铸造镁合金研究与应用进展.pdf

_ 看么企蠢工程型里堕三皇璺里里望璺塑曼坠 璺垦塑鱼 型曼曼璺 坠鱼 d o i 1 0 ．3 9 6 9 0 ．j s s n ．2 0 9 5 - 1 7 4 4 ．2 0 1 2 ．0 2 ．0 0 8 铸造镁合金研究与应用进展 圜王目孔，孙建新，刘新超 北京航星机器制造公司，北京1 0 0 0 1 3 摘要介绍铸造镁合金的基本性质。综述国内外铸造M g - - A l 系合金、M g - Z n 系合金、铸造稀土镁 合金等材料的最新研究进展，分析镁合金在航空航天、汽车和3 c 等领域的应用状况。 关键词铸造镁合金；性能；综述；航空航天 中图分类号T G l 4 6 ．2 2文献标识码A文章编号2 0 9 5 1 7 4 4 2 0 1 2 0 2 0 0 5 6 0 4 镁合金具有低密度、高比强度和比刚度、高阻尼、 电磁屏蔽良好、易于铸造和加工等好的性能优点，被誉 为“2l 世纪绿色环保和生态金属结构材料”，特别适用 于轻质结构件，近年来在航空航天、汽车和电子工业中 的应用得到了长足发展⋯。 1 镁合金的性质 镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，储量居 第8 位，约占地壳质量的2 ．3 5 ％。我国是镁矿资源非常 丰富的国家，菱镁矿储量居世界首位，约2 7 亿t ，占全 球储量的2 2 ．5 ％。镁合金的密度是1 ．7 4 幽m 3 ，仅为铝 合金的6 3 ％、钢的2 2 ％，具有良好的力学性能和减振性 能，良好的加工性能，良好的导热、磁屏蔽和减振性能。 近年来，随着航空航天，汽车和电子工业的迅速发 展，大量的镁合金零部件被生产出来代替塑料，铝合金 零部件，镁合金结构件应用于汽车、3 C 即计算机、通讯、 消费电子产品 及民用工业，尤其是航空航天领域。 2 镁合金的研究进展 在很多传统金属矿产资源趋于枯竭的今天，加速开 发镁金属材料是社会可持续发展的重要措施之一。目前， 我国原镁产量约占世界的7 0 ％。随着冶炼技术的成熟， 原镁生产成本大幅度下降。镁合金的冶炼与回收能耗低 于铝合金，再加上镁易于加工，节省模具和刀具，因而 单位体积镁合金价格已低于铝合金。我国镁工业已经凭 借资源、能源、成本优势和产业创新优势奠定了在原镁 生产方面的绝对优势，镁产品出口量居世界首位。 当前，日本、北美和欧洲等发达国家和地区已经加 大对镁合金轻质材料开发与应用研究的投入B 】，其中包 括现有的应用镁合金、新开发中的镁合金和新型镁基复 合材料，镁合金应用和研究重点开始从汽车，电脑和家 电等扩展到航空航天和兵工等国防领域。如2 0 0 5 - - 2 0 0 8 年，欧盟在P F 6 框架内实施了一个名为“A E R O M A G ” 的研究计划，其中有3 个航空航天制造企业、2 个研究 院、7 所大学、7 个镁材生产企业参与，对镁合金的冶炼、 成型工艺、机械加工性能，表面处理等进行了全方位的 研究。如果这些研究成果能在航空航天器结构中获得较 为普遍的应用，将在减轻航空航天器自身质量方面取得 突破性的成就。 镁合金分类方式有化学成分、成型工艺和是否含 收稿日期2 0 1 1 - 0 8 - 2 9 作者简介王目孔 1 9 8 5 ．男，山东单县人．助理工程师，硕士 主要从事镁，铝合金铸造工艺设计及研究等方面的 工作。 5 6技术进展T e c h n o l o g yI m p r o v e m e n t万方数据 叫■匪誓毯疆 表1 镁合金中的化学成分吲 瞄 锆。按化学成分，以主要合金元素M n ，A 1 ，Z n ，Z r 和 稀土为基础，组成基本合金系M g _ A l M n ，M g - A l - Z n - M n ，M g - Z r ，M g - z n - z r ，M g ．R E _ z r ，M g - A g _ R E z r ，M “- R E - z r 等。常用铸造镁合金的化学成分见表1 。 按有无锆可分为含锆和不含锆合金。按工艺可分为铸造 镁合金和变形镁合金，然而两者并没有严格的区分，如 A Z 9 1 ，A M 2 0 ，A M 5 0 ，A M 6 0 ，A E A 2 等既可以是铸造 镁合金也可以作为变形镁合金。后缀字母A ，B ，C 和 D 等是指在成分和特定范围内纯度的变化，如A M 6 0 B 中A M 分别标示主要合金元素铝和锰，名义成分分别为 6 ％的铝和不到l ％的锰，B 代表该合金是A M 系列的 第二位。镁合金中合金元素的代表符号见表2 。 国内铸造镁合金一般按照合金系列分为镁铝系，镁 锌锆系、稀土镁合金系等，下面综述这几种系列铸造镁 合金的最新研究进展。 表2 镁合金中合金元素的代号 2 ．1 镁铝系合金 最早的镁合金系列是二元镁铝系合金，铝在镁中的 最大固溶度室温时约为2 ％，在4 3 7 ℃时为1 2 ．7 ％。由 于铝在镁中的固溶度随温度变化比较明显，在铸造条件 下，会有大量的离异共晶的粗壮组织聚集在晶界处，因 此可进行淬火处理，促使晶界处的相溶入基体，形成过 饱和固溶体。在随后时效过程中，过饱和固溶体不经过 任何中间阶段以连续和不连续两种形式直接沉淀出y 相。 y 相的熔点4 3 7 ℃，随温度升高很容易软化和长大。因 而工业上一般不用单纯二元镁铝合金，而是在其中加入 一些合金元素改善其力学、抗腐蚀、高温和铸造性能。 目前应用最广泛的镁合金是A M 和A Z 系列合金， 其中A M 2 0 合金的塑性最高，A M 5 0 和A M 6 0 合金的常 规力学性能适中。L e eS u n h a h 等t 4 1 研究铸造A Z 9 1 镁 合金微观组织及微观断裂机理与添加微量稀土元素的关 系，发现钇和钕有明显晶粒细化作用，合金韧性得到改 善。袁广银、丁文江p 1 等研究锑合金化对A Z 9 1 镁合金 力学性能与组织的影响，表明锑可显著提高A Z 9 1 镁合 金室温至2 0 0 ℃区间的屈服强度，并且合金微观组织明 显细化。A M 系列合金具有优良韧性和塑性，在经受冲 击载荷和要求安全性较高的场合应用比较合适，如座位 架和设备仪表板。 M g - A l _ - s i 合金是2 0 世纪7 0 年代开发的压铸镁合 金，在1 7 0 ℃左右高温时，和A Z 9 1 与A M 6 0 相比，蠕 变强度好，延伸率、屈服强度和抗拉强度都比较好，广 泛应用于汽车曲轴，电动机架等。然而，这种合金不能 用砂型铸造，因为在较慢的冷却速度条件下，会形成粗 大的脆性相，降低材料的延伸率和抗拉强度。通过加入 微量的钙来孕育和细化砂型铸造中的脆性组织，就能提 高其强度和塑性，使这种合金能够采用砂型铸造。 2 ．2 镁锌系合金 锌在镁锌系合金中主要起固溶强化作用并通过热处 理提高合金屈服极限。锆起细化晶粒，提高强度和屈服 极限的作用，改善合金塑性和抗腐蚀性能，并提高合金 耐热性。如在镁铝合金中联合加入含量大于l ％的钙和 锆，可以显著细化M g - Z n 的晶粒，如M Z 4 合金含有1 ．6 ％ 的钙和1 ．0 ％锆。然而，过量的加入钙会降低镁合金的 拉伸强度和延伸率，这是因为在晶界中形成了脆性共晶 化合物。 在镁铝合金中加入适量的稀土，能明显改变其铸造 性能。加入稀土后，合金室温强度和塑性略有下降，然 而在1 5 0 ～2 0 0 ℃的高温拉伸性能明显提高，而且合金抗 裂、可焊．显微疏松倾向低且容易铸造1 6 】，如Z E A l 或 有色金属工程2 0 1 2 年第2 期 5 7万方数据 I 莉瘾有王衽N O N F E R R O U S M E T A L SE N G I N E E R I N G ●●一 Z E 6 3 。此系列中应用最为广泛的合金是Z E 4 1 ，经过T 5 时效处理后，在1 7 0 ℃时具有中等强度，常用于飞机变 速箱壳。李杰华等人【1 在M } z n 合金中加入钆和钕等 稀土元素，研究发现，经过固溶处理后，合金的室温抗 拉强度、屈服强度和延伸率得到明显的提高。 2 ．3 铸造稀土镁合金 稀土被称为“工业味精”，之所以把铸造稀土镁合 金单独列出，是因为在我国目前的铸造镁合金中，含稀 土的占6 0 ％。稀土镁合金已形成一个重要的铸造合金系， 广泛应用于航空航天工业。在镁稀土的二元系相图中， 稀土元素，如富铈或富钕的混合稀土可与镁原子形成固 溶体。高温下，在镁合金基体中，稀土元素具有较高极 限固溶度。稀土的固溶度在低温时直线下降。因此稀土 镁合金在温度变化时容易产生时效硬化，形成时效硬化 型镁合金。此外，多数稀土镁合金在凝固过程中都会发 生共晶反应，因此具有良好铸造性能，并且由于热稳定 性高的化合物存在于晶间，稀土镁合金具有良好的蠕变 性能。 稀土金属作为主要合金元素的铸造镁合金，用于制 作2 0 0 ～3 0 0 ℃下长期使用的零件。Z M 3 是我国首个应用 于生产的稀土镁合金，从1 9 6 7 年起，成都发动机公司 和黎明发动机公司同时投入生产，一直大批生产至今。 Z M 3 主要用于J 6 飞机的前舱壳体铸件。稀土金属钇也 能提高铸造镁合金的热强性能，Z M 9 合金能够用在3 0 0 ℃下长期工作的零件上而不发生强度变化。Z M 6 合金 以钕为主要合金元素，既具有很高的室温力学性能，也 具有良好的高温瞬时力学性能和抗蠕变性能，在室温下 可作为高强合金使用，也可长期使用于2 5 0 ℃下，如用 Z M 6 合金试制某型号直升机用涡轴发动机减速器机匣， 取得良好的性能隅J 。 目前，许多稀土元素在稀土镁合金中的沉淀析出行 为还不完全清楚，如钕和铈在过时效时产生富镁的非共 格脱溶产物等。因此，未来对稀土镁合金的组织变化研 究具有很广阔的前景。 2 ．4 其他系镁合金 以钍代替稀土金属加入镁合金中，使其在3 0 0 ℃以 上具有很高的抗高温蠕变性能，该合金已经在导弹、航 天飞机中的几个温度高达3 4 5 - 3 7 0 ℃的部件中得到广泛 应用。然而，这种合金会引起环境污染，不利于其大规 模应用。银能够有效提高镁合金的室温强度，含银的镁 合金同时含有稀土时，其高温强度将增大，这种合金广 泛应用于飞机导弹的优质铸件。M g L i 【9 1 合金比常用的 镁合金轻1 0 ％3 0 ％，室温韧性和塑性好，容易加工和 焊接，压缩屈服强度明显超过其他镁合金。 镁基复合 新 材料也是以镁为基础开发新合金的 研究方向，它是以颗粒形碳化硅作加强相，以纤维和粒 子强化的镁基复合 新 材料较普通镁合金具有更好的 耐磨性和较低的热涨系数。 3 铸造镁合金的应用现状 目前，铸造镁合金是密度最小的金属结构材料之一， 已有8 0 多年的应用历史，广泛应用于航空航天工业、 军工领域、汽车工业、摩托车工业、自行车，3 C 领域 等‘1 ㈨】。 3 ．1 铸造镁合金在航空航天上的应用 由于飞行器的质量直接影响到它的机动性能，而空 间站和卫星的质量决定了对运送工具的要求和费用，所 以航空航天要求的材料尽可能的轻质高强。据测算商用 飞机、战斗机和航天器所用材料的质量每减少4 5 4g ， 就能带来3 千到3 万美元的经济效益。因此，铸造镁合 金在航空航天方面的应用具有很大的潜力。 在我国航空工业上，几乎所有歼击机、轰炸机、直 升机、运输机、民用飞机的发动机均用铸造镁合金材料， 据有关资料介绍，某一型号的飞机选用了近4 0 0 件镁合 金结构件。在我国航天工业上，各种型号的导弹、运载 火箭、人造卫星、飞船及其地面发射设备上均选用了镁 合金材料。我军研制生产的红旗一9 B 导弹，其弹体就是 采用高强度镁合金材料制造的，由此把弹体总质量降到 了l2 0 0k g ，体积也大为缩小，最高速度提升到6 马赫， 因此飞行2 0 0k m 的射程也仅用1 0 0S 的时间。 3 ．2 铸造镁合金在汽车上的应用 随着节能环保型汽车逐渐成为未来汽车发展的方 向，出于节能和环保的要求，铸造镁合金在汽车上的应 用越来越广泛。从2 0 世纪4 0 年代起，铸造镁合金就开 始用在汽车产品的零部件上。2 0 世纪6 0 年代，汽车上 的方向盘、离合器、阀门壳等零部件广泛采用铸造镁合 金材料制造，在个别车辆上使用镁合金材料的零件质量 达到2 3k g 。2 0 世纪8 0 年代初，采用新工艺新技术，研 制出高强度耐腐蚀的新型铸造镁合金，同时又降低了成 本，从而大大促进了镁合金在汽车上的应用。从2 0 世 纪9 0 年代开始，欧美、日韩等国的汽车商应用于组装 汽车上的镁合金零件达3 0 0 多种，每辆欧洲生产的汽车 上平均使用2 5 蛞的镁。未来出于减重和节能的需求， 每辆汽车对镁的需求将提高至7 0 1 2 0k g 。有专家预计， 未来1 0 年世界范围内仅汽车工业对镁合金的需求量就 将增长1 5 ％。 目前，我国为最大的汽车消费市场，2 0 1 0 年，我 国汽车产销双双超过18 0 0 万辆，分别达到18 2 6 ．4 7 万 辆和l8 0 6 ．1 9 万辆，稳居全球产销第一。未来对汽车将 保持极大的消费需求，很多技术正处于消化阶段，因此 镁合金在汽车中应用具有极好前景。 3 ．3 铸造镁合金在3 C 制品上的应用 3 c 产业，即计算机、通讯、消费电子产品已成为 一个新的市场消费热点，它具有微型化、集成化、抗摔撞、 轻薄化、散热和环保的要求。镁合金具有优良的刚度、 5 8 技术进展T e c h n o l o g yI m p r o v e m e n t万方数据 4 I ■口莲曩 比强度，抗撞击能力以及优异的薄壁铸造性能，这些性 能能够充分满足3 c 产品的要求，因此铸造镁合金在3 C 产品上具有广泛的应用。 铸造镁合金广泛应用于笔记本、掌上计算机、数 码相机、照相机．手机、电视机、音响等产品的外壳， 而且其应用领域还在迅速扩大。有资料显示，全球笔记 本电脑机壳镁合金使用比例从1 9 9 7 年的2 ．5 ％增加到 2 0 0 0 年的1 4 ．5 ％。目前国内已经建立一批专门生产3 C 产品部件的镁合金企业，如富士康、华禹镁业公司等。 3 ．4 铸造镁合金在其他领域的应用 由于镁合金生产能力和技术水平的进一步提高，极 大地刺激了其在其他领域的应用，如纺织、印刷、体育 和家庭用品方面。目前铸造镁合金已经广泛应用于轮椅， 自行车车架、健身器材及医疗器械等。由于镁在N a C I 溶液中电位比较低，因此镁及其合金也广泛应用于化学 和防腐蚀工业中。 4 结佬 作为一种更轻、更环保、更节能的材料铸造镁 合金的研究及应用技术已经产业化并在一些领域得到成 功的运用，今后铸造镁合金将更加广泛地应用于航空、 航天、汽车等领域。 新犁铸造镁合金材料是蓬勃发展的领域，研究开发 新型镁合金材料既有巨大的经济效益，也有良好的社会 和环境效益。随着世界各国对镁合金研究开发不断加大 投入，除要求传统的性能以外，研究开发高强、耐高温、 耐腐蚀以及稳定力学性能的镁合金是今后发展的方向。 另外，虽然镁合金应用技术已经取得了很大的进步， 但将它用于产品结构上，并且保持优质、高效、稳定生 产却不是一件容易的事情。随着这些技术问题的解决， 镁合金的研究及其应用又可以迈上一个新的台阶。 参考文献 【l 】张津，章宗和．镁合金及应用【M 】．北京化学工业出版社， 2 0 0 4 3 9 - 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