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太原市精誠鎂合金

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中國鎂合金新材料研發及加工工藝的進展
太原市精誠鎂合金科技有限公司   2009-04-18 14:52:08 作者:SystemMaster 來源: 文字大小:[][][]
本文主要綜述了國內新型鎂合金材料和鎂合金在液態成型、固態成型、半固態成型等方面的最新研究進展,其中液態成型以真空壓鑄、擠壓鑄造、低壓鑄造和超低速壓鑄為主,而固態成型主要介紹了鎂合金擠壓、軋制和拉深方面的研究進展。

   鎂合金是最輕的工程金屬材料之一,具有很好的比強度、比剛度等性能,特別適合制造有重量輕、強度高、減震降噪要求的工程結構部件和有一定強度要求的殼體類零件。中國作為鎂資源大國,如何利用鎂資源的優勢正受到越來越多國內有識之士的關注。隨著鎂合金及其相關技術的發展,鎂合金在中國各個領域的應用也得到了進一步的推廣。下面分別介紹中國在新型鎂合金開發和加工工藝(液態成型、固態成型和半固態成型三個方面)的研究進展。


一、新型鎂合金的開發

由于交通工具輕量化的推動,世界各國都展開了對鎂合金的研究,尋找一種可以滿足要求的新型合金,是各國科技工作者的一個共同目標,在這方面中國科技人員也進行了大量的研究工作。限制鎂合金發展的一個主要原因是鎂合金的高溫性能——抗蠕變能力和高溫疲勞性能較差,因此新材料的研發主要是針對這一問題進行的,概括的說主要包括兩個方面:一是對現有合金的優化,主要是針對現有的商業鎂合金,特別是對Mg-Al系合金進行改性,通過添加合金元素以期改善合金的高溫性能;二是新合金系的開發,主要是指新型Mg-RE系合金的研發。

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表1 部分Mg-Al系耐熱鎂合金的主要化學成份及強化相

1. Mg-Al耐熱鎂合金

目前,對于Mg-Al 系耐熱鎂合金的研究主要集中在以下兩方面:1 AZ 系(Mg-Al-Zn) 鎂合金的耐熱性改善,其主要通過添加微量合金元素(如RE、Si、Ca、Ba、Bi、Sb和Sn等) 改善AZ系合金中β相(Mg17Al12)的形態結構和/或形成新的高熔點、高穩定性的第二相來提高其耐熱性;2 新型耐熱鎂合金系列的開發,其主要以Mg-Al二元合金為基礎,通過單獨或復合添加Si、RE、Ca、Sr等合金元素,以形成具有抗高溫蠕變性能的新型耐熱鎂合金系列。表1顯示了部分新開發的Mg-Al系耐熱鎂合金的化學成份及主要強化相。

2. Mg-RE合金

稀土元素的價格相對較為昂貴,但由于稀土元素特殊的價電子結構以及在鎂合金中的顯著的強化效果,使Mg-RE系成為發展高強度耐熱鎂合金的一個重要合金系。中國關于Mg-RE系合金的研究近年來不斷增多和深入,中國作為稀土資源第一大國,鎂稀土合金的成功研發將有助于我們利用這一優勢。

混合稀土,尤其是輕稀土,是較早發現對鎂合金具有良好強化效應的元素。上海交通大學的研究發現,在中國牌號ZM6合金的基礎上通過純釹元素替代富釹混合稀土、調整合金元素含量范圍以及添加微量合金元素等手段開發的Mg-2.5~3.5Nd-0.2Zn-0.5Zr-X合金的綜合性能遠遠超過ZM6合金和EZ33A合金,而且無須氫化處理。這種合金采用了高溫固溶工藝,從而可以提高固溶處理后的Nd元素在基體中的固溶量以及后續時效強化效果。

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圖1 Mg-Gd-Y-Zr 系列合金力學性能與溫度的關系

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圖2 250℃下時效(a) 16h, (b) 193h和(c) 2400h的GW103K合金TEM明場像和微束衍射分析花樣顯示了β’, β1, 和β析出相的形態與晶體特徵。入射束分別平行于[0001]α和[001]β’ (a), [110]β1(b), 以及 [110]β(c)。

稀土元素Y和Gd的優良時效強化作用是近年的重要發現之一。何上明等人在Rohklin和Kamado等人的工作基礎上系統地研究了Mg-Gd-Y-Zr-Ca系合金的顯微組織和力學性能,并開發高強度鎂合金Mg-10Gd-3Y-0.6Zr-0.4Ca(GW102K)以及Mg-12Gd-3Y-0.4Zr-0.4Ca(GW123K),兩種合金經過熱擠壓后的力學性能如圖1所示。與日本Kamado等人的研究結果不同的是,他們發現Mg-Gd-Y-Zr系合金的時效沉淀析出順序應為Mg(SSSS) → β〞(D019) → β′(bco) →β1(fcc) →β(fcc),而不是常規報導的Mg(SSSS) → β〞(D019) → β′(bco) →β(bcc)序列,其中β〞 和β′在時效峰值處共存,并以極細的針狀或片狀彌散析出,沿鎂基體的{11-20}棱面分布,首次在該合金系內發現一種具有面心立體的新型過渡相β1,該相在基面上呈現菱形顆粒狀。幾種主要的過渡相的形貌與斑點如圖2所示。

此外,上海交通大學還對Mg-Dy-Nd,Mg-Y-Sm,Mg-Gd-Nd等其它稀土系合金進行了研究與優化,得到不同稀土含量的鎂合金,與Mg-Gd-Y和Mg-Nd系合金類似,這些鎂稀土系主要強化方式為高溫時效析出的亞穩相,因此具有良好的強度與耐熱性,為高強度耐熱鎂合金。

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表2 2005年中國國內鎂合金消費領域比較(來自鎂業分會) 單位:千噸


二、液態成型

當前,鎂合金的液態成型仍然以壓力鑄造(HPDC)、重力鑄造為主,鎂合金采用其它鑄造方式,如低壓鑄造(LPDC)、熔模鑄造等形式較少,表2為2005年中國國內鎂合金消費領域的比較(來自鎂業分會)。

中國鎂合金零部件的主要生產廠家有一汽鑄造公司、東風汽車公司、上海鎂鎂合金壓鑄有限公司、長安汽車等。這些公司的產品以汽車用鎂合金壓鑄件為主。此外,臺灣香港等企業在大陸投資的鎂成型企業主要生產3C鎂合金壓鑄件,目前已經成為全球最大的3C鎂合金零件供應商。利用鎂合金壓鑄件代替傳統鑄鐵、鑄鋼件,甚至代替鋁合金壓鑄件,正成為制造業特別是汽車制造業的發展趨勢。

隨著模具設計水平和壓鑄零件性能的提高,鎂合金壓鑄件的應用領域已經從傳統的筆記本電腦外殼、手機外殼等發展到了發動機支架、輪轂、框架件等受力部件以及安全部件。為了滿足不斷提升的零件性能要求,在傳統壓鑄工藝的基礎上衍生出了真空壓鑄、擠壓鑄造、低壓鑄造、超低速壓鑄等諸多技術分支。

真空壓鑄是一種在壓射過程中抽除型腔和壓室內的氣體,從而減少鑄件中的氣孔缺陷,提高鑄件質量的壓鑄工藝。該工藝以其極低的鑄件含氣量、較好的設備兼容性和優異的鑄件性能等優點得到了高度重視和大力發展。
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