耐热镁合金的研究现状与发展方向
第33卷 第6期 稀有金属材料与工程 V ol.33, No.6 2004年 6月 RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING June 2004
耐热镁合金的研究现状与发展方向
闫蕴琪,张廷杰,邓 炬,周 廉
(西北有色金属研究院,陕西 西安 710016)
摘 要:介绍了耐热镁合金的研究现状。Cu ,Ca ,Sc ,Sr 和稀土元素合金化可以改善镁合金的耐热性能。合金化、挤压和半固态加工等热塑性变形技术能促使镁晶胞中的棱柱面(1010) 和棱锥面(1011) 参与滑移,提高该类镁合金的力学性能。超塑成型技术是制备高性能耐热镁合金部件的有效途径。 关键词:耐热镁合金;合金化;变形行为
中图法分类号:TG146.2+3 文献标识码:A 文章编号:1002-185X(2004)06-0561-05
1 引 言
随着环保和节能意识的增强,材料研究者和产品设计者愈来愈重视产品的轻量化和可回收等问题。作为目前最轻的工程金属材料,被誉为“21世纪绿色工程材料”的镁合金应用成为材料研究和应用界的关注热点[1~6]。目前,中国兴起了一股镁合金的研究、生产和应用的开发热潮[7]。从全球镁合金的研究方向看,存在有3个研究趋势(如图1) :(1) 以追求轻量化(高比强度)的室温用镁合金为研究目标,从Mg-Al-Mn 合金发展到Mg-Li 系列合金[8~10]。(2) 追求高模量和高强度的颗粒或短纤维增强镁基复合材料的研究[11,12]。(3) 追求高温性能的耐热镁合金,从Mg-RE 合金到Mg-Sc 系列合金的开发[13]。
图1 镁合金的研究趋势 Fig.1 The research trend of Mg alloys
收到初稿日期:2002-12-19;收到修改稿日期:2004-03-04 基金项目:中国博士后科学基金资助项目(2003033090)
本文介绍了耐热镁合金的研究现状,阐明该类镁合金的发展前景,突出讨论合金元素的作用和耐热镁合金的变形行为。同时,提出研究和开发高性能耐热镁合金及其变形加工技术具有重要意义。
2 耐热镁合金研究现状
镁合金耐热性差是限制其应用的主要问题之一,提高耐热性可以扩大应用范围。为此,世界各国开展了大量的研究工作[13~16]。国内外耐热镁合金的应用对象,主要是轿车/微型车的发动机及其传动机构零部件,如变速箱壳体,汽缸体,汽缸盖,进/排气管等。因此,它们的使用性能要求满足:工作温度高于120℃;应力范围35 MPa~70 MPa;室温延伸率>3%;耐腐蚀和加工性能良好;并且易回收。镁合金的高温变形特点是晶内位错运动与晶界滑移相结合。因此,耐热镁合金的设计思路遵循强化基体与晶界、限制基体位错运动及阻止晶界滑移的原则。综合运用基体的固溶强化、时效强化和弥散强化,同时,弥散小颗粒对晶界的钉扎作用,促使镁合金形成复合强化机制,是研究和开发耐热镁合金的途径。耐热镁合金在汽车和电讯工业上的发展和应用步伐很快,如美国的Mg-Th 合金和俄罗斯的Mg-Nd 合金[3, 13],都是通过合金化可以改善合金的性能。 2.1 合金元素的作用
提高镁合金耐热性最基本的做法是合金化。比如,在镁合金中添加适量的稀土元素,可以增加合金
的流动性,降低微孔率,提高气密性,显著改善热裂
作者简介:闫蕴琪,男,1973生,博士后,西北有色金属研究院钛合金研究所,陕西 西安 710016,电话:029-86231078,
E-mail: [email protected]
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和疏松现象,使合金在200℃~300℃高温下仍具有高的强度和抗蠕变性能。合金元素的其它作用已归纳如表1,往往通过1种或多种元素进行合金化,取得理想的效果。 2.2 新合金的研制
应用最广泛的耐热镁合金是Mg-Al 系列合金, 如AS 合金和AE 合金已经过几十年的深入研究,相当成熟。刘正[17]开展了向压铸AM50合金中添加钕元素来改善合金耐热性的研究工作;加入钕后,合金从室温
到200℃时的力学性能均得到了改善。AM50-Nd 合金中形成了金属间化合物Mg 9Nd ,并弥散分布于合金基体上,对晶界的滑移起到了抑制作用,从而产生了强化效果,使合金的高温强度得到提高。丁文江[18]课题组开发的改型AZ 合金,在降低Al 含量的基础上,添加Si ,Sc 等元素,使AZ 合金性能有了很大改善,如表2所示。最近,日本研究者研制出1种ACM522合金,该合金采用Ca 和RE 双元合金化Mg-Al 合金,使合金使用温度达到200℃[19]。
表1 合金元素对镁合金性能影响
Table 1 Effect of alloying elements on mechanical properties
Elements Al RE Th Y Zn Zr
Mn Si
Effects
Solution strengthening, precipitation strengthening at low temperature(
big advantage of better castability, higher tendency for microporosity Advantage of better castability, solution and precipitation strengthening
at high and low temperature, raising corrosion resistance
Higher tendency for microporosity, the most effective element for increasing high
temperature strength and creep resistance, but radioactive
GRains refinement, increasing high temperature strength and creep resistance, raising corrosion resistance Inducing better castability, solution, improving melting solid flow,
tendency for microporosity, few effects on corrosion property
Grain refinement, increasing in tensile properties at room temperature, affinity for Fe, Al and Si elements Precipitation as Fe-Mn compound, grain refinement, increasing creep resistance and corrosion resistance
Lowering the castability, weak grain refinement, affinity with Al, Zn and Ag elements,
increasing creep resistance, but degrading corrosion resistance 表2 几种典型的耐热镁合金力学性能的比较
Table 2 Mechanical properties comparison of various typical alloys Mechanical properties at RT
Alloys WE54 WE43 AZ91 Alloy 1 Alloy 2 Alloy 3
σb /MPa 265 252 222 265 264 259
σ0.2 /MPa 205 190 126 166 164 168
δ /% 4 7 5.3 4.4 4.5 3.3
Creep resistance 150 , 50 MPa Creep ratio / s-1
Applied for long term at
200 ~250
5.0×10-8 9.6×10-9 4.6×10-9 3.1×10-9
Used in high performance missles and automibles; higher cost and bitter castability
Better castability, bitter mechanical
properties at HT
Better castability, better mechanical
properties at RT and HT Better castability, better mechanical properties at RT and HT Better castability, better mechanical
properties at RT
Others
Cu 是提高Mg-Zn 系列合金力学性能的有效因素,已研制出的ZC63合金(Mg-6Zn-3Cu-0.5Mn)具有代表性,显示出较高的高温性能,也许是Cu 存在于共晶相Mg(Cu, Zn)2中的缘故[20]。
各种稀土元素在镁中的溶解度不同,增加的顺序
为镧、混合稀土、铈、镨、钕。它对常温、高温力学性能的良好影响也随之增加。以钕为主要添加元素的ZM6合金在热处理后不但具有高的室温力学性能,而且还有良好的高温瞬时力学性能和抗蠕变性能,可在室温下使用,也可在250℃下长期使用。随着含钇的
第6期 闫蕴琪等:耐热镁合金的研究现状与发展方向 ・563・
耐热新型铸造镁合金的出现,近年来铸造镁合金重新受到国内外航空工业的青睐。含Th 的镁合金如HZ32A 和HK31A 具有350℃的使用温度;但Th 元素的放射性限制了其应用
[19]
合金是耐热镁合金研究的主要目标之一[25]。
S e c o n d a r y C r e e p R a t e /s -1
1.00E-011.00E-02
1.00E-031.00E-041.00E-051.00E-061.00E-071.00E-081.00E-091.00E-101.00E-11
Secondary creep rate at 40MPa Secondary creep rate at 50MPa
。英国开发最成功的含Y 元素
WE54和WE43合金,使用温度达到250℃,性能如表2和表3。在研究Mg-Sc-Mn 系列合金时,Buch [21]发现Sc 和Mn 原子结合生成Mn 2Sc 化合物,具有强烈的退火硬化效应,在同等条件下,该系列合金的蠕变速率比WE43合金降低近2个数量级[22]。
Noranda 公司和Dead Sea 镁业公司分别开发了专利保护的耐热镁合金,代号分别为Noranda A1,A2和N 系列合金,MRI15X 系列合金,分别为含Sr 的ASr 合金和AZ91合金的改进型,在150°C 时的高温性能优于商用AZ91D 合金和AE42合金的性能[23,24],性能如表3和图3。在20世纪90年代,开发含Ca 镁
MgSc 6Mn1 MgSc6Ce 4Mn1 MgSc9Ce 3Mn1 WE43 T5 T5 T5 T6
图2 含Sc 耐热镁合金的蠕变性能比较 Fig.2 Comparison of creeping rate for heat resistance
Mg alloys with Sc
表3 Noranda 公司耐热镁合金力学性能的比较
Table 3 Mechanical properties comparison of various typical alloys in Noranda company
Alloys
RT
AZ91 AE42 A380 AS41 A1 A2 N
239 226 290 249 202 233 236
σb /MPa 150℃ 170 142 255 153 164 149 152
175℃ 138 121 248 127 148 133 137
RT 157 135 155 132 145 138 133
σ0.2 /MPa 150℃ 105 87 149 94 108 102 101
175℃ 89 81 154 85 103 97 98
8
AZ91 6S t r a i n /%
42
AE42 ・ ε≈1・10-7·s-1
MRI151
RT 4.7 9.2 3.2 8.9 4.0 8.8 10.3
δ /% 150℃ 18.0 22.5 6.4 16.8 13.6 16.4 16.4
175℃ 20.5 23.1 7.1 18.0 14.8 21.4 20.1
Creep resistance/% (35 MPa, 200 h) 150℃ 1.21 0.07 0.18 0.13 0.03 0.07 0.12
175℃ 1.84 0.14 0.15 0.5 0.09 0.05 0.06
Corrosion ratio /mg·cm-2·d-1
0.10 0.21 0.34 0.16 0.09 0.14 0.13
U S T F l a t S p e c i m e n s /M P a
250
MRI151
AZ91 MRI152
MRI153
200
MRI154 150 MRI155
AE42
100
0 50 100 150 200
Temperature/℃
・ ε≈
MRI154
MRI155 1・10-8·s-1
MRI153 MRI152
0.0E+00 5.0E+05 1.0E+06
Time/s
图3 MRI合金的力学性能 Fig.3 Mechanical properties of MRI alloys
3 耐热镁合金的塑性变形
全世界每年生产镁材约30万吨,其中压铸材料占90%,变形材料仅占0.5%,用量甚微。但是,经过挤压、锻造、轧制等工艺制备的镁合金能够提供更多样
化的力学性能及可后续热处理,进一步提高韧性、焊接性能等,可以满足更多样化的结构件需求[26,27]。因此,研究耐热镁合金的塑性变形非常有意义。
根据Von Mises准则,当晶体材料产生塑性变形时,每个晶粒必须至少有5个独立滑移系,由于镁晶
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胞的晶轴比c /a 为1.63,因此除了(0001)基面和(1010) 棱柱面4个滑移系,很显然难以满足变形要求,如图4。尽管镁单晶在取向有利时,伸长率可达100%,但对于多晶镁,室温和低温塑性仍很低,容易脆断。而当温度提高到150℃~225℃时,棱柱面(1010) 和棱锥面(1011) 也参加滑移,高温塑性有所提高。合金化可以减小镁的晶轴比 (c/a)和基面滑移的分切应力。晶轴比的降低,可促使棱柱面(1010) 和棱锥面(1011) 参与滑移;使基面分切应力接近于非基面分切应力时,可促使位错在此2种面上交滑移,对塑性变形有利。
图4 镁的滑移系 Fig.4 Sliding systems of Mg (1010)
a 1a 2a 3Type-I plane
a 3
(0001) a 2
(0002)
s a 1
2 slip planes Mg-Li Mg-In
ó=1/3a Type-II plane
图5 细晶Mg-RE-Zr 合金的超塑性
Fig.5 Superplasticity of Mg-RE-Zr magnesium alloy
with ultra-fine grains
4 应用与开发
采用镁合金制造汽车零部件,可显著减轻汽车整车重量,而汽车所用燃料的60%消耗于汽车自重,车重每减轻10%,可节约燃料5.5%,因此,国外近年来镁合金在汽车制造中的应用逐步增长。但我国在这方面的开发刚刚起步。国内一些镁合金生产厂家强烈要求开发镁合金型材的成型加工技术,国家科技部也加快开发这方面的高新技术,并列为国家“十五”攻关项目。虽然中国是镁材料大国,但在开发高性能耐热镁合金上仍很欠缺,开发具有自主知识产权的高性能耐热镁合金是镁合金研究者的努力方向。
5 结束语
开发和研究镁合金已成为1种趋势,在突破镁合金熔炼技术和价格等瓶颈因素后,发挥镁合金作为“21世纪绿色工程材料”的优势,应努力扩大其应用范围,提高其使用温度。在开发镁合金型材的塑性加工技术和具有自主知识产权的高性能耐热镁合金方面应加大力度,使我国尽快从镁大国转变为镁强国。
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挤压和半固态加工技术是提高镁合金制件性能的有效途径,这类技术的应用是当前的研究热点。李峰[28]对挤压AZ61镁合金板热处理工艺和力学性能进行了研究,具体做法是在200℃下对合金进行不同时间的失效处理。合金的抗拉强度、屈服强度总体上是随失效时间的延长而提高,延伸率则下降;与铸态相比,屈服强度提高幅度较大,纵向提高幅度优于横向。合金的晶粒并未出现拉长现象,说明在挤压过程中已发生了再结晶,产生各向异性的原因可能是挤压过程中形成的变形织构所至。这项研究为利用热处理改善变形镁合金力学性能提供了一定的借鉴。张奎[29]对AZ91D 镁合金挤压坯料二次加热中的组织演变和半固态挤压成形工艺的优化。其研究结果表明,半固态挤压过程中,合金组织不发生再结晶现象,挤压后组织二次加热到420℃时发生完全再结晶,形成细小的等轴晶;半固态挤压成形可避免铸件中产生皮下气孔、疏松等缺陷,还允许进行热处理。
超塑性成型技术是加工耐热镁合金部件的可行方法之一。目前,镁合金超塑性研究开展比较广泛,从细晶、低速率超塑性发展到大晶粒、高速变形条件下的超塑性研究(见图5) ,已经有一些成果应用到成型技术中[30,31]。
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Research and Development of Heat Resistant Mg Alloys
Yan Yunqi, Zhang Tingjie, Deng Ju, Zhou Lian
(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016,China)
Abstract: The research and development of heat resistant Mg alloys were reviewed and alloying these alloys was mentioned as the basic method improving the properties as well as Cu, Ca, Sc and Sr, rare-earth elements. Alloying, extrusion and semi-solid process were highlighted to introduce the sliping of prismatic plane (1010) and pyramidal plane (1011) which can benefit the mechanical properties. Superplastic process was the effective method to fabricate the heat resistant Mg alloys parts. Key words: heat resistant Mg alloys; alloying; deformation behaviors
Biography: Yan Yunqi, Postdoctor, Titanium Research Center, Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016,
P.R. China, Tel: 0086-29-86231078, E-mail: [email protected]