[導(dǎo)讀] 鎂合金是最輕的工程金屬材料之一，具有很好的比強(qiáng)度、比剛度等性能，特別適合制造有重量輕、強(qiáng)度高、減震降噪要求的工程結(jié)構(gòu)部件和有一定強(qiáng)度要求的殼體類(lèi)零件。中國(guó)作為鎂資源大國(guó)，如何利用鎂資源的優(yōu)勢(shì)正受到越來(lái)越多國(guó)內(nèi)有識(shí)之士的關(guān)注。隨著鎂合金及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，鎂合金在中國(guó)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了進(jìn)一步的推廣。下面分別介紹中國(guó)在新型鎂合金開(kāi)發(fā)和加工工藝（液態(tài)成型、固態(tài)成型和半固態(tài)成型三個(gè)方面）的研究進(jìn)展。

鎂合金是最輕的工程金屬材料之一，具有很好的比強(qiáng)度、比剛度等性能，特別適合制造有重量輕、強(qiáng)度高、減震降噪要求的工程結(jié)構(gòu)部件和有一定強(qiáng)度要求的殼體類(lèi)零件。中國(guó)作為鎂資源大國(guó)，如何利用鎂資源的優(yōu)勢(shì)正受到越來(lái)越多國(guó)內(nèi)有識(shí)之士的關(guān)注。隨著鎂合金及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，鎂合金在中國(guó)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了進(jìn)一步的推廣。下面分別介紹中國(guó)在新型鎂合金開(kāi)發(fā)和加工工藝（液態(tài)成型、固態(tài)成型和半固態(tài)成型三個(gè)方面）的研究進(jìn)展。 

一、新型鎂合金的開(kāi)發(fā) 

由于交通工具輕量化的推動(dòng)，世界各國(guó)都展開(kāi)了對(duì)鎂合金的研究，尋找一種可以滿(mǎn)足要求的新型合金，是各國(guó)科技工作者的一個(gè)共同目標(biāo)，在這方面中國(guó)科技人員也進(jìn)行了大量的研究工作。限制鎂合金發(fā)展的一個(gè)主要原因是鎂合金的高溫性能——抗蠕變能力和高溫疲勞性能較差，因此新材料的研發(fā)主要是針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行的，概括的說(shuō)主要包括兩個(gè)方面：一是對(duì)現(xiàn)有合金的優(yōu)化，主要是針對(duì)現(xiàn)有的商業(yè)鎂合金，特別是對(duì)Mg-Al系合金進(jìn)行改性，通過(guò)添加合金元素以期改善合金的高溫性能；二是新合金系的開(kāi)發(fā)，主要是指新型Mg-RE系合金的研發(fā)。 

1. Mg-Al耐熱鎂合金 

目前，對(duì)于Mg-Al 系耐熱鎂合金的研究主要集中在以下兩方面：1 AZ 系(Mg-Al-Zn) 鎂合金的耐熱性改善,其主要通過(guò)添加微量合金元素(如RE、Si、Ca、Ba、Bi、Sb和Sn等) 改善AZ系合金中β相（Mg17Al12）的形態(tài)結(jié)構(gòu)和/或形成新的高熔點(diǎn)、高穩(wěn)定性的第二相來(lái)提高其耐熱性；2 新型耐熱鎂合金系列的開(kāi)發(fā)，其主要以Mg-Al二元合金為基礎(chǔ)，通過(guò)單獨(dú)或復(fù)合添加Si、RE、Ca、Sr等合金元素，以形成具有抗高溫蠕變性能的新型耐熱鎂合金系列。表1顯示了部分新開(kāi)發(fā)的Mg-Al系耐熱鎂合金的化學(xué)成份及主要強(qiáng)化相。

表1 部分Mg-Al系耐熱鎂合金的主要化學(xué)成份及強(qiáng)化相

2. Mg-RE合金 

稀土元素的價(jià)格相對(duì)較為昂貴，但由于稀土元素特殊的價(jià)電子結(jié)構(gòu)以及在鎂合金中的顯著的強(qiáng)化效果，使Mg-RE系成為發(fā)展高強(qiáng)度耐熱鎂合金的一個(gè)重要合金系。中國(guó)關(guān)于Mg-RE系合金的研究近年來(lái)不斷增多和深入，中國(guó)作為稀土資源第一大國(guó)，鎂稀土合金的成功研發(fā)將有助于我們利用這一優(yōu)勢(shì)。 

混合稀土，尤其是輕稀土，是較早發(fā)現(xiàn)對(duì)鎂合金具有良好強(qiáng)化效應(yīng)的元素。上海交通大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，在中國(guó)牌號(hào)ZM6合金的基礎(chǔ)上通過(guò)純釹元素替代富釹混合稀土、調(diào)整合金元素含量范圍以及添加微量合金元素等手段開(kāi)發(fā)的Mg-2.5~3.5Nd-0.2Zn-0.5Zr-X合金的綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)ZM6合金和EZ33A合金，而且無(wú)須氫化處理。這種合金采用了高溫固溶工藝，從而可以提高固溶處理后的Nd元素在基體中的固溶量以及后續(xù)時(shí)效強(qiáng)化效果。 

稀土元素Y和Gd的優(yōu)良時(shí)效強(qiáng)化作用是近年的重要發(fā)現(xiàn)之一。何上明等人在Rohklin和Kamado等人的工作基礎(chǔ)上系統(tǒng)地研究了Mg-Gd-Y-Zr-Ca系合金的顯微組織和力學(xué)性能，并開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度鎂合金Mg-10Gd-3Y-0.6Zr-0.4Ca（GW102K)以及Mg-12Gd-3Y-0.4Zr-0.4Ca（GW123K)，兩種合金經(jīng)過(guò)熱擠壓后的力學(xué)性能如圖1所示。

圖1 Mg-Gd-Y-Zr 系列合金力學(xué)性能與溫度的關(guān)系

與日本Kamado等人的研究結(jié)果不同的是，他們發(fā)現(xiàn)Mg-Gd-Y-Zr系合金的時(shí)效沉淀析出順序應(yīng)為Mg(SSSS) → β〞（D019） → β′（bco） →β1（fcc） →β（fcc），而不是常規(guī)報(bào)導(dǎo)的Mg（SSSS） → β〞（D019） → β′（bco） →β（bcc）序列，其中β〞 和β′在時(shí)效峰值處共存，并以極細(xì)的針狀或片狀彌散析出，沿鎂基體的{11-20}棱面分布，首次在該合金系內(nèi)發(fā)現(xiàn)一種具有面心立體的新型過(guò)渡相β1，該相在基面上呈現(xiàn)菱形顆粒狀。幾種主要的過(guò)渡相的形貌與斑點(diǎn)如圖2所示。

圖2 250℃下時(shí)效(a) 16h, (b) 193h和(c) 2400h的GW103K合金TEM明場(chǎng)像和微束衍射分析花樣顯示了β’, β1, 和β析出相的形態(tài)與晶體特徵。入射束分別平行于[0001]α和[001]β’ (a), [110]β1(b), 以及 [110]β(c)。

此外，上海交通大學(xué)還對(duì)Mg-Dy-Nd，Mg-Y-Sm，Mg-Gd-Nd等其它稀土系合金進(jìn)行了研究與優(yōu)化，得到不同稀土含量的鎂合金，與Mg-Gd-Y和Mg-Nd系合金類(lèi)似，這些鎂稀土系主要強(qiáng)化方式為高溫時(shí)效析出的亞穩(wěn)相，因此具有良好的強(qiáng)度與耐熱性，為高強(qiáng)度耐熱鎂合金。 

二、液態(tài)成型 

當(dāng)前，鎂合金的液態(tài)成型仍然以壓力鑄造(HPDC)、重力鑄造為主，鎂合金采用其它鑄造方式，如低壓鑄造(LPDC)、熔模鑄造等形式較少，表2為2005年中國(guó)國(guó)內(nèi)鎂合金消費(fèi)領(lǐng)域的比較（來(lái)自鎂業(yè)分會(huì)）。

表2 2005年中國(guó)國(guó)內(nèi)鎂合金消費(fèi)領(lǐng)域比較（來(lái)自鎂業(yè)分會(huì)）單位：千噸

中國(guó)鎂合金零部件的主要生產(chǎn)廠家有一汽鑄造公司、東風(fēng)汽車(chē)公司、上海鎂鎂合金壓鑄有限公司、長(zhǎng)安汽車(chē)等。這些公司的產(chǎn)品以汽車(chē)用鎂合金壓鑄件為主。此外，臺(tái)灣香港等企業(yè)在大陸投資的鎂成型企業(yè)主要生產(chǎn)3C鎂合金壓鑄件，目前已經(jīng)成為全球最大的3C鎂合金零件供應(yīng)商。利用鎂合金壓鑄件代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑄鐵、鑄鋼件，甚至代替鋁合金壓鑄件，正成為制造業(yè)特別是汽車(chē)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。 

隨著模具設(shè)計(jì)水平和壓鑄零件性能的提高，鎂合金壓鑄件的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從傳統(tǒng)的筆記本電腦外殼、手機(jī)外殼等發(fā)展到了發(fā)動(dòng)機(jī)支架、輪轂、框架件等受力部件以及安全部件。為了滿(mǎn)足不斷提升的零件性能要求，在傳統(tǒng)壓鑄工藝的基礎(chǔ)上衍生出了真空壓鑄、擠壓鑄造、低壓鑄造、超低速壓鑄等諸多技術(shù)分支。 

真空壓鑄是一種在壓射過(guò)程中抽除型腔和壓室內(nèi)的氣體，從而減少鑄件中的氣孔缺陷，提高鑄件質(zhì)量的壓鑄工藝。該工藝以其極低的鑄件含氣量、較好的設(shè)備兼容性和優(yōu)異的鑄件性能等優(yōu)點(diǎn)得到了高度重視和大力發(fā)展。

 

圖3 真空壓鑄和普通壓鑄鑄件密度隨澆口距離的變化曲線(xiàn)