汽車部件用耐熱鎂合金的開發

1前言

近年來，運輸機械材料多元化和先進制造技術相結合，使運輸機械的輕量化有了很大進展。運輸機械輕量化的要求，成為了高性能材料開發的促進劑。在鎂合金市場，新型鎂合金材料的開發十分活躍。另一方面，與同樣的輕金屬材料鋁合金相比，鎂合金的力學性能較差。從材料成本上看，利用鎂合金實現輕量化的優點較少。因此將鎂合金作為結構材料的應用進展較慢。為了將鎂合金作為結構材料擴大在汽車中的應用，應開發出具有比其他材料更好的比強度、剛性和耐熱性的新型鎂合金。

2001年，研究人員發現，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600MPa的屈服強度和高速超塑性，并且其高溫強度是商用鎂合金高溫強度的2-3倍。這一發現誕生了具有突出特性的革新性鎂合金WZ74。即使用更簡便的鑄造方法制作的WZ74材料，也有LPSO相析出，顯示出高強度和高耐熱性。因此WZ74具有很大的實用化希望。

WZ74的構成相是長周期堆垛有序（LPSO）相和α-Mg

相。LPSO相是強化相、顯示出高強度和高耐熱性。

后來的研究表明，許多合金都存在相同的強化相，都具有優良的特性。目前關于以LPSO相為強化相的合金類及其強化機制，進行著活躍的跨學界研究。

2鑄造技術開發

鎂合金部件主要是壓鑄件和鍛件。日本企業著眼于鎂合金延展材的制造，開發出擠壓加工用坯的鑄造技術。鎂是高活性金屬，容易被氧化，鑄造時容易發生氧化皮膜卷入鑄造品內。氧化皮膜等夾雜物混入鑄造品內，會導致鑄造品的靜態強度和動態強度下降。因此應盡量減少氧化皮膜等夾雜物的混入。日本企業開發的合金熔液過濾技術可以去除100μm以上的夾雜物，并將對耐蝕性有不良影響的Fe、Ni、Cu等雜質元素含量降低到50ppm以下，制造出高質量的鎂合金坯。目前，已有公司能夠利用半連續鑄造法和模具鑄造法供應鎂合金鑄坯和鎂合金錠。

最近，日本又開發出不僅適于擠壓加工，而且適于鍛造加工的塑性加工性優良的鎂合金。

鍛造材晶粒細化是提高鍛造材強度的有效方法，并且對

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

3塑性加工技術的開發

WZ74系合金經塑性加工后，強度急劇升高。但由于鎂的晶體結構是密排六方晶格，所以，塑性加工性不如鋁。WZ74系合金也是如此。此外，高強度合金的擠壓加工，不僅對鎂合金，對鋁合金也是非常困難的技術。日本企業通過反復的試驗評價，探討良好鎂合金特性與高生產效率兼顧的擠壓加工條件，成功地開發出大尺寸擠壓加工技術。最近，又開發出進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良的特性，其耐熱性超過耐熱鋁合金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）沿擠壓方向伸長的LPSO相、2）沿相同方向伸長的α-Mg相構成的加工晶粒、3）由于擠壓加工中發生動態再結晶產生的微細化至5-10μm的α-Mg相的再結晶晶粒。有研究人員指出，WZ74合金具有優良性能的原因是上述三種組織共存，正是由于通過對三種組織進行控制，從而提高了WZ74的強度和延性。

對鎂合金鍛造技術開發的同時，還對上述鍛造用合金進行了開發。用油壓壓力機對上述細晶化鑄坯（?100mm）進行鐓鍛試驗結果表明，鐓粗率直到15%，沒有發生裂紋。這種高效率生產的高質量鍛造部件，不僅可用于汽車，還可作為各種結構體的輕量化部件。

4 WZ74鎂合金的應用

高溫強度和熱穩定性優于耐熱鋁合金的WZ74鎂合金，有望成為汽車輕量化材料。WZ74可用于傳統鎂合金不能制造的發動機部件。目前鎂合金用于汽車部件時還需要進一步降低成本和提高可靠性，這需要材料開發商與用戶共同研究相應的解決方案，加快實現WZ74鎂合金汽車部件的實用化。