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研究生文獻(xiàn)閱讀報(bào)告學(xué) 院：機(jī)械工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)方向：高強(qiáng)度鎂合金姓 名：指導(dǎo)教師：20122013學(xué)年 下學(xué)期評(píng) 分 ： 年 月 日高強(qiáng)度鎂合金發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì) 第1章 緒論11 鎂的特性1.1.1 鎂的物理化學(xué)性質(zhì)性質(zhì)【1】 1】鎂屬于元素周期表上的IIA（第二主族）族堿土金屬元素。具有銀白色光澤，略有延展性。鎂的密度小，離子化傾向大。在空氣中，鎂的表面會(huì)生成一層很薄的氧化膜，使空氣很難與它反應(yīng)。鎂和醇、水反應(yīng)能夠生成氫氣。粉末或帶狀的鎂在空氣中燃燒時(shí)會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的白光。在氮?dú)庵羞M(jìn)行高溫加熱，鎂會(huì)生成氮化鎂（Mg3N2）；鎂也可以和鹵素發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)；鎂也能直接與硫化合。鎂的檢測(cè)可以用EDTA滴定法分析。鎂具有比較強(qiáng)的還原性，能與沸水反應(yīng)放出氫氣，燃燒時(shí)能產(chǎn)生眩目的白光，鎂與氟化物、氫氟酸和鉻酸不發(fā)生作用，也不受苛性堿侵蝕，但極易溶解于有機(jī)和無(wú)機(jī)酸中，鎂能直接與氮、硫和鹵素等化合，包括烴、醛、醇、酚、胺、脂和大多數(shù)油類(lèi)在內(nèi)的有機(jī)化學(xué)藥品與鎂僅僅輕微地或者根本不起作用。但和鹵代烴在無(wú)水的條件下反應(yīng)卻較為劇烈（生成格氏試劑）鎂能和二氧化碳發(fā)生燃燒反應(yīng)，因此鎂燃燒不能用二氧化碳滅火器滅火。鎂由于能和N2和O2反應(yīng)，所以鎂在空氣中燃燒時(shí)，劇烈燃燒發(fā)出耀眼白光，放熱，生成白色固體。在食醋中的變化為快速冒出氣泡，浮在醋液面上，逐漸消失。一些煙花和照明彈里都含有鎂粉，就是利用了鎂在空氣中燃燒能發(fā)出耀眼的白光的性質(zhì)。1.1.2 鎂的力學(xué)性能鑄造狀態(tài)的鎂的力學(xué)性能較低，常溫下其抗拉強(qiáng)度為80110MPa，伸長(zhǎng)率為6%8%，彈性模量為45GPa，泊松系數(shù)為0.33。1.2 鎂綠色材料1.2.1 豐富的鎂資源全球鎂資源十分豐富，鎂在地殼中的含量為2.35%，總儲(chǔ)量估計(jì)為100億t以上。海水中的鎂含量為0.14%，全世界海水中的含鎂量估計(jì)為61013kt。主要的含鎂礦物有：菱鎂礦（MgCO3），白云石（MgCO3CaCO3），光鹵石（MgCl2KCl6H2O），水氯鎂石（MgCl26H2O）和蛇紋石（3MgO2SiO22H2O）等。世界上所利用的鎂鹽礦物原料主要是菱鎂礦和白云石，其次為海水苦鹵、鹽湖鹵水及地下鹵水。我國(guó)是世界上鎂資源最為豐富的國(guó)家之一，鎂資源礦石類(lèi)型全，分布廣，總儲(chǔ)量占世界的22.5%，居世界第一：菱鎂礦儲(chǔ)量居世界首位，已探明菱鎂礦儲(chǔ)量34億噸，占世界菱鎂礦總儲(chǔ)量的28.3%；原鎂產(chǎn)量居于世界第一位，占世界總產(chǎn)量的70%多。我國(guó)含鎂白云石礦豐富，白云石資源遍及我國(guó)各省區(qū)，特別是山西、寧夏、河南、吉林、青海、貴州等省區(qū)，現(xiàn)已探明儲(chǔ)量40億噸以上；我國(guó)4大鹽湖區(qū)鎂鹽礦產(chǎn)資源的遠(yuǎn)景儲(chǔ)量達(dá)數(shù)十億噸其中，柴達(dá)木盆地內(nèi)大小不等的33個(gè)鹵水湖、半干涸鹽湖和干涸鹽湖，蘊(yùn)藏著儲(chǔ)量占全國(guó)第一位的鎂鹽資源；我國(guó)海域水中的鎂合金達(dá)到0.13。1.2.2 性能特點(diǎn)2-9 （1）鎂合金密度小但強(qiáng)度高、剛性好。在現(xiàn)有工程用金屬中，鎂的密度最小，是鋼的1/5，鋅的1/4，鋁的2/3。普通鑄造鎂合金和鑄造鋁合金的剛度相同，因而其比強(qiáng)度明顯高于鋁合金。鎂合金的剛度隨厚度的增加而成立方比增加，故而鎂合金制造剛性好的性能對(duì)整體構(gòu)件的設(shè)計(jì)十分有利。（2）鎂合金的韌性好、減震性強(qiáng)。鎂合金在受外力作用時(shí)，易產(chǎn)生較大的變形。但當(dāng)受沖擊載荷時(shí)，吸收的能量是鋁的1.5倍，因此，很適合應(yīng)于受沖擊的零件車(chē)輪；鎂合金有很高的阻尼容量，是避免由于振動(dòng)、噪音而引起工人疲勞等場(chǎng)合的理想材料。（3）鎂合金的熱容量低、凝固速度快、壓鑄性能好。鎂合金是良好的壓鑄材料，它具有很好的流動(dòng)性和快速凝固率，能生產(chǎn)表面精細(xì)、棱角清晰的零件，并能防止過(guò)量收縮以保證尺寸公差。由于鎂合金熱容量低，與生產(chǎn)同樣的鋁合金鑄件相比，其生產(chǎn)效率高40%50%，且鑄件尺寸穩(wěn)定，精度高，表面光潔度好。（4）鎂合金具有優(yōu)良的切削加工性。鎂合金是所有常用金屬中較容易加工的材料。加工時(shí)可采用較高的切削速度和廉價(jià)的切削刀具，工具消耗低。而且不需要磨削和拋光，用切削液就可以得到十分光潔的表面。（5）鎂資源豐富，價(jià)格廉美。如前所述，世界鎂資源豐富且隨著科技的日益發(fā)展，原鎂的成本也快速下降，價(jià)格也不斷降低。綜上所述，鎂資源豐富，鎂合金有其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料并且易回收，因此，鎂被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”。第2章 鎂合金的發(fā)展概況2.1 鎂及鎂合金發(fā)展簡(jiǎn)史【10-12】 10-12】1808年,科學(xué)家戴維以汞為陰極電解氧化鎂,在人類(lèi)歷史上第一次制取了金屬鎂。19世紀(jì)30年代,法拉第第一次通過(guò)電解氯化鎂得到了金屬鎂。第一次世界大戰(zhàn)開(kāi)始之前,法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和加拿大都實(shí)現(xiàn)了鎂的工業(yè)生產(chǎn),但產(chǎn)量有限,大約年產(chǎn)量幾百?lài)?主要用于軍事方面。 19世紀(jì)80年代,才由德國(guó)首先建立工業(yè)規(guī)模上的電解槽,電解無(wú)水光鹵石生產(chǎn)氯化鎂,從此開(kāi)創(chuàng)了電解法煉鎂的工業(yè)化時(shí)代。后經(jīng)不斷在工藝和設(shè)備方面的改進(jìn),直到目前世界上采用的就是這種電解法。 電解法煉鎂的原理是在高溫下電解熔融的無(wú)水氯化鎂,使之分解成金屬鎂和氯氣。高溫情況下水對(duì)熔鹽性質(zhì)的影響是致命的,因此,高純度的無(wú)水氯化鎂是電解法制鎂關(guān)鍵所在。依據(jù)所用原料及處理原料的方法不同,電解法煉鎂又可細(xì)分為以下幾種具體的方法:道烏法、氧化鎂氯化法、光鹵石法、AMC法、諾斯克法。 電解法因?yàn)槠渖a(chǎn)工藝先進(jìn),能耗較低的優(yōu)點(diǎn),是一種極具發(fā)展前景的煉鎂方法。目前,發(fā)達(dá)國(guó)家80%以上的金屬鎂是通過(guò)電解法生產(chǎn)。 由于金屬鎂的需求越來(lái)越大,電解法生產(chǎn)金屬不能夠滿(mǎn)足鎂的需求,因此催生了金屬鎂的熱還原法冶煉。第二次世界大戰(zhàn)期間,熱還原法生產(chǎn)鎂的技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)。 使用硅作為還原劑還原氧化鎂實(shí)現(xiàn)于1924年,但此時(shí)還未應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。第二次世界大戰(zhàn)期間,意大利科學(xué)家發(fā)明了在真空高溫爐內(nèi)用硅鐵還有白云石生產(chǎn)鎂的工藝;同期,奧地利科學(xué)家發(fā)明了用碳直接還原氧化鎂來(lái)生產(chǎn)鎂的亨氏格技術(shù)。第二次世界大戰(zhàn)以后,這些工藝用于工業(yè)化生產(chǎn)。 1941年加拿大教授L.M.皮江在渥太華建立了一個(gè)以硅鐵還原煅燒白云石煉鎂的試驗(yàn)工廠,獲得了成功。1942年加拿大在安大略省的哈雷建成世界上第一座皮江法生產(chǎn)的硅熱法廠(年產(chǎn)量5000t),并取得成功成為煉鎂的第二大方法。為了紀(jì)念這位科學(xué)家的卓越成就,特命名為“皮江法”;又由于用硅鐵作還原劑高溫?zé)掓V,故又稱(chēng)為“硅熱法”。皮江法經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn),成為熱還原法中使用最廣泛的方法,也是目前世界上生產(chǎn)鎂的主要方法之一。 皮江法煉鎂的實(shí)質(zhì)是在高溫和真空條件下,有氧化鈣存在時(shí),通過(guò)硅(或鋁)還原氧化鎂生成鎂蒸氣,與反應(yīng)生成的固體硅酸二鈣(2CaOSiO2)相互分離,并經(jīng)冷凝得到結(jié)晶鎂。該工藝過(guò)程可分為白云石煅燒、原料制備、還原和精煉四個(gè)階段。2.2 國(guó)內(nèi)外鎂合金發(fā)展現(xiàn)狀【13-16】 13-16】近年來(lái),北美、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼加大了對(duì)鎂合金開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究的投入。鎂合金應(yīng)用和研究重點(diǎn)開(kāi)始從宇航和兵工等領(lǐng)域擴(kuò)展到民用高附加值產(chǎn)業(yè)(如汽車(chē)、電腦、通信和家電等) 。特別是由于節(jié)能和環(huán)境保護(hù)的要求,汽車(chē)將成為鎂合金應(yīng)用的重要領(lǐng)域。據(jù)報(bào)道9 ,使用鎂合金結(jié)構(gòu)件每輛汽車(chē)有減重150kg 的潛力,圍繞鎂合金材料的開(kāi)發(fā),爭(zhēng)奪國(guó)際商業(yè)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。為此,美國(guó)、德國(guó)、澳大利亞、日本等國(guó)都相繼出臺(tái)了各自的鎂研究計(jì)劃 。例如,美國(guó)的Rheo2molding 項(xiàng)目重點(diǎn)是研究鎂合金件生產(chǎn)新工藝,并取得了一系列成果; 德國(guó)1997 年由聯(lián)邦政府出資2500 萬(wàn)馬克的MADICA (Magnesium Die Casting)鎂合金研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃,主要研究壓鑄鎂合金工藝、快速原型化與工具制造技術(shù)、切削加工技術(shù)、連接技術(shù)和半固態(tài)成形工藝,并將鎂合金應(yīng)用于諸如汽車(chē)、計(jì)算機(jī)、航空航天等領(lǐng)域,從而提高德國(guó)在鎂合金應(yīng)用方面的能力。1995 年“澳大利亞鎂研究與發(fā)展計(jì)劃”(簡(jiǎn)稱(chēng)AMRDP) 的協(xié)作研究項(xiàng)目由昆士蘭金屬公司、聯(lián)邦政府和昆士蘭州政府聯(lián)合實(shí)施旨在發(fā)展鎂金屬制品的工業(yè)技術(shù)。目前, 世界各國(guó)正在加大鎂及鎂合金的生產(chǎn)。1999 年世界鎂的消耗在40 萬(wàn)噸左右,預(yù)期在2005 年以前將達(dá)到55 萬(wàn)噸。鎂合金公司(MAC) 正在剛果投資5. 14 億美元,建成一家世界上最大的年產(chǎn)6 萬(wàn)噸的壓鑄鎂合金廠,并計(jì)劃于2003 年建成投產(chǎn)。澳大利亞目前有9 個(gè)鎂項(xiàng)目正在研究和發(fā)展建設(shè)中。另外,以色利、日本、德國(guó)、英國(guó)、荷蘭、俄羅斯等國(guó)家也已完成建新廠或正在擴(kuò)大已有工廠的生產(chǎn)能力。為了降低轎車(chē)自重以減少汽油消耗,提高轎車(chē)的使用性能,各大汽車(chē)公司對(duì)鎂合金在汽車(chē)中的應(yīng)用研究投入了極大的熱情 ,紛紛積極投資鎂合金冶煉基地,確保原材料的供應(yīng)。世界頭號(hào)汽車(chē)公司美國(guó)通用汽車(chē)公司與世界上第二大鎂業(yè)公司挪威Norsk Hydro 鎂業(yè)公司達(dá)成協(xié)議,就增加鎂合金在汽車(chē)上的應(yīng)用進(jìn)行期合作,Norsk Hydro 鎂業(yè)公司將穩(wěn)定地長(zhǎng)期向通用汽車(chē)公司提供所需鎂合金和鎂合金零部件。鎂合金在電子器件中應(yīng)用的增長(zhǎng)就更快,日本松下、NEC、SON Y以及歐洲、美國(guó)、臺(tái)灣等著名公司已經(jīng)用鎂合金制造便攜式電腦、手提電話、攝錄像機(jī)殼體,顯示出了極強(qiáng)的竟?fàn)幜?。我國(guó)目前在鎂工業(yè)方面擁有三項(xiàng)“世界冠軍”。第一是鎂資源大國(guó),儲(chǔ)量居世界首位。在青海鹽湖蘊(yùn)藏著氯化鎂32 億噸,硫酸鎂16 億噸。在遼寧、山西、寧夏、內(nèi)蒙、河南等省區(qū)菱鎂礦均有很大儲(chǔ)量,僅遼寧大石橋一帶的儲(chǔ)量就占世界菱鎂礦的60 %以上,礦石品位高達(dá)40 %。第二是原鎂生產(chǎn)大國(guó),2003 年我國(guó)共生產(chǎn)原鎂3514 萬(wàn)噸,約占全球總產(chǎn)量的67 %。第三是出口大國(guó),年產(chǎn)量80 %以上的鎂出口到國(guó)際市場(chǎng)。盡管如此,我國(guó)的鎂工業(yè)還存在著不少問(wèn)題,主要表現(xiàn)在:1) 原鎂生產(chǎn)技術(shù)比較落后,質(zhì)量不夠穩(wěn)定,鎂錠中的夾雜物和有害元素含量大大超標(biāo),難以滿(mǎn)足壓鑄、板材軋制和沖壓等高端產(chǎn)品的生產(chǎn)需求;2) 出口產(chǎn)品絕大多數(shù)是廉價(jià)的純鎂錠,鎂合金出口比重只有15 %左右,鎂合金制品出口則更是微乎其微,因此出口利低效益差,而對(duì)于軍工生產(chǎn)所需求的高性能鎂合金板材和型材還需要從俄羅斯進(jìn)口;3) 原創(chuàng)性的研究成果缺乏,目前出口的所有鎂合金錠幾乎全部按照國(guó)外的牌號(hào)生產(chǎn),而且在鎂合金產(chǎn)品加工中的關(guān)鍵技術(shù)和裝備大部分依靠進(jìn)口。中國(guó)鎂合金產(chǎn)品的生產(chǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀是,鎂合金的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)被許多企業(yè)所認(rèn)識(shí),在汽車(chē)、摩托車(chē)和3C 產(chǎn)業(yè)中鎂合金已經(jīng)開(kāi)始獲得應(yīng)用,用戶(hù)汽、一汽、二汽、奇瑞、隆鑫、海爾等,例如,一汽鑄造有限公司AM50 鎂合金方向盤(pán)骨架;鎂合金壓鑄迅速增長(zhǎng),臺(tái)灣、香港和大陸投資的鎂壓鑄廠分布在幾乎全國(guó)各地,各種壓鑄機(jī)數(shù)量超過(guò)50 臺(tái);變形鎂合金加工開(kāi)始起步。2000 年3 月,科技部啟動(dòng)了“鎂合金開(kāi)發(fā)應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化”的前期戰(zhàn)略研究,并于2001 年8 月正式通過(guò)項(xiàng)目論證,將該項(xiàng)目列為“十五”國(guó)家科技攻關(guān)重大項(xiàng)目,國(guó)家投入經(jīng)費(fèi)4000 余萬(wàn),全國(guó)共21 個(gè)省市區(qū)的4 個(gè)研究院所、7 所高校、20 多家企業(yè)直接參與了項(xiàng)目實(shí)施,最終目標(biāo)是充分發(fā)揮我國(guó)的鎂資源優(yōu)勢(shì),通過(guò)技術(shù)集成創(chuàng)新和機(jī)制與體制創(chuàng)新,加強(qiáng)鎂合金應(yīng)用開(kāi)發(fā),建立具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的鎂合金高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)群,將鎂資優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。在“863”計(jì)劃中,開(kāi)展了耐熱鎂合金、變形鎂合金、高強(qiáng)高韌鎂合金及其應(yīng)用技術(shù)研究。2.3 鎂合金存在的問(wèn)題及其發(fā)展趨勢(shì)【17-21】 17-21】 鎂合金面臨的問(wèn)題： （1）易燃性，鎂元素與氧元素具有極大的親和力，其在高溫下甚至還處于固態(tài)的情況下，就很容易與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，放出大量熱，且生成的氧化鎂導(dǎo)熱性能不好，熱量不能及時(shí)發(fā)散，繼而促進(jìn)了氧化反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，形成了惡性循環(huán)，而且氧化鎂疏松多孔，不能有效阻隔空氣中氧的侵入。（2）室溫塑性差，鎂屬于密排六方晶體結(jié)構(gòu)，其在室溫下只有1個(gè)滑移面和3個(gè)滑移系，因此它的塑性變形主要依賴(lài)于滑移與孿生的協(xié)調(diào)動(dòng)作，但鎂晶體中的滑移僅發(fā)生在滑移面與拉力方向相傾斜的某些晶體內(nèi)，因而滑移的過(guò)程將會(huì)受到極大地限制，而且在這種取向下孿生很難發(fā)生，所以晶體很快就會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂。在溫度超過(guò)250時(shí)，鎂晶體中的附加滑移面開(kāi)始起作用，塑性變形能力變強(qiáng)。（3）耐蝕性差，鎂具有很高的化學(xué)活潑性，其平衡電位很低，與不同類(lèi)金屬接觸時(shí)易發(fā)生電偶腐蝕，并充當(dāng)陽(yáng)極作用。在室溫下，鎂表面與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，形成氧化鎂薄膜，但由于氧化鎂薄膜比較疏松，其致密系數(shù)僅為0.79，即鎂氧化后生成氧化鎂的體積縮小， 因此耐蝕性很差。（4）絕對(duì)強(qiáng)度偏低，尤其是高溫強(qiáng)度和高溫抗蠕變性能較差。鎂合金的發(fā)展趨勢(shì)： （1）耐熱鎂合金，耐熱性差是阻礙鎂合金廣泛應(yīng)用的主要原因之一,當(dāng)溫度升高時(shí),它的強(qiáng)度和抗蠕變性能大幅度下降,使它難以作為關(guān)鍵零件(如發(fā)動(dòng)機(jī)零件) 材料在汽車(chē)等工業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用。美國(guó)、日本、加拿大、以色列等國(guó)家均將耐熱鎂合金的研究開(kāi)發(fā)作為重要的突破方向 ,其目標(biāo)是在不大幅度提高成本的前提下,提高鎂合金150 - 250 下的高溫強(qiáng)度和蠕變性能,同時(shí),具有良好壓鑄性能和耐蝕性。目前最廣泛應(yīng)用的商業(yè)化AZ(Mg - Al - Zn)系、AM(Mg - Al - Mn) 系Mg - Al 基鎂合金的高溫蠕變性能較差,溫度高于150 后的拉伸強(qiáng)度迅速降低。為改善Mg - Al 基鎂合金的高溫性能,可以通過(guò)加入合金元素改善析出相的特性(晶體結(jié)構(gòu)、形態(tài)及熱穩(wěn)定性) 來(lái)提高其耐熱性能。RE 比Si 能更有效地增大Mg - Al 合金的蠕變強(qiáng)度,Mg - Al - RE 系的AE42 、AE41 鎂合金具有比AS 系鎂合金更高的蠕變強(qiáng)度,可以應(yīng)用于壓鑄【18】 18】。（2）耐蝕鎂合金，嚴(yán)格限制鎂合金中的Fe 、Cu、Ni 等雜質(zhì)元素的含量、控制Fe/ Mn 比,得到的高純鎂合金具有很好的耐蝕性,例如，高純AZ91HP 鎂合金在鹽霧試驗(yàn)中的耐蝕性大約是AZ91C 的100 倍,超過(guò)了壓鑄鋁合金A380 ,比低碳鋼還好得多鎂合金在熔煉澆注過(guò)程中容易發(fā)生劇烈的氧化燃燒。實(shí)踐證明,熔劑保護(hù)法和SF6 、SO2 、CO2 、Ar等氣體保護(hù)法是行之有效的阻燃方法,但它們?cè)趹?yīng)用中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染、降低合金性能并加大設(shè)備投資。（3）阻燃鎂合金，鎂合金在熔煉澆注過(guò)程中容易發(fā)生劇烈的氧化燃燒。實(shí)踐證明,熔劑保護(hù)法和SF6 、SO2 、CO2 、Ar等氣體保護(hù)法是行之有效的阻燃方法,但它們?cè)趹?yīng)用中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染降低合金性能并加大設(shè)備投資。 （4） 高強(qiáng)度鎂合金，日本東北大學(xué)金屬材料研究所開(kāi)發(fā)出了具有高強(qiáng)度、高延展性、耐熱、質(zhì)輕的鎂合金。這種鎂合金的強(qiáng)度至少是以往鎂合金的2. 5 倍,是目前世界上強(qiáng)度最高的鎂合金。這種鎂合金是在急速冷卻條件下將鎂、鋅和釔的金屬粉末按一定比例混合,用高壓擠壓而成,其中鎂、鋅、釔的原子數(shù)比例為9712 。這一構(gòu)成使新的鎂合金既具有高強(qiáng)度又富有延展性,在橫截面積為1mm2 的新型鎂合金絲上掛600kg 的重物也不會(huì)變形,其耐熱強(qiáng)度是目前鎂合金的2 倍以上,同時(shí)也特別易于加工。另外,經(jīng)過(guò)精煉加工后,還可把鎂從該合金中再單獨(dú)分離出來(lái),非常利于循環(huán)利用。預(yù)計(jì)這種鎂合金除廣泛用于家電產(chǎn)品外,還將在機(jī)器人、人造衛(wèi)星等要求材料既輕又結(jié)實(shí)的領(lǐng)域發(fā)揮巨大威力。 （5）變形鎂合金，雖然目前鑄造鎂合金產(chǎn)品用量大于變形鎂合金,但經(jīng)變形的鎂合金材料可獲得更高的強(qiáng)度,更好的延展性及更多樣化的力學(xué)性能,可以滿(mǎn)足不同場(chǎng)合結(jié)構(gòu)件的使用要求。因此,開(kāi)發(fā)變形合金,是其未來(lái)更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。新型變形鎂合金及其成型工藝的開(kāi)發(fā),已受到國(guó)內(nèi)外材料工作者的高度重視。美國(guó)成功研制了各種系列的變形鎂合金產(chǎn)品,如通過(guò)擠壓和熱處理后的ZK60 高強(qiáng)變形鎂合金,其強(qiáng)度及斷裂韌性可相當(dāng)于時(shí)效狀態(tài)的A17075 或A17475 合金,而采用快速凝固(RS) + 粉末冶金( PM) + 熱擠壓工藝開(kāi)發(fā)的Mg - Al - Zn 系EA55RS 變形鎂合金,成為迄今報(bào)道的性能最佳的鎂合金,其性能不但大大超過(guò)常規(guī)鎂合金,比強(qiáng)度甚至超過(guò)7075 鋁合金,且具有超塑性(300 ,436 %) ,腐蝕速率與2024 - T6 鋁合金相當(dāng),還可同時(shí)加人Si 、C、P 等增強(qiáng)相,成為先進(jìn)鎂合金材料的典范。日本1999 年開(kāi)發(fā)出超高強(qiáng)度的IMMg - Y系變形鎂合金材料,以及可以冷壓加工的鎂合金板材。英國(guó)開(kāi)發(fā)出Mg - AI - B 擠壓鎂合金,用于Magnox 核反應(yīng)堆燃料罐。以色列最近也研制出用于航天飛行器上的兼具優(yōu)良力學(xué)性能和耐蝕性能的變形鎂合金,法國(guó)和俄羅斯開(kāi)發(fā)了魚(yú)雷動(dòng)力源變形鎂合金陽(yáng)極薄板材料。第3章 高強(qiáng)度鎂合金發(fā)展現(xiàn)狀與面臨的問(wèn)題3.1 高強(qiáng)度鎂合金加工方法、發(fā)展現(xiàn)狀及成果（1）添加稀土元素強(qiáng)化鎂合金在鎂合金中, 稀土元素具有提高合金高溫強(qiáng)度及抗高溫蠕變性能和改善鑄造性能的作用, 因而從上世紀(jì)70 年代就開(kāi)始了添加稀土元素強(qiáng)化鎂合金的廣泛研究和應(yīng)用。如20 世紀(jì)70 年代, Pet terson G 提出在M g2A l 合金中加RE, 得到了較好的效果。后來(lái),DOW 化學(xué)公司開(kāi)發(fā)了實(shí)用的A E42 合金。90 年代，有研究指出, 在M g2A l 合金中加入1% 左右的RE會(huì)形成含RE 的化合物, 如A l14RE,A l11RE3或A l2RE相, 而沒(méi)有發(fā)現(xiàn)M g2RE 相或M g2RE2A l 相化合物, 說(shuō)明在RE 加入量較少時(shí), 稀土與鎂難以結(jié)合生成化合物, 但由于RE 與A l 結(jié)合生成RE2A l 化合物, 減少了A l 形成低熔點(diǎn)相M g17A l12 的數(shù)量, 有利于提高M(jìn) g2A l2RE 合金的蠕變性能因此具有很高的熱穩(wěn)定性。又如U n swo rthWm 等對(duì)M g28%Zn21. 5%RE鑄態(tài)組織進(jìn)行的研究結(jié)果表明, 含RE 的M g2Zn 合金中會(huì)產(chǎn)生高稀土含量的M g2Zn2RE 三元相。M g2Zn2RE 合金具有明顯的時(shí)效硬化特點(diǎn), 且在20 h 后才出現(xiàn)硬度峰值, 說(shuō)明RE 具有推遲過(guò)時(shí)效作用。再如有人在M g28%L i 合金中分別加入1%2% 的L a、Ce、N d, 經(jīng)過(guò)一定的均勻化處理后, 組織中的A相細(xì)化, 并產(chǎn)生M g17L a2、M g17Ce2 (或M g12Ce) 及M g3N d 等稀土鎂化合物。由于這些化合物具有較高的硬度, 因此使合金的硬度及強(qiáng)度提高。加RE 還可以提高M(jìn) g2L i 合金的再結(jié)晶溫度, 并促進(jìn)M g2L i 合金的時(shí)效硬化。由于資源和成本的原因, 目前主要以稀土Ce 或稀土Y 或富Ce 混合稀土的形式加入鎂合金。稀土Ce 在M g2A l 系合金中, 首先與A l 形成化合物A l11Ce3, 且分布于A2M g 晶界處。A l11Ce3 熔點(diǎn)為1200, 在A2M g 中的最大固溶度僅為0. 5% , 因而它是一種耐高溫的穩(wěn)定相; 同時(shí)由于消耗了一定的A l而減少了高溫軟化B相(A l12M g17 ) 的生成量, 隨著Ce的加入量增加, B相在晶界的連續(xù)性逐步減弱并有粒化的趨勢(shì)。而Ce 在M g2RE 系合金中則以共晶相M g12Ce 存在, 其共晶點(diǎn)為560, 且該相也為高溫硬化相, 同樣分布于A2M g 晶界處; 它們?cè)诰Ы缣幉粌H能阻止晶粒長(zhǎng)大, 而且還阻止了高溫下晶界遷移和減小擴(kuò)散性蠕變變形。通過(guò)上述兩方面的作用, 明顯地提高了鎂合金的高溫強(qiáng)度及其高溫穩(wěn)定性, 并隨著Ce含量的增加, 鎂合金的高溫性能也進(jìn)一步增加, 當(dāng)Ce含量達(dá)到0. 8% 時(shí), 高溫性能達(dá)到最佳狀態(tài), 其使用溫度可達(dá)到250。稀土元素Y 與鎂一樣, 同樣具有密排六方晶體結(jié)構(gòu), 原子半徑相近, Y 在鎂基固溶體中具有12. 0% 的固溶度; 在室溫條件下,M g 與Y 以M g24Y5 高溫強(qiáng)化共晶相化合物形式彌散分布于A2M g 晶內(nèi)和晶界處。所以M g2Y 合金具有很顯著的時(shí)效硬化特性, 時(shí)效溫度一般在200左右16 , 時(shí)效過(guò)程分為B B B(M g24Y5 ) 三個(gè)時(shí)期17, 18 。一方面,M g24Y5 分布在A2M g 晶內(nèi), 可以彌散強(qiáng)化基體; 另一方面,M g24Y5 分布于晶界, 可以阻止晶界滑移, 強(qiáng)化晶界, 進(jìn)而能有效地提高合金的高溫強(qiáng)度和抗高溫蠕變性能。近年來(lái), Y對(duì)鎂合金的有利作用越來(lái)越受到人們的重視, 并將M g2Y 系合金視為很有發(fā)展?jié)摿Φ囊活?lèi)耐高溫合金。其它的稀土元素還包括L a、P r、N d、Gd、Dy 等, 同樣也被應(yīng)用于鎂合金之中。其中N d 的作用尤為優(yōu)良, 由于其最大固溶度為3. 6% , 遠(yuǎn)大于Ce 的固溶度1. 6% , 以M g12N d 高溫穩(wěn)定共晶相存在, 所以其表現(xiàn)與Ce 不盡相同, 它不僅能提高鎂合金的高溫強(qiáng)度, 而且還能提高室溫強(qiáng)度。由于上述原因, 人們又開(kāi)發(fā)出了一些多元的稀土鎂合金如:M g2Y2N d2Zr 合金, 室溫度和抗高溫蠕變性都比其它鎂合金高些, 使用溫度可達(dá)300。稀土Gd、Dy 的原子半徑與鎂的更為接近, 所以它們?cè)阪V中的固溶度更大, 分別為23. 5% 和25. 8% , 且隨溫度的降低而降低, 具有比Y 更高的時(shí)效硬化特性, 其中尤以Gd 為甚。而L a 的作用最弱。由于稀土資源的原因, 對(duì)大部分稀土元素還缺乏廣泛的研究和應(yīng)用。我國(guó)盛產(chǎn)富Ce 和富P r 的混合稀土, 對(duì)它們予以開(kāi)發(fā)應(yīng)用是我國(guó)鎂合金發(fā)展的主要方向之一【21-22】 21-22】。（2）鎂基復(fù)合材料，以鎂合金為基材來(lái)制作復(fù)合材料所選增強(qiáng)體通常要求物理化學(xué)相容性好且避免增強(qiáng)體和基體合金之間界面的不利反應(yīng)。增強(qiáng)體的不同, 其界面反應(yīng)所起的作用也不同, 例如A l2O 3 會(huì)與M g 發(fā)生置換反應(yīng)生成M gO 化合物, 降低界面的潤(rùn)濕性和結(jié)合力, 所以鎂基復(fù)合材料中較少采用A l2O 3 短纖維、晶須或顆粒作為增強(qiáng)體。目前鎂基復(fù)合材料所采用的增強(qiáng)體主要為SiC、B4C、ZrO 2 或石墨的纖維、晶須、顆粒等。增強(qiáng)體在鎂合金中的存在, 增加了材料內(nèi)部的界面面積, 加強(qiáng)了晶界的強(qiáng)化作用且細(xì)化了A2M g 基體晶粒; 由于增強(qiáng)體與鎂基體的熱膨脹系數(shù)相差較大, 在復(fù)合材料的冷卻過(guò)程中, 界面處及近界面處將存在熱錯(cuò)配殘余應(yīng)力, 引起基體的塑性流變, 產(chǎn)生高密度位錯(cuò), 起到位錯(cuò)強(qiáng)化的作用。通過(guò)以上的強(qiáng)化機(jī)理, 鎂基復(fù)合材料便能比鎂合金具有更高的室溫強(qiáng)度、硬度、彈性模量和抗磨性。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道: 通過(guò)擠壓鑄造制備的含SiC 晶須(體積分?jǐn)?shù)為20% ) 的SiCwAZ91D 鎂基復(fù)合材料, 經(jīng)過(guò)4102 h 的固溶處理, 然后在170進(jìn)行5 h 的時(shí)效處理, 其室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到了392M Pa。許多研究者研究了SiC 與鎂合金基體之間的界面反應(yīng), 在復(fù)合材料的制造過(guò)程及高溫固溶處理(50012 h) 中都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何不利的界面化學(xué)反應(yīng)。由此可見(jiàn),SiC 晶須或顆粒是鎂基復(fù)合材料合適的增強(qiáng)體。但是到目前, 鎂基復(fù)合材料的高溫強(qiáng)度并未得到顯著提高。研究發(fā)現(xiàn)B4C 與純鎂不反應(yīng), 但B4C 顆粒表面的玻璃態(tài)B2O 3 與M g 能夠發(fā)生界面反應(yīng)可使液態(tài)M g對(duì)B4C 顆粒的潤(rùn)濕性增加, 所以這種反應(yīng)不但不降低界面結(jié)合強(qiáng)度, 反而可使復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能。近幾年有研究表明: 將納米級(jí)的SiC、ZrO 2 顆粒加入到鎂合金中, 能通過(guò)彌散強(qiáng)化作用明顯提高復(fù)合材料的室溫和高溫強(qiáng)度, 如: 含有體積分?jǐn)?shù)為3% 的平均粒徑為14 nm 的SiC鎂基復(fù)合材料, 在100時(shí)的抗拉強(qiáng)度為180M Pa, 室溫抗拉強(qiáng)度為320M Pa。由上可見(jiàn), 現(xiàn)有的鎂基復(fù)合材料的強(qiáng)度雖有明顯提高, 但其結(jié)果仍不盡人意, 究其原因是基體材料的強(qiáng)度太低。如果基體材料的力學(xué)性能能夠得到一定的提高, 再附以復(fù)合強(qiáng)化手段,那么就有希望研發(fā)出高強(qiáng)度的鎂基復(fù)合材料【23-24】 23-24】。（3）RS PM 高強(qiáng)度鎂合金快速凝固粉末冶金(RS PM ) 法是近十年發(fā)展起來(lái)的材料制備新工藝, 包括快速凝固制備粉末和粉末固化成形兩部分, 其中快速凝固制粉技術(shù)是鎂合金晶粒細(xì)化的關(guān)鍵。由于快速凝固制粉設(shè)備能提供非?？斓睦鋮s速度, 進(jìn)而能得到極細(xì)的甚至是超細(xì)的晶粒, 一方面大幅度地增加了晶界的面積, 另一方面, 還可以使分布于晶界處的B相或其它強(qiáng)化相, 尤其是含稀土的耐高溫強(qiáng)化相能更加彌散地分布于A2M g 基體上, 明顯地加強(qiáng)了細(xì)晶強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和彌散沉淀強(qiáng)化的作用。因此, 通過(guò)快速凝固粉末冶金法可以制得高強(qiáng)度高塑性的鎂合金。日本的和村能人等就曾利用該工藝方法, 研制出了高強(qiáng)度納米結(jié)晶M g97Zn1Y2 (原子數(shù))RS PM 鎂合金。該合金以A2M g 相為基, 在晶界處分布有少許的M g24Y5 化合物, 其平均晶粒半徑為100nm 200 nm , 室溫抗拉強(qiáng)度高達(dá)610M Pa, 伸長(zhǎng)率為5%【25-30】 。3.2 高強(qiáng)度鎂合金的發(fā)展方向【31-39】 31-39】（1）改變合金元素，在鎂中加入合金元素,無(wú)論是固溶,還是形成金屬間化合物,都可以提高強(qiáng)度。不同的合金元素,由于其在鎂中溶解度和所形成的化合物不同,強(qiáng)化作用也不同。開(kāi)發(fā)新型高強(qiáng)度鎂合金,對(duì)合金元素進(jìn)行可能的適當(dāng)組合,使之具有高的強(qiáng)度和良好的綜合性能。（2）提高合金純潔度，通常認(rèn)為,鎂合金耐腐蝕性不佳。重金屬夾雜(Fe、Cu、Ni) 含量較低的高純合金,其耐蝕性和強(qiáng)度相對(duì)提高。如高純AZ91E 合金(相對(duì)腐蝕速度為20 %)在鹽霧試驗(yàn)中的耐蝕性大約是AZ91C 的100 倍,超過(guò)了壓鑄鋁合金A380 (相對(duì)腐蝕速度為30 %) ,大大優(yōu)于低碳鋼(相對(duì)腐蝕速度為100 %) 。對(duì)鎂合金進(jìn)行氬氣底吹和過(guò)濾復(fù)合凈化處理,可以有效清除鎂熔體中的夾雜物和氣體,提高鎂合金強(qiáng)度。（3）改進(jìn)鑄造成型工藝，鎂合金的半固態(tài)成型工藝能產(chǎn)生細(xì)小的微觀結(jié)構(gòu),減少微觀收縮,使合金具有較高的方向性。對(duì)鎂合金鑄錠進(jìn)行后續(xù)的變形處理也可以細(xì)化其晶粒組織,從而提高其力學(xué)性能。（4）基礎(chǔ)研究，微觀偏析、晶粒細(xì)化、亞穩(wěn)相和準(zhǔn)晶強(qiáng)化等一系列基礎(chǔ)問(wèn)題是超高強(qiáng)度鎂合金研究工作的重點(diǎn)。3.3 關(guān)于鎂及高強(qiáng)度鎂合金的看法【40-41】 40-41】通過(guò)閱讀文獻(xiàn)，我認(rèn)為對(duì)高強(qiáng)度鎂合金的研究開(kāi)發(fā)是切實(shí)可行的, 但是由于資源、成本和在新材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論研究的滯后等原因, 鎂合金的發(fā)展到了緊迫且關(guān)鍵的時(shí)候了。我認(rèn)為, 今后應(yīng)在以下方面加大研究力度：(1) 我國(guó)富藏稀土資源, 如四川出產(chǎn)富P r 稀土,且P r 的作用優(yōu)于Ce。所以加強(qiáng)對(duì)P r 的研究應(yīng)用進(jìn)程, 將對(duì)我國(guó)鎂合金的發(fā)展和區(qū)域經(jīng)濟(jì)的繁榮起著推波助瀾的作用。(2) 目前在世界范圍內(nèi), 對(duì)非平衡轉(zhuǎn)變新工藝的基礎(chǔ)理論研究均不深刻, 出現(xiàn)了一些新現(xiàn)象、新問(wèn)題。此缺憾嚴(yán)重地阻止了鎂合金的快速發(fā)展。因此基礎(chǔ)理論研究尤其是對(duì)非平衡轉(zhuǎn)變的研究仍將是鎂合金研究領(lǐng)域中的重中之重。(3) 鎂基復(fù)合材料是復(fù)合強(qiáng)化材料家族中的新成員, 雖然已取得了一定的成果, 但關(guān)于適用于鎂合金的增強(qiáng)體及其界面理論的研究和開(kāi)發(fā)仍存在一定的局限性, 尤其是鎂基復(fù)合材料的高溫強(qiáng)度低成了發(fā)展的主要障礙?？傊? 鎂基復(fù)合材料還需要持續(xù)的、更全面的、更深入的理論性研究。參考文獻(xiàn)1 丁文江.鎂合金科學(xué)與技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2007.2余琨,黎文獻(xiàn),王日初,等. 變形鎂合金的研究、開(kāi)發(fā)及應(yīng)用J . 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2003 ,13 (2) :277 -288.3 曾小勤,王渠東,呂宜振,等. 鎂合金應(yīng)用新進(jìn)展J . 鑄造,1998(12) :50 - 53.4 呂宜振,翟春泉,王渠東,等. 壓鑄鎂合金的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J 鑄,1998(12) :50 - 53.5 中國(guó)科學(xué)院. 輕合金技術(shù)新進(jìn)展 R . 北京:科學(xué)出版社,2002.6 王渠東,呂宜振,曾小勤. 稀土在鑄造鎂合金中的應(yīng)用J . 特種鑄造及有色合金,1999 (1) :40 44.7 朱建國(guó)鎂合金的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用稀土學(xué)報(bào)，2002(1)8 師昌緒，李恒德，王淀佐，等.加速我國(guó)金屬鎂工業(yè)發(fā)展的建議.材料導(dǎo)報(bào)，2001,15:5-6.9 王渠東，丁文江.鎂合金會(huì)研究開(kāi)發(fā)與展望.世界有色金屬，2004，（7）：8-11.薩維茨基M;張寶琪;孫志群稀土金屬學(xué) 197510 朱建國(guó)鎂合金的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用 2002(01)11 張丁非.彭建.丁培道.潘復(fù)生鎂及鎂合金的資源、應(yīng)用及其發(fā)展現(xiàn)狀期刊論文-材料導(dǎo)報(bào)2004,18(4)12 吉澤升.李德鋒.孫榮濱鎂合金壓鑄技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀期刊論文-輕合金加工技術(shù)2001,29(12)13 陳曉.傅高升.錢(qián)匡武鑄造鎂合金的研究與發(fā)展現(xiàn)狀期刊論文-鑄造技2004,25(11)14 Avedesian M M ,Baker H eds. Magnesium and Magnesium AlloysM . Ohio :Material s Park ,1999.15 Shigetoshi Sugimoto. Applications of Magnesium Alloys to Automobile Part s. In IMA253 Program Committee C . J apan Yamaguchi ,1996 :38244.16 Polmear IJ . Magnesium Alloys and ApplicationsJ . Materials Science & Technology ,1994 (1) :1216.17W ei L Y. Development of m icro structure in cast M g2A l2RE al2loys J . M aterials Science & Techno logy, 1996, (9) : 7412742.18 Petterson G, W estengen H, Hcp ier R. M icro structure of p res2sure die cast M g4% A l alloy modified w ith rare earth additionsJ . M aterial Science & Engineering, 1996, (1) : 1152120.19 Sanschgrin A , Tremblay R ,Argers R et al . Mechanical Properties and Microsturcture of New Magnesium2Lit hium Base Al2loysJ . Mater Sci & E