该系合金不足之处是韧性较低。目前Mg2Zn2Al 这个系列的专利耐热合金较多,如IMRA America 加钙的ZAC8506 ,U be 工业公司和现代汽车公司各自开发的加Si 、Sr 合金Zn2Al2Si2Sr。Mg2RE 系合金主要应用在200 ℃以上的使用温度,开发出来的有Mg2Y、Mg2Sc 、Mg2Sm 等具有良好耐热性的镁合金,稀土在镁合金中的作用除净化、除气除杂以外,还能改善合金的铸造性能、耐蚀性能和焊接性能,提高合金的高温抗拉强度和抗蠕变能力。 1.2快速凝固镁合金 快速凝固镁合金的研究始于20 世纪50 年代,可制造更热，更耐蚀、更高强度的材料,从而使镁合金的研究开发进入一个崭新的领域。Sanchez 等系统地研究了快速凝AZ91，AZ151、AC54、ZE41、WE43、WE54 合金的室温和高温力学性能。这6 种合金都用熔融旋铸法制成薄带,再将薄带挤压成圆形试棒。在室温下,6种合金的屈服强度都很高,而在高于室温时,AZ91、AZ151、ZE41 和AC54 合金屈服强度都随着温度的升高而快速降低,不过在整个温度范围,AC54 的屈服应力都比其他几种合金高。而WE54 和WE43 直到150 ℃时,屈服强度仍保持了很高的水平(σ0. 2 > 350 MPa) 。开发高性能的快速凝固镁合金具有很大的发展空间,目前快速凝固镁合金的研究已朝着在提高强度的同时,提高韧性、耐蚀性及热稳定性的方向发展。 2 耐热镁合金的开发思路 2. 1 镁合金的蠕变及耐热原理 2. 1. 1 合金的耐热性 耐热性主要是指材料在高温和外加载荷作用下抵抗蠕变及破坏的能力。合金的耐热性包括热强性能和热稳定性能,热强性能是指合金在高温长时间应力作用下具有一定的抵抗变形和断裂的能力,合金的蠕变强度、持久强度和高温疲劳强度均反映合金的热强性能,其中合金的蠕变强度是度量合金热强性能的重要指标。热稳定性是指合金在高温长时间作用下具有抗氧化和抗腐蚀的能力。 2. 1. 2 镁合金的蠕变 镁合金的蠕变主要是通过位错滑移和晶界滑动2 种方式进行,在室温拉伸的条件下,具有密排六方晶体结构的镁合金为基面(0 001) 滑移,只有3 个滑移系。脆性断裂为主要的断裂方式,沉淀相和晶界是位错运动的障碍,高温时,非基面的位错也可以参与运动,位错割阶、时效沉淀相和初生的弥散颗粒成为位错运动的障碍。室温时,镁合金的蠕变主要以位错的滑移为主,高温条件下,由于晶界原子不稳定,易扩散,受力时容易滑动,故其蠕变方式以晶界滑动为主。高温蠕变变形的微观机制不仅包括滑移,而且晶界参与形变,并且形变量显著,有时可以高达40 %～50 %。众所周知,在高应力作用下,六方晶格的纯镁甚至在室温下即易于发生蠕变变形,与铝合金相比,镁合金更易于发生晶界滑移。 2. 2 耐热镁合金的开发思路 2. 2. 1 从合金晶体结构的强度观点出发 耐热镁合金设计应从限制位错运动和强化晶界入手,这意味着通过以下一种或多种手段来实现提高镁合金热强性和高温蠕变抗力的目的: ①引入热稳定性高的第2 相; ②降低元素在镁基体中的扩散速率;③改善晶界结构状态和组织形态。其中, ①可以通过加入能形成稳定的金属间化合物的合金元素或直接引入弥散强化的第2 相来实现,而②、③则均可以通过适当的合金化或微合金化实现。 2. 2. 2 从满足实际应用性价比出发 (1) 适应航空航天、军事国防等领域的需要,开发高性能新型耐热稀土镁合金。稀土镁合金的价格昂贵,但相对于航空航天、军事国防等一些高科技前沿领域,RE、Zr 等元素的原材料成本和工艺成本所占的比重将大大降低。因此,应从追求高强、耐热、耐蚀等高性能的原则出发,充分发挥RE 的优良潜能,开发新型耐热稀土镁合金和相应的生产工艺。我国稀土资源丰富,占世界已探明储量的80 %以上,借镁合金发展 的契机,充分利用我国在开发含稀土高品质镁合金材料方面所具有的独特优势,大力开发具有自主知识产权的高性能稀土镁合金,不仅可以提升我国在镁合金材料开发应用方面的地位,而且还为我国稀土资源的充分合理利用开辟了一个广阔的空间,这无论是对我国镁合金产业的繁荣发展,还是稀土材料领域的发展,无疑都具有极大的推动作用。 (2) 适应汽车、电子、通讯等行业的需要,开发新型低成本耐热镁合金。对民用产品而言,价格因素是一个不可忽略的重要方面。因此,对汽车、电子、通讯等民用行业中应用的镁合金材料,在合金设计时就应兼顾性能和价格,充分考虑性价比因素。针对目前耐热镁合金开发现状和存在的问题,新型低成本耐热镁合金材料的开发应从以下几个方面开展: ①进一步提高镁合金的耐热性、力学性能、耐蚀性能等。少量多元合金化是改善耐热镁合金性能的有效途径,尽量采用廉价合金元素,充分发挥多种合金元素和微量元素的有益作用和交互影响,利用多种强化机制的共同作用,有效提高合金的性能,是开发低成本高性能耐热镁合金的核心; ②改善合金的工艺性,适应工业化大生产、高效率、批量化作业的工艺是降低成本和工业应用的必然前提。例如,对汽车工业而言,压铸是一个十分重要而高效的工艺手段,因此汽车结构件用耐热镁合金材料一般要求具有良好的压铸工艺性能。为此,适应不同应用场合和成形手段,在提高合金使用性能的同时,应使其具有良好的工艺性能。 2. 3 存在的问题 工程构件用镁合金需求的98 %来自于压铸行业,而其中的70 %以上用于汽车工业,因此镁合金的压铸性能对其推广应用起着决定性的作用。但是,目前在耐热镁合金材料的开发中,主要采用的是砂型和金属型铸造,距生产实际还有相当距离。在开发新型耐热镁合金时,必须考虑其压铸工艺性。与铝合金相比,镁合金的动力学粘度低,相同流体状态下的充型速度快,实际压铸周期比铝合金短50 %。此外,镁合金不易粘模,模具寿命比压铸铝合金高2～3 倍。但镁合金热裂倾向比铝合金大,在熔化、浇注及温度控制等方面比铝合金压铸复杂。为了达到合金的实际应用性能指标,开发时应注意以下几个问题: ①不能像以往那样使合金成本大幅上升;②力学性能应有很好的匹配,如伸长率和冲击强度应在一定水平以上; ③耐蚀性不应低于以往的镁合金; ④可进行压力铸造且具有压力铸造要求的流动性,热裂敏感性和热粘着性应在一定水平以上; ⑤不含有害元素及难回收再生元素; ⑥不含易着火及提高合金熔点的元素,还应注意环境和安全事项等 3 结语 目前,开发和研究镁合金已成为一种趋势,耐热镁合金的研究正引起材料界的高度重视,并进行了很多有益的探索,然而镁合金的耐热性问题仍未得到满意解决。要打破这个瓶颈,一方面要深入研究合金元素,特别是碱土金属(Ca 、Sr 、Ba) 第IV、V 族元素和稀土元素对镁合金耐热性能的影响,开发具有良好铸造工艺性的耐热镁合金材料;另一方面要加强基础研究,弄清合金化元素及强化相对镁合金蠕变机制的影响规律,建立可靠的镁合金高温性能数据库。我国虽然拥有镁资源储量、原镁产量、原镁出口量三项“世界冠军”,但在镁合金技术和应用方面与世界先进水平还有很大距离,随着我国汽车工业的迅猛发展,通过镁合金科研人 员的努力,我国的镁工业必将走到世界前列。 参考文献 [1 ] 刘 洁,王德俊. 镁合金的开发应用[J ] . 河南机电高等 专科学校报,2004 ,12 (4) :56257.