李德江
上海交通大学
轻合金精密成型国家工程研究中心
1.镁合金材料概述
2.稀土元素在镁中的作用规律
3.高导热稀土镁合金材料研发
4.高真空压铸技术
5.总结与展望
1.镁合金的优势
最轻的金属结构材料1.8g/cm3
高比强度
易加工
汽车、航空航天、国防、通讯等领域减重效果明显，需求迫切，具有广阔应用前景。
压铸工艺是镁合金的主要成型方式
压铸商业镁合金牌号
Mg-Al-Zn系 AZ91D，应用最广泛的压铸镁合金
Mg-Al-Mn系 AM50A AM60B，高塑性压铸镁合金
Mg-Al-RE系 AE42, AE44，耐热压铸镁合金
压铸镁合金非标牌号
Mg-Al-Ca系 AXJ530，低成本耐热压铸镁合金
Mg-Al-Sn系 AT72，可时效强化压铸镁合金
压铸镁合金牌号少，主要集中在Mg-Al系，需开发更多的商业镁合金牌号，拓展其应用。
2.稀土元素与镁的作用规律
晶体结构的相似性
稀土元素与Mg的晶体结构相似，除Sm、Eu、Yb外，都呈密排六方结构或含密排六方结构相
原子半径差异
稀土元素与Mg的原子半径相差不大，除La、Eu、Yb外，相差都在15％以内。
电负性差异
Mg的电负性是1.31，稀土元素从57号的La到69号Tm（Eu、Tb、Yb除外），电负性逐渐增加，其在Mg中的固溶度也随原子序数的增加而递增。稀土元素的电负性与Mg的电负性相差愈小，稀土在Mg中固溶度愈大。
固溶度
稀土元素在Mg中最大固溶度随稀土元素原子半径La系收缩而增大。以wt%算，La是0.4％，Eu小于0.31％，Lu最大，可达41％。以a%算，Sc最大，可达15.9％，Lu次之，达8.8%。
阻燃
镁合金中添加Ce和La等稀土元素能在合金表面形成较为致密的保护膜（稀土氧化物），改善合金的抗氧化性，ZM6合金中添加0.12%的LaCe混合稀土，燃点从654℃提高到820℃
净化
稀土元素La、Ce等在熔炼过程中能够与晶界处的杂质元素反应，使晶界净化改善合金的塑性，同时使β相产生网状结构，有效抑制腐蚀过程，提高耐蚀性。
提高耐热性
RE与Mg-Al系合金中的Al结合生成Al11RE3等Al-RE化合物,减少了Mg17Al12相的数量, Al-RE化合物具有较高的熔点(如Al11RE3的熔点为1473K),而且稀土元素在镁基体中的扩散速度慢,所以化合物表现出很高的热稳定性,可有效钉扎住晶界而阻碍晶界滑动,从而使合金的高温性能得到提高。
改善变形合金织构
Ce元素固溶到镁基体中改变Mg-Ce 原子之间的化学键，对Ce 原子周围的Mg-Mg 原子间化学键产生影响，进而影响镁合金在变形过程中的变形方式，造成非基面织构的产生并弱化基面织构，改善合金的力学性能。
析出强化（Mg-Gd-Y-Zr系）
高密度、呈三角分布的纳米级棱镜面片状析出相是重稀土镁合金获得高强度和耐热性的重要途径。
JDM2稀土镁合金的力学性能
铸造：优良的高温拉伸/热疲劳性能
Excellent Fatigue-resistance and Mechanical Properties @ ET
3、高导热压铸稀土镁合金
合金元素含量增加，镁合金导热系数降低，Al, Sn等元素对导热系数影响明显，Cu, Ce等元素对导热系数影响较小。
镁合金导热系数随温度升高而增加，温度对纯Mg和QE22合金导热系数影响不明显。
高导热镁合金成分设计基本原理：合金元素在镁中的固溶度低，能形成一定数量的有效强化相。
稀土元素对镁合金导热系数的影响规律
Nd,Sm,Y等稀土元素对镁合金导热系数的影响随元素在镁中的固溶度降低而降低
开发了Mg-Nd(Sm,Ce)-Zn系高导热压铸镁合金材料（JDM），压铸性能优良
JDM合金的应用
4.高真空压铸技术
高真空压铸技术开发——模具型腔真空获取
分别对分型面、顶杆、真空阀等连接部位进行密封设计，获得了最佳模具密封工艺，十二五国家科技支撑计划项目支持（2011BAE22B02）
慢压射速度对合金气孔率的影响
同一慢压射速度条件下,真空压铸件中气孔含量均低于常规压铸件中气孔含量，说明真空压铸可有效降低压铸件中气孔含量。真空压铸件中气孔含量随慢压射速度升高而升高，这与慢压射速度升高时充型时刻型腔真空压力升高有关。
冲头类型对型腔真空度的影响
对于不同类型冲头，采用铜质密封冲头时，真空压力分布在8.92-10.8KPa范围内，采用常规钢制冲头时，真空压力分布在6.8-7.47KPa范围内，峰值均出现在慢压射速度为0.2m/s时。
高真空压铸系统
高真空压铸技术的应用
5.总结与展望
稀土元素在镁中具有独特的、不可替代的作用，镁与稀土均是我国的优势资源，发展镁-稀土合金有望形成具有中国特色的王牌合金。
高导热压铸稀土镁合金材料的开发及其在通讯、汽车、照明等领域的应用，有可能为实现镁合金大规模应用找到突破口。
高真空压铸是今后制备高品质大型、复杂、薄壁镁/铝合金压铸件（如减震塔、车门、散热器等）的最有效方法。