高性能镁-稀土结构材料的研制、开发与应用
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关键词 : 镁 ; 镁 - 稀土合金 ; 稀土 中图分类号 : T G146. 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 - 4343 (2004) 01 - 0040 - 08
1 国内外研究概况及发展趋势
1. 1 镁合金主要技术性能和优点 低密度 : 镁的比重为 1. 74 g·cm - 3 , 美国福特
25 % , CO2 排 放 CAR
减少 50 %
科技 教 育 部 投 资 2500 万马克 , 资助六所高校 和 60 家企业
支 持 镁 合 金 发 科技教育部 , 投资 1 亿 展 , 保持汽车在 二千万马克 世界领先地位
日本 四年计划
组织 9 个 Mg 合 教育、科学、运动和文 金研究组 , 开展 化部资助大学 十几个研究项目
表 3 世界和中国有工业价值的主要镁资源
世界
中国
菱镁矿 100 多亿吨 31 亿吨 , 储量和质量世界第一 (其中辽宁 25 亿吨)
白云石 100 多亿吨 中国以前探明储量 40 亿吨以上 , 辽宁 , 山 西 , 甘肃 、内蒙 、吉林等地富藏 , 最新资料 显示甘肃酒泉白云石储量居全国之首
盐湖
几十亿吨
日本
卫 星 构 件 : 机 航天发展局 NASDA 器人、罐式卫星
上 , 北美和欧洲各国对我国施行反倾销政策 , 提高 进口关税高达 100 % , 严重制约我国镁工业的发 展 。镁合金的应用也仅限于同德国合资生产的桑 塔纳轿车变速箱壳体 、壳盖及离合器外壳 。这与发 达国家目前开发镁合金的态势形成明显的反差 , 与我国将汽车行业作为国民经济支柱产业的战略 极不相称 。
3 通讯联系人 ( E2mail : hongjie @ns. ciac . jl . cn)
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
1 期 张洪杰等 高性能镁2稀土结构材料的研制 、开发与应用 41
中 国 稀 土 学 报 第 22 卷
Vol . 22
第№1.
期 1
J OU RNAL
OF
THE
CHIN ESE
RAR E
EA R T H
2004 年 2 月
SOCIE T Y
Feb. 2004
高性能镁2稀土结构材料的研制 、开发与应用Ξ
张洪杰 3 , 孟 健 , 唐定骧
高比强度 : 铸造镁合金的比强度约是铸钢的 2 倍 , 是铸铝的 1. 5 倍 ; 挤压 A Z81 镁合金的比强度 是碳钢的 2. 5 倍 。
高比刚度 : 在强度相同时 , 镁2合金的比刚度 明显优于 Al2合金 , 它的弹性模量比 Al 低 , 比弹性 模量和 Al 相同 , 但由于截面的刚性随厚度的立方 而增加 , 当截面的厚度增加 2 倍时 , 其刚度将增加 8 倍 。用镁合金制造刚性好的整体构件十分有利 。
(中国科学院长春应用化学研究 130022)
摘要 : 由于镁合金具有低的密度2质轻 、高比刚度 、卓越的机械性能 、高的硬度及良好的铸造性能 , 近几十年来镁合金的应用一直是自动化工 业的目标之一 。然而 , 高温特殊用途 , 例如在发动机上的应用 , 通常的镁合金就受到了限制 , 因为在高温下它们的强度和抗蠕变性能都比较 差 。由于镁2稀土合金增加了材料的抗拉强度 、延展性及抗蠕变性能 , 稀土加入后形成镁 - 稀土合金就可以满足高温应用的要求 。本文就我国 丰富的镁和稀土资源评述了国内外镁 - 稀土合金的研制 、开发与应用状况及发展趋势 , 同时结合我国相关单位的研究进展 , 对我国镁 - 稀土 合金的发展提出了建议 。
Ξ 收稿日期 : 2004 - 02 - 05 ; 修订日期 : 2004 - 02 - 20 基金项目 : 国家自然科学基金 (20171043) 和国家 863 项目资助 (2001AA331030) 作者简介 : 张洪杰 (1953 - ) , 男 , 吉林人 , 博士研究员 ; 研究方向 : 无机化学 、稀土化学
我国稀土氧化物等原材料的产量居世界首位 , 和镁的情况类似 (表 3) , 如何变镁和稀土资源的 大国为生产和应用的强国 , 变资源优势为产品优 势进而为经济优势 , 是摆在我们面前急需解决的 课题 。
与应用情况类似 , 在我国有关镁合金研究远 远不及北美 、欧洲和日本那样的强劲的发展势头 。 在 国 外 , 仅 镁 合 金 A Z91 就 经 历 了 A Z91A , A Z91B , A Z91C , A Z91D , A Z91 E , A Z91 HP 的发 展过程 。A Z91D , A Z91 E , A Z91 HP 的耐蚀性能比 A Z91A , A Z91B , A Z91C 高出 10 倍 。而我国依然 沿用相当于美国早期牌号 A Z91 的 ZM5 合金 。我 国在变形镁2稀土合金的研究方面则基本处于空白 。 应当指出的是 , 稀土合金化作用的研究在国际上还不 够成熟 , 其作用机制也是长期争论的焦点 , 如轻稀土 与重稀土元素的交互作用 、稀土与杂质元素的交互作 用 , 抑制元素的偏析 , 净化与变质作用 , 以及 GP 区
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
4 2 中 国 稀 土 学 报 22 卷
的形成 , 沉淀硬化和析出强化等都有待进一步深入研 究。在研究、开发与应用镁合金的同时 , 研究上述这 些与稀土作用相关的基础理论问题 , 为合金的开发与 应用提供理论基础是极为必要的 。
青海 40 亿吨 , 世界绝无仅有 , 氯化镁含量高 达 52 % , 每提一吨氯化钾 , 有 8～11 吨 Mg2 Cl2·6H2O 。山西运城新发现一极大的盐湖
图 1 2001 年世界金属镁产量
图 2 1990～2000 年我国镁产量的变化
“八五”期间 , 北京有色金属研究总院等在镁 合金的研制与应用方面做了不少工作并取得长足 的进展 。近年来 , 中国科学院金属研究所与香港大 学合 作 在 变 形 镁 合 金 方 面 , 已 研 制 出 超 轻 高 塑 Mg2Li (Li 含量从 4 %到 14 %) 合金以及高强高韧 Mg2Y2N d 合金 , 并在相关基础问题和数据如 : 蠕 变 、疲劳 、时效硬化行为 、抗腐蚀性能与防护等多 方面研究取得较大进展 。 1. 5 镁 - 稀土合金国内外研究进展
汽车公司设计的汽车离合器壳体和刹车踏板支撑 托架 , 需用镁合金为 0. 65 kg 。用镁合金 (AD91D) 做手 动 齿 轮 箱 比 铝 省 重 4. 5 kg , 用 镁 合 金 (AM60B) 做的车门比钢省重 。目前美国和日本以 及欧洲等国在一辆汽车上用镁做的压铸件已有 20 多种 。若一辆汽车上用 40 公斤的镁压铸件替代铝 和钢 , 汽车的重量可减轻 100 公斤以上 。
抗震动 , 低噪音 : 镁合金构件在受外力作用容 易变形 , 从而使受到的应力均匀分布 , 在一定的场 合下避免过高的应力集中 。在弹性范围受冲击载 荷时 , 其吸收的能量比 Al 高一倍 , 见表 1 。
此外 , 镁合金具有良好的阻尼性能 , 良好的电 磁屏蔽性能 , 优异的铸造性能 , 可生产较为复杂的 铸件 ; 镁合金具有良好的可焊性 ; 良好的热成型 性 ; 良好的尺寸稳定性 ; 低缺口疲劳敏感性 ; 低的 热应力模量 ; 高的热扩散性 ; 低的热中子扑获截面 和低的旋转和往复运动的惯性力等 。
我国镁资源丰富 , 是世界镁生产大国 。我国镁 生产厂有 100 家 , 其中年生产能力 3000 吨的有 22 家 , 2000～3000 吨有 50 家 , 年生产能力为 18 万 吨 。近五年又有大的发展 , 年生产能力已愈 50 万 吨 。但由于镁合金的研究与应用严重落后 , 产量远 大于消费量 , 镁合金的市场处于饱和 、萎缩状态 , 主要以镁锭等初级产品出口为主 。加之在国际市场
表 2 国外开发镁业的相关计划
国别 研发规划
内容
支撑条件
美国 换代汽车 协议 PN GV
欧洲
德国 MADICA
德国 1999 宣布
6 座换代汽车 , 能 源 部 USCAR 项 目 油耗 3L/ 100 KM 1120 万 美 元 ; 商 业 部
MPCC 项目 660 万美元
汽 车 燃 油 减 少 欧洲汽车研发协会 EU2
由于镁合金的一系列特点 , 在新世纪 , 镁合金 将被广泛用于交通运输等支柱产业中最理想 、最 实用的轻质结构材料 。其构件的设计 、开发和应用 及其相关基础性研究已被各国 、特别是发达国家 视为 新 世 纪 的 全 球 竞 争 中 的 一 项 重 大 战 略 选 择 (见表 2) 。 1. 4 我国镁合金研究与发展现状
进合金表面氧化膜由疏松变为致密 , 降低合金在 液态和固态下的氧化倾向 , 从而提升传统镁合金 强度 、塑性 、耐蚀性 、耐磨性等性能 。
稀土元素多呈三价 , 可用以增强镁 (二价) 原 子间的结合力 , 减少原子扩散速度 ; 稀土元素在镁 中有较大固溶度 ( Y 为 12. 6 %、Sc 为 24. 9 %) , 可 藉以实现固溶强化 , 沉淀强化 ; 稀土与 Mg , Al 和 其他合金元素 (如 Zn , Zr , M n) 形成高熔点 、热稳 定性好的金属间化合物实现弥散强化 , 从而提高 耐热 、抗高温蠕变等性能 。 1. 3 国际镁合金研究发展趋势
Al (A380) 1% 4%
1. 2 稀土在镁合金中的作用 稀土金属化学活性特强 , 具有除氢 、除氧 、除
硫 、除氯 、除铁 、除夹杂物的作用 , 以及改善合金 流动性和加工性能 ; 稀土可将合金中呈溶质状态 的铁 、钴 、镍 、铜改变为镁2稀土2铁 (铜) 2铝 (或锌 、 锰) 金属间化合物的状态 , 抑制铁对合金的腐蚀作 用 。镁合金在稀土溶液中可形成钝化膜 , 提高其耐 蚀性能 。稀土加入镁合金中 , 可细化合金组织 , 促
1 国内外研究概况及发展趋势
1. 1 镁合金主要技术性能和优点 低密度 : 镁的比重为 1. 74 g·cm - 3 , 美国福特
25 % , CO2 排 放 CAR
减少 50 %
科技 教 育 部 投 资 2500 万马克 , 资助六所高校 和 60 家企业
支 持 镁 合 金 发 科技教育部 , 投资 1 亿 展 , 保持汽车在 二千万马克 世界领先地位
日本 四年计划
组织 9 个 Mg 合 教育、科学、运动和文 金研究组 , 开展 化部资助大学 十几个研究项目
表 3 世界和中国有工业价值的主要镁资源
世界
中国
菱镁矿 100 多亿吨 31 亿吨 , 储量和质量世界第一 (其中辽宁 25 亿吨)
白云石 100 多亿吨 中国以前探明储量 40 亿吨以上 , 辽宁 , 山 西 , 甘肃 、内蒙 、吉林等地富藏 , 最新资料 显示甘肃酒泉白云石储量居全国之首
盐湖
几十亿吨
日本
卫 星 构 件 : 机 航天发展局 NASDA 器人、罐式卫星
上 , 北美和欧洲各国对我国施行反倾销政策 , 提高 进口关税高达 100 % , 严重制约我国镁工业的发 展 。镁合金的应用也仅限于同德国合资生产的桑 塔纳轿车变速箱壳体 、壳盖及离合器外壳 。这与发 达国家目前开发镁合金的态势形成明显的反差 , 与我国将汽车行业作为国民经济支柱产业的战略 极不相称 。
3 通讯联系人 ( E2mail : hongjie @ns. ciac . jl . cn)
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
1 期 张洪杰等 高性能镁2稀土结构材料的研制 、开发与应用 41
中 国 稀 土 学 报 第 22 卷
Vol . 22
第№1.
期 1
J OU RNAL
OF
THE
CHIN ESE
RAR E
EA R T H
2004 年 2 月
SOCIE T Y
Feb. 2004
高性能镁2稀土结构材料的研制 、开发与应用Ξ
张洪杰 3 , 孟 健 , 唐定骧
高比强度 : 铸造镁合金的比强度约是铸钢的 2 倍 , 是铸铝的 1. 5 倍 ; 挤压 A Z81 镁合金的比强度 是碳钢的 2. 5 倍 。
高比刚度 : 在强度相同时 , 镁2合金的比刚度 明显优于 Al2合金 , 它的弹性模量比 Al 低 , 比弹性 模量和 Al 相同 , 但由于截面的刚性随厚度的立方 而增加 , 当截面的厚度增加 2 倍时 , 其刚度将增加 8 倍 。用镁合金制造刚性好的整体构件十分有利 。
(中国科学院长春应用化学研究 130022)
摘要 : 由于镁合金具有低的密度2质轻 、高比刚度 、卓越的机械性能 、高的硬度及良好的铸造性能 , 近几十年来镁合金的应用一直是自动化工 业的目标之一 。然而 , 高温特殊用途 , 例如在发动机上的应用 , 通常的镁合金就受到了限制 , 因为在高温下它们的强度和抗蠕变性能都比较 差 。由于镁2稀土合金增加了材料的抗拉强度 、延展性及抗蠕变性能 , 稀土加入后形成镁 - 稀土合金就可以满足高温应用的要求 。本文就我国 丰富的镁和稀土资源评述了国内外镁 - 稀土合金的研制 、开发与应用状况及发展趋势 , 同时结合我国相关单位的研究进展 , 对我国镁 - 稀土 合金的发展提出了建议 。
Ξ 收稿日期 : 2004 - 02 - 05 ; 修订日期 : 2004 - 02 - 20 基金项目 : 国家自然科学基金 (20171043) 和国家 863 项目资助 (2001AA331030) 作者简介 : 张洪杰 (1953 - ) , 男 , 吉林人 , 博士研究员 ; 研究方向 : 无机化学 、稀土化学
我国稀土氧化物等原材料的产量居世界首位 , 和镁的情况类似 (表 3) , 如何变镁和稀土资源的 大国为生产和应用的强国 , 变资源优势为产品优 势进而为经济优势 , 是摆在我们面前急需解决的 课题 。
与应用情况类似 , 在我国有关镁合金研究远 远不及北美 、欧洲和日本那样的强劲的发展势头 。 在 国 外 , 仅 镁 合 金 A Z91 就 经 历 了 A Z91A , A Z91B , A Z91C , A Z91D , A Z91 E , A Z91 HP 的发 展过程 。A Z91D , A Z91 E , A Z91 HP 的耐蚀性能比 A Z91A , A Z91B , A Z91C 高出 10 倍 。而我国依然 沿用相当于美国早期牌号 A Z91 的 ZM5 合金 。我 国在变形镁2稀土合金的研究方面则基本处于空白 。 应当指出的是 , 稀土合金化作用的研究在国际上还不 够成熟 , 其作用机制也是长期争论的焦点 , 如轻稀土 与重稀土元素的交互作用 、稀土与杂质元素的交互作 用 , 抑制元素的偏析 , 净化与变质作用 , 以及 GP 区
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
4 2 中 国 稀 土 学 报 22 卷
的形成 , 沉淀硬化和析出强化等都有待进一步深入研 究。在研究、开发与应用镁合金的同时 , 研究上述这 些与稀土作用相关的基础理论问题 , 为合金的开发与 应用提供理论基础是极为必要的 。
青海 40 亿吨 , 世界绝无仅有 , 氯化镁含量高 达 52 % , 每提一吨氯化钾 , 有 8～11 吨 Mg2 Cl2·6H2O 。山西运城新发现一极大的盐湖
图 1 2001 年世界金属镁产量
图 2 1990～2000 年我国镁产量的变化
“八五”期间 , 北京有色金属研究总院等在镁 合金的研制与应用方面做了不少工作并取得长足 的进展 。近年来 , 中国科学院金属研究所与香港大 学合 作 在 变 形 镁 合 金 方 面 , 已 研 制 出 超 轻 高 塑 Mg2Li (Li 含量从 4 %到 14 %) 合金以及高强高韧 Mg2Y2N d 合金 , 并在相关基础问题和数据如 : 蠕 变 、疲劳 、时效硬化行为 、抗腐蚀性能与防护等多 方面研究取得较大进展 。 1. 5 镁 - 稀土合金国内外研究进展
汽车公司设计的汽车离合器壳体和刹车踏板支撑 托架 , 需用镁合金为 0. 65 kg 。用镁合金 (AD91D) 做手 动 齿 轮 箱 比 铝 省 重 4. 5 kg , 用 镁 合 金 (AM60B) 做的车门比钢省重 。目前美国和日本以 及欧洲等国在一辆汽车上用镁做的压铸件已有 20 多种 。若一辆汽车上用 40 公斤的镁压铸件替代铝 和钢 , 汽车的重量可减轻 100 公斤以上 。
抗震动 , 低噪音 : 镁合金构件在受外力作用容 易变形 , 从而使受到的应力均匀分布 , 在一定的场 合下避免过高的应力集中 。在弹性范围受冲击载 荷时 , 其吸收的能量比 Al 高一倍 , 见表 1 。
此外 , 镁合金具有良好的阻尼性能 , 良好的电 磁屏蔽性能 , 优异的铸造性能 , 可生产较为复杂的 铸件 ; 镁合金具有良好的可焊性 ; 良好的热成型 性 ; 良好的尺寸稳定性 ; 低缺口疲劳敏感性 ; 低的 热应力模量 ; 高的热扩散性 ; 低的热中子扑获截面 和低的旋转和往复运动的惯性力等 。
我国镁资源丰富 , 是世界镁生产大国 。我国镁 生产厂有 100 家 , 其中年生产能力 3000 吨的有 22 家 , 2000～3000 吨有 50 家 , 年生产能力为 18 万 吨 。近五年又有大的发展 , 年生产能力已愈 50 万 吨 。但由于镁合金的研究与应用严重落后 , 产量远 大于消费量 , 镁合金的市场处于饱和 、萎缩状态 , 主要以镁锭等初级产品出口为主 。加之在国际市场
表 2 国外开发镁业的相关计划
国别 研发规划
内容
支撑条件
美国 换代汽车 协议 PN GV
欧洲
德国 MADICA
德国 1999 宣布
6 座换代汽车 , 能 源 部 USCAR 项 目 油耗 3L/ 100 KM 1120 万 美 元 ; 商 业 部
MPCC 项目 660 万美元
汽 车 燃 油 减 少 欧洲汽车研发协会 EU2
由于镁合金的一系列特点 , 在新世纪 , 镁合金 将被广泛用于交通运输等支柱产业中最理想 、最 实用的轻质结构材料 。其构件的设计 、开发和应用 及其相关基础性研究已被各国 、特别是发达国家 视为 新 世 纪 的 全 球 竞 争 中 的 一 项 重 大 战 略 选 择 (见表 2) 。 1. 4 我国镁合金研究与发展现状
进合金表面氧化膜由疏松变为致密 , 降低合金在 液态和固态下的氧化倾向 , 从而提升传统镁合金 强度 、塑性 、耐蚀性 、耐磨性等性能 。
稀土元素多呈三价 , 可用以增强镁 (二价) 原 子间的结合力 , 减少原子扩散速度 ; 稀土元素在镁 中有较大固溶度 ( Y 为 12. 6 %、Sc 为 24. 9 %) , 可 藉以实现固溶强化 , 沉淀强化 ; 稀土与 Mg , Al 和 其他合金元素 (如 Zn , Zr , M n) 形成高熔点 、热稳 定性好的金属间化合物实现弥散强化 , 从而提高 耐热 、抗高温蠕变等性能 。 1. 3 国际镁合金研究发展趋势
Al (A380) 1% 4%
1. 2 稀土在镁合金中的作用 稀土金属化学活性特强 , 具有除氢 、除氧 、除
硫 、除氯 、除铁 、除夹杂物的作用 , 以及改善合金 流动性和加工性能 ; 稀土可将合金中呈溶质状态 的铁 、钴 、镍 、铜改变为镁2稀土2铁 (铜) 2铝 (或锌 、 锰) 金属间化合物的状态 , 抑制铁对合金的腐蚀作 用 。镁合金在稀土溶液中可形成钝化膜 , 提高其耐 蚀性能 。稀土加入镁合金中 , 可细化合金组织 , 促
