变形镁合金应用研究与发展

０％，
１．２国内变形镁合金应用
在我国，已将镁合金的应用列入２ ｌ世纪重点发展研究课题，变形镁合金的研究与应用 取得了很大进展。西安航空制动科技公司研制的飞行器用镁合金仪器舱和尾舱已批量生产， 成功研制出Ｚ Ｍ一６镁合金导弹舱体，“伊尔一７ ６”机轮用镁合金实现了国产化。中北大学开 发的镁合金赛车轮毂已批量装车，联想和华硕也部分采用镁合金外壳。但由于缺少高性能 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，在民用领域 的应用则更少。 作为支柱产业的航空航天、汽车、电子等的飞速发展，为变形镁合金的应用带来巨大的 潜力。现代战争形势对武器装备减重的迫切需求，交通运输工具的轻量化及节能减排的动 力，电子器材薄壁轻量化的发展要求，都为变形镁合金开发应用提供了难得的机遇。图表 ｌ为变形镁合金应用部分示例和主要的成形方式。 表１变形镁合金应用需求及成形方式
２。５ Ｍ Ｎ压力枕上实现了ｌ
８英寸镁会金轮毂的成形，减小了设备、
模具的投入，降低了生产成本。
开发的１３ｘ８、１３ｘ１０镁合金赛车轮毂，在囡内首次批量应用；开发的１４ｘ６、１７ｘ７、１８ｘ８． ５镁合金轿车轮毂，已通过台架考核。成形的镁合金液桥框架、弹体、散热框架、负重轮等 军工零件在ｌ ３种装备上获得应用。
Ｎ Ｇ Ｖ《新一代交通正兵）”计捌，其总俸目标是要生产
出每百公里耗油量３ Ｌ的６人载客汽车，且整车至少８ ０％以上的部件可以回收再利用。德国 大众公司称，在未来５年内，每辆汽车上的用镁量将达到６０～８０Ｋｇ，在未来１０年内，每辆
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汽车上的用镁量可以达到ｌ
７ ８Ｋｇ。
９ ９
亚洲国家近年来更侧重于镁合金在“３ Ｃ”产品上的应用。ｌ
目前镁合金在Ｒ／Ｍ状态具有较好的疲旁眭能，ＭＢ２５的Ｒ状态最大疲劳强度（Ｋ＝０．７，Ｒ＝０．
１）２４２ＭＰ。但Ｒ状态的抗拉强度无法满足环境要求
耐蚀性能是镁合金在水、气环境下应用的重要评价指标。引起镁合金耐蚀性能较差的原 因主要有两个：一是由于杂质或第－－＂丰ｆ１的存在而引起的合金内部的晶间腐蚀。二是由于镁 合金表面形成的氧化膜比较疏松，尽管该氧化膜类似钝化膜，但其ＰＢ比为０．８４＜１，起不 到有效的保护作用。 镁合金在潮湿环境中的腐蚀主要是由于一些杂质的存在，危害最大的杂质主要是Ｆ
Ｎｉ、Ｃ
ｅ、
ｕ等。这些杂质及其化合物在腐蚀环境中充当微小的阴极，他们与镁基体阳极之间就
构成了微电池。目前镁合金防腐的最有效的工作是在其表面通过化学或物理的方法镀覆耐 蚀性好的保护层。
２．３较高的生产成本难以在民品推广应用
生产成本是变形镁合金在民用领域应用的关键因素之一。镁合金塑性变形的难度大， 加之成形工艺的不成熟，尚缺少专用的成形设备，工程化应用生产线尚未建立并应用，都 是导致生产成本较高的原因。 有３个航空航天器制造企业、７个镁材生产企业、２个研究院、７所大学参与的欧盟 “ＡＥＲＯＭＡＧ”研究计划，对现行变形镁合金的加工性能、成形工艺、表面处理、燃烧性能、 连接工艺与结构性能等作的评价结果表明：没有一个镁合金的各项性能可全面与５ ２０２４一Ｔ３铝合金相抗衡。
作者： 作者单位： 张治民 中北大学镁基材料深加工教育部工程研究中心
本文链接：/Conference_7456497.aspx
应用领域 零件举例 成形方式
航空航天 国防军工 兵器 汽车 自行车
３ｃ产品
各种壁板、发动机量、盖板、副翼及蒙 皮等 枪托架、追击炮基板、底板炮手站台、
负重轮、弹体等
冲压、锻造 挤压、锻造
挤压、锻造
座椅、窗框、底盘框、车轮等 车门、量盖、护板、顶板、仪表盘等 车架、轮圈、座管、把手、曲柄等 手机外壳、相机外壳等 手提箱、折叠椅、梯子、打印纸卷轴、 记录磁盘、背包架等
交通运输
轧制：冲压 挤压、锻造 冲压、冲锻 多种方法
电脑、手机 体育器材 办公器具 家庭工具
其他领域
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二、制约应用的主要问题
２．１较低的力学性能难以作为承力构件应用
力学性能是构件设计、评价、应用的最基本指标。航空航天器镁合金的结构要求为：抗 拉强度４５０ＭＰａ，屈服强度３５０ＭＰａ，延伸率１ ６～１ ８％，疲劳强度（Ｋ＝１，Ｒ＝０．１）１４０ＭＰａ。 目前性能较好的ＭＢ７挤压棒材抗拉强度为３８０ＭＰａ，屈服强度为２７５ＭＰａ，延伸率仅为７％ｌ ＭＢ８板材Ｒ／Ｍ状态的延伸率可达ｌ ７％，但其抗拉强度和屈服强度仅为２５０ＭＰａ左右和１ ５０ＭＰａ 左右。 疲劳是各种工程构件在服役期间的主要失效形式之一。作为一种新型工程结构材料，对 镁合金疲劳行为的研究远没有对其他工程结构材料研究得那么深入，目前的研究工作主要 集中在合金的宏观循环变形行为、寿命行为及疲劳断裂行为方面，且仅是一些试验性的结论。
３．３
加快镁合金塑性交形工艺及装备开发
理论上来说，用于铝合金的锻造，挤压、，Ｌ帝ｌｊ、冲压等塑性成形工艺都适用于镁合金。 健由于密排六方品格鳇镁会金塑性差，对工艺参数的控制要求蔓苛刻。目前，挤压已用于 棒、管、型材成形，提高精度是研究重点，板材连铸连轧工艺已开发并应用，成品率低、性 能不稳定问题有待解决ｔ各种形状零件锻造已有研究，批量生产尚未见报道ｔ镁合金的冲 压也已有研究应用，都处予试验室阶段。一些新工艺如差温拉深、等温锻造、超塑性成形 等已被发展和应用。 近年来，研究开发了铸态镁合金阶梯温度成形技术，解决了镁合金高温成形性能低、低 温无法成形的问题，提高了产品性能・提出了去除‘高应力区’挤压技术，大幅改善了构 件承力部位变形均匀性，提高了构件疲劳性能・研制的镁合金车轮挤旋成形装置，实现了 复杂构件近净成形。在ｌ
０ ８
３及
三、促进应用的解决途径及措施 ３．１加强镁合金塑性变形基础理论研究
目前，有关镁合金的塑性变形机理还不十分清楚，还不能对所有温度区间和应变速率下
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其变形行为进行完整酶解释。很多学者提出了多种不同的理论模型来瓣释镁合金的变形行 为。但是其试验结果与其解释并不一致。目前主要存在如下三种观点。ａ。早期的研究认为位 错攀移是镁合金塑性变形的机理。ｂ．采用Ｆ Ｃ。Ｆｒｉｅｄｅｌ—Ｅｓｃａｉｇ视理。 在变形镁合金强韧化行为及机理方面，以细晶强化、固溶强化以及析出强化为基础，逐 步发展了会金元素优化、热处理、形变强化、机械合金化等手段来提赢镁合金的力学性能， 其中通过变形细化晶粒提高镁合金的强韧性成为重要的方向。 近年来，系统研究了镁合金变形力学和强韧化行为，探讨了镁合金塑性变形强韧化机 制。发现变形参数对镁合金力学性能豹影嗡存在极擅区，通过位错、零晶、晶界的合理医 配，实现了镁合金最佳强韧化。为变形镁合企成形工艺开发，应用研究奠定了基础。
１．１国外变形镁合金应用
国外在变形镁合金应用方颟已开展了大量研究。美国Ｌ．Ｇａｉｎｅｓ等人在ｌ ９９６年就变形镁 合金在汽车上的应用向政府提交了专ｆＩ】报告，并在Ａ ｒｇｏｎｎｅ国家实验室和Ｖｏｌｖｏ公司开展了 一系列研究，推动了北美地区变形镁含金在汽率上的应用。美国３大汽车集团（通用、福 特、克菜斯勒）与能源部签署了“Ｐ
变形镁合金应用研究与发展
张治民
中珐文学镬基材耩深加慕教言部文程研究中心
摘要：综述目前国内外变形镁合金应用现状的基础上，分析了变形镁合金的应用需求。
针对镁合金较低的力学性能、较差的耐蚀性能和较高的生产成本等制约其应用的主要问题， 提出了镁合会塑牲变形基础理论、变形镁合金材料、工艺及装备研究方向和重点。并介绍
ｒｉｅｄｅｌ
交滑移模型解释镁合金的塑性变形机理。
３。２加大新型变形镁合金材料研发
目前比较成熟的合金体系较少，主要有Ｍｇ－Ａ１－Ｚｎ、Ｍｇ－Ｚｎ—Ｚｒ、Ｍｇ—Ｚｎ—Ｍｎ等系合 金。近年来，通过对常规体系合金的成分进行优化，或在变形镁合金中添加微量合金元素， 特别是碱士元素和稀土元素，或献稀士元素佟为主加无素，大嚷提高变形镁合金的强韧性， 开发了一系列高强度变形镁合金体系。主要有Ｍｇ—Ａ１～Ｚｎ＋碱土元素、Ｍｇ—Ｚｎ—ＲＥ—Ｚｒ系、 Ｍｇ－ＲＥ系。我国拥有丰富的稀土资源，因此研究开发以Ｇｄ、Ｙ、Ｄｙ、Ｎｄ等稀士元素作为 主加元素的变形镁合金材料，也成为了变形镁合金的研究重点。 针对应用需求，联合银光镁业（集团）有限公司，开发了ＡＺ９１Ｘ、ＡＺ８０＋、Ｍｇ－Ｚｎ－ＲＥ 等新型会金材料。如Ａｚ９ｌＸ铸造合金：Ｒ。≥３７０ＭＰａ，Ｒ。。，》１７０ＭＰａ、蠕变量≤０。１５％ （１５０℃、５０ＭＰａ、１００ｈ）Ｉ ＡＺ８０＋合金经变形后：Ｒ。》３５０ＭＰａ、Ａ≥１０％。促进了高强、耐 热、耐蚀变形镁合金的研制和应用。
了镁基材料深加工教育部工程研究中心近年来开展的主要工作和取得的进展。
一、变形镁合金应用及需求
金属镁约占地壳臻量的２．３ ５％，储量丰富。镁合金密度小，是迄今在工程中应用的最 轻结构材料，同时具有一系列优良性能，被誉为“２ １世纪的绿色工程金属结构材料”。然而， 现有使用状况远没有充分发撵镁合金潜在优势，在实际王业应用方面的发展远不及铝合金 和钢铁工业。正如著名材料专家Ｃ ａ ｈ １２所指出的：“在材料领域中还没有任何材料像镁那样存 在潜力与现实如此大的颠倒”。 根据加王方式的不同，镁合金主要分为铸造镁会金与变形镁会金两大类。与铸态材料相 比，通过变形可生产尺寸多样的板、棒、管、型材及锻件产品，并可通过材料组织的控制 和热处理工艺的应用，获得比铸造镁合金更高的强度，更好的延展性，更多样化的力学性 能，可满足燹多结构件的需要。国际镁协会（１ＭＡ）２０００年已经提出：研发新型变形镁合金， 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，是发展镁合金材料最重要、最 具挑战性且最长远的目标和诗翔。
８年以后日本所有的笔记
本电脑厂商均推出镁合金外壳机型，目前３ ８ｃｍ以下的机种已全面使用镁合金作为外壳。近 年，日本通过了“家电回收法”以限制工程塑料的使用，率先将镁合金用于制造笔记本电 脑、移动电话、摄像机、数码相机，并正在计划将其推广到电视、投影仪、音响等电子和 通信器材上。 ２００５～２００８年，欧盟在ＰＦ６框架内进行了一个名为“ＡＥＲＯＭＡＧ”的研究计划，其战略 目标为：飞行能力或容量提高ｌ ０％，直接生产成本减小ｌ ０％，最后达到燃料消耗下降ｌ 同时相应地降低排放物与噪声对环境的污染。