鎂合金的分類及特點

1.2.1鎂合金的分類

鎂合金是以金屬鎂為基體，通過添加一些其它的元素而形成的合金，鎂合金中添加的合金元素主要有Al、Zn、Mn、Si、Zr、Ca、Li以及部分稀土族元素等[10]，一般說來鎂合金的分類依據(jù)有以下三種：合金化學(xué)成分、成形工藝和是否含鋯。

鎂合金按合金化組元數(shù)目可分為二元、三元和多元合金體系。常見的鎂合金體系一般都含有不止一種合金元素。但在實際中，為了分析方便，簡化和突出合金中主合金元素的作用，可以把鎂合金分為 Mg-Mn、Mg-Al、Mg-RE、Mg-Th、Mg-Li 和 Mg-Ag 等合金系列[11]。

按合金中是否含鋯，鎂合金可劃分為含鋯和不含鋯兩大類。最常見的含鋯鎂合金系列為：Mg-Zn-Zr、Mg-RE-Zr、Mg-Th-Zr、Mg-Ag-Zr 系列。不含鋯鎂合金有：Mg-Zn、Mg-Mn和Mg-Al系列。目前應(yīng)用最多的是不含鋯壓鑄鎂合金 Mg-Al 系列。含鋯和不含鋯鎂合金中均既包含著變形鎂合金，又包含著鑄造鎂合金。鋯在鎂合金中的主要作用就是細(xì)化鎂合金晶粒。含鋯鎂合金具有優(yōu)良的室溫性能和高溫性能。遺憾的是Zr不能用于所有的工業(yè)合金中，對于 Mg-Al 和 Mg-Mn 合金，由于冶煉時Zr與Al及Mn形成穩(wěn)定的化合物，并沉入坩堝底部，無法起到細(xì)化晶粒的作用[12]。

按成形工藝鎂合金可分為兩大類，即變形鎂合金和鑄造鎂合金。變形鎂合金是指可用擠壓、軋制、鍛造和沖壓等塑性成形方法加工的鎂合金。鑄造鎂合金是指適合采用鑄造的方式進(jìn)行制備和生產(chǎn)出鑄件直接使用的鎂合金[11]。變形鎂合金和鑄造鎂合金在成分、組織和性能上存在著很大的差異。目前，鑄造鎂合金比變形鎂合金的應(yīng)用要廣泛，但與鑄造工藝相比，鎂合金熱變形后合金的組織得到細(xì)化，鑄造缺陷消除，產(chǎn)品的綜合機械性能大大提高，比鑄造鎂合金材料具有更高的強度、更好的延展性及更多樣化的力學(xué)性能[13]。因此，變形鎂合金具有更大的應(yīng)用前景。

1.2.2 主合金元素的作用

 根據(jù)鎂合金的強化效果，其合金的元素可以分為三類[14,15]：

1)既提高強度又提高韌性的合金元素，按作用效果順序為：

強度標(biāo)準(zhǔn)：Al、Cn、Ag、Ce、Ga、Ni、Cu、Th；韌性標(biāo)準(zhǔn)：Th、Ga、Zn、Ag、Ce、Ca、Al、Ni、Cu；

2)強化能力較低，提高韌性的元素：Cd，Ti和Li；

3)強化效果較好，但使韌性降低的元素：Sn、Pb、Bi和Sb。

1.3 Mg-Zn-RE系合金的研究現(xiàn)狀

1.3.1 Mg-Zn系合金

純粹的Mg-Zn二元合金在實際中幾乎沒有得到應(yīng)用，因為該合金的鑄造性差，合金組織粗大，容易出現(xiàn)偏析和熱裂等鑄造缺陷，對顯微疏松非常敏感。但Mg-Zn合金有一個最為明顯的優(yōu)點，就是可以通過時效處理來提高合金的強度。所以該合金的進(jìn)一步的發(fā)展就是尋找新的合金添加元素，達(dá)到細(xì)化晶粒，使組織均勻化，減少合金顯微疏松[1,16,17]。在Mg-Zn合金中加入Cu元素，會使合金的韌性和時效硬化明顯增加，這是因為Cu元素能提高M(jìn)g-Zn合金的共晶溫度，因而可在較高的溫度固溶，使更多的Zn、Cu溶于合金中，增加了合金隨后的時效強化效果[16]。Mg-Zn合金中引入Cu元素的缺點是導(dǎo)致合金的耐蝕性降低;Zr是對Mg-Zn系合金最為有效的晶粒細(xì)化元素，在Mg-Zn合金中加入Zr元素會使粗大的晶粒得到細(xì)化。這類合金均屬于時效強化合金，一般都在固溶+時效或者直接時效的狀態(tài)下使用，具有較高的抗拉強度和屈服強度[18]。然而，這類合金的不足之處是對顯微疏松比較敏感，焊接性能差，解決的辦法就是在適當(dāng)?shù)募尤隦E元素。這樣就能得到組織晶粒被細(xì)化，形成顯微疏松的傾向明顯降低，鑄造性能得到改善的優(yōu)質(zhì)合金。

1.3.2 Mg-RE系合金

稀土是我國的富有資源，也是鎂合金中重要添加元素。RE元素對鎂合金的組織和性能均有著極其重要的影響。在鎂合金中，稀土能改善鑄造性能，減少顯微疏松和熱烈傾向;改善合金焊接性能，提高焊縫強度，能提高合金的耐蝕性能;提高合金的高溫強度和抗蠕變性能;并且稀土鎂合金在醫(yī)學(xué)上得到廣泛應(yīng)用[19]。

RE元素可降低鎂在液態(tài)和固態(tài)下的氧化傾向。這是因為大部分的Mg-RE系，如Mg-Nd、Mg-Ce、Mg-La二元固相的富鎂區(qū)都是相似的，他們都具有簡單的共晶反應(yīng)，因此在晶界處存在著熔點較低的共晶體。而這些網(wǎng)狀的共晶體能夠起到抑制顯微疏松的作用，只是用于合金中的部分鋅會在晶界上形成的M-Zn-RE相[20]，減輕了一些合金固有的固溶強化效果，導(dǎo)致合金力學(xué)性能下降，但高溫蠕變性能顯著提高。Nd的作用尤為顯著，由于其最大固溶度為3.6%，遠(yuǎn)大于Ce的固溶度1.6%，以Mg12Nd高溫穩(wěn)定共晶相存在[21]，所以與Ce不盡相同，它不僅能提高鎂合金的高溫強度，而且還能提高室溫強度。比如，在鑄造鎂合金中，RE元素是改善合金耐熱性最有效、最具實用價值的。尤其Nd的作用最佳，可使鎂合金的室溫和高溫強度獲得強化。Nd以固溶和金屬間化合物的形式存在時具有細(xì)化晶粒、抑制二次相析出、使不完全離異共晶轉(zhuǎn)化為離異共晶的作用[21]；Nd通過固溶強化、析出強化和細(xì)晶強化增加了合金硬度和強度，并改善了塑性；加入Nd后合金的斷裂機制從脆性解理斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)解理斷裂[22].

Mg-Zn合金有著明顯的缺點：(1)一元合金難以晶粒細(xì)化，對顯微縮孔敏感，在實際應(yīng)用中幾乎沒有得到應(yīng)用。(2)合金的析出相主要是鎂鋅相，以長棒狀和短棒狀為主的鎂鋅相強化作用一般，這樣導(dǎo)致材料的室溫性能受到一定影響[23]。在Mg-4Zn合金中加入Nd是基于如下想法：(1)加入Nd后，合金形成含有稀土元素釹的三+元相，改善二元相的形狀和分布，可增加二元相的強化作用，改善合金的室溫力學(xué)性能；(2)Nd的主要作用是提高合金的室溫強度和高溫強度，與其它稀土元素相比其強化效果最好。Nd在鎂中的溶解度隨著溫度降低而迅速下降，熱處理強化效果較大；(3)加入Nd后，鑄態(tài)合金晶粒細(xì)化，對改善力學(xué)性能有良好作用[24]。

目前，由于稀土元素的價格比較昂貴，極大地限制了Mg-RE合金的應(yīng)用和發(fā)展。但是我國擁有豐富的稀土資源，約占世界探明稀土儲量的80%。稀土的應(yīng)用與開發(fā)對合理利用我國稀土資源具有相當(dāng)重要的意義。換句話說，由于稀上鎂合金的耐熱、耐蝕、高強、高韌性能，可以進(jìn)一步增加鎂合金材料的應(yīng)用領(lǐng)域，同時也促進(jìn)了鎂合金的發(fā)展。所以，在我們國家開發(fā)含稀土的高品質(zhì)鎂合金具有獨特的優(yōu)勢。

1.3.3 Mg-Zn-RE-Zr系合金

在Mg-Zn合金中添加RE元素，可以改善合金的鑄造性能、提高合金的抗蠕變性能，并能提高鎂合金的強度[25]。RE元素在鑄造鎂合金中具有凈化合金組織、除氣、除渣等作用，還能提高合金的高溫力學(xué)性能，提高鎂合金的鑄造性能，改善鎂合金的流動性等。這是因為RE與鎂合金結(jié)晶溫度間隔小，形成了簡單的低熔點共晶體，具有良好的流動性。合金的流動性增加，疏松、熱烈傾向減少。在Mg-Zn-RE合金中，Zr元素作為必須的元素對凈化合金的顯微組織起到了重要作用，Zr能細(xì)化合金組織、凈化晶粒晶界、填補組織缺陷等[26~28]。并對合金的室溫性能和抗蠕變性能有著良好的作用。

Mg-Zn-RE-Zr系合金具有優(yōu)良的鑄造流動性、良好室溫力學(xué)性能和優(yōu)異的高溫抗蠕變性能，使其使用溫度達(dá)到300℃以上。由于Zn、RE元素的同時加入鎂合金中，合金中形成了Mg-Zn-Nd三元相，使固溶體中的Zn含量大大降低，從而使合金顯微疏松、熱烈傾向大大改善，使合金具有優(yōu)良的鑄造性能。合金中的添加元素通過固溶強化、析出強化和彌散強化來提高合金的室溫和高溫力學(xué)性能，同時Mg-Zn-Nd-Zr系合金還可通過氫化處理來進(jìn)一步改善合金的力學(xué)性能[29]。研究發(fā)現(xiàn)ZE41合金在凝固過程中生成了一定數(shù)量的Mg和Zn-RE化合物的共晶體，經(jīng)過熱處理后，細(xì)小的Zn-RE高溫相以網(wǎng)狀分布在Mg晶界上，因此其在150~200℃有很好的抗蠕變極限，尤其100~300℃之間有很好的瞬時拉伸屈服極限，廣泛應(yīng)用于飛機和汽車的發(fā)動機、齒輪箱殼體上。

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