稀土镁合金的研究现状

稀土镁合金的研究现状

摘要：镁合金是目前最轻的结构金属材料，稀土的加入对改善其组织和提高耐腐蚀性，特别是高温性能具有重要作用。本文介绍了稀土镁合金的研究现状以及压铸和快速成型稀土镁合金。

关键词：稀土镁合金；压铸；快速成型

Abstract :Magnesium alloys are the most light structure metal materials ,the rare earth to improve their organization and improve corrosion resistance, especially high temperature performance has an important role,Study situation of Rare-earth Magnesium Alloys were introduced in the paper and pressure casting and rapid prototyping the rare earth magnesium alloys were introduced.

Key words: Rare-earth Magnesium Alloys; Pressure Casting; Rapid Prototyping 镁合金是最轻的工程结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高、导热导电性好、

阻尼减震性能高、电磁屏蔽性好、良好的铸造性能、易于加工成型、废料容易回收等一系列优点，因此，目前被广泛应用于汽车、电子、航空航天等诸多领域，具有极为广阔的应用前景。稀土元素由于具有独特的核外电子排布，表现出独特的性质，对0、S和其他非金属元素有较强的亲和力，在冶金过程中可以净化合金熔体、改善合金组织、提高合金室温力学性能、增强合金耐腐蚀性能等。近年来，根据对材料的性能要求而研制开发了一系列含稀土的高强、耐热、抗蠕变、阻燃等镁合金，稀土作为主要的合金元素或微合金化元素在镁合金研究领域发挥愈来愈重要的作用[1]。

1稀土在镁中的性质

1.1 稀土镁合金与氢和氧的相互作用

由于镁与氧极易发生反应，因此镁合金在熔炼和浇注过程中易氧化燃烧。镁与氧反应生成的表面MgO膜，致密度系数αMg<1，疏松多孔，不能有效阻止氧穿透该氧化膜；且MgO的导热系数小，不利于热量的扩散，会加剧镁的氧化和燃烧。稀土元素加入镁合金后，与氧发生反应或与MgO中氧发生置换反应生成稀土氧化物RE203，该稀土氧化物的致密度系数a>1，能够有效阻止氧穿透氧化膜与镁发生反应。

在镁合金中，已知Mg-Be，Mg-Ca，Mg-Ce-La合金系的氧化速度都比纯镁小，稀土对改善镁合金熔体的氧化性质有益。

氢在镁中有较大的溶解度，比其在铝中高1～2个数量级，在液态镁中，随温度升高，压力增大，氢的溶解度也增大。氢的主要来源是潮湿的气氛，在熔炼过程中与空气中的水反应：

Mg(l)+H2O(g) →MgO(s)+2[H]

氢和镁不形成化合物，在镁中呈间隙式固溶体存在，含氢量过高会使镁合金出现显微气孔。稀土对除去镁合金中的氢有明显作用。在加入稀土后，稀土与氢反应生成REH2相；

[RE]+2[H] →REH2

同时，稀土与MgO发生反应：

2 [RE]+3MgO →RE2O3+ 3Mg

此反应有较强的驱动力，因此可生成稀土氢化物和氧化物而达到合金溶液除氢的效果。特别对于含锆的镁合金，由于[H]与Zr生成稳定的化合物ZrH2，使锆在镁合金中溶

解度减小，增大了锆的损失。因此添加稀土对镁合金除氢具有十分重要的意义。

1.2 稀土与镁合金熔剂的相互作用

镁合金熔炼时通常采用熔剂覆盖与精炼，熔剂使用不当会引起夹杂，影响合金性能。镁合金熔剂的主要成分包含MgCl2，KCl，BaCl2，CaCl2，CaF2等。通常，其主要成分为MgCl2，而它会与稀土发生反应：

[RE]+3 MgCl2→2RECl3+3Mg

从而减少了合金溶液中稀土的含量，因此在含稀土的镁合金中要使用少含或不含MgCl2的熔剂。目前已经有人开发出新的适于熔炼含稀土的镁合金的熔剂。此外，也可采用惰性气体对稀土镁合金进行精炼，而不采用氯气。因为稀土比镁有更大的氯化倾向，氯气使稀土的损耗增大，易形成夹杂，使铸件产生气孔、疏松等缺陷。

2稀土镁合金的开发

从20世纪40年代，就开始了对稀土镁合金的研究。Haughton和Prytherch等最早报道的Mg-Ce合金，能提高镁合金的高温抗拉强度；1947年，Sauer-ward发现Zr的晶粒细化作用，从而开发了EK型(Mg-RE-Zr)镁合金；在Mg-Zn合金系中，加入稀土元素开发出ZE型ZE41(Mg -1.75RE-4.5Zn-1Zr)和ZE23 (Mg 3.5RE-3.0Zn- 1Zr)镁合金，使合金具备了较好的室温、高温综合性能；1959年，Payne等发现银的加入明显改善Mg-RE 合金的时效硬化效应，据此开发了QE22，QE21及EQ21等合金；1979年，Drits等开发了一系列耐热高强WE型镁合金。后来将钐、钇、钆、钕等稀土元素加入镁合金，又开发出了一些新型镁合金。稀土镁合金按其用途主要分为以下几种。

2.1 高强稀土镁合金

混合稀土，尤其是轻稀土，是较早发现对镁合金具有较好强化效应的元素。而且人们发现，加入单一的稀土元素比加入混合稀土更容易理解稀土元素在镁中的强化作用。在ZM6合金的基础上通过纯钕元素代替富钕混合稀土。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了Mg-2.5Nd-0.2Zn-0.5Zr-X合金（JDM-1），该合金的综合性能远远超过ZM6合金和EZ33A合金[2]，而且无需氢化处理。

黄伯杰等[3]通过调整EZ系合金的合金元素及成分，开发了含钕低锌的高强Mg-2.5Nd-0.2Zn-0.4Zr铸造镁合金。该合金经过T6处理后力学性能达到最佳，该合金同时具有比ZK和ZE系更优良的铸造性能和焊接性能，其热裂倾向仅相当于AZ91合金。