高性能稀土鎂合金研究與應(yīng)用

文/ 張文毓

稀土作為主合金元素或微合金化元素，被廣泛應(yīng)用于鋼鐵及有色金屬中。在鎂合金中，稀土優(yōu)異的凈化、強(qiáng)化和耐腐蝕性能不斷被人們認(rèn)識和掌握，從而開發(fā)出一系列的高強(qiáng)、耐熱和耐腐蝕的鎂合金，大大拓展了鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域。鎂合金具有重量輕、比強(qiáng)度高、比剛度高、抗震動、低噪音、良好的阻尼性能和優(yōu)異的鑄造性能等優(yōu)點，被譽為“21世紀(jì)的綠色金屬結(jié)構(gòu)材料”和最被看好的鋁合金替代品，因此被廣泛應(yīng)用在交通、制造、3C電子和航空航天等領(lǐng)域。以汽車材料為例，國際上已把單車鎂合金用量作為汽車先進(jìn)性的標(biāo)志之一。歐洲單車鎂合金用量已達(dá)9～20公斤，正在使用和研發(fā)的鎂合金汽車零部件已超過60多種，北美正在使用和研發(fā)的鎂合金汽車零部件多達(dá)100多種。

鎂合金是工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強(qiáng)度高、比剛度高、減震性高、易加工、易回收等優(yōu)點，在航天、軍工、電子通訊、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用市場，特別是在全球鐵、鋁、鋅等金屬資源緊缺大背景下，鎂的資源優(yōu)勢、價格優(yōu)勢、產(chǎn)品優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，鎂合金成為一種迅速崛起的工程材料。面臨國際鎂金屬材料的高速發(fā)展，我國作為鎂資源生產(chǎn)和出口大國，對鎂合金開展深入研究和應(yīng)用的前期開發(fā)工作意義重大。

概述

1.高性能稀土鎂合金的特點

稀土元素由于具有獨特的核外電子排布，在冶金、材料領(lǐng)域中有獨特的作用，具有凈化合金溶液、改善合金組織、提高合金室溫及高溫力學(xué)性能，增強(qiáng)合金耐蝕性能等功能。稀土鎂合金具有鎂合金的固有優(yōu)點，同時又具有耐熱強(qiáng)度高、蠕變性能優(yōu)良的新特點。

在鎂合金中添加適量的稀土金屬以后，可以增加合金的流動性，降低微孔率，提高氣密性，顯著改善熱裂和疏松現(xiàn)象，使合金在200℃～300℃高溫下仍具有高的強(qiáng)度和抗蠕變性能。

鎂合金在稀土溶液中可形成鈍化膜，提高其耐蝕性能。稀土加入鎂合金中，可細(xì)化合金組織，促進(jìn)合金表面氧化膜由疏松變?yōu)橹旅?，降低合金在液態(tài)和固態(tài)下的氧化傾向，從而提升傳統(tǒng)鎂合金強(qiáng)度、塑性、耐蝕性、耐磨性等性能。

2.稀土在鎂合金中的作用

稀土金屬化學(xué)活性特強(qiáng)，具有除氫、除氧、除硫、除氯、除鐵、除夾雜物的作用，以及改善合金流動性和加工性能；稀土可將合金中呈溶質(zhì)狀態(tài)的鐵、鈷、鎳、銅改變?yōu)殒V-稀土-鐵(銅)-鋁(或鋅、錳)金屬間化合物的狀態(tài)，抑制鐵對合金的腐蝕作用。稀土元素多呈三價，可用以增強(qiáng)鎂(二價)原子間的結(jié)合力，減少原子擴(kuò)散速度；稀土元素在鎂中有較大固溶度(Y為12.6%、Sc為24.9%)，可藉以實現(xiàn)固溶強(qiáng)化，沉淀強(qiáng)化；稀土與Mg，Al和其他合金元素(如Zn，Zr，Mn)形成高熔點、熱穩(wěn)定性好的金屬間化合物實現(xiàn)彌散強(qiáng)化，從而提高耐熱、抗高溫蠕變等性能。

稀土鎂合金的強(qiáng)化途徑通常有以下幾種, 即熱處理強(qiáng)化(固溶強(qiáng)化、 沉淀析出強(qiáng)化)、 彌散強(qiáng)化、 細(xì)晶強(qiáng)化、形變強(qiáng)化(加工硬化、織構(gòu)強(qiáng)化)以及復(fù)合強(qiáng)化等。此外,目前發(fā)現(xiàn)在稀土鎂合金中存在一種新型的長周期(堆垛)有序結(jié)構(gòu)(Long Period Stacking Ordered Structure,LPSO)強(qiáng)化, 這為鎂合金系的強(qiáng)化提供了一條新的思路, 打開了新的想象空間, 引起了國內(nèi)外學(xué)者們的廣泛關(guān)注。

高性能稀土鎂合金研究現(xiàn)狀

1.高性能稀土鎂合金國外研究現(xiàn)狀

近年來, 鎂合金的研究越來越引起人們的關(guān)注, 這主要是由于鎂合金具有許多優(yōu)良的性能。鎂合金是最輕的工程結(jié)構(gòu)材料, 具有密度小、比強(qiáng)度和剛度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好、易于成形加工、廢料容易回收等特點, 在汽車、電子、家電、通訊、儀表和航天航空等領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多。目前國外對稀土鎂合金研究較多的是美國、歐洲、日本及俄羅斯。

稀土鎂合金的研制可追溯到20世紀(jì)20年代，當(dāng)時德國進(jìn)行了Mg-MM(MM為混合稀土代號，下同)的開發(fā)工作，并在DMW-801D型飛機(jī)發(fā)動機(jī)上使用了Mg-6MM-11.7Mn合金鍛件。與此同時，英國也進(jìn)行了混合稀土的應(yīng)用研究工作，于二次世界大戰(zhàn)期間，在飛機(jī)葉片鍛件中使用了Mg-3MM-0.5Mn-0.5Ca合金。但這種Mg-MM-Mn合金存在鑄態(tài)組織晶粒粗化的缺陷，從而影響了其商業(yè)應(yīng)用。

1937年，德國學(xué)者Sauerwald首次進(jìn)行了鋯有效細(xì)化Mg-Th-Zr合金晶粒的工作，對鎂合金的研制作出了杰出貢獻(xiàn)。Murphy和Payne(于1946年)的工作也發(fā)現(xiàn)MM和Zr可同時加入鎂中，且Zr對鎂仍具有細(xì)化晶粒的作用，從而解決了稀土鎂合金的工藝問題，使其在商用領(lǐng)域得到了發(fā)展。

20世紀(jì)60年代初，美國在鑄造鎂合金中發(fā)展了EK、EZ、QE、ZE等系列產(chǎn)品，后來又發(fā)展了耐熱高強(qiáng)WE型鎂合金及EK、ZK、ZE系列的變形鎂合金。美國科學(xué)家對鎂合金這一工程材料投入大量的研究,在汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)進(jìn)行了廣泛的新材料研制與推廣應(yīng)用工作。開發(fā)出AE 系列鎂稀土壓鑄合金, 并將WE 系列合金大規(guī)模投入應(yīng)用。在高強(qiáng)耐熱稀土鎂合金研究與應(yīng)用方面, 美國始終處于領(lǐng)先位置。

歐洲的稀土鎂合金研究最為活躍, 許多應(yīng)用型稀土鎂合金問世于歐洲。含銀富釹稀土QE22A 合金長期以來廣泛用于飛機(jī)、導(dǎo)彈的優(yōu)質(zhì)鑄件, 如美洲虎攻擊機(jī)的座艙蓋骨架, 超黃蜂直升機(jī)的前起落架外筒和輪彀等。在Mg-Zn 合金研究中, 發(fā)現(xiàn)加入稀土元素改善Mg2Zn 合金的鑄造性能和蠕變抗力, 但降低抗拉性能, 采取折中方案, 曾開發(fā)了ZE41 及EZ33 合金。ZE41 有較高強(qiáng)度,可以用到200℃, 而EZ33 合金有更高蠕變抗力, 用到250℃。WE 系列合金的強(qiáng)度性能超過其他稀土鎂合金、高溫強(qiáng)度甚至比高溫鋁合金RR350 的穩(wěn)定性還好, 已經(jīng)用于賽車及航空。歐洲的稀土鎂合金基礎(chǔ)研究及其在汽車、航空航天工業(yè)中的應(yīng)用同美國一樣處于世界領(lǐng)先位置, 當(dāng)前歐洲正在進(jìn)行Mg-Gd 合金、Mg-Tb 合金、Mg-Sc-Mn 等新型稀土鎂合金研究。

考慮到成本因素，稀土鎂合金中的稀土元素以混合稀土(富Nd、富Ce、富La、Y)形式加入。隨著稀土鎂合金應(yīng)用要求的不斷擴(kuò)大，開發(fā)研制了越來越多的單一或混合重稀土鎂合金。歐洲國家開發(fā)的Mg-20%Gd、Mg-20%Tb耐熱鎂合金，其抗拉強(qiáng)度在250℃為280～320 MPa，與WE系合金和鋁合金相比又有了大幅度提高。Mg-10%Gd(或Dy)-3%Nd-Zr合金，由于高溫強(qiáng)度好，具有比AZ91D合金更好的耐蝕性，已成為有希望應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)零件的新合金。目前，正在積極開發(fā)的還有Mg-Sc-Mn-Zr.和Mg-Sc-Mn-Gd(Tb)-Zr合金。

英國開發(fā)研制出一系列高溫下具有高強(qiáng)度及高蠕變性能的含 Nd、Y 的 WE 型鎂合金，最先研制出了WE54，WE43 合金，使用溫度達(dá)到 250℃，具有較好的澆鑄、沉淀析出強(qiáng)化效果和高溫抗蠕變性能。WE 系合金在經(jīng)過固溶及時效過程中，合金中依次析出：α固溶體→β″（D019）→β′（Mg12NdY,b.c.c）→β（Mg 14Nd2Y,f. c.c）相，這是合金具有優(yōu)良的室溫及高溫性能的主要原因。目前 WE 系列合金是應(yīng)用相對成熟、研究相對深入的商用鎂合金，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域中。

日本緊隨歐美步伐，相繼仿制出與歐美最新研究成果大致相同的MC8(EZ33A)、MC9(QE22A)、MClO(ZE41A)等稀士鎂合金，同時積極研制汽車工業(yè)用稀土鎂合金。1999年開發(fā)出超高強(qiáng)度的IM Mg—Y系變形鎂合金材料，以及可以冷壓加工的合金板材。2001年開發(fā)出晶粒尺寸為100～200 nm的高強(qiáng)鎂合金Mg—2%Y—1%Zn(即Y和Zn的原子分?jǐn)?shù)分別為2%和1%)，其強(qiáng)度為超級鋁合金的3倍，并具有超塑性、高耐熱性和高耐蝕性。

前蘇聯(lián)在稀土鎂合金方面進(jìn)行了許多理論與應(yīng)用研究，一直處于領(lǐng)先地位。于20世紀(jì)70年代，在鑄造鎂合金中發(fā)展了MJl9、MJllo、MJlll、MJll5、MJll7、MJll9系列產(chǎn)品以及阻尼材料MUN(Mg-0.15Zn-5.5Zr-0.58c-0.04Y)，在變形鎂合金中發(fā)展了MA8、MAll、MAl2、MAl5、MAl9、MA20以及導(dǎo)聲材料MAl7超輕材料MAl8等。

俄羅斯主要沿襲前蘇聯(lián)的鎂合金發(fā)展體系, 曾經(jīng)研制出早期飛機(jī)艙蓋用Mл7 以及大量應(yīng)用于米格23 飛機(jī)的Mлl0 稀土鎂合金等, 最近幾年未見突破性研究報道。目前在俄羅斯的航空航天及軍事工業(yè)已經(jīng)廣泛使用含釔的變形鎂合金B(yǎng)Mлl0 和含釔、釹的鑄造鎂合金B(yǎng)Mлl4 。對比鋁合金結(jié)構(gòu), 這些鎂合金的應(yīng)用可保證降低結(jié)構(gòu)重量的25 %～50 %。

2.高性能稀土鎂合金國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國的稀土鎂合金也有了很大發(fā)展, 在鑄造鎂合金中開發(fā)了ZM2, ZM3, ZM4, ZM6 和ZM8 等系列產(chǎn)品, 在變形鎂合金中開發(fā)了MB8 ,MB22 , MB25, 以及在MB25基礎(chǔ)上用富Y 混合稀土代替高品位Y 的MB26 。東北輕合金加工廠研制開發(fā)成功的含Nd、含Gd代號為122和127 合金的2 種耐熱高強(qiáng)稀土變形鎂合金, 其室溫強(qiáng)度比MA13和HM21要高得多, 且300℃下的高溫強(qiáng)度與MA13 , HM21 相當(dāng), 已在國防軍工上獲得廣泛應(yīng)用。

目前, 上海交通大學(xué)輕合金精密成型國家工程研究中心開發(fā)出阻燃效果和力學(xué)性能良好的轎車用阻燃鎂合金。湖南大學(xué)、中南大學(xué)等采用快速凝固粉末冶金、高擠壓比及等通道角擠(ECAE)等方法使鎂合金晶粒高度細(xì)化, 從而開發(fā)出具有高強(qiáng)度、高塑性甚至超塑性的高強(qiáng)、高韌鎂合金如 Mg -(5～8)Al -(1～2)Zn -(0.5～2)M(M=Pr , Nd ,Ce ,Y) ?？焖倌替V合金因其微觀組織結(jié)構(gòu)的均勻化和彌散沉淀相的形成, 提高了合金的抗腐蝕能力,如快速凝固Mg-5A1-2Zn-2Y合金是已知鎂合金中抗腐蝕性能最高的合金。同時高性能的含Sc 鎂合金也正在積極開發(fā)之中。

高性能稀土鎂合金有望的發(fā)展方向:

(1)進(jìn)一步研究稀土元素對鎂合金的強(qiáng)韌化、耐腐蝕和抗蠕變的作用機(jī)理。

(2)優(yōu)化稀土鎂合金系, 研究多元稀土對鎂合金的協(xié)同作用, 促進(jìn)合金由二元合金系向多元高性能合金系發(fā)展。

(3)與先進(jìn)的合金制備工藝相結(jié)合。通過壓鑄、快速凝固、半固態(tài)技術(shù)和擠壓鑄造等手段, 進(jìn)一步提高稀土鎂合金性能。

(4)降低成本。大多數(shù)高強(qiáng)稀土鎂合金中稀土的含量偏高, 由于稀土元素價格偏高, 所以開發(fā)低成本稀土鎂合金也是當(dāng)前研究的重點。

隨著全球范圍內(nèi)的能源、資源緊缺以及各國對環(huán)境保護(hù)的日益重視，航空航天、信息產(chǎn)業(yè)和國防軍工等國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對高比強(qiáng)度、高比剛度等高性能結(jié)構(gòu)材料的需求與日俱增，高性能輕量化鎂合金必然會得到越來越廣泛的關(guān)注、研究和使用。所以，我們需要整合高校、科研院所的基礎(chǔ)優(yōu)勢與企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)優(yōu)勢， 以市場需求為牽引，盡快開發(fā)高效、實用、經(jīng)濟(jì)的鎂合金加工新技術(shù)，占據(jù)國際鎂資源技術(shù)一體化優(yōu)勢，推動我國鎂產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

高性能稀土鎂合金應(yīng)用進(jìn)展

稀土鎂合金的應(yīng)用性能優(yōu)勢, 主要體現(xiàn)在耐高溫和高強(qiáng)度方面, 通過加入稀土元素合金化, 能顯著提高鎂合金的強(qiáng)度和耐熱溫度。國外已將耐熱稀土鎂合金應(yīng)用到飛機(jī)蒙皮、導(dǎo)彈艙體、衛(wèi)星空間結(jié)構(gòu)件、飛船框架、發(fā)動機(jī)引擎蓋、發(fā)動機(jī)汽缸體和變速箱殼體等零部件上。隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展, 在軍工領(lǐng)域和民用領(lǐng)域均會有更大拓展。

高性能稀土鎂合金以其優(yōu)異的綜合性能， 正被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、軌道交通、航空航天、武器裝備、3C 產(chǎn)品和生物醫(yī)用植入材料等領(lǐng)域。

1.高性能稀土鎂合金在軍工方面的應(yīng)用

鎂合金是減輕武器裝備質(zhì)量, 實現(xiàn)武器裝備輕量化,提高武器裝備各項性能的理想結(jié)構(gòu)材料。武器裝備的需要, 推動了高性能鎂合金材料及應(yīng)用技術(shù)開發(fā)的發(fā)展。在軍工方面, 以稀土金屬釹為主要添加元素的ZM6 鑄造鎂合金已用于直升機(jī)減速機(jī)匣、殲擊機(jī)翼肋及30 kW 發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子引線壓板等重要零件。隨著冶煉和加工技術(shù)的進(jìn)步、價格的降低、武器裝備輕量化要求的日益提高,鎂合金在武器裝備上的應(yīng)用需求越來越大。

在我國, 高性能的稀土鎂合金以前主要應(yīng)用于航空航天、導(dǎo)彈等軍工領(lǐng)域, 近年來, 鎂合金及鎂基復(fù)合材料已逐步在武器和彈藥上得到成功應(yīng)用, 發(fā)展十分迅速。

國外鎂合金在武器上應(yīng)用的典型實例:

(1)美軍正在研制的21 世紀(jì)士兵武器——理想的單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng), 計劃用鎂合金做殼體等構(gòu)件, 使質(zhì)量從 8 .17 kg 降到6.37 kg ;

(2)美軍正在研制的先進(jìn)水平水陸兩棲突擊車，采用鎂合金做殼體, 并采用了先進(jìn)的鎂合金表面防護(hù)技術(shù),經(jīng)試驗證明, 表面性能良好;

(3)國外已將鎂合金用于次口徑脫殼彈軟殼, 穿甲彈彈托;

(4)法國MK50 式反坦克槍榴彈部分零件應(yīng)用了鎂合金材料, 其全彈質(zhì)量僅為800 g ;

(5)美國制造的Racegan(強(qiáng)裝藥, 先進(jìn)戰(zhàn)斗用手槍)扳機(jī)等零件采用鎂合金, 重量減輕45 %, 擊發(fā)時間減少66 %。

高性能輕金屬材料在航空航天和國防建設(shè)中占有十分重要的地位。航空航天器的輕量化帶來的經(jīng)濟(jì)效益和性能改善十分顯著。MD600N直升機(jī)的變速裝置采用了稀土鎂合金，降低了重量，極大提高了旋翼的升力。我國神舟6 號載人飛船使用稀土鎂中間合金開發(fā)的MB26鎂合金制作電器箱，實現(xiàn)減重13kg。航空航天和武器裝備上使用的材料工況條件惡劣，經(jīng)常需要在振動、沙塵、腐蝕、高溫等苛刻環(huán)境下服役，這使得稀土鎂合金如WE43、WE54 被廣泛應(yīng)用于新型航空發(fā)動機(jī)齒輪箱和直升機(jī)的變速系統(tǒng)中， 如西科斯基公司的S-92 型直升機(jī)和貝爾BA-609 型傾斜旋翼飛機(jī)和歐洲的NH90 直升機(jī)。稀土鎂合金被廣泛用于制造飛機(jī)部件， 如發(fā)動機(jī)零部件、座椅、踏板、起落輪、飛機(jī)座艙頂棚框架、渦輪噴氣發(fā)動機(jī)機(jī)罩以及各種無線電設(shè)備底座等。美國的B-36 戰(zhàn)略轟炸機(jī)大量使用稀土鎂合金， 共使用了5555kg 鎂板、700 kg 鎂合金鍛造件及300 kg 鎂合金鑄造件。我國的殲擊機(jī)、轟炸機(jī)、直升機(jī)、運輸機(jī)、機(jī)載雷達(dá)、地空導(dǎo)彈、運載火箭、人造衛(wèi)星和飛船上均選用了稀土鎂合金構(gòu)件。

2.高性能稀土鎂合金在民品上的應(yīng)用

民品應(yīng)用開發(fā)方面, 在交通工具上廣泛使用鎂合金一直是材料科學(xué)家們努力的方向。而稀土鎂合金的應(yīng)用使產(chǎn)品的開發(fā)范圍大大拓寬。Drits 等開發(fā)的一系列耐熱高強(qiáng)WE 型鎂合金, 因具有良好的力學(xué)性能已廣泛應(yīng)用于賽車及航空飛行器的變速箱殼體。

汽車工業(yè)需要努力改善有效載荷和提高燃油效益,它的一些結(jié)構(gòu)件都要求有較高的耐熱性能, 可在汽車發(fā)動機(jī)箱體、變速箱殼、舵桿件、氣缸蓋、支撐柱等部件中得到使用。開發(fā)耐高溫鎂合金越來越受到人們的重視。在石油化工中, 由于鎂對燃料、礦物油和堿等具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性, 故所開發(fā)的阻燃耐蝕稀土鎂合金可用來制造、貯存和運送這類液體的導(dǎo)管、箱體和貯罐。

稀 土 鎂 合 金Mg-Be-RE(含Be0.1%～0.8%,RE4%～1.5 %), 其著火點可提高250℃, 且力學(xué)性能與AZ91D 相當(dāng), 是一種很實用的阻燃鎂合金, 在煤炭礦井、天然氣及容易燃燒物質(zhì)接觸的部件中可獲得廣泛應(yīng)用。

由于稀土鎂合金具有較好的生物相容性和無毒性，故有望用作為人工骨接材料、心血管支架材料，代替現(xiàn)有金屬植入材料，從而減少病人第二次取出的手術(shù)，這又將開辟一個新的應(yīng)用天地。

3.稀土鎂合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，但以前鎂合金的應(yīng)用遠(yuǎn)不及其他金屬材料那樣受到重視。然而目前各國都已制訂了鎂的開發(fā)計劃，如鎂已是美國汽車研究委員會(USCAR)汽車材料組關(guān)注的重點，德國展開了代號為MADICA的聯(lián)合攻關(guān)項目，日本實施了“Platform Science and Technology for Advanced Magnesium Alloy”計劃。我國的“十五”計劃已將鎂列為新材料重點開發(fā)項目，并已取得一定的成果，如重慶鎂業(yè)和山西鎂產(chǎn)業(yè)基地已初具規(guī)模，長安(汽車)公司已實現(xiàn)單車使用鎂合金8.5kg，裝車5萬輛。東風(fēng)科技制動系統(tǒng)公司和力勁集團(tuán)已分別建成年產(chǎn)630噸和3000噸的鎂合金壓鑄生產(chǎn)線。鎂合金產(chǎn)業(yè)在我國已處于飛速發(fā)展階段。

從20世紀(jì)90年代開始，鎂合金廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)。高性能稀土鎂合金主要用于汽車發(fā)動機(jī)殼體、變速箱殼體、發(fā)動機(jī)氣缸蓋等零部件中。福特、通用、戴姆勒—克萊斯勒、奔馳、大眾、豐田、菲亞特—阿爾法等汽車公司紛紛采用稀土壓鑄鎂合金。豐田汽車的方向盤加裝安全氣囊后質(zhì)量增加，采用AM60B 壓鑄鎂合金后，與鋼制品、鋁制品相比，質(zhì)量減少了45%和15%， 并減少了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的震動。中國奇瑞汽車已100%采用鎂合金方向盤，并力爭實現(xiàn)單車鎂合金達(dá)到30kg。中國一汽和中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所（下稱“長春應(yīng)化所”）合作開發(fā)高性能稀土鎂合金，已經(jīng)形成年產(chǎn)1500 噸鎂合金壓鑄件(包括輪轂、發(fā)動機(jī)殼體、變速箱殼體等)的批量生產(chǎn)能力，建成了我國最大的高性能稀土鎂合金產(chǎn)業(yè)化示范基地，批量生產(chǎn)耐熱、抗蠕變的稀土鎂合金汽車發(fā)動機(jī)缸蓋。

長安汽車通過持續(xù)實施稀土鎂合金項目， 掌握了鎂合金材料替代后的整車和零部件結(jié)構(gòu)再設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了動力總成、座椅骨架、轉(zhuǎn)向盤骨架、輪轂、備胎架等稀土鎂合金汽車零部件的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)與應(yīng)用。國內(nèi)汽車零部件上已開發(fā)應(yīng)用的耐熱、抗蠕變的稀土鎂合金有新型稀土壓鑄鎂合金(AZ91X)、稀土高溫高強(qiáng)鎂合金(Mg-Gd-Y 系列)、稀土高強(qiáng)高韌鎂合金(MB26)等。國外已開發(fā)出AE、WE、QE 等系列含稀土的鎂合金。目前，汽車工業(yè)中稀土鎂合金用量較多的國家和地區(qū)是北美、歐洲、日本和韓國，鎂合金在汽車上的應(yīng)用主要取代鑄鐵、鋁合金、塑料和鋼制沖壓焊接件，以壓鑄件為主，北美汽車壓鑄鎂合金用量正以每年15%的速度遞增。目前，壓鑄鎂合金汽車零部件至少已超過60 種，如：汽車儀表板、座椅骨架、轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱、發(fā)動機(jī)氣缸蓋、變速箱殼體、離合器殼體、進(jìn)氣歧管、輪轂、門框等。汽車輕量化是節(jié)能減排的重要手段，同時，由于對汽車安全性和舒適性要求的不斷提高，需要增加安全裝置，如ABS、安全氣囊，內(nèi)飾也更高級，這也要靠汽車輕量化來補償。奔馳采用AM20 和AM50 壓鑄鎂合金座椅骨架，質(zhì)量較沖壓焊接鋼結(jié)構(gòu)件減少，并減少了震動，增加了舒適性。目前，國外單輛汽車鎂合金用量達(dá)到40 kg。隨稀土鎂合金技術(shù)的進(jìn)步和制造成本的降低， 鎂合金在汽車上的應(yīng)用將會達(dá)到100～150 kg，由此造成的汽車減重可達(dá)10%～15%， 油耗可減少6%～10%，CO2排放量減少約5g/km。

長春應(yīng)化所承擔(dān)“高性能稀土鎂合金及其在汽車上的應(yīng)用”項目，利用應(yīng)化所的稀土鎂中間合金,開發(fā)有自主知識產(chǎn)權(quán)的高強(qiáng)、耐熱、抗蠕變稀土鎂應(yīng)用合金;充分利用我國豐富的鎂和稀土資源,完成高性能、廉價、成分均勻的系列稀土鎂合金的規(guī)?；a(chǎn),形成生產(chǎn)系列稀土鎂合金的成熟技術(shù);掌握高性能稀土鎂合金的熔煉技術(shù),為汽車用鎂合金壓鑄產(chǎn)品提供高品質(zhì)的系列鎂合金鑄錠, 其性能達(dá)到或超過目前國外同類合金的水平,其合金成本增加控制在 AZ91 合金價格的30%以內(nèi);推動耐熱、抗蠕變稀土鎂合金在一汽集團(tuán)汽車上的應(yīng)用,將新型稀土鎂合金推廣到長春客車集團(tuán)公司、航空航天等部門應(yīng)用。

北京有色金屬研究總院國家有色金屬復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心和東風(fēng)汽車公司共同承擔(dān)了國家“九五”科技攻關(guān)項目“轎車鋁、鎂合金新材料及鑄造生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用研究”專題子項“鎂合金材料在轎車上的應(yīng)用研究”，采用朝陽鑫鎂有限公司生產(chǎn)的AZ91D合金錠，在2500 kN冷室壓鑄機(jī)上進(jìn)行了AZ91D鎂合金的壓鑄工藝研究，壓鑄態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)240 MPa，達(dá)到ASTM標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)T6處理(410℃固溶9 h，205 ℃時效8 h)后，抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步提高到280 MPa。

4.稀土鎂合金在軌道交通中的應(yīng)用

近年來，軌道交通獲得長足發(fā)展，通過機(jī)車的輕量化以實現(xiàn)機(jī)車的高速、重載、降耗成為軌道交通研發(fā)的熱點問題之一。稀土鎂合金材料在機(jī)車的輕量化方面正發(fā)揮著越來越重要的作用?，F(xiàn)階段還不能用鎂合金來制造機(jī)車的重要承載構(gòu)件， 只能用鎂合金制造非承載構(gòu)件和車輛內(nèi)部承載要求不高的零部件。德國西門子公司的ICE 高速列車和法國TGV高速列車已經(jīng)開始開發(fā)應(yīng)用稀土鎂合金零部件，如座椅、框架等。日本新干線N700 系列高速列車座椅骨架已經(jīng)采用稀土鎂合金，包括座椅扶手、底座、背靠等，實現(xiàn)了整車減重，提升了動車組的動力性能，減少了能耗。我國也在大力推進(jìn)稀土鎂合金在軌道交通中的應(yīng)用。目前，稀土鎂合金主要用于空調(diào)通風(fēng)口格柵、車窗防護(hù)欄桿、座椅安裝型材和地板布安裝型材、臥鋪框架、行李架邊框、內(nèi)部儀表盤框架等零部件。機(jī)車車輛上常用的鎂合金有：AZ31B、AZ61A、AZ91D、ZK60、AM60B 等。從非承載或者承載要求不高的零部件逐漸發(fā)展到承載零部件， 開發(fā)高強(qiáng)高韌、耐疲勞和減震鐵道車輛零部件，這將是未來稀土鎂合金材料在軌道交通中應(yīng)用的發(fā)展趨勢。

5.稀土鎂合金在3C 產(chǎn)品中的應(yīng)用

計算機(jī)(Computer)、通信(Communication)和消費類電子產(chǎn)品(Consumer electronics)簡稱3C 產(chǎn)品。3C 產(chǎn)品的輕、薄、短、小化趨勢，使得稀土鎂合金的應(yīng)用得到推崇。傳統(tǒng)的3C 產(chǎn)品外殼大都采用塑料材料(如PC、ABS、PC／ABS 等)，質(zhì)量雖輕但防電磁波干擾能力不如金屬材質(zhì)，需做后處理，鎂合金所獨具的輕巧、美觀、電磁屏蔽性能、良好的散熱性、良好的耐腐蝕性、優(yōu)異的比強(qiáng)度和比剛度、良好的手感等優(yōu)良特性使其在3C產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用快速崛起。目前，IBM、戴爾、蘋果、東芝、松下和索尼等公司生產(chǎn)的筆記本電腦、手機(jī)、照相機(jī)、攝像機(jī)等的外殼廣泛使用稀土壓鑄鎂合金，提高了外殼的強(qiáng)度和剛度，減少了電磁波對人體的輻射，其中，應(yīng)用最為廣泛的是AZ91D 鎂合金。

結(jié)語

稀土元素的加入對提高合金的抗氧化和抗蠕變性能等起到了主要作用, 為進(jìn)一步開發(fā)高質(zhì)量鎂合金注入了新的活力。稀土鎂合金的高強(qiáng)、耐熱、耐蝕性能不但能進(jìn)一步增加鎂合金材料在現(xiàn)有的汽車工業(yè)、通訊電子業(yè)等行業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用, 還可促進(jìn)鎂合金材料在新領(lǐng)域中的進(jìn)一步開發(fā)和利用, 也為稀土材料的應(yīng)用開辟出一個十分廣闊的領(lǐng)域。不斷改進(jìn)完善現(xiàn)有的稀土鎂合金, 開發(fā)成本低、性能好的新型稀土鎂合金, 對鎂合金材料和稀土材料兩大領(lǐng)域的發(fā)展都將具有極大的推動作用。近年來, 各經(jīng)濟(jì)大國對其研究投入越來越多, 這一領(lǐng)域已成為世界研究熱點。