变形镁合金的研究_开发及应用

第 13 卷第 2 期 Vol .13 No.2
中国有色金属学报 The Chinese Journal of Nonferrous Metals
文章编号 :1004 0609(2003)02 0277 12
变形镁合金的研究 、 开发及应用①
2003 年 4 月 A pr . 2003
余 琨 , 黎文献 , 王日初 , 马正青
298 K
845 K
1363
1736
45
25 .0
30.0
图 4 金属镁的晶体结构
Fig .4 Unit cell crystal of magnesium
(a)— Atomic positions;(b)— Basal plane , a face plane and principal planes of [ 1210] zone (c)— Principal planes of [ 1100] zone ;(d)— Principal directions
Table 1 Some basic properties of unalloyed magnesium
Relativ e atomic mass
Electri cal resistivity Crystal structure(298 K) (293 K)/(Ψ·m)
Thermal conductivity/(W·m -1·k -1)
细化到 1 μm 时 , 甚至在室温下镁合金亦具有超塑 性 , 其延伸率超过可达 1 000 %[ 31] 。因此通过镁合
金晶粒细化 , 可以调整材料的组织和性能 , 获得变
形性能优良的材料 。
Atomic number 12
Melting point/K 923 .0 ±0 .5
表 1 纯镁的基本性质[ 2 , 9]
的镁生产企业 ———挪 威 Novsk Hydro 公司签 定了长 期合作关系 , 以保证在 21 世纪前期镁原料 和镁产 品的充足稳定的供应[ 23] 。日本在 1999 年由教育部 、
科技部 、 体育部和文化部共同组织实施了“Platform Science and Technology for Advanced Magnesium Alloy” 计划[ 8, 24] , 着重研究镁的新合金 、 新工艺 , 开发超
值得注意的是晶粒细化改善镁合金屈服强度与
延展性的巨大作用与潜力 。晶粒细化是改善多晶镁
变形结构特征 、 提高镁合金性能的重要途径之一 。
根据 Hall-Petch 公式[ 28] :
σ=σ0 +Kd1/2
(1)
式中 σ为多晶体屈服强度 , σ0 为单晶体强度 , K
为常数 , d 为晶粒尺寸 。比较镁与铝在式(1)作用下
Fig .2 Consumption of magnesium in 1997
图 3 变形镁合金与砂铸 、 压铸镁合金性能
Fig .3 Tensile properties of magnesium alloys produced though different methods
用领域不断扩展 。其中美国的变形镁合金材料体系 较为完备 , 合金系列有 Mg-Al 、Mg-Zn 、Mg-RE 、 MgLi 、Mg-Th 等 , 可以加工成板 、 棒 、 型材和锻件 , 并 且开发出了快速凝固高性能变形镁合金 、 非晶态镁 合金及镁基复合材料等[ 3, 9, 10] 。美国与世界上最大
工艺相结合 , 可获得高强度和优良延展性 、 更多样化性能的镁合金结构材料 。变形镁合 :镁合金 ;塑性变形 ;稀土
中图分类号 :TG 146.22
文献标识码 :A
金属镁及其合金是迄今在工程中应用的最轻的 结构材 料[ 1] 。在 元素周 期表 中 , 镁的 原子 序数 为 12 , 属 ⅡA 族碱土金属 。纯镁的密度为 1 .736 ×103 kg/m3 , 普通镁合金的密 度为(1 .3 ～ 1 .9)×103 kg/ m3[ 2 , 3] , 最轻 的 镁 合金 (Mg-Li 合 金)的密 度 仅 为 0 .95 ×103 kg/ m3 , 可漂浮 于水上[ 3, 4] 。常规镁合 金 比铝合金轻 30 %～ 50 %, 比钢铁轻 70 %以上 , 应用 在工程中可大大减轻结构件质量 。同时 , 镁合金具有 高的比强度和比刚度 , 尺寸稳定性高 , 阻尼减震性能 好 , 机械加工方便 , 尤其易于回收利用 , 具有环保特 性 。图 1 对比了几种典型金属结构材料与非金属材 料的比强度和比刚度 。可见镁合金具有优良的力学 性能 , 特别适用于轻质结构件 。镁的这些优点使其被 誉为“21 世纪绿色工程金属结构材料”[ 5～ 7] , 并将成 为 21 世纪重要的商用轻质结构材料 。
1 镁及变形镁合金的开发与应用
镁可以应用的领域十分广泛(如图 2 所示)[ 3] , 但目前其主要的应用方式是作为铝合金的添加剂 , 因此镁合金的开发和应用还具有很大的发展潜力 。 以前镁合金的应用远不及其它 金属材料那样 被重 视 , 正如著名材料专家 Cahn[ 8] 所指出的 , “ 在材料 领域中还没有任何材料象镁那样存在潜力与现实如 此大的颠倒” 。目前 , 世界发达国家已着手镁合金 材料的大力开发与研究 , 镁及镁合金被应用在航天
(中南大学 材料科学与工程学院, 长沙 410083)
摘 要 :综述了国内外主要的变形镁合金材料的基本特性 、力学性能和应用领域 , 介绍了目前 变形镁合金材料的
研究 现状和进展 , 以及制备高性能变形镁合金材料的新工 艺 , 探讨了镁合金的合金化原理和主要合 金元素在变 形
镁合金中的作用 , 重点阐述了稀土元素对变形镁合金性能的影响及稀土镁合金的研究 与进展 。 塑性变形与热处理
高强变形镁合金材料和可冷压加工的镁合金板材 。
英国开 发出 Mg-Al-B 挤压镁合金用于 Magnox 核反 应堆燃料 罐[ 25] 。以色列最近也研制出 用在航天飞 行器上 、兼具优良力学性能和耐蚀性能的变形镁合 金[ 26] 。
我国变形镁合金材料的研制与开发仍处于起步 阶段 , 缺少高性能镁合金板 、 棒和型材 , 国防军工 、 航天航空用高性能镁合金材料仍依靠进口 , 民用产 品尚未进行大力开发, 因此 , 研究和开发性能优 良 、规格多样的变形镁合金材料显得十分重要 。
的规律(如图 5 所示)[ 9 , 29] , 可见晶粒细化对镁力学
性能的提 高 , 其潜力 远远大于 铝合金 。在 铝合金
中 , 晶粒细化已成为其生产中不可缺少的重要技术
措施 , 但该技术在镁合金生产中却未引起足够的重
视。
晶粒细化到一定程度可以保证多晶镁合金具备
充分的延性转变能力 。纯镁的晶粒尺寸细化到 8 μm 以下时 , 其脆塑性转变温度可降至室温(如图 6 所 示)[ 30] , 若采用适当合金化及快速凝固工艺将晶粒
Fig .7 Strategy of magnesium technology development
图 6 晶粒尺寸对镁的塑性的影响
Fig .6 Effect of grain size on ductility of magnesium
3 变形镁合金材料的研究进展
尽管镁的结构特征使镁合金变形材料的制备具 有很大的困难 , 但变形镁合金优异的性能以及在不 同领域的特殊用途使其成为镁合金材料研究与开发 领域中不可缺少的一个重要组成部分 , 并具有先进 性与挑战性 。根据 IMA 提出的镁工业发展 战略图 (如图 7 所示)[ 22] , 与目前较成熟的生产技术(如常 规合金的传统铸造工艺)以及一些正在发展的技术 (如提高镁合金抗蠕变性能技术[ 32] 、 先进的薄壁铸 造技术和触变铸造技术[ 33] )相比 , 镁合金的挤压与 轧制等塑性变形技术更具挑战性 。
并且可以通过 材料组织的控制和热处 理工艺的应 用 , 获得比铸造镁合金材料更高的强度 , 更好的延 展性 , 更多样化的力学性能 , 从而满足更多结构件 的需要 。因此 , 研究与开发新型变形镁合金 , 开发 变形镁合金生产新工艺 , 生产高质量的变形镁合金 产品 , 是国际镁协会(International Magnesium Association —IMA)在 2000 年提出的发展镁合金材料的最重 要 、最具挑战性且最长远的目标和计划[ 8, 21] 。图 3 对比了变形镁合金与普通铸造 、 压铸镁合金的典型 力学性能 。可见变形镁合金具有更大的优势[ 22] 。
中国有色金属学报 2003 年 4 月
图 1 几种典型结构材料的比强度和比刚度
Fig.1 Specific strength (a)and specific stiffness (b)of various structural materials
图 2 金属镁的主要应用领域(1997 年)
西方发达国家十分重视变形镁合金的研究与开
发 , 变形镁合金材料已开始向系列化发展, 产品应
① 收稿日期 :2002 07 09 修订日期 :2002 09 10 作者简介 :余 琨(1974 ), 男 , 博士 通讯联系人 :余 琨 , 博士, 电话 :+86-731-8830261
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航空 、 国防军工 、 交通运输 、 电子器件壳体 、 体育 器材和办公用品等领域 , 加速开发镁的应用已经成 为必然趋势[ 9] 。
根据加工方式的不同 , 镁合金材料主要分为铸 造镁合金 与变形镁合金两大类[ 10] 。前 者主要通过 铸造获得镁合金产品 。传统的铸造工艺比较成熟 , 近年来 , 铸造领域中一些新的生产工艺和技术 , 如 压力铸造(Die casting)技术[ 10～ 14] , 半固态成型(Semi-solid forming)技 术[ 15 ～ 19] 以及 ThixomoldingTM 专利 技术[ 10 , 20] , 都被用来开发新型镁合金材料 , 并取得 了很大的进展 。与这些工艺生产的铸态材料相比 , 变形镁合金材料更具发展前途与潜力 , 通过变形可 以生产 尺寸多样的板 、 棒 、 管 、 型 材及锻件 产品 ,