汽車(chē)部件用耐熱鎂合金的開(kāi)發(fā)

1前言

近年來(lái)，運(yùn)輸機(jī)械材料多元化和先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合，使運(yùn)輸機(jī)械的輕量化有了很大進(jìn)展。運(yùn)輸機(jī)械輕量化的要求，成為了高性能材料開(kāi)發(fā)的促進(jìn)劑。在鎂合金市場(chǎng)，新型鎂合金材料的開(kāi)發(fā)十分活躍。另一方面，與同樣的輕金屬材料鋁合金相比，鎂合金的力學(xué)性能較差。從材料成本上看，利用鎂合金實(shí)現(xiàn)輕量化的優(yōu)點(diǎn)較少。因此將鎂合金作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用進(jìn)展較慢。為了將鎂合金作為結(jié)構(gòu)材料擴(kuò)大在汽車(chē)中的應(yīng)用，應(yīng)開(kāi)發(fā)出具有比其他材料更好的比強(qiáng)度、剛性和耐熱性的新型鎂合金。

2001年，研究人員發(fā)現(xiàn)，利用快速凝固粉末固化冶金（RS/P/M）法制造的Mg97Zn1Y2合金（WZ74）具有超過(guò)600MPa的屈服強(qiáng)度和高速超塑性，并且其高溫強(qiáng)度是商用鎂合金高溫強(qiáng)度的2-3倍。這一發(fā)現(xiàn)誕生了具有突出特性的革新性鎂合金WZ74。即使用更簡(jiǎn)便的鑄造方法制作的WZ74材料，也有LPSO相析出，顯示出高強(qiáng)度和高耐熱性。因此WZ74具有很大的實(shí)用化希望。

WZ74的構(gòu)成相是長(zhǎng)周期堆垛有序（LPSO）相和α-Mg

相。LPSO相是強(qiáng)化相、顯示出高強(qiáng)度和高耐熱性。

后來(lái)的研究表明，許多合金都存在相同的強(qiáng)化相，都具有優(yōu)良的特性。目前關(guān)于以LPSO相為強(qiáng)化相的合金類(lèi)及其強(qiáng)化機(jī)制，進(jìn)行著活躍的跨學(xué)界研究。

2鑄造技術(shù)開(kāi)發(fā)

鎂合金部件主要是壓鑄件和鍛件。日本企業(yè)著眼于鎂合金延展材的制造，開(kāi)發(fā)出擠壓加工用坯的鑄造技術(shù)。鎂是高活性金屬，容易被氧化，鑄造時(shí)容易發(fā)生氧化皮膜卷入鑄造品內(nèi)。氧化皮膜等夾雜物混入鑄造品內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致鑄造品的靜態(tài)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度下降。因此應(yīng)盡量減少氧化皮膜等夾雜物的混入。日本企業(yè)開(kāi)發(fā)的合金熔液過(guò)濾技術(shù)可以去除100μm以上的夾雜物，并將對(duì)耐蝕性有不良影響的Fe、Ni、Cu等雜質(zhì)元素含量降低到50ppm以下，制造出高質(zhì)量的鎂合金坯。目前，已有公司能夠利用半連續(xù)鑄造法和模具鑄造法供應(yīng)鎂合金鑄坯和鎂合金錠。

最近，日本又開(kāi)發(fā)出不僅適于擠壓加工，而且適于鍛造加工的塑性加工性?xún)?yōu)良的鎂合金。

鍛造材晶粒細(xì)化是提高鍛造材強(qiáng)度的有效方法，并且對(duì)

之后的塑性加工也有好的影響。但鑄造組織的微細(xì)化受合金熔液凝固時(shí)的冷卻速度影響很大，所以鑄造品尺寸增大時(shí)，鑄造組織的微細(xì)化有一定困難。日本企業(yè)通過(guò)合金組成的調(diào)整和添加組織微細(xì)化劑以及改進(jìn)鑄造方法，成功鑄造出直徑小于100μm的均勻微細(xì)晶粒的鎂合金小型坯，并獲得了提高塑性加工性、力學(xué)性能和耐蝕性的效果（圖1）。

3塑性加工技術(shù)的開(kāi)發(fā)

WZ74系合金經(jīng)塑性加工后，強(qiáng)度急劇升高。但由于鎂的晶體結(jié)構(gòu)是密排六方晶格，所以，塑性加工性不如鋁。WZ74系合金也是如此。此外，高強(qiáng)度合金的擠壓加工，不僅對(duì)鎂合金，對(duì)鋁合金也是非常困難的技術(shù)。日本企業(yè)通過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)評(píng)價(jià)，探討良好鎂合金特性與高生產(chǎn)效率兼顧的擠壓加工條件，成功地開(kāi)發(fā)出大尺寸擠壓加工技術(shù)。最近，又開(kāi)發(fā)出進(jìn)一步提高成形性的鎂合金。這種合金可擠壓加工成槽形和角形的擠壓材。此外，制造的大型WZ74鎂合金擠壓材也具有優(yōu)良的特性，其耐熱性超過(guò)耐熱鋁合金A2219-T6（圖2）。

如圖3所示，WZ74系合金的擠壓材組織由三部分

組成：1）沿?cái)D壓方向伸長(zhǎng)的LPSO相、2）沿相同方向伸長(zhǎng)的α-Mg相構(gòu)成的加工晶粒、3）由于擠壓加工中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶產(chǎn)生的微細(xì)化至5-10μm的α-Mg相的再結(jié)晶晶粒。有研究人員指出，WZ74合金具有優(yōu)良性能的原因是上述三種組織共存，正是由于通過(guò)對(duì)三種組織進(jìn)行控制，從而提高了WZ74的強(qiáng)度和延性。

對(duì)鎂合金鍛造技術(shù)開(kāi)發(fā)的同時(shí)，還對(duì)上述鍛造用合金進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。用油壓壓力機(jī)對(duì)上述細(xì)晶化鑄坯（?100mm）進(jìn)行鐓鍛試驗(yàn)結(jié)果表明，鐓粗率直到15%，沒(méi)有發(fā)生裂紋。這種高效率生產(chǎn)的高質(zhì)量鍛造部件，不僅可用于汽車(chē)，還可作為各種結(jié)構(gòu)體的輕量化部件。

4 WZ74鎂合金的應(yīng)用

高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于耐熱鋁合金的WZ74鎂合金，有望成為汽車(chē)輕量化材料。WZ74可用于傳統(tǒng)鎂合金不能制造的發(fā)動(dòng)機(jī)部件。目前鎂合金用于汽車(chē)部件時(shí)還需要進(jìn)一步降低成本和提高可靠性，這需要材料開(kāi)發(fā)商與用戶(hù)共同研究相應(yīng)的解決方案，加快實(shí)現(xiàn)WZ74鎂合金汽車(chē)部件的實(shí)用化。