高温镁合金的研究进展及其在汽车工业中的应用

高温镁合金的研究进展及其在汽车工业中的应用

关绍康，王迎新

摘要：综述了国内外高温镁合金的研究进展及其在汽车工业中的应用。重点讨论了高温镁合金的抗高温蠕变机理，最后对高温镁合金的研究开发提出了一些建议。

关键词：高温镁合金；研究进展；汽车工业

1、引言

镁合金密度一般小于2g/cm³，是目前最轻的金属结构材料，其具有在体积相同时比铝合金轻36%、比锌合金轻73%、比钢轻77%^[1]的优点，应用在汽车上减重效果显著，并且，其加工能量仅为铝合金的70%[2]，减振性能、磁屏蔽性能远优于铝合金，被誉为21世纪最具发展潜力和前途的绿色工程材料。当前，高温镁合金的研究和开发主要集中在镁-铝系、镁-锌系和镁-稀土系合金。作者重点对高温镁合金的抗高温蠕变机理和应用进行系统分析，以便更好地开发新型高温镁合金应用于汽车工业。

2、镁-铝系合金

Mg-9Al-0.8Zn(AZ91D)合金具有优良的铸造性能、较主贩室温强度和良好的抗腐蚀性能及成本较低等优点，是当前应用最广泛的镁合金，但它的高温力学性能差，长期使用温度不能超过120℃。因为其沉淀强化相Mg₁₇Al₁₂的热稳定性较低（熔点只有437℃），在从室温加热到200℃时，Mg₁₇Al₁₂相的硬度便减少50%-60%^[3]。

提高镁合金高温性能的主要途径^[4]有：（1）在晶界析出细小而弥散的析出相，析出相中含有大量的镁原子，对于给定的合金加入量，析出相的体积分数更高，以阻止晶界滑移；（2）增大晶粒尺寸，以增大扩散距离，使晶界扩散作用降低；（3）形成高熔点的析出相，使其热稳定性更高，同时使元素在基体中的扩散相对更慢，而镁的常见强化元素铝、锌的熔点相对较低。基于上述方法，在AZ91D合金中加入钙、硅、锑、锡、铋、稀土^[5-12]等元素以提高其高温性能。锑在AZ91合金中的存在方式主要有两种：（1）固溶入β-Mg₁₇Al₁₂相；（2）以Mg₃Sb₂形式弥散析出，热稳定性好（熔点1280℃）。Mg₃Sb₂弥散分布于基体中起弥散强化作用，弥补了AZ91D合金中强化相Mg₁₇Al₁₂的不足，可改善其高温性能，使AZ91D合金在150-200℃区间的蠕变寿命显著提高。铋可细化Mg₁₇Al₁₂沉淀相并可阻止时效过程的Mg₁₇Al₁₂相的非连续沉淀，形成的棒状Mg₃Bi₂（熔点821℃）也可有效提高AZ91D的高温蠕变性能。复合加入0.4%锑和1.0%铋（质量分数，下同）可更有效地抑制非连续沉淀相的析出，由于同时含有Mg₃Sb₂和Mg₃Bi₂，使合金的热稳定性更高，蠕变速率更低。在镁中加入锡能有效改善铸锭组织，并在基体中形成具有立方C1结构的Mg₂Sn（熔点770℃）颗粒相，也能有效提高合金的耐热性。稀土元素可以净化合金液、改善合金的铸造性能、细化和变质组织、提高力学性能以及提高合金的抗氧化和蠕变性能。稀土元素的加入会使Mg₁₇Al₁₂沉淀相的数量减少且细化，还能形成棒状的Al₁₁RE₃（熔点1240℃）相的出现，Al₁₁RE₃对AZ91D合金的室温抗拉强度影响很小，但可显著提高150℃时的抗拉强度和伸长率，屈服强度随稀土加入而增加，钙加入到AZ91D合金中可以细化枝晶的尺寸和Mg₁₇Al₁₂相。随着钙量的增加，Al₂Ca（熔点1079℃）相的形成，而使Mg₁₇Al₁₂相的量减少，从而提高AZ91D合金的高温性能。钙和硅的复合合金化对提高AZ91D的高温性能则更加明显，由于钙溶入到β-Mg₁₇Al₁₂相中，提高了β-Mg₁₇Al₁₂相的热稳定性，同时在基体中形成了弥散分布的Mg₂Si（熔点1085℃）相而使合金的热稳定性更高，可使合金的蠕变速率降低2个数量级。图1为加入不同元素的AZ91D合金的蠕变速率比较。表1为各合金的力学性能的比较^[12]。

表1  各合金的成分和力学性能^[12]

通过以上这些合金元素的微合金化作用，可以使AZ91D合金从原来只应用于汽车的结构材料（阀套、离合器壳体、方向盘轴、凸轮罩、刹车托板支架等）扩大到高温材料（齿轮箱、曲轴箱、发动机壳体、油盘等），从而拓宽了AZ91D合金的用途。

3、镁-锌系合金

3.1镁-锌-稀土-锆系合金在ZE41[13]合金中加入稀土元素生成了一定数量的δ(Mg)和锌-稀土化合物的共晶体，在经过热处理之后，由于细小的含稀土元素的耐热相是以网状分布在δ(Mg)晶界上，因此其在150-200℃有很好的抗蠕变极限，尤其在100-300℃之间有很好的瞬时拉伸屈服极限，ZE41合金被广泛应用于飞机和汽车的发动机、齿轮箱等。

3.2镁-锌-铜-锰系合金

ZC63合金的室温力学性能与AZ91D相当，高温稳定性能比AZ91D好。ZC63^[14]中铜的加入可提高镁-锌合金的共晶温度并可使其具有更高的固溶处理温度，以便使锌和铜能了大限度地固溶于锌基体中。另外，铜的加入可改变镁-锌合金共同相的结构，使共晶相从原来的完全断续分布在晶界和枝晶臂处变成连续呈薄片状分布于晶界和枝晶臂。时效硬化主要与两个沉淀相β’1（棒状）、β’2（板状或盘状）有关，与时效硬化的镁-锌合金的沉淀相相似，铜的加入可显著提高此两种沉淀相的含量。此种合金主要应用于生产汽车发动机铸件。

3.3镁-锌-铝-钙系合金（ZAC合金）

钙加入到镁-铝基合金中可显著提高蠕变抗力。然而，这种镁-铝-钙合金在奢铸过程中会出现热裂和粘模等问题。A Luo等发现，高锌（约8%）可以保留这种含钙合金优良的铸造性能^[15]。美国IM-RA公司开发出的ZAC8506合金中含8%锌、5%铝、0.6%钙，其显微组织表明，由于高锌和钙的存在完全阻碍了原共晶相Mg₁₇Al₁₂的析出，而出现了一种细小的、新的金属化合物相Mg-Al-Zn-Ca。在150℃、35MPa下测试蠕变性能200h，结果显示出ZAC8506的蠕变程度远远低于AZ91D，少于AE42的一半，令人惊奇的是，比A380铝合金的还要低；在高温下，ZAC8506屈服强度优于AZ91D、AE42。可用于汽车的动力系统，如变速箱、传动轴箱及油盘等。ZAC合金的性能见图2、表2。

表2  合金在150℃时的力学性能

I A Anyanwu^[16]等以ZAC941合金为参比合金，研究了w（Zn）：w（Al）=2：1，含0.6%和0.1%钙及w（Zn）+w（Al）=13%等13种合金。结果显示，在所研究的ZAC为重要的共晶相，而在铝含量高的ZAC合金中也有Mg₁₇Al₁₂发现，是共晶相的数量而不是其类型影响合金的高温强度。含0.1%钙合金的屈服强度要好于含0.6%钙的合金；高钙合金显著促进了共晶相的形成，但同时限制了其它合金元素在镁基体中固溶。然而X射线衍射分析表明并未有含钙化合物的形成；ZAC合金的高温抗拉强度和蠕变强度远优于常规的AZ91D。因为高的锌含量使合金中更易形成高热强的Mg₃₂（Al，Zn）₄₉和MgZn相。

镁-锌-铝合金^[17，18]（如ZA102，ZA106）的典型组织为初生α-Mg基体以及晶界共晶体（是由α相和粗大的β相组成，β相为三元金属间化合物Mg_xZn_xAl_z相（熔点为535℃）。在含2%铝的镁合金里存在着MgZn相，但不存在Mg₁₇Al₁₂相。镁-锌-铝合金（如ZA142和ZA144）加入钙、锶能够提高其抗蠕变能力。钙的作用比锶更明显。作为溶质，少量钙的锶厚在于镁基体中，但大量的还是厚在于Mg_xZn_xAl_z相中。

4、镁-稀土系合金

镁-稀土合金中形成的第二相Mg₉Ce、Mg_xNd_y等均为成分一定、晶格复杂的化合物，它们在高温下比较稳定，而且不易长大，因此这些稀土化合物具有良好的热强性。钇、钕、钪、钆、铽、镐、银、钍^[1，4，19]等元素均可大幅度地提高镁合金的高温性能，但是由于纯稀土元素的价格比较昂贵，因此镁-稀土合金在汽车上的应用受到很大的限制。P Lyon^[20]等人通过对ZE合金进行优化，发现降低锌含量可以同时提高抗蠕变强度和腐蚀抗力，研究出Elektron MEZ合金（Mg-2.5RE-0.35Zn-0.3Mn），其腐蚀抗力与当前高纯合金相似，蠕变抗力远优于当前任何一种压铸合金，包括AE42合金，图3为在不同的应力和温度下蠕变应变达到0.1%时的时间；并且在177℃具有良好的力学性能，在汽车上的应用范围为齿轮箱、阀壳、油盘等零件。

5、结束语

（1）向AZ91D合金中加入一些微合金化元素，可有效地提高其高温性能，以后的工作就是优化各合金元素的含量，以生产出价格低且高温性能良好的AZ91D合金。

（2）对于MEZ合金，其蠕变抗力远优于当前任何一种压铸合金，但是其中也含有稀土元素，因此要做的工作就是优化稀土和锌的含量以降低其价格，使合金能够应用于汽车并且有利于规模生产。

（3）镁-锌-铝合金的研究发现，其高温性能明显优于普通的AZ91D合金。但是镁-锌二元系合金的结晶温度间隔较大（特别是不平衡状态下高达290℃），铸造性能很差，容易出现枝晶粗大、区域偏析和热裂等铸造缺陷。未来要做的工作就是要研究出针对这种合金的有效变质剂，并且通过加入微合金化元素以缩小其合金的凝固区间；研究其最佳的合金配比、变质机理、合金中强化相的结构、高温强化机理等。

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