稀土镁合金的发展_应用及开发

　第34卷第3期

2006年9月

稀有金属与硬质合金

Rare Metals and Cemented Carbides

Vol.34　№.3

Sep.　2006

・专题论述・

稀土镁合金的发展、应用及开发

余强国,翁国庆

(湖南稀土金属材料研究院,湖南长沙410014)

摘　要:叙述了国内外稀土镁合金的发展状况,对稀土镁合金的性能及应用作了较为详细的阐述。在对稀土镁中间合金的制备工艺进行比较的基础上,针对性地介绍了目前采用的新工艺。同时,就我国稀土镁合金的发展提出了具体看法。

关键词:稀土镁合金;发展;应用;制备

中图分类号:TF845 文献标识码:A 文章编号:1004Ο0536(2006)03Ο0036Ο03

Develop ment and Application of R E Mg Alloy

YU QiangΟguo,WEN G GuoΟqing

(Hunan Research Instit ute of RE Metallic Materials,Changsha410014,China)

Abstract:Description is made of t he present develop ment of RE Mg alloy bot h at home and abroad.The p roperty and applications of t he said alloy are detailed.Based on t he comparison of p rocesses for prepara2 tion of RE Mg master alloy,t he currentlyΟapplicable new p rocess is int roduced.Meanwhile,some comment s are made on t he f ut ure develop ment of t he RE Mg alloy in China.

K eyw ords:RE Mg alloy;develop ment;application;p reparation

1　前　言

镁合金密度小、比强度和比刚度高、阻尼性及切削加工性好,有较强耐碱、耐油腐蚀性能和较好的电磁屏蔽性能,因而得到越来越广泛的应用。另一方面,稀土元素具有净化合金溶液,改善合金的铸造性能,细化和变质合金组织,提高合金的力学性能及抗氧化和抗蠕变性能等作用。在镁合金领域,稀土优异的净化、强化作用不断为人们所认识和掌握,并已开发出一系列具有高强、耐热、耐蚀等性能的含稀土镁合金。由于稀土元素的合金化,使镁合金的强度提高了1～2.5倍,极限工作温度提高到350℃,且铸造性能、耐蚀性能均有大幅提高,大大拓展了镁合金的应用领域。

2　稀土镁合金的发展

稀土镁合金的研制可追溯到20世纪的20年代,当时德国进行了MgΟMM(MM为混合稀土代号,下同)的开发工作,并在DMWΟ801D型飞机发动机上使用了MgΟ6MMΟ11.7Mn合金锻件。与此同时,英国也进行了混合稀土的应用研究工作,于二次世界大战期间,在飞机叶片锻件中使用了MgΟ3MMΟ0.5MnΟ0.5Ca合金。但这种MgΟMMΟMn合金存在铸态组织晶粒粗化的缺陷,从而影响了其商业应用。

1937年,德国学者Sauerwald首次进行了Zr 有效细化MgΟThΟZr合金晶粒的工作,对镁合金的研制作出了杰出贡献。Murp hy和Payne(于1946年)的工作也发现MM和Zr可同时加入镁中,且Zr 对镁仍具有细化晶粒的作用,从而解决了稀土镁合金的工艺问题,使其在商用领域得到了发展。

20世纪60年代初,美国在铸造镁合金中发展

收稿日期:2006Ο04Ο30

作者简介:余强国(1966Ο),男,在读博士,高级工程师,从事稀土冶金研究工作,现任湖南稀土金属材料研究院副院长。

　第3期余强国,等:稀土镁合金的发展、应用及开发

了E K、EZ、Q E、ZE等系列产品,后来又发展了耐热高强WE型镁合金及E K、ZK、ZE系列的变形镁合金。

前苏联在稀土镁合金方面进行了许多理论与应用研究,一直处于领先地位。于20世纪70年代,在铸造镁合金中发展了Mл9、Mл10、Mл11、Mл15、Mл17、Mл19系列产品以及阻尼材料MUN(MgΟ0.15ZnΟ5.5ZrΟ0.58CΟ0.04Y),在变形镁合金中发展了MA8、MA11、MA12、MA15、MA19、MA20以及导声材料MA17超轻材料MA18等。

考虑到成本因素,稀土镁合金中的稀土元素以混合稀土(富Nd、富Ce、富La、Y)形式加入。随着稀土镁合金应用要求的不断扩大,开发研制了越来越多的单一或混合重稀土镁合金。欧洲国家开发的MgΟ20%Gd、MgΟ20%Tb耐热镁合金,其抗拉强度在250℃为280～320M Pa,与WE系合金和铝合金相比又有了大幅度提高。MgΟ10%Gd(或Dy)Ο3% NdΟZr合金,由于高温强度好,具有比AZ91D合金更好的耐蚀性,已成为有希望应用于汽车发动机零件的新合金。目前,正在积极开发的还有MgΟScΟMnΟZr和MgΟScΟMnΟGd(Tb)ΟZr合金。日本紧随欧美步伐,相继仿制出与欧美最新研究成果大致相同的MC8(EZ33A)、MC9(Q E22A)、MC10 (ZE41A)等镁稀土合金,同时积极研制汽车工业用稀土镁合金。1999年开发出超高强度的IM MgΟY 系变形镁合金材料,以及可以冷压加工的合金板材。2001年开发出晶粒尺寸为100～200nm的高强镁合金MgΟ2%YΟ1%Zn(即Y和Zn的原子分数分别为2%和1%),其强度为超级铝合金的3倍,并具有超塑性、高耐热性和高耐蚀性[1]。

近年,我国的稀土镁合金也有了很大发展,在铸造镁合金中开发了ZM2、ZM3、ZM4、ZM6以及ZM8等系列产品,在变形镁合金中开发了MB8、MB22、MB25以及在MB25基础上用富Y混合稀土代替高品位Y的MB26。东北轻合金加工厂研制开发成功的含Nd、含Gd代号为122和127合金的两种耐热高强稀土变形镁合金,其室温强度比MA13和HM21要高得多,且300℃下的高温强度与MA13、HM21相当,已在国防军工上获得广泛应用[2]。

目前,上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心开发出阻燃效果和力学性能良好的轿车用阻燃镁合金。湖南大学、中南大学等采用快速凝固粉末冶金、高挤压比及等通道角挤(ECA E)等方法使镁合金晶粒高度细化,从而开发出具有高强度、高塑性甚至超塑性的高强、高韧镁合金如MgΟ(5～8) Al-(1～2)ZnΟ(0.5～2)M(M=Pr、Nd、Ce、Y)。快速凝固镁合金因其微观组织结构的均匀化和弥散沉淀相的形成,提高了合金的抗腐蚀能力,如快速凝固MgΟ5AlΟ2ZnΟ2Y合金是已知镁合金中抗腐蚀性能最高的合金[3]。同时高性能的含Sc镁合金也正在积极开发之中。

3　稀土镁中间合金的制备

在各种稀土镁合金的制备中,考虑到稀土元素熔点高、活性大的特点,故应以中间合金的形式加入。目前,生产的稀土镁中间合金有MgΟMM、MgΟCe、MgΟLa、MgΟNd、MgΟY、MgΟSc。

高价位曾限制了稀土镁合金在我国民用工业中的应用,从而使其优良的综合性能难于在材料开发中得到充分发掘和体现。随着我国稀土工业的发展,各种稀土氧化物的价格大为降低,而稀土镁合金的生产工艺成为影响其价格成本的主要因素。国内传统的稀土镁合金生产工艺为直接采用稀土金属的对渗法,稀土烧损严重、收率低,且整个合金生产工艺存在重叠环节,故能耗和原材料消耗均较高,导致生产成本居高不下。

目前,国内外均在积极开发稀土镁中间合金的生产新工艺,归纳起来主要有熔盐电解法和熔融热还原法。

3.1　熔盐电解法

熔盐电解法生产稀土镁合金生产工艺中所采用的熔盐,主要有氯盐体系和氟化物混合盐体系。

韩学印[4]研究采用氯化物熔融盐体系(KClΟCeCl3)电解共析法生产MgΟCe合金。国外报道,采用NdCl3ΟKCl(CaCl2)体系电解共析法生产MgΟNd 合金,工艺简单,易于批量生产,有利于降低产品成本。但由于氯盐易吸水形成氯氧化物,从而影响电流效率,情况严重时甚至使电解过程中断。中科院长春应用化学所研究在氯化物熔融盐体系(KClΟNaCl、RECl3)中,采用下沉液态阴极电解法制备稀土镁中间合金,所需电解温度较低[5]。

北大西洋公约组织(NA TO)在民用项目开发中,将高性能MgΟNd合金作为开发重点,项目主要

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