稀土镁合金——中国高端新材料发展与应用

9月3日，中国稀土新材料应用技术高端论坛在黑龙江省齐齐哈尔市开幕。论坛以稀土结构新材料与高端装备制造为主题，就稀土在新材料领域中的应用技术问题展开交流。

　　全球稀土供应量中国占85%以上，中国稀土在国际经贸格局中却不占优势。中国稀土产业多生产初级产品，畅销国外却无利润，行销国内更无市场。根据初步统计，截至2013年，稀土行业中磁性、发光、抛光、储氢等材料的产能利用率均不超过40%，稀土产能严重过剩。

　　2011年国务院下发《关于促进稀土行业持续健康发展的若干意见》明确稀土是国家战略性资源。工信部稀土办公室主任贾银松在论坛发言中说，优化提升稀土行业前端抓好稀土开采、冶炼工作，后端抓好稀土产、用、研发、创新的可持续能力，在产学研用商结合的基础上探索与正式矿区协同发展。

　　中国科学院长春分院院长、中国科学院院士张洪杰做《稀土资源利用国家重点实验室近五年工作进展及产业化项目》的主题报告，介绍了稀土轻合金材料及其表面防护三项科研成果及应用情况，打破稀土基础性研究向应用性研究转化的壁垒，将科技转化为应用性产品。其他报告涉及稀土镁合金在自行车和轮椅上的应用、稀土在核结构材料中的应用、重稀土钇在铸铁及特殊钢生产中的应用等领域。

　　高性能稀土镁合金的研发现状及应用

　　一、稀土镁合金的研发动向

　　1、铸造稀土镁合金

　　传统的镁合金耐热、抗高温蠕变等性能较差,通常只能用于120 ℃以下的场合,达不到交通工具发动机和传动部件需要耐温150～200 ℃、250 ℃甚至更高的要求,从而限制了它的应用. 围绕着如何提高铸造镁合金的力学、耐腐蚀、耐高温、抗蠕变等性能,研究人员对稀土作为镁合金添加剂或合金元素的作用进行了大量研究,取得了瞩目的成绩

　　2、快速凝固稀土镁合金

　　快速凝固工艺的原理适于改进镁合金的力学性能. 由于冷却速率相当快,可获得在传统铸造工艺条件下得不到的铸件成分、相结构,如晶粒细小、无偏析、过饱和固溶、亚稳相、化合物细小弥散等. 快速凝固是最新发展的一类制备高性能材料的先进技术,使镁合金的开发进入一个崭新的领域.

　　快速凝固技术的三大类(雾化、流铸和原处熔化) 都可以用于镁合金的生产.通过快速冷却制备的凝固镁合金,由于大量超过平衡溶度的稀土元素固溶到镁中可以大幅度地降低轴比( c/a) ,扩展α- Mg 的固溶区间,激发新的滑移系,从而提高镁合金的塑性变形能力; 也可提高镁合金微观组织的均匀性,避免局部微电池作用,降低了镁合金的腐蚀趋势.

　　3、变形稀土镁合金

　　变形稀土镁合金比铸造镁合金具有更高的强度、更好的塑性. 研究表明镁合金在热变形后,组织得到了显著细化,铸造组织缺陷被消除,使得产品的综合力学性能大大提高[2 ] . 发展变形镁合金制品可使镁合金更大地应用于结构件上,如轧制的薄板或厚板、挤压材和锻件. 但由于变形镁合金的开发与研究不够充分,有关稀土对其组织性能影响的研究远不如稀土在铸造镁合金中的研究那么深入和充分,相关的公开专题研究报道相对较少.

　　4、稀土耐热镁合金

　　耐热性差是阻碍镁合金广泛应用的主要原因之一. 当温度升高时,它的强度和抗蠕变性能大幅度下降,使它难以作为关键零件(如发动机零件) 材料在汽车等工业中得到更广泛的应用.

　　5、稀土阻燃镁合金

　　镁合金常用的阻燃方法为熔剂保护和SF6 混合气体保护;但相对而言,合金化阻燃是一种更理想的阻燃方法. 其机理是在合金中添加特定的合金元素来影响合金氧化的热力学反应与动力学过程,形成具有保护作用的致密的氧化膜,达到阻止合金剧烈氧化的目的. 与熔剂保护和SF6 气体保护相比,合金化阻燃可以消除熔剂夹杂,提高合金的力学性能与抗腐蚀性,消除有害气体对大气的污染.通过合金化的方法来达到阻燃的目的将是镁合金熔炼阻燃的发展方向.

　　二、稀土在镁合金中的主要作用与效果

　　熔体净化作用

　　稀土元素在镁合金熔体中具有除氢、除氧、除硫、除铁、除夹杂物的作用,达到除气精炼、净化熔体的效果。

　　熔体保护作用

　　镁合金在熔炼过程中极易氧化燃烧, 目前工业生产镁合金一般采用熔剂覆盖或气体保护法熔炼, 但都存在不少缺点, 如果能够提高镁合金熔体自身的起燃温度则有可能实现镁合金大气下直接熔炼, 这对镁合金的进一步推广应用意义重大。稀土是镁合金熔体的表面活性元素, 能够在熔体表面形成致密的复合氧化物膜, 有效阻止熔体和大气的接触, 大大提高镁合金熔体起燃温度。

　　细晶强化作用

　　稀土元素在固液界面前沿富集引起成分过冷, 过冷区形成新的形核带而形成细等轴晶, 此外稀土的富集使其起到阻碍α-Mg晶粒长大的作用, 进一步促进了晶粒的细化。根据Hall2Petch 公式, 合金的强度随晶粒尺寸的细化而增加,并且相对体心立方和面心立方晶体而言, 晶粒尺寸对密排六方金属强度影响更大, 因此镁合金晶粒细化产生的强化效果极为显著。

　　固溶强化作用

　　大部分稀土元素在镁中具有较高的固溶度, 当稀土元素固溶于镁基体时，由于稀土元素与镁的原子半径和弹性模量的差异，使镁基体产生点阵畸变。由此产生的应力将阻碍位错运动，从而使镁基体得到强化。稀土元素固溶强化的作用主要是减慢原子扩散速率, 阻碍位错运动, 从而强化基体, 提高合金的强度和高温蠕变性能。

　　弥散强化作用

　　稀土与镁或其他合金化元素在合金凝固过程中形成稳定的金属间化合物,这些含稀土的金属间化合物一般具有高熔点、高热稳定性等特点, 它们呈细小化合物粒子弥散分布于晶界和晶内, 在高温下可以钉扎晶界, 抑制晶界滑移, 同时阻碍位错运动, 强化合金基体。

　　时效沉淀强化作用

　　稀土元素在镁中所具有的较高固溶度随温度降低而降低, 当处于高温下的单相固溶体快速冷却时, 形成不稳定的过饱和固溶体, 经过长时间的时效, 则形成细小而弥散的析出沉淀相。析出相与位错之间交互作用, 提高合金的强度。

　　三、稀土镁合金的应用范围

　　镁合金在航空航天与军工领域的应用

　　稀土镁合金主要应用于航空航天、导弹等军工领域以及通讯电子业，但随着社会经济发展，现在军工和民用领域均有了较大的拓展。

　　镁合金在轨道车辆上的应用

　　我国列车制动机使用的八种镁合金零件，是成都发动机(集团)有限公司承担的“十五”科技攻关“镁合金在列车中的应用”任务。目前国内一些企业正开发高速列车坐椅骨架、行李架、卧铺板、窗框架、高速列车裙板等。

　　镁合金在汽车上的应用

　　目前镁合金压铸汽车零部件至少已超过60种，如：汽车仪表板、座位架、方向操纵部件、引擎盖、变速箱、进气歧管、轮毂等。镁合金压铸件的优点主要有：重量轻、产品集成化高，例如：轿车上仪表板可将原设计中30-60个零件集成为一片式压铸件。镁合金压铸件在汽车上的应用已经显示出长期的增长态势，在过去十年里，其年增长速度超过15%。 我国2009年的汽车产量已达到1379 万辆，2010年预计突破1700万辆。10 年后我国汽车保有量将可能超过1亿多辆，如果有1500 万辆以上的汽车使用每50kg以上的镁合金材料，镁合金使用量将超过75 万吨，可降低油耗约3%。年节约能耗50 亿元以上。汽车产业是目前镁合金应用数量最大的产业，约占全部镁合金应用数量的70%。

　　镁合金在摩托车上的应用

　　我国是世界摩托车生产、消费、出口大国,2007年产量已达2544.7万辆,由于摩托车60%的铝合金部件都可以用镁合金替代，按每辆使用镁合金8公斤,全年镁合金用量将高达20.36万吨。

　　“十五”期间，重庆大学、重庆镁业、隆鑫集团公司技术中心和隆鑫压铸厂合作,研制出隆鑫LX150摩托车的前后轮毂、曲轴箱等12个镁合金压铸件，组装了一台隆鑫LX150镁合金绿色概念车,我国第一台镁合金摩托车在重庆诞生了,整车镁合金用量是12公斤，比铝合金铸件车减轻6公斤。镁合金摩托车百公里耗油2.827L,铝合金摩托车百公里耗油3.243L,两车相比，镁合金的车比铝合金的车节油0.416L，油耗降低10%左右;同时，CO、HC、NOx的排放值达到并超过欧洲Ⅰ号排放标准。。由于用上镁合金轮毂的优良减振性能，整车具有平稳性、安全性、舒适性。目前，累计生产的镁合金压铸件装配了约300万辆摩托车,部分还出口意大利等国家。

　　镁合金在自行车上的应用

　　越来越多的发达国家意识到自行车的环保、实用、轻便、节约能源而又健身的作用,政府大力倡导自行车文化并提供相应的政策和设施支持。

　　我国镁合金自行车的开发始于1996年。当时达建公司率先进行镁合金前叉外管的开发。目前,镁合金已作为结构部件广泛应用于包括：轮毂、车把夹、脚踏板、制动器、手把、前叉、车架等十几个部件。我国的自行车生产厂商将大量镁合金零部件应用于自行车赛车、登山车等中高档车种。首钢远东生产的镁合金轻便型车,自身重量仅8公斤，已经上市销售。另外,重庆镁业、中华自行车、上海交大、南京华宏等国内企业或科研院所、大学也纷纷推出了镁合金自行车样车。

　　天津市一批实力型自行车整车企业积极参与镁合金自行车、电动车产品研制,已形成20万辆生产能力;在天津武清正在打造“中华自行车王国”，将使天津镁合金自行车在世界市场形成巨大竞争优势。

　　我国台湾地区于1999年首次推出镁合金车架。近年来，镁合金车架不断征战世界高水平自行车大赛。

　　镁合金在3C产品上的应用

　　数字化技术的发展导致各类3C产品的不断涌现。目前镁合金在3C产品中的应用主要集中在笔记本电脑、数码摄像机、数码视听设备和手机等产品上。

　　镁合金在手持电动工具等产品上的应用

　　2006年我国生产手持电动工具约2.7亿台，占世界产量约80%。欧美主要国家已要求进口手动工具优先采用镁合金。

　　化学化工领域的应用

　　镁合金牺牲阳极作为有效防止金属腐蚀的方法之一，广泛应用于延长家庭或工业热水器、地下铁制管道、电缆、塔基、石油储罐、海水蒸馏器、轮船壳体和海洋环境中的钢桩等的寿命。目前，作为牺牲阳极的镁合金以每年20%的速度增长。我国是产镁牺牲阳极生产大国，绝大部分出口。维恩克科技(WINCA)公司可用铸造法和挤压法生产镁合金D形、梯形、球形、圆柱形、半球形等各种规格的牺牲阳极。