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镁合金新材料研发及加工工艺的新进展

时间: 2011-07-04 20:02 来源: 作者: 翟春泉 秦富生 陈恭努 &nb 点击:
镁合金是最轻的工程金属材料之一,具有很好的比强度、比刚度等性能,特别适合制造有重量轻、强度高、减震降噪要求的工程结构部件和有一定强度要求的壳体类零件。中国作为镁资源大国,如何利用镁资源的优势正受到越来越多国内有识之士的关注。随着镁合金及其相关技术的发展,镁合金在中国各个领域的应用也得到了进一步的推广。下面分别介绍中国在新型镁合金开发和加工工艺(液态成型、固态成型和半固态成型三个方面)的研究进展。

一、新型镁合金的开发

由于交通工具轻量化的推动,世界各国都展开了对镁合金的研究,寻找一种可以满足要求的新型合金,是各国科技工作者的一个共同目标,在这方面中国科技人员也进行了大量的研究工作。限制镁合金发展的一个主要原因是镁合金的高温性能——抗蠕变能力和高温疲劳性能较差,因此新材料的研发主要是针对这一问题进行的,概括的说主要包括两个方面:一是对现有合金的优化,主要是针对现有的商业镁合金,特别是对Mg-Al系合金进行改性,通过添加合金元素以期改善合金的高温性能;二是新合金系的开发,主要是指新型Mg-RE系合金的研发。

1. Mg-Al耐热镁合金

目前,对于Mg-Al 系耐热镁合金的研究主要集中在以下两方面:1 AZ 系(Mg-Al-Zn) 镁合金的耐热性改善,其主要通过添加微量合金元素(如RE、Si、Ca、Ba、Bi、Sb和Sn等) 改善AZ系合金中β相(Mg17Al12)的形态结构和/或形成新的高熔点、高稳定性的第二相来提高其耐热性;2 新型耐热镁合金系列的开发,其主要以Mg-Al二元合金为基础,通过单独或复合添加Si、RE、Ca、Sr等合金元素,以形成具有抗高温蠕变性能的新型耐热镁合金系列。表1显示了部分新开发的Mg-Al系耐热镁合金的化学成份及主要强化相。

表1 部分Mg-Al系耐热镁合金的主要化学成份及强化相

2. Mg-RE合金

稀土元素的价格相对较为昂贵,但由于稀土元素特殊的价电子结构以及在镁合金中的显著的强化效果,使Mg-RE系成为发展高强度耐热镁合金的一个重要合金系。中国关于Mg-RE系合金的研究近年来不断增多和深入,中国作为稀土资源第一大国,镁稀土合金的成功研发将有助于我们利用这一优势。

混合稀土,尤其是轻稀土,是较早发现对镁合金具有良好强化效应的元素。上海交通大学的研究发现,在中国牌号ZM6合金的基础上通过纯钕元素替代富钕混合稀土、调整合金元素含量范围以及添加微量合金元素等手段开发的Mg-2.5~3.5Nd-0.2Zn-0.5Zr-X合金的综合性能远远超过ZM6合金和EZ33A合金,而且无须氢化处理。这种合金采用了高温固溶工艺,从而可以提高固溶处理后的Nd元素在基体中的固溶量以及后续时效强化效果。

稀土元素Y和Gd的优良时效强化作用是近年的重要发现之一。何上明等人在Rohklin和Kamado等人的工作基础上系统地研究了Mg-Gd-Y-Zr-Ca系合金的显微组织和力学性能,并开发高强度镁合金Mg-10Gd-3Y-0.6Zr-0.4Ca(GW102K)以及Mg-12Gd-3Y-0.4Zr-0.4Ca(GW123K),两种合金经过热挤压后的力学性能如图1所示。


图1 Mg-Gd-Y-Zr 系列合金力学性能与温度的关系

与日本Kamado等人的研究结果不同的是,他们发现Mg-Gd-Y-Zr系合金的时效沉淀析出顺序应为Mg(SSSS) → β〞(D019) → β′(bco) →β1(fcc) →β(fcc),而不是常规报导的Mg(SSSS) → β〞(D019) → β′(bco) →β(bcc)序列,其中β〞 和β′在时效峰值处共存,并以极细的针状或片状弥散析出,沿镁基体的{11-20}棱面分布,首次在该合金系内发现一种具有面心立体的新型过渡相β1,该相在基面上呈现菱形颗粒状。几种主要的过渡相的形貌与斑点如图2所示。


图2 250℃下时效(a) 16h, (b) 193h和(c) 2400h的GW103K合金TEM明场像和微束衍射分析花样显示了β’, β1, 和β析出相的形态与晶体特徵。入射束分别平行于[0001]α和[001]β’ (a), [110]β1(b), 以及 [110]β(c)。

此外,上海交通大学还对Mg-Dy-Nd,Mg-Y-Sm,Mg-Gd-Nd等其它稀土系合金进行了研究与优化,得到不同稀土含量的镁合金,与Mg-Gd-Y和Mg-Nd系合金类似,这些镁稀土系主要强化方式为高温时效析出的亚稳相,因此具有良好的强度与耐热性,为高强度耐热镁合金。

二、液态成型

当前,镁合金的液态成型仍然以压力铸造(HPDC)、重力铸造为主,镁合金采用其它铸造方式,如低压铸造(LPDC)、熔模铸造等形式较少,表2为2005年中国国内镁合金消费领域的比较(来自镁业分会)。

表2 2005年中国国内镁合金消费领域比较(来自镁业分会)单位:千吨

中国镁合金零部件的主要生产厂家有一汽铸造公司、东风汽车公司、上海镁镁合金压铸有限公司、长安汽车等。这些公司的产品以汽车用镁合金压铸件为主。此外,台湾香港等企业在大陆投资的镁成型企业主要生产3C镁合金压铸件,目前已经成为全球最大的3C镁合金零件供应商。利用镁合金压铸件代替传统铸铁、铸钢件,甚至代替铝合金压铸件,正成为制造业特别是汽车制造业的发展趋势。

随着模具设计水平和压铸零件性能的提高,镁合金压铸件的应用领域已经从传统的笔记本电脑外壳、手机外壳等发展到了发动机支架、轮毂、框架件等受力部件以及安全部件。为了满足不断提升的零件性能要求,在传统压铸工艺的基础上衍生出了真空压铸、挤压铸造、低压铸造、超低速压铸等诸多技术分支。

真空压铸是一种在压射过程中抽除型腔和压室内的气体,从而减少铸件中的气孔缺陷,提高铸件质量的压铸工艺。该工艺以其极低的铸件含气量、较好的设备兼容性和优异的铸件性能等优点得到了高度重视和大力发展。

上海交通大学轻合金国家工程中心对镁合金AZ91D的真空压铸进行了研究,研究结果表明﹕真空压铸可以明显降低AZ91D压铸件中孔洞的含量,改善合金填充过程,提高合金的密度,特别是提高远离浇口处的密度(图3);真空压铸铸件经过热处理后相对于普通压铸而言表面气泡有明显改善(图4),只有微量气泡产生,铸件可以热处理;真空压铸件热处理后,由于AZ91D的固溶强化和时效强化效果,合金T4与T6态的力学性能较压铸态有明显的改善,抗拉强度平均提高80MPa以上。清华大学也对镁合金的真空压铸进行了研究,研究结果表明随着真空度的提高,合金的强度与延伸率呈上升趋势,真空压铸提高了合金的室温力学性能。


图3 真空压铸和普通压铸铸件密度随浇口距离的变化曲线


图4 AZ91D铸件经过T4处理后表面气泡分布情况
(a)普通压铸 (b)真空压铸

挤压铸造,是一种集铸造和锻造特点于一体的新工艺,该工艺是将一定量的金属液体直接浇入敞开的金属型内,通过冲头以一定的压力作用于液态或半凝固的金属上,使之充填、成型和结晶凝固,并在结晶过程中产生一定量的塑性变形,从而获得零件毛坯的一种金属成形方法。该成型工艺生产的铸件具有组织致密、晶粒细化的特点,因此特别适合生产高品质镁合金。

重庆大学采用一种新型的挤压铸造方式生产镁合金摩托车轮毂,取得了较好的结果:本体拉伸性能为230~250MPa,延伸率10~16%,同时生产效率较高。上海交通大学对镁合金挤压铸造的研究也在进行当中,镁合金AZ91D挤压铸造后的金相如图5所示,合金中第二相分布比较细小,有利于提高合金性能。合金铸态下的室温抗拉强度在200-230MPa,相对于重力铸造有明显提高,约15-30%,达到压铸水平;同时由于合金致密无缺陷,又可以发挥合金热处理强化的优势。


图5 挤压铸造AZ91D金相组织,合金中的第二相得到明显的细化
(a)抛光态,(b)腐蚀态

低压铸造是介于重力铸造和高压铸造的一种铸造方法,具有充型平稳,补缩效果良好的特点。同时密封充型可以防止镁合金暴露在大气中而引起氧化燃烧,是镁合金成型方法中一种比较好的方式。但长期以来这种成型方式在镁合金中应用很少,主要是人们对于镁合金低压铸造的过程缺乏了解。

上海交通大学对镁合金AZ91D和AM50低压铸造工艺进行了研究,结果表明AZ91D低压铸造时组织中很容易产生缩松,而且第二相和晶粒很容易粗化,对合金性能产生负面影响,因此在采用低压铸造生产镁合金AZ91D铸件时,对工艺参数的控制要求比较严格,采用优化后的工艺才可以生产出致密的铸件;而AM50合金的低压铸造性能比较优良,容易得到致密的铸件,但合金的屈服强度较低。

超低速压铸是在常规压铸的基础上,降低压铸时低速阶段的压射速度,从而达到减轻压铸过程中卷气现象的一种新工艺。清华大学对镁合金的超低速压铸进行了系统的研究,发现在压铸充型过程中,低速阶段的压射速度对压室液态金属流动形态及压室中气体的卷入情况影响较大,存在一个临界低速速度。在该速度条件下,液体金属在压室中的流动将不会卷入气体。在此基础上,他们提出了优化的低速压射工艺:在压射充填阶段采用优化的低速速度,而在流道系统充填阶段降低速度以保证流道系统的平稳充填。

熔模铸造在镁合金中采用的比较少,尚处于研发阶段。上海交通大学等高校对AZ91D熔模铸造进行了尝试,发现合金中第二相和晶粒比低压铸造更易粗化,铸造中应当采用必要的细化措施。而对于采用Zr细化的镁合金而言,熔模铸造并不会带来晶粒的明显粗化,目前为止,已经有性能良好的熔模铸造铸件产出。

电磁铸造对AZ91D的组织有一定的细化作用,可以使Mg17Al12相和共晶组织增多,有利于Zn元素的均匀分布。快速凝固AZ91D合金薄带截面组织由靠近辊面晶粒约9μm的粗大等轴晶区、中部方向不同的柱状晶区和自由表面层晶粒在215~4μm的细小等轴晶区三部分组成,三层组织均为过饱和α-Mg固溶体,并观察到较高的位错密度。快速凝固条件下的压缩强度均高于铸态,并随冷却速度的增大,压缩性能有所降低。

三、固态成型

镁合金固态成型产品与铸态相比具有明显的性能优势,因此镁合金型材板材的应用前景被广泛看好,国内镁合金型材板材的应用也呈较快的上升趋势。据有关专家预测,在未来10-15年镁合金板材巿场将会达到15-20万吨。从应用来看,中国部分企业和研究机构已经具备镁合金固态成型加工能力。中铝洛阳铜业有限公司依靠自主创新成为中国首家打入世界镁合金板材产品高端巿场的企业,目前该公司生产的镁合金连续铸扎薄板已经成功的应用在了美国波音公司生产的飞机上。以上海交通大学为技术依托的上海美格力轻合金制品有限公司的镁合金型材也销售良好,呈较快的发展劲头。此外,东北轻合金加工厂、营口银河镁铝合金公司、福州华镁新技术开发公司、重庆奥博铝材制造公司等国内多家企业也都具备了生产镁合金挤压型材和轧板的能力。

镁合金在室温下塑性很低,延伸率只有4%~5%,容易脆裂,轧制加工比较困难,但200℃以上时塑性明显提高,使挤压加工成为理想的方法。目前,镁合金管材、棒材、型材、带材主要采用挤压方法加工成形。挤压成型方式相对于铸造方式而言可以明显提高合金力学性能,如AZ91D经过挤压后合金拉伸强度和塑性均得到提高,抗拉强度由铸态的205MPa 提高到336MPa,延伸率由铸态的6%提高到11%。图6为上海交通大学研制的镁合金型材与管材。


图6 镁合金挤压的型材与管材

轧制是镁合金薄板的主要成型方式,陈彬等人的研究表明,AZ31镁合金在铸态和挤压态下都可以轧制出性能良好的镁板;如图7所示,上海交通大学已经成功轧制出AZ31薄板(0.5~4mm),目前正与企业合作进行大规模生产的尝试。湖南大学对镁合金的异步轧制进行了研究,结果表明异步轧制可使其晶粒得到细化,基面织构减弱,力学性能提高。中南大学在AZ31中添加少量稀土元素,发现少量的Ce和Nd的加入可以提高轧制后合金的强度与塑性。


图7 镁合金轧制的AZ31薄片

利用冲压工艺可制造出各种形状复杂的工件, 这对镁合金在汽车、3C等产品上的应用极具吸引力。冲压工艺中以拉深工艺较为典型,拉深是把平面形状的毛坯,借助于模具的作用,制成开口空心形状零件的一种冲压工艺方法。以往拉深研究中以AZ31合金为主,目前研究有扩展到其它合金的趋势。南昌大学对Mg-Mn-RE合金的拉深性能进行了研究,发现合金的拉深高度对拉深温度有明显的依赖性,拉深温度越高拉深高度也越高。暨南大学对ZE10合金拉深性能的研究表明,230℃拉深时,在冲头温度为20~50℃、拉深速度为50mm/min的条件下,可顺利拉深最大直径为142.5mm 的板料,极限拉深比(LDR)为2.85。上海交通大学也开展了这方面的研究,目前在200℃下可以做到LDR>3.2。

由于镁合金在较高温度下特别是在400℃以上很容易产生氧化腐蚀,因此,目前对镁合金的热锻成形技术研究不多,精锻工艺研究更少,发展也较慢,一定程度上影响了变形镁合金的大量应用。

最近两年国内研究镁合金锻造有回升的趋势,湖南大学对AZ80多向锻造后的组织和力学性能进行了研究,结果表明,多向锻造工艺下,材料内部易形成交错变形带,有利于组织细化,形变诱导晶粒细化是主要的晶粒细化机制。晶粒细化过程存在一临界应变量εc(2≦εc≦2.4),当实际应变量εc超过临界应变量εc时,材料基本为动态再结晶细晶组织,进一步细化变得困难。多向锻造后合金力学性能有了明显的提高。东北大学对AZ31锻造后的织构进行了研究,发现锻造产生的面织构将增加镁合金的各向异性,不利于改善镁合金的塑性变形能力和力学性能。广州工业大学对锻造工艺参数的影响进行了研究,结果表明保持锻造时的温度是保证锻造质量的关键所在,因此每次锻打的时间要尽量缩短,而且锻打之前锻件保温时间要恰当。

四、半固态成型

半固态加工技术是提高镁合金制件性能的有效途径之一,这类技术是当前的研究热点,但目前还与实际生产有一定距离。

福建工程学院对半固态AZ91D镁合金组织与性能进行了研究,结果表明坯料微观组织中未见明显的溶质扩散层,在细小的网状共晶相中析出了大量的晶粒尺寸为5~10μm的二次α-Mg相;半固态流变压铸成形工艺在提高铸件致密度的同时,也提高了铸件的硬度,与液态压铸成型试样相比,其密度提高了0.33%,硬度提高了4.6%。南昌大学对镁合金AZ91D的半固态轧制进行了研究,发现搅拌速度、铸轧温度对半固态镁合金组织有显著的影响;过快过慢的搅拌速度都不利于半固态组织的形成,试验表明搅拌速度300r/min最佳;铸轧温度从高到低,固相率明显从小到大;半固态连续铸轧技术可以提高板带的塑性加工性能,细化晶粒,提高生产效率。吉林大学对不同注射速度的半固态触变注射成形镁合金显微组织进行了分析,结果表明固相率不能与材料的抗拉强度建立有效的对应关系,能够综合表徵颗粒形态的分布描述则可以与材料抗拉强度建立有效的对应关系,为研究半固态成型镁合金的工艺-组织-性能之间的关系提供了一个理想的定量分析参数。

五、结束语

虽然中国对各类新型镁合金和镁合金各种可能的成型方式都进行了比较系统的研究,但目前国内镁合金企业的产品仍然以商业镁合金常规压铸、重力铸造为主,镁合金的挤压、轧制成型工艺刚刚开始应用于实际生产,而半固态成型等其它成型工艺则使用较少。

中国镁资源极为丰富,2006年原镁产量达到52.6万吨(全世界为72.6万吨),如何更好的利用这一得天独厚的资源,更好的发展中国的镁产业,尚需要深入的探讨与不断的创新。虽然目前中国的镁产业大发展的局面已经形成,但镁的资源优势尚不能转化为高附加值的产品。中国镁加工企业众多,但工艺技术、产品质量、企业管理等方面与国外先进企业相比还有很大的差距,弥补这一差距尚需科研院所与镁合金企业的共同努力。只有不断的培育镁合金巿场、提高中国镁加工企业的技术水平和产品质量,才能提升中国镁产品的国际竞争力,使中国真正成为镁合金强国。

翟春泉 秦富生 陈恭努 中国铸造协会压铸分会
付彭怀 蒋海燕 上海交通大学(end)

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