稀土在镁合金中的应用
稀土镁合金的研发及应用现状
四、未来发展趋势
1、新材料研发：随着科技的发展，未来将会有更多新型的稀土镁合金问世。 通过改进合金成分和制备工艺，进一步提高稀土镁合金的性能，满足不同领域的 需求。
2、环保与可持续发展：在环保和可持续发展的背景下，研发环保型的稀土 镁合金及其回收再利用技术将成为未来的重要方向。这将有助于减少对环境的负 面影响，并促进稀土资源的可持续利用。
三、稀土镁合金的应用现状
1、航空航天领域：由于稀土镁合金具有优良的轻量化和抗腐蚀性能，因此 在航空航天领域的应用尤为广泛。例如，飞机机身、起落架、发动机部件等都使 用了稀土镁合金。
2、汽车领域：汽车工业是稀土镁合金的重要应用领域。镁合金可以大幅度 减轻车身重量，提高燃油效率，降低碳排放。在汽车零部件如发动机罩、车门、 座椅骨架等方面都有广泛应用。
英美青春剧往往以校园生活为背景，年轻人的成长、友情和爱情。情节通常 围绕主角们的学校生活、家庭关系以及情感经历展开。这些剧集往往给观众留下 深刻的印象，其主要特点如下：
1、情节曲折：英美青春剧的情节设置往往更加曲折，人物关系也更为复杂。 主角们通常会经历一系列的挫折和磨难，例如与朋友之间的矛盾、考试失败、失 恋等。这些情节让观众感同身受，也使得剧情更具吸引力。
通常采用化学合成、物理沉积、热解等方法制备稀土发光材料。而在应用领 域方面，稀土发光材料已广泛应用于显示、照明、医疗等多个领域。
应用进展
1、显示技术：稀土发光材料在显示技术领域的应用进展主要体现在发展新 型的稀土发光显示器。目前，基于稀土发光材料的显示器具有高亮度、高对比度、 宽色域等优点，已成为新一代显示技术的重要发展方向。
3、跨领域合作：未来稀土镁合金的发展将需要多学科交叉合作，包括材料 科学、工程学、物理学、化学等。通过跨领域合作，可以促进稀土镁合金技术的 创新和进步，进一步拓宽其应用领域。
稀土对AZ91镁合金阻燃性和机械性能的影响
稀有金属快报 ３７
稀土对 ＡＺ９１ 镁合金阻燃性和
机械性能的影响
王宝健， 李 洪
（ 江西理工大学， 江西 赣州 ３４１０００）
摘 要 ： 针 对 应 用 最 广 的 镁 铝 锌 锰 系 镁 合 金 ＡＺ９１， 探 讨 了 Ｌａ 的 加 入 对 其 阻 燃 性 和 机 械 性 能 的 影 响 。 在 自 制 覆 盖
０ ｍ
为在特定条件下反应的
Ｇｉｂｂｓ
自由能
变，
ｋＪ／ｍｏｌ；
ΔｒＨ
０ ｍ
为
标
准
状
态
下
反
应
焓
变
，
ｋＪ ／ｍｏｌ；
ΔｒＳ
０ ｍ
为
标
准
状
态
下
的
反
应
熵
变
，
Ｊ／ｍｏｌ；
Ｔ 为反应温
度， Ｋ。
在特定条件下氧化反应 Ｇｉｂｂｓ 自由能变小于 ０，
则能自发进行， 且其绝对值越大反应越容易进行。
用式（ ２） 所列的反应模型对大量金属进行计算。
但是镁及镁合金在熔炼过程中极易发生氧化反 应和燃烧， 产生气体吸附和氧化夹杂， 导致合金质 量下降， 生产十分困难， 甚至十分危险。目前国内 外一般采用熔剂覆盖和气体保护法熔炼镁合金， 但 这些方法均不同程度地存在着铸件易产生熔剂夹 杂、污染环境、设备复杂及生产成本高等缺点。普 通镁合金零件在后续机加工时还得特别注意安全，
剂保护下， 按照 ＡＺ９１ 镁合金化学计量比备料， 熔铸了 ３ 种不同稀土含量（ ０， ０．２％， ０．４％） 的样品 。 对 样 品 进 行 燃
点、硬度测定和金相观察。结果表明， 富 Ｌａ 稀 土 不 仅 可 有 效 地 提 高 镁 合 金 的 燃 点（ 在 ＡＺ９１ 系镁合金中添 加 ０．４％
稀土在镁合金中的主要作用与效果
稀土在镁合金中的主要作用与效果1、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。
2、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。
3、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α2Mg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。
4、固溶强化作用大部分稀土元素在镁中具有较高的固溶度，稀土原子溶入镁基体中，增强原子间的结合力，使基体产生晶格畸变;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。
5、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。
1.1.6 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。
6、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。
稀土在结构材料中的应用
1、稀土在钢中的作用 稀土在钢中的作用
净化钢液
变质夹杂
微合金化
➢ 脱氧、脱硫作用
➢ 减少并细化钢中夹杂
物 supercage
β cage
➢控制生成的硫化物形 态，提高钢的韧塑性 特别是横向冲击韧性， 改善钢材的各向异性。
➢使氧化铝夹杂转变成 球状硫氧化物及铝酸 稀土，显著地提高钢 的抗疲劳性能。
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（2）我国稀土钢新品种开发情况
近年来，我国稀土钢新品种的开发取得了显著成绩。本 钢在汽车车轮钢中加稀土效果显著，其稀土钢年产量已达40 万吨。包钢开发的稀土铬钢轨，已成功出口巴西、美国、墨 西哥计5.7万吨，用户反映良好；包钢还生产了风电塔架用 Q345系列稀土钢宽厚板产品28万吨，受到风电用户好评。包 头华业特钢加稀土的节镍不锈钢，年产量已超过20万吨。
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1、稀土镁球墨铸铁
2011年全国的球墨铸铁产量近1000万吨，占世界第一位。我国95% 以上的工厂、70%以上的球墨铸铁采用以稀土－镁作为球化剂、操作工 艺简单的冲入法生产。
球墨铸铁生产中,作为球化剂所应用的稀土以轻稀土为主(其中铈占 50%左右)，而在厚大断面球铁中一般使用有一定抗衰退作用的重稀土 (钇系等)。
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（3）我国稀土钢发展存在的问题
稀土加入工艺及设备较落后
钢中稀土的加入工艺和设备尚满足不了从国外引进的炼钢和炉 外精炼设备高度自动化、连续化的要求。因此迫切需要提升稀土 加入工艺及装备水平，解决连铸中间包稀土加入水口结瘤问题， 开发不锈钢板连铸稀土加入工艺，开发新一代自动化的喂丝机以 及高拉速板坯连铸稀土加入工艺。
（3）稀土在变形铝合金中的开发应用
德国研究者将La加于Al-Si-Mg合金，Y和Ce用于A1-Zr-Mg等合金，研制开 发出了多种优质合金材料。Al-Cu系、Al-Si-Mg系、Al-Mg系等汽车车身板 合金中同时加入微量（0.2％左右）稀土和快凝A1-5Ti-B粉末后，可改善加 工性能和热处理性能，为汽车车身板铝化和汽车现代化和轻量化创造了良 好的条件。
稀土在铝、镁合金中的应用
稀土在铝!镁合金中的应用"##$%&’(%)*)+,’-./’-(0%*"$12%*12’*34’5*.6%12"$$)76郭旭涛8李培杰8熊玉华8刘树勋8曾大本9清华大学机械工程系8北京:;;;<=>?@A B1C(’)8D E F.%C G%.8B E A H?I1C01’8D E@J01C K1*8L/H?M’C N.*9M.#’-(2.*()+4.&0’*%&’$/*5%*..-%*58O6%*501’@*%P.-6%(78Q.%G%*5:;;;<=8R0%*’>摘要S稀土元素作为微量元素加入铝!镁合金中8可以净化合金熔体8细化!变质微观组织8减少夹杂T随着稀土元素加入量的增加8可以显著提高铝!镁合金的综合性能特别是高温力学性能T综述了含稀土铝合金和稀土镁合金的研究!发展和应用现状8着重介绍了稀土对铝镁合金冶炼!工艺和合金化的影响T展望了稀土铝!镁合金的发展前景T 关键词S稀土U铝合金U镁合金中图分类号S O?:=V文献标识码S"文章编号S:;;:C=W<:9X;;=>;<C;;V;C;YZ[\]^_‘]S O0.’33%(%)*)+-’-..’-(09,/>’6(-’&..$.2.*(6()’$12%*12)-2’5*.6%12’$$)76&’* #1-%+7(0.2.$(68-.+%*.’*32)3%+7(0.2%&-)6(-1&(1-.8-.31&.(0.%*&$16%)*a O0.’33%(%)*)+2)-. ,/.$.2.*(6&’*6%5*%+%&’*($7.*0’*&.(0.&)2#-.0.*6%P.#-)#.-(%.68.6#.&%’$$72.&0’*%&’$N.0’P%)-’(0%50(.2#.-’(1-.a,.6.’-&083.P.$)#2.*(8’*3’##$%&’(%)*+)-,/C&)*(’%*%*5"$’$$)76’*3,/C &)*(’%*%*545’$$)76%6-.P%.b.3b%(0(0..2#0’6%6)*(0..++.&()+,/.$.2.*(6)*2.$(%*58#-)C &.66%*58’*3’$$)7%*5)+’$$)76a O0.+1(1-.3.P.$)#2.*()+,/C&)*(’%*%*5"$’$$)76’*3,/C&)*(’%*C %*545’$$)76%6#-)6#.&(.3ac d ef g^h\S-’-..’-(0U’$12%*12"$$)7U2’5*.6%12’$$)7进入X:世纪8环境保护与新材料的应用已成为社会可持续发展的首要问题8轻质金属材料铝!镁合金的应用可以减少油耗!降低污染!提高材料使用性能8它们的发展得到广泛重视T具有i工业味精j之称的稀土元素8由于其独特的电子层结构8使其在铝!镁合金中发挥出独特的冶炼!合金化作用8在铝!镁新合金的发展历程中起着重要作用T本文综合评述稀土铝!镁合金的的研究及应用情况Tk稀土应用的意义目前8铝合金是仅次于钢铁的第二大金属结构材料8其应用越来越广泛T随着技术进步以及成本降低8近年来镁合金作为结构材料应用崭露头角8X;;;年世界原镁消费量达到=a Y l:;Y(8其中作为结构材料的约有W;m n:o8世界镁合金压铸件从:p p=年到:p p p年平均每年增长X:a X m8预计X;;=年压铸业将成为原镁的最大最终用户n X o T人们估计8镁合金有可能成为继钢铁!铝合金之后的另一种重要金属结构材料T 在第一次世界大战期间8德国人已经把稀土应用于镁合金和铝合金8他们采用稀土镁合金9含V m ,/48:a q m4*>制造飞机发动机的增压器8早于稀土在钢铁中的应用n W8=o8英国用稀土镁合金制造涡轮也获得了成功T但是8长期以来8稀土在冶金领域的应用研究主要集中在钢铁结构材料8在铝!镁合金方面8尚有很大研究发展空间T目前的研究表明S铝!镁合金中添加稀土元素8可以提高合金的强度8尤其是高温强度8改善合金的塑韧性!耐磨性!抗腐蚀性能n Y o!铸造工艺性能等8具有显著的冶炼!合金化作用T目前8在稀土元素总需要量中8与金属有关的估计占X;mrW;m n V o T我国铝土矿资源居世界第四位8铝消耗量居世界第二位8铝原料需求旺盛U而我国的稀土!镁资源占有!生产和出口均居世界第一n q8<o T我国从X;世纪V;年代中期开始在铸铁中应用稀土8稍后8扩展至钢铁!有色冶金以及其它领域n p o8有色领域主要应用于铝!镁合金T稀土在钢铁结构材料中主要作为微合金化元素使用8而在铝!镁合金中8尽管稀土价格昂贵8但是由于产品附加值高8除了利用其良好的物理冶金特;V材料工程s X;;=年<期万方数据性进行净化!变质外"还可以将其作为合金化元素使用#在稀土铝合金中一般含有稀土$%$&’(&"最多可达)*&’)+&,)-."在/-年代初"稀土铝合金年产量达到)-0)-$1,)).2在镁合金中一般含有稀土3&’))&,*."目前世界各国的含稀土铸镁合金牌号占镁合金总数的(-&以上,)).#研究稀土在铝!镁合金中的作用机制"加强应用研究"伴随铝!镁合金在结构材料领域的高速发展"将大大促进稀土的应用"提升铝!镁合金产品附加值"有利于我国资源综合利用"将我国的资源优势转化为经济优势#4稀土的作用4%5一般作用稀土元素位于元素周期表第三副族"具有较大的原子半径"在化合物中*价为特征氧化态"有时呈现3价或$价"在金属元素中化学活性仅次于碱金属和碱土金属元素#铝!镁合金中添加不同数量的稀土元素"其发挥的作用不同#添加少量稀土元素"未形成稀土金属间化合物之前"稀土元素在合金中主要起变质和细化作用"从而使合金获得一系列性能的改善#当稀土元素添加量足以生成金属间化合物!共晶复合物的金属纤维组织以及固溶强化相时"可以显著提高合金基体的高温性能,)3.#铝!镁合金中添加稀土元素"具有良好的冶炼!改善成形工艺和合金化作用#4%4冶炼作用稀土元素在铝!镁合金熔液中具有良好的净化作用#首先"稀土元素与氧!硫!氢!氮!卤族等元素具有很强的相互作用"生成产物6738*"6739*" 679"6793"67*9$"67:3"67:*"67;"67<*=<为卤族元素>等"在高温下稀土元素与碳!硅!硼反应生成67?3"673?*"67?"673?"67*?"67$?" 679@3"67A$"67A+等#同时氢在稀土中的溶解度远高于铝!镁合金"因此稀土元素可以较好地除去铝!镁合金中的氢#对于耐热铝!镁合金"由于晶界夹杂的减少"可以明显提高耐热强度等高温性能#其次"稀土能与铝!镁合金中低熔点元素砷!铋!铅!锌等作用"生成熔点较高的二元或多元化合物"这些化合物可以成渣析出"也可以成为强化相存在"避免了低熔点金属引起的红脆性问题#最后"稀土的加入影响或改善铝!镁合金金属液和熔渣的物理化学性质"诸如表面张力!流动性!粘度!夹杂溶解度等"有利于非金属夹杂的球化"促进其上浮"实现铝!镁金属液较好地去除夹杂,)*.#稀土元素在铝!镁合金中具有良好的细化!变质作用#铝镁合金中少量添加稀土元素"可以增加液态金属结晶中心!增加表面张力!增加过冷度"在析出相或生长相的表面生成一层吸附膜"阻碍晶粒继续长大"进而达到细化晶粒的目的#添加稀土还可以减小柱状晶"细化合金二次枝晶臂间距"改善晶粒形态"并在一定程度上控制材料晶粒度#镧和铕对铝合金具有强烈的变质作用"这与其具有较大的原子半径有关#稀土能够提高铝!镁合金的力学性能"在微观结构上还表现为使晶胞参数变小,)$.#4%B改善工艺作用稀土元素加入铝!镁合金可以减少熔体中的气体!夹杂"改善液态金属的流动性"因此"显著改善铸造成形工艺性能#最终可以改善铸锭质量!材料塑性"实现部分零件的以铸代锻#同时加入稀土元素"可以减小或消除铸件热裂敏感性!以及裂纹!气孔等低倍缺陷#稀土元素还可以改善铝!镁变形合金性能#提高其高温稳定性#拉拔稀土铝导线中"稀土与锆一起形成弥散分布的高熔点金属间化合物"促进铝再结晶温度提高"将耐热铝导线在3*-C和3(-C加热时"其强度残存率分别为/D&和E D%(&,)-.#4%F合金化作用稀土元素在金属结构材料中的合金化作用的大小决定于稀土与金属的相图=如稀土元素在金属中的溶解度>!稀土化合物的性质!形状!分布"稀土在金属中分布和扩散速度"以及稀土对其它合金元素的分布及扩散速度的影响等#在钢铁结构材料中"主要研究稀土的冶炼作用2而在稀土铝!镁合金中"由于产品性价比高"稀土的合金化作用得到广泛重视及研究#多相铸造铝合金的耐热性由G固溶体的化学成分!第二相的性质!形状和分布状况等因素决定#G固溶体的化学组成越复杂"组织结构越稳定"合金耐热性越好2第二相热稳定性越高"沿晶界分布的弥散度越高"晶粒越细"则越能阻碍G固溶体的变形"合金耐热性就越好#第二相的热稳定性通常可以用高温下的显微硬度H热硬性衡量"热硬性研究表明,)-."在*(-’$--C"铝合金中稀土化合物具有最高的热稳定性#铝合金基体为面心立方结构"镁合金与稀土元素皆为密排六方结构"这成为稀土元素在镁合金中最大固溶度较大!而在铝合金中较小=表)>的主要原因之一#同时"稀土元素与镁的差异较小,D."与铝的原子半径=-%)$3E I J>差异较大#因此"稀土对G铝固溶体的强化作用不大#稀土元素与其它合金元素一起形成稳定的化合物相是提高铝合金耐热性能的主要途径#而几乎所有的稀土元素对G镁固溶体都具有较好的固溶强化作用,D.#铝合金中稀土化合物相晶格结构复杂"和G固溶体的结构差别大"所形成的新相扩散过程慢"在高温)+稀土在铝!镁合金中的应用万方数据工作时溶解度变化小!在铝合金中"稀土元素往往是沿枝晶和晶界分布"形成连续和不连续的网膜!这些可以提高铝合金晶界强度和抗蠕变能力"使晶间裂纹不易扩展"进而提高合金的热强性#$%&!稀土铝合金系一般处在相图的共晶部分"’()*+合金共晶点成分为$,-*+"这些合金铸造性能良好.同时"稀土铝合金的共晶温度较高/’()*+合金为01234"稀土元素沉淀5聚集生成化合物的速度相比铝合金中常用合金元素67慢得多"这也是稀土铝合金系具有很好的耐热性的原因之一!随着铝合金中89含量增加"晶间稀土化合物数量增加"铝合金高温强度显著增加"但晶间脆性相的增多将导致合金塑性下降"因此89的添加应控制在合适的比例!:;<=$合金含有89元素<><-?%>=-":;,=0合金中稀土化合物相的数量控制在$=-为宜!考虑到利用铝@稀土多元金属间化合物增加铝合金的耐热性能"人们成功开发出快速凝固’()2><-A+)1><-*+合金"这种合金中沉淀相细小5分布均匀且稳定"使铝合金耐热性能又有了进一步突破!表B稀土在铝5镁合金的C基体中最大固溶度D E F(+$D G+H E I7H J H K L(7MK L(J F7(7N OL P Q E Q++E Q N G7RS)H E N Q7IL P E(J H7R J H E R MH E T R+K7J H E((L O K8E Q++E Q N G+(+H+R N*+;E US)’(V-=>=%=>=%=>$WS)XT V-=>W<@$,稀土在铝及铝合金中固溶度极小"能与杂质生成金属间化合物或非金属化合物"它们偏聚在晶界上"加大了过冷度"具有细化晶粒的作用"同时可以改变铝合金组元67"A+"XT的形态"减少针状晶"增加球状晶"提高铝合金机械性能!稀土还使铝合金腐蚀电位变正"增大电化学反应的电阻"从而提高铝合金的耐蚀性!稀土在镁合金中可以作为合金剂5球化剂"同时具有良好的净化熔体的作用!添加稀土元素进行合金化"可以显著提高镁合金的耐热性能"使其作为飞机5导弹以及火箭上的重要零件!研究表明"双数原子序数的稀土元素能增加镁合金的耐热强度"单数原子序数的稀土元素能增加镁合金的塑性!稀土元素可以提高镁合金的流动性"细化晶粒"强化固溶体"在镁合金中生成弥散分布的金属间化合物"强化晶界"显著提高耐热强度!固溶体型铝5镁单相合金"晶粒越大"晶格缺陷或晶界越少"即表面能越小"在高温下的稳定性越大.多相铝5镁合金中"细质点的耐热第二相对固溶体晶粒变形的阻碍作用比在粗晶粒合金中大"特别当温度高于=>0Y熔点时"第二相的作用突出!形状复杂的5热稳定性高的化合物相"在晶界形成封闭的网状或骨架状结构的化合物相"可以显著提高合金的热强性!由于经过加工变形"这一特点被消除"因此"铸造铝5镁合金的耐热性要比相同成分的变形合金好!Z应用状况目前"已开发出稀土合金对铸造铝合金的复合精变处理技术"提高了产品质量"生产成本没有增加"生产过程不对环境产生任何污染#$0&!铝合金中添加少量稀土"可以降低硅含量"提高导电率"改善铝合金的电导及热导性能"同时大大提高铝合金延展性能"这类铝合金大量用于高压传输导线#$W"$2&!一般将添加大量稀土的铝合金称为稀土铝合金"国内外典型的稀土铝合金往往添加富铈混合稀土"如国产:;<=$":;,=0等#$[&"前苏联的’\]@$合金等!较近的研究表明"重稀土钇对提高铝合金耐热性有明显效果"但由于钇的价格较高"尚未得到广泛应用!稀土铝合金可用于空气调节系统5内燃发动机零部件等在高温高压下工作的零件!$[1W年"^E J T G N L R和]Q O N G+Q_G首先报道了高温抗拉XT)*+合金"其后发现稀土镁合金的耐热性能按照XT);E"XT)*+"XT)‘M序列增高"随着研究深入"不断有适用于更高温度的稀土镁合金系列出现"其发展如图$所示a期万方数据镁合金不断出现并被应用!航空工业成为稀土镁合金发展的第一推动力"但是!由于稀土镁合金各项性能特别是耐热性能#$$%优异!蕴含着巨大的应用潜力!随着稀土镁合金价格的不断下降!稀土镁合金开始向民用方向发展"在镁合金应用市场前景广阔的汽车行业!通过压铸工艺生产的稀土镁合金产品的发展方兴未艾#&%!目前正掀起了新一轮稀土镁合金新材料研制’作用机理讨论的热潮"稀土作为合金元素应用于铝’镁合金!尚存在一些问题"首先是稀土较高的价格增加了最终产品的成本!通过研究的深入!不断提高材料使用性能!最终提高产品性价比!是稀土铝’镁合金进一步发展的动力"其次稀土合金化添加工艺始终是需要攻克的技术难关!准确把握稀土在铝’镁合金中的添加量!控制稀土铝’镁合金中间相的形成!进而使产品保持稳定’优秀的力学及其它性能!是该领域工作者重要攻关目标之一"例如国内某稀土镁合金零件生产厂目前采用如下稀土添加工艺(在不锈钢杯中装入混合稀土!加入镁合金熔体前在)**+,**-预热去潮’脱蜡!然后将不锈钢杯悬浮于镁液中!使稀土扩散溶解"这种方法保证了稀土元素在镁合金熔体中具有较好的收得率"不同的铝’镁合金!稀土的添加工艺不同!分别表现为以铝’镁稀土中间合金和单质稀土两种形式加入"最后!铝’镁合金的回收再生性能是其比塑料制品优越的特性之一!$***年全世界回收的铝废料占铝消费量的$./!达到01.23*45!但是!稀土铝’镁合金中由于稀土元素成分易于波动!给其回收再生带来一定困难!需要在今后的实践中探索成熟的回收再生工艺"6展望中国航空工业一直是稀土镁合金新材料研究的主要力量!在$*世纪&*年代末其研究曾一度达到世界先进水平"近$*余年来!中国铝合金业得到迅猛发展!而镁合金长期未得到应有的发展!稀土在铝合金中的应用研究领先于在镁合金中的应用研究!在$.* +)**-应用水平上!稀土镁合金784!789已经落后于:;.,!:;,)的性能#$)%<图$=以及俄罗斯最新的稀土镁合金"$*世纪9*年代初启动’由欧洲3,个国家的,*个研究单位参加目前正在开展的新型轻合金热化学’热物理学测定和计算数据库合作开发工程<>?@5.*&工程=!以及国际材料科学研究机构<8A B C=都将稀土二元或三元铝’镁合金的研究列为重要研究课题#$,%"$*世纪9*年代中期!中国将稀土元素在铁液中与其它元素作用机制的研究列为自然基金资助课题!对推动稀土元素在钢铁中的应用起到了重要作用!带来了显著的经济效益"目前!稀土在铝’镁合金中的应用研究也得到了国家有关部门的重视!列入D04)E’D十五E等重要发展计划!同时!稀土对铝’镁合金的影响规律和作用机理方面的研究也在不断取得进展!这些成果对进一步拓宽稀土在铝’镁合金中的应用具有重要意义"图$国内外主要耐热稀土镁合金性能对比#$.% <F=$.*-拉伸强度G<H=)**-拉伸强度G<>=$.*-伸长率I J K1$L?M N F O J@?P?Q N O?N R O5J R@Q?O S R F5T O R@J@5F P5U;T>?P5F J P J P KM F K P R@J V M F W W?X@S?M R F P YF H O?F Y <F=5R P@J W R@5O R P K5SF5$.*-G<H=5R P@J W R@5O R P K5SF5)**-G<>=R W?P K F5J?PF5$.*-随着中国镁资源较铝资源优势的不断显现!未来几年镁合金有望作为结构材料得到大量的应用#$&Z$9%"中国稀土镁合金的研究!前期可以跟踪瞄准俄罗斯’欧美等技术强国的发展道路!随着国内稀土镁合金材料研究水平的进步!在未来的国际市场!中国的稀土镁合金产品将显示出其强大的竞争优势"目前!高纯稀土在铝’镁合金中的应用发展大大)4稀土在铝’镁合金中的应用万方数据加快!稀土在铝"镁合金中的应用总量逐年增加#可以预见!随着稀土在铝"镁合金中的应用研究深入开展!人类认识水平和技术水平的不断提高!更加广泛的"更多系列的新型稀土铝"镁合金即将被开发"应用#加强稀土镁合金的研究!同时重视稀土铝合金的研究!是结合中国资源特色!获得新材料领域突破的重要途径#参考文献$%&刘兵’中国镁产业面临的发展机遇与挑战$(&’)**%年中国国际镁业研讨会论文集$+&’北京,中国镁业协会!)**%’-./’$)&李晓敏’压铸镁合金在汽车中的应用及其发展前景$0&’世界有色金属!)**%!123,%4.%/’$5&杜挺’稀土元素在金属材料中的应用’杜挺科技文集.冶金"材料及其物理化学$6&’北京,冶金工业出版社!%224’%%.55’$7&杜挺’稀土元素在金属材料中的一些物理化学作用$0&’金属学报!%228!1%3,42.88’$-&9(:;6<(=>??!@A B C D!9;C E0F’F G H I J K L G M M N H I O P QI R NH J K K J L O J PS N K M J K T G P H N J M N U N V I K J PW>75G P XW>-7T G Q P N L O Y TH G L I O P QG U U J Z L$(&’6B:=;9>[@!9(;C>:9\’WN K V L I J M M];P M J K T G I O J P L Q N L N U U L H R G M I$+&!F K G P V M Y K I,%22/’7*5.7*/’$4&川二朗’稀土的最新应用技术$6&’北京,化学工业出版社!%225’$8&郭旭涛!李培杰!曾大本’稀土耐热镁合金发展现状及展望$0&’铸造!)**)!1)3,4/.8%’$/&吴秀铭’中国镁工业的现状与展望$(&’)**%年中国国际镁业研讨会论文集$+&’北京,中国镁业协会!)**%’%.7’$2&李振宏!伍虹’我国稀土应用的现状与前景$0&’稀土!%228!143,7/.-)’$%*&孙伟成’稀土在铝合金中的行为$6&’北京,兵器工业出版社!%22)’$%%&刘光华’稀土固体物理学$6&’北京,机械工业出版社!%228’$%)&美国金属学会’金属手册.性能与选择,有色合金及纯金属$6&’北京,机械工业出版社!%227’$%5&D>沙林’金属材料中的稀土元素$0&’材料工程!%225!1%3,%.-’$%7&张密林!景晓燕!鲁化一!唐定骧’稀土对(U]6Q]^O合金晶体结构参数的影响$0&’中国稀土学报!%22)!123,)84.)88’$%-&王武!苏光冀!何德坪’稀土元素在(U.6Q合金中的分布及对结晶组织的影响$0&’中国稀土学报’%22*!123,)-).)-4’$%4&顾晓文!等’铝合金熔炼绿色集约化的尝试’中国第五届压铸技术交流会论文集’上海!)**%’$%8&刘余九’稀土在有色金属工业中应用现状$0&’中国稀土学报!%22-!183,5/8.5/2’$%/&钟俊辉’稀土在合金中应用的新进展$0&’世界有色金属!%227!1%%3,)7.)2’$%2&李风梅!钱鑫源!李金桂!王乐安!赵进’稀土在航空工业中的应用现状与发展趋势$0&’材料工程!%22/!143,%*.%5’$)*&[(::A@6B:=;9>’6G Q P N L O Y T G P X6G Q P N L O Y T(U U J Z L $0&’轻金属!)**%!1%3,).%5’$)%&F\:\A(?!9B E;^BC!6(_\C(E(^!^>C=(9’(S S U O]H G I O J P LJ MT G Q P N L O Y T G U U J Z LM J KG N K J L S G H NL I K Y H I Y K NL Z L I N T L$0&’6G I N K O G U L^H O N P H N F J K Y 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e L J K S I O J PO PS J U Z16N I R Z U6N I R G H K Z U G I N3$0&’0J Y K P G U J M D J U Z T N K^H O N P H N,D G K I(]%!%28)!%*143,%482.%4/-’$)4&尼尔塞茨’经营预测原理及微机应用$6&’长沙,中南工业大学出版社!%2//’基金项目,航空科学基金资助项目1*)E)%*%*3收稿日期,)**7]*)]%4b修订日期,)**7]*-])/作者简介,马丽婷1%288.3!女!硕士研究生!从事航空有机玻璃老化性能及寿命预测方面的研究!联系地址,北京/%信箱)5分箱1%***2-3#c74材料工程g)**7年/期万方数据稀土在铝、镁合金中的应用作者：郭旭涛， 李培杰， 熊玉华， 刘树勋， 曾大本作者单位：清华大学机械工程系,北京,100084刊名：材料工程英文刊名：JOURNAL OF MATERIALS ENGINEERING年，卷(期)：2004(8)被引用次数：21次参考文献(29条)1.FURUYAH;KOGISO N;MATUNAGA S;SENDA K Applicationsofmagnesiumalloysforaerospacestructuresystems[外文期刊] 20002.ARRYLMORDIKE MagnesiumandMagnesiumAlloys 2001(01)3.李风梅;钱鑫源;李金桂;王乐安,赵进稀土在航空工业中的应用现状与发展趋势[期刊论文]-材料工程 1998(06)4.钟俊辉稀土在合金中应用的新进展 1994(11)5.李振宏;伍虹我国稀土应用的现状与前景 1997(06)6.吴秀铭中国镁工业的现状与展望 20017.郭旭涛;李培杰;曾大本稀土耐热镁合金发展现状及展望[期刊论文]-铸造 2002(02)8.川二朗稀土的最新应用技术 19939.KARIMZADEHH;LYON P;KING J F Factors affecting the corrosion performance of elektron WE43 and WE54 magnesium casting alloys 199810.杜挺稀土元素在金属材料中的一些物理化学作用 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2006(4)17.季小兰Al-4.5Mg-0.7Mn-0.1Zr-Er合金微观组织与性能的研究[学位论文]硕士 200618.孙莉Mg-Y-Nd系合金析出相的电子显微研究[学位论文]硕士 200619.韩英芬AZ91镁合金中非金属夹杂物的去除研究[学位论文]硕士 200620.胥锴.刘政.刘萍稀土在铝及铝合金中的应用现状与展望[期刊论文]-有色金属加工 2005(5)21.吴惠丰基于NMR的稀土生物效应代谢组学研究[学位论文]博士 2005本文链接：/Periodical_clgc200408016.aspx。
稀土元素在镁合金中的作用及其应用
称之为! 双谷现象., 这种现象与铕和镱原子半径 ( 分别为 2. 04 # 10- 10 m 和 1. 93 # 10- 10 m) 远大于 Mg 的原子半径( 1. 62 # 10- 10 m) 直接关联。 ( 3) 电负性之差越大, 越易形成固溶体, 反之 形成化合物。Mg 的电负性为 1. 31, 稀土的电负性 .. 6..60 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 稀 .. 有 .. 金 .. 属.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 32 卷
作者利用这两大资源优势, 对含稀土镁合金的研 究逐渐系统和深入, 同时致力于开发低成本、高性 能的新型稀土镁合金, 对镁合金材料及稀土材料 的发展起到极大的推动作用。本文主要综述了稀 土在镁合金中的行为, 并结合作者及其研究小
组 在研发稀土镁合金方面的工作介绍 了一系列重要 的含稀土镁合金的性能及其应用Байду номын сангаас 1 .. 稀土在镁合金中的行为 1. 1 .. 稀土在镁合金中的主要作用与效果 1. 1. 1 .. 熔体净化作用[ 7, 8] .. .. 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。 1. 1. 2 .. 熔体保护作用[9] .. .. 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
在镁中的固溶度各异。如图 1 所 示, 镧系元素的原子半径随原子序数的增加而减 小, 这种现象被称为! 镧系收缩.。但在 Eu 和 Yb 处 呈现两个峰值, 称为! 双峰效应.。大部分稀土元素 与镁的原子半径之差在 15% 以内, 所以大部分稀 土元素在镁中具有较高的固溶度( 有些高达 10% ~ 20%, 而稀土在钢和铝中的溶解度仅有千分之 几) 。稀土元素在镁中的最大固溶度随原子序数的 增加而增长, 恰恰在铕和镱处形成两个低谷, 我们
稀土Sm在耐热镁合金中的应用
··镁合金是目前可应用的最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减振性能优异、导热性好、电磁屏蔽效果佳、机加工性能优良、尺寸稳定性好、易回收等优点，在航空航天、汽车制造、家电仪表、电子通讯、生物医学等领域有着极其重要的应用价值和广阔的应用前景，被誉为“21世纪绿色工程材料”[1-8]。
但是，镁合金的耐热性能（高温强度和抗蠕变性能）较差，这是限制镁合金广泛应用的一个重要原因。
合金化是改善镁合金耐热性能最常用和最有效的方法之一[3，6]。
耐热镁合金中添加的合金元素，大致可分为三类：稀土元素（如Sc 、Y 等）、碱土元素（如Ca 、Sr 、Ba 等）和其他合金元素（如Al 、Zn 、Si 、Zr 等）。
关于它们在镁合金中应用的文献报道很多，但关于稀土元素Sm （钐）在耐热镁合金中的应用，国内外的文献报道却很少。
因此，以耐热镁合金为对象，在概述镁合金耐热性能及合金化设计依据的基础上，着重介绍通过加入Sm 进行合金化来提高镁合金耐热性能的相关研究进展，旨在为耐热镁合金的开发提供思路和依据。
1镁合金的耐热性能及合金化设计耐热性能主要是指材料在高温和外加载荷作用下抵抗蠕变及破坏的能力。
蠕变是金属在恒定应力下发生的缓慢而又连续的一种变形，是一个在高温条件下缓慢的塑性变形过程。
镁合金高温蠕变变形主要通过位错运动和晶界滑移两种方式进行。
与铝合金相比，镁合金更易于发生晶界滑移[6]。
因此，从合金晶体结构的强度观点出发，耐热镁合金的设计应从强化基体和强化晶界两个方面入手，而限制位错运动和阻止晶界滑移是关键[3，5-6，8]。
国际上耐热镁合金的研究始于20世纪中期，经过数十年的发展，耐热镁合金的设计理论逐渐完善，形成了以通过添加稀土、碱土、Si 以及其他元素进行合金化和形成热稳定性高的强化相来提高镁合金耐热性能的设计思想。
稀土被普遍认为是提高镁合金耐热性能最直接和最有效的合金元素。
其中，Sm 因用量少且作用显著而逐渐引起众多研究者的重视[9-10]。
稀土镁合金
稀土镁合金在变速器壳体上的
应用
• 稀土镁合金在变速器壳体上的应用 • 变速器壳体：使用稀土镁合金制造变速器壳体，减轻变速器重 量 • 变速器齿轮：使用稀土镁合金制造变速器齿轮，提高变速器性 能 • 变速器轴承：使用稀土镁合金制造变速器轴承，提高变速器性 能
05 稀土镁合金在其他工业领域的应用
稀土镁合金在电子工 业中的应用
• 稀土镁合金在电子工业中的应用 • 电子产品外壳：使用稀土镁合金制造电子产品外壳，减轻产品 重量 • 电子产品散热器：使用稀土镁合金制造电子产品散热器，提高 散热性能 • 电子产品支架：使用稀土镁合金制造电子产品支架，提高产品 结构稳定性
稀土镁合金在石油化工设备中
的应用
• 稀土镁合金在石油化工设备中的应用 • 石油化工设备管道：使用稀土镁合金制造石油化工设备管道， 提高设备性能 • 石油化工设备泵体：使用稀土镁合金制造石油化工设备泵体， 减轻设备重量 • 石油化工设备换热器：使用稀土镁合金制造石油化工设备换热 器，提高设备性能
稀土镁合金的耐腐蚀性能与耐磨性能
稀土镁合金的耐腐蚀性能
• 优异的抗腐蚀性能：稀土元素的加入提高了镁合金的抗腐蚀性能 • 抗氧化性能：稀土元素的加入提高了镁合金的抗氧化性能 • 抗腐蚀疲劳性能：稀土元素的加入提高了镁合金的抗腐蚀疲劳性能
稀土镁合金的耐磨性能
• 良好的耐磨性能：稀土元素的加入提高了镁合金的耐磨性能 • 减摩性能：稀土元素的加入降低了镁合金的摩擦系数 • 抗磨损性能：稀土元素的加入提高了镁合金的抗磨损性能
稀土镁合金的力学性能与物理性能
稀土镁合金的力学性能
• 高强度：稀土元素的加入提高了镁合金的抗拉强度 • 高硬度：稀土元素的加入提高了镁合金的硬度 • 良好的韧性：稀土元素的加入提高了镁合金的抗冲击性 能
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有高温性能稳定性 、热强度较高、结晶温度间
隔小 、铸 造 流动性 好及 气孔 缩松 与热 裂 倾 向小
等特点。表 ｌ中示出稀土元素在 Ｍｇ中最大固 溶度和 与镁基 固溶体 共存 的化合 物相 。
表 ｌ 稀土元素在 Ｍｇ中最大固溶度和与镁基固溶体共存的化合物相 稀 土 原 子 共 晶温度 最大 固溶度 摩 尔分数／ ％ 与 Ｍｇ生成
元 素
Ｓｃ
序 数
２ｌ
℃／ ｋ
８ ８ ３
８８ ６ ８ ６３
８ ４８
质量分数／％ １
２ ９ ５． ｌ ９ ５．
的化合 物相
Ｍｇ Ｓｃ
Ｙ
Ｌａ Ｃｅ
Ｐｒ
３ ９
５ ７ ５ ８
５ ９
ｌ ． ２４
０７ ，９ １６ ．
１７ ．
３３ ．５
０１ ．４ ０２８ ．
性 、抗 电磁 干扰 性 、抛 光性 、表 面处理 性 能 、 ・杂 质 ｓ 、Ｂ、ｓ 、ｚ 、Ａｓ ｂ 等元素作用 ， ｂ ｉ ｎ ｎ 、Ｐ
利用 等特性 。但 镁合 金的 强韧性 与 高温性 能不 如铝 合金 ，且耐 腐蚀 性较 差和 易燃 、易氧 化 等
不足 之处 。但镁 合金 加入微 量稀 土元 素后 ，组
０ ３ｌ ．
Ｍ ｇ４ ２Ｙ
Ｍ ｇｌＬａ ２ Ｍ ｇ１Ｃｅ ２
Ｍ ｇ１Ｐｒ ２
Ｎｄ Ｐｍ Ｓｍ
６ ０ ６ｌ ６２
室 温与 高温 强度及 抗高 温蠕 变形 能等物 理 、化
学 及 力学性 能 ，因稀土 元素 与镁 合金 发生 固溶 强 化 、晶界 强化和 弥散 化合 物强 化共 同作用 结
果。
如稀 土元素 Ｃ 、Ｎ ｅ ｄ在 镁合 金 中有较 大固
溶 度 （ 表 １ ， ＭｇＮ 见 ）在 — ｄ系与 ＭｇＹ系镁合 金 —
强 化相 ；稀 土元素 还具 有微 合金 化作 用 ，改 善
和提 高镁合 金显微组 织结构 和稳定性 、铸造性 、
织性 能有较 大改 善和提 高 ，镁合 金被 誉 为 “ｌ ２ 世纪绿 色工程材料 ” ，开 发和应 用前景广 阔 。 稀 土元素位 于化学 元素周期 表 中第 ３ 副族 ， 特殊 位置 决定具 有特 殊的 物理化 学 性能 ，有 高 的化 学活 性 、低 电位 和特 殊 电子壳 层结构 ，几
乎能与所有元素反应起作用；稀土元素独特 的 ２ ｆ电子结构 ，大的原子磁 距 ，特 强的 自旋 轨道
耦合等特 性 ， 成稀土配 合物时 ， 形 配位数 在 ３ １ －２ 之 间变化和 稀土 化合 物晶体 结构 多样 化 。研 究 表 明 ，镁 合金与 稀土 元素 均有 密排 六方 晶体 结 构 ，因此 稀土元 素在 镁合 金 中固溶 度大 ，几 乎 所有稀 土元素对 ０Ｍｇ合金 均有 良好 固溶强化 【 一
共格 关系 ，是 六方 结构 亚稳相 ，沿 棱 面析 出片
Ｍｇ２ｅ ｌ 、Ｍｇ２ Ｃ ｌ Ｎｄ等复杂 晶格 ， 形成 的化合物 具
状 ｐ／’ ， ’ 相 对基面滑移起很大阻碍作用 ，有明 ， ｐ 显细 化晶粒 、 时效硬 化和 推迟 时效 进程 与 改善
显微组 织结构 、提 升 力学性 能功效 。实验表 明 ， ＭｇＲ 合 金共 晶温度约在 ５ ２ ５３ ．Ｅ ５ ℃－９ ℃之 间 ， ｃＭｇ 固 溶体 溶 解温 度 约 ５ ０Ｃ，形成 第 二相 【 ． ０￣
Ｎ等 的亲和 力特 强 ， 成 Ｒ ２ ３ Ｅ Ｓ 、Ｒ Ｓ 生 Ｅ Ｏ 、Ｒ ２ ３ Ｅ 、 Ｒ Ｈ２ Ｅ 等 比重 轻及稳定 的 Ｃ Ｈ 、Ｌ Ｈ２ Ｅ 、Ｒ Ｎ ｅ２ ａ 、 Ｙ 等化 合物 ，上浮 成渣捞 出 ，使镁 合金熔体 Ｈ２
金属材料 ，比铝 合金轻 ３％，比锌合 金轻 ７ ％， ６ ２ 是钢的 １ 具有低 密度 ， 的比强度 、比刚度 、 ／ ４， 高 高弹性 模量 、高 阻尼性 能 ；有优 良减 震性 、低 温；击 韧性 、切 削加 工性 、尺寸稳 定 性 、导 热 中
时 效 过 程 中 析 出 Ｂ强 化 相 ，形 成 Ａ１Ｒ ’ ｌ Ｅ、 Ａ１Ｒ ｌ Ｅ、Ａ ｌ Ｅ 等 化 合 物 强 化 相 ，有 利 提 高 ｌ １Ｒ ２ ＭｇＡ一Ｅ 镁 合 金 内亚 显徽 沉淀 析 出强 化和 高 —１ Ｒ
温 稳定 性及抗 高 温蠕 变等性 能 。牌 号 为 ＷＥ ２ ５
关键词 ：稀土元 素 ；稀土镁 合 金 ；固溶 强化处理 ；应用研 究
０ 前言
非 磁性 金属镁 位于 化 学元素 周期 表 中第 ２
族， 原子序号 ｌ ， 子量 ２ ．２ ２ 原 ４３ ，是 目前最 轻 的
１ 稀土元素在镁合金中的作用机理
稀土 元素与镁 液 中的 有害杂质 Ｏ、ｓ 、Ｈ、
质感好 、 品美观和对环境 无污 染可 １０ 成 ０ ％回收
中的பைடு நூலகம்体 基本 上排 除 ，起 到 除气精 炼 、净化镁 熔体 的作 用 ；稀土 元素 与镁 液体 中低熔 点有 害
生 成熔 点较高 的二 元或 多元 化合物 ，上浮成 渣 捞 出 ，残留 者可作 为生 核剂 ，细 化晶粒 ，成 为
稀 土 镁 合 金 经 固 溶 处 理 ＋时 效 处 理 后
ｏ ≥２ ５ ａ １２ ８ ＭＰ ，按 ＭｇＧ ｂ ２ ＭＰ 、Ｃ ０ ≥１５ ａ — ｄ系析 出
作用 ，赋予稀土元素独特的物理化学性能。
３ ２
相进行反应 ：０ ” ’ 。ｐ相与基体保持 【 一ｐ ’ 一ｐ 一ｐ ”
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稀土在镁 合金 中的应用
土 禾 王 荣 滨 兵
（ 南湾 工具厂 ，南 昌 ３ ０ ０ ） ３ ０ ２
摘
要 ：介绍 了镁与 稀土 元素 的物理化 学特性 及稀 土元素 对镁合 金组 织性能 的影响 ，
稀土镁 合金与未 加稀土 的镁合 金相 比 ， 土镁合金在 经 固溶强化处理 后有 更高的物理 、 稀 化学性 能和使用性 能 ，有显著 的技 术经 济效益 。