中國壓鑄雜志
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2019公式算一肖中特:中溫鎂合金的研究與進展

作者:admin 來源:原創 發表時間:2018-12-07
 
文: 四川躍鎂鎂業科技有限公司  童幫華、張磊、李海勇、重慶大學材料科學與工程學院  明玥
 
摘要:本文重點介紹了中溫鎂合金的性能特點以及通過基體強化、晶界強化等方法提高鎂合金中高溫性能的途徑的常用方法,并綜述了RE、Ca、Sb、Sn、Bi和Si等添加元素對鎂合金中高溫組織分布規律和力學性能的影響機制;并展望了鎂合金構件在交通工具、3C產品、航空航天等工業領域的應用。
關鍵字:中溫鎂合金;強化方法;應用;發展
 
引言
鎂合金由于其高的比強度,比剛度,減振性,導熱性,可切削加工性和可回收性等性能上的獨特的優勢,是繼鋼鐵和鋁合金之后發展起來的第三類金屬結構材料,享有“21世紀的綠色工程材料”之譽。鎂合金的開發應用得到了廣泛關注,在國防科技,航空航天,交通工具等領域已經得到了廣泛運用。
我國鎂礦資源儲量非常豐富,居世界首位。自上世紀90年代以來,國內采用皮江法進行煉鎂,推動了鎂業的發展,使得鎂產量逐年遞增。中國作為世界上最大原鎂生產國和出口國,對鎂合金的開發應用也非常重視,眾多高校和科研機構已經加入對鎂合金的研究,在鎂合金及其深加工方面的研究取得了眾多成果,產業也獲得了高速發展。
 
1、鎂合金及其發展阻礙
    純鎂由于其力學性能較低,應用受到很大限制。在純鎂中加入合金元素,形成鎂合金,可大大提高鎂的物理、化學和力學性能。鎂合金大多具有低密度、比性能高、彈性模量較低、減振吸噪性能好、電磁波屏蔽性好、鑄造工藝性能優良、機加工性能好和易于再生利用等優點 。
然而,在實際生產應用中,目前常用的AZ和AM系鑄造鎂合金多應用于室溫環境,在工作溫度高于120℃時,鎂合金力學性能急劇下降,且隨著溫度的升高下降越快,由此局限了鎂合金在中高溫環境的應用。現有耐熱鎂合金往往成本偏高,或者壓鑄工藝性能不佳,難以在摩托車曲軸箱蓋上廣泛應用。
 
2、中溫鎂合金研究與進展
2.1鎂合金強化途徑
提高鎂合金的中高溫性能,有以下幾個途徑:
 
1)基體強化
固溶強化:當合金元素固溶于基體金屬時,由于合金元素和基體元素的原子半徑和彈性模量存在差異,使基體產生點陣畸變。由此產生的應力場將限制位錯運動,從而使強化基體。
析出時效強化:在合金中,當合金元素的固溶度隨著溫度的下降而減少時,便可能產生沉淀強化。將具有這種特征的合金在高溫下進行固溶處理,可得到過飽和固溶體,然后在較低的溫度下進行時效處理,可產生彌散的沉淀相。
彌散強化:與沉淀相不同,凝固過程中產生的彌散相由于具有較高的熔點以及對基體極低的溶解度或不溶,使得它具有較高的熱力學穩定性。彌散強化的合金在形變時由于位錯被彌散體阻滯從而使合金在較高溫度下仍具有較高的力學性能。
 
    2)晶界強化
晶界處形成大量細小析出硬化物;增大晶粒尺寸以增大原子擴散距離,但晶粒尺寸足夠大時,蠕變速度將不依賴于它,同時,增大晶粒尺寸會降低合金的常規力學性能;加入富集于晶粒表面和晶界位置的表面活性元素以填充晶界處的晶格空位,改善晶界附近的組織形態。
 
    3)細晶強化
    研究表明,金屬材料的高溫性能在一定程度上決定于晶粒尺寸。材料在低于等強溫度的環境下工作時,細化的晶粒組織具有較高的強度,而材料在高于等強溫度的環境下工作時,粗大的晶粒組織具有較大的蠕變抗力。目前。鎂合金零部件的工作溫度均在等強溫度一下,所以細化鎂合金的晶粒組織有利于提高合金的高溫強度,但這種方法不適用于所有鎂合金。目前,細化晶粒的方法有很多,如提高冷卻速度,合金化等,常見的添加元素是稀土元素、堿土元素等,其不僅能夠細化晶粒,還能起到固溶強化和析出強化的作用。
 
2.2添加元素對鎂合金中溫性能的影響
1)RE
稀土的加入可以大大提高鎂合金的高溫力學性能,三價的稀土元素可以增大鎂原子之間的結合力,減少原子的擴散速度,并固溶到基體,且與鋁生成金屬間化合物,從而改善合金組織,提高鎂合金的高溫力學性能、鑄造性能和抗腐蝕性,并且凈化合金熔體。
Kaveh Meshinchi Asl等[8]通過研究發現,在AZ91中加入一定量的富鈰混合稀土后,組織中有棒狀的高溫穩定相Al11RE3生成,且高溫軟化相Mg17Al12量減少,隨著稀土量的增加,Mg17Al12量繼續減少,新相Al11RE3開始粗化。RE對AZ91室溫強度的提高作用不大,但對高溫強度有很大提高。高霞等研究了稀土鈰對AZ91D組織和力學性能的影響,研究表明,加入Ce后,合金組織得到明顯改善,但添加量較高時,組織中會出現明顯的針狀Mg17Al12,反而使鎂合金的力學性能惡化。但加入Ce后并為發現Ce-Al相。廖慧敏等[1]研究了不同含量的富鈰混合稀土對AZ81合金組織與性能的影響,發現合金中出現了新相Al11RE3,且合金組織都出現了不同程度的細化,在稀土量為1.5%的時候合金組織達到最細。
 
    2)Ca
Ca可提高熔融合金在空氣中的燃點,并生成高溫穩定相,在Ca溶入Mg17Al12相后,抑制了Mg17Al12相的溶解,提高了該相的熱穩定性,從而提高合金的高溫力學性能,另外少量的Ca可以細化晶粒以增強合金力學性能。
     張代東等[12]通過研究0~2.5%的Ca對 AZ63組織和物相的影響發現,Ca的加入明顯細化基體組織,網狀Mg17Al12相開始斷網,并有骨骼狀的Al2Ca生成,但隨著Ca含量的增加,Al2Ca數量增多,尺寸增大,并開始聚集成團。Ca含量為2%時,合金組織較為理想。王瑩在研究不同含量的Ca對AZ91合金組織和力學性能的影響時發現,加入少量Ca(0.1%,0.2%,0.3%)后,合金基體組織得到細化,Mg17Al12相開始斷網,尺寸減小,加入0.5%Ca后,合金組織細化最明顯,當Ca添加量達到0.7%時,合金組織開始粗化,Mg17Al12相減少且網狀程度有所提高。由于Ca的添加量較少,Ca主要固溶到Mg17Al12相中,提高Mg17Al12相高溫穩定性,當添加0.7%Ca時,Ca 趨向于形成 Al2 Ca 相,導致合金組織變得粗大和β相數量明顯減少。
 
3)Sb
Sb在AZ系列鎂合金中主要以兩種形式存在:固溶到Mg17Al12相中和形成高溫穩定相Mg3Sb2。Sb可以細化合金基體組織,改善Mg17Al12相分布形態,提高Mg17Al12相穩定性,并析出Mg3Sb2強化相,提高合金抗拉強度。
在AZ91中加入一定量的Sb,合金組織細化,Mg17Al12相由連續網狀逐漸變為離散狀分布。Sb固溶到Mg17Al12相中并析出新相Mg3Sb2,提高合金力學性能。Sb的加入抑制晶界非連續相的析出,減少晶界的滑移,減輕合金中的裂紋,高溫強化相Mg3Sb2彌散分布于晶內和晶界處,有效的強化了基體和晶界,使得高溫抗蠕變性能得到大幅度提高。但是Sb量應限制在0.5%左右,超過這一范圍顆粒相會聚集變大,從而使合金力學性能急劇下降。
 
4)Sn
室溫下Sn在Mg 中的固溶度小于0.45%,過飽和的Sn以Mg2Sn的形式從基體中析出。
張大華等在AZ31中加入不同含量的Sn發現,晶粒組織得到細化,生成的Mg2Sn呈顆粒狀分布,晶間連續網狀組織開始斷網,提高了合金力學性能,當Sn添加量在1%時,合金的抗拉強度提高了30.0%,沖擊韌度提高了52.4%,布氏硬度提高了37.8%,伸長率提高了51.8%。陳君等研究了Sn對AZ61鎂合金組織和力學性能的影響,研究表明,Sn固溶進鎂基體中和形成顆粒狀強化相Mg2Sn,提高鎂合金的力學性能,但當Sn大于1%時,雖然析出相Mg2Sn增多,但是有粗化聚集的趨勢,對合金性能不利。合金經固溶時效處理后,0.5%的Sn可以明顯提高合金在20℃、150℃、175℃的抗拉強度。I.C.Jung研究表明,Sn的加入能夠抑制時效過程中AZ91中不連續相的析出,使基體的連續相密度增加從而提高時效效果,在提高合金強度的同時保證合金的塑性。
 
5)Bi
在AZ91合金中加入Bi,Bi除固溶于合金,形成高溫穩定相Mg3Bi2外,還偏聚于晶界處,阻止組織中β-Mg17Al12相非連續析出,促使連續相Mg17(Al,Bi)12析出,提高析出相的熱穩定性,從而提高合金高溫力學性能。
王亞霄等[23]研究了不同含量的Bi對AZ80合金組織的影響,研究表明,當Bi添加量為2%時,β-Mg17Al12由連續網狀分布變為斷續分布,數量減少且尺寸細小,析出強化相Mg3Bi2,Mg3Bi2相以片狀和細小顆粒狀形態存在,片狀相依附于β-Mg17Al12相上,為共晶相??帕W聰嗝稚⒎植加諢?,是凝固完成后固態相變析出的。任文亮等在AZ81中加入 Bi發現,Bi能細化合金組織,且在添加量為2%時組織達到最細化。隨著Bi添加量的增加,第二相Mg3Bi2大量分布于晶內和晶界。合金室溫力學性能在Bi含量為2%時達到最大值。
 
6)Si
由于Si的成本較低,經常作為常用添加元素加入鎂合金中提高合金的耐熱性。Si的加入可以在一定程度上細化合金組織,并生成Mg2Si相,該相熔點為1085℃,可作為高溫強化相提高耐熱性;該相有兩種形貌:①漢字狀Mg2Si是合金在凝固過程中發生共晶反應時產生的,在應力作用下,微裂紋易沿漢字狀Mg2Si相與α-Mg基體間的界面處擴散,導致合金力學性能下降;②多邊形Mg2Si是合金在凝固過程中作為初生相形成的,一般呈細小、彌散分布,有利于提高合金的力學性能。在凝固速度較慢的合金中易產生漢字狀Mg2Si,對合金力學性能不利。為了改善漢字狀Mg2Si的形態,提高Si的使用價值,國內外學者對此進行了研究,主要通過加P、Bi、Sr等合金元素,通過相應的化合物作為Mg2Si異質形核核心,使Mg2Si呈細小的多邊形分布于晶界上,提高合金的力學性能[26-28]。
 
3、鎂合金件的應用與發展
隨著鎂合金的許多優良性能被廣泛接受以及其成型工藝的日漸成熟,鎂合金件在許多領域得到認同并具有廣闊的應用前景。
 
1)交通工具的應用
近年來, 隨著汽車產量的逐年增加,世界石油資源日趨緊張, 油價不斷上漲。能源、環境和安全是當今世界各國極為關注的三大問題。研究表明,約75%的油耗與整車質量有關。汽車質量每下降10%,油耗下降6%~8%,燃料效率提高5.5%,排放下降4%,噪音降低2dB,另外,鎂合金還能改善汽車性能:減振性能好,可用于動力傳動系統和座椅等部件上,有利于降低振動并提高駕駛舒適性;沖擊性好,則在轎車儀表盤等在受到沖擊后可能危害駕駛者的部件上使用,可以提高安全性典型的汽車用鎂合金件如表1.4所示。
 
 
2)3C產品的應用
    鎂合金用于3C產品上,性能優越:質量輕,便于攜帶;高比強度、比剛度和高比阻尼容量,減少外界振動對內部精密電子、光學元件的干擾;散熱性好,電子產品散熱快;電磁屏蔽性好,不需做導電處理。日本率先將鎂合金應用于3C產品上。目前,鎂合金己在3C產品上得到較大規模的應用,主要集中在筆記本電腦外殼、手機外殼和數碼相機外殼上,特別是手機外殼,在減少重量的同時,改善了電磁相容性,減少了電磁波的散失,提高了通信質量,并減少了電磁波對人體的輻射。索尼,佳能,東芝等公司相繼將鎂合金運用到公司產品外殼上。
 
3)航天航空領域的而應用
鎂合金在轟炸機和運輸機中的應用較多,使用的部位包括機身、座艙、操縱系統、起落架機輪等較分散的部位,主要是為了減少重量,增加裝載量和航程。20世紀50年代的B-36轟炸機使用了8. 6 t 的鎂合金,被稱為“鎂合金使用的奇跡”,。美國現役的B-52H轟炸機,使用鎂合金板材635 kg,擠壓型材90 kg,鑄件超過200 kg。鎂合金在直升機上主要應用于變速系統殼體和減速機匣,UH60“黑鷹”直升機、CH47“支努干”直升機以及AH64“阿帕奇”武裝直升機的變速箱均采用ZE41 鎂合金鑄件[33]。 在航天器中,“季斯卡維列爾”衛星中使用了 675kg 的變形鎂合金。我國的運載火箭、人造衛星、軍用民用飛機和導彈等均不同程度地選用了鎂合金構件,一個型號的飛機最多選用了 300~400 項鎂合金構件[30]。為了提高鎂合金的強度,上海交通大學系統研究了含稀土的鎂合金,確定了不同強化機制對JMD1,JMD2等鎂合金強度的影響。
表1.5 航空航天材料每減少一磅重量所帶來的經濟效益
 
 
5、 結束語
鎂是地球上儲量最豐富的元素之一,鎂合金在性能上也有其獨特的優勢,具有高的比強度,比剛度,減振性,導熱性,可切削加工性和可回收性等優點。由于其獨特的優勢,成為推動我國可持續發展替代鋼鐵、鋁合金和工程塑料的優勢材料之一,隨著鎂合金的許多優良性能被廣泛接受以及其成型工藝的日漸成熟,鎂合金件在許多領域得到認同并具有廣闊的應用前景。
開展鎂合金的中溫性能研究開發,攻關鎂合金中溫特性研發中的關鍵技術難題,從而充分發揮鎂合金的特性,拓寬其在汽車交通,3C產品和航空航天等領域的應用,是拓寬鎂合金構件的應用及其高速發展的必然要求。
 
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