中鋁輕研成功開發(fā)新型不銹鎂“SSMag”合金
日期：2024年01月11日
“11月中旬，中鋁輕研鎂合金團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出一種具有高強(qiáng)度、高耐蝕性和優(yōu)異中高溫沖壓性的新型“不銹”鎂合金，該合金相比于防銹鋁A5052，腐蝕性能相當(dāng)，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均提升近40%，密度則降低34%，能夠滿足更復(fù)雜、更嚴(yán)苛的應(yīng)用場景和使用環(huán)境，在航空航天、軌道交通及3C筆電領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。鎂合金團(tuán)隊(duì)將其命名為“Super stainless magnesium alloy”，簡稱SSMag。 ”
SSMag不銹原理與效果
致密表面膜層是關(guān)鍵。
鎂合金團(tuán)隊(duì)基于前期“不銹”鎂鋰合金研究基礎(chǔ)，篩選了可形成致密氧化產(chǎn)物膜層的化學(xué)成分，首先通過合金化元素固溶降低自腐蝕電位，然后通過形成網(wǎng)狀和連續(xù)分布的第二相抑制α-Mg相溶解，雙重作用下阻礙鎂合金腐蝕，并采用微量Be、Y等元素生成能夠填充鎂合金表面膜層間隙的氧化物，增大致密度，提高耐蝕性，最終開發(fā)出高強(qiáng)高耐蝕鎂合金。
該鎂合金經(jīng)3.5wt.% NaCl鹽霧實(shí)驗(yàn)14天，腐蝕速率達(dá)到0.036mg/cm2/d，是普通鎂合金的10-50倍，且有隨腐蝕時(shí)間延長，腐蝕速率下降的趨勢，與防銹鋁A5052腐蝕性能相當(dāng)（圖3、圖4），因此，由于其具有不同于普通鎂合金的超高耐蝕性（Super stainless），故而鎂合金團(tuán)隊(duì)將其命名為SSMag。
圖3 不同鎂合金在3.5wt.%NaCl鹽霧腐蝕后的表面形貌
圖4 SSMag與普通鎂合金、防銹鋁力學(xué)性能和腐蝕性能對比
SSMag在3C鎂合金的應(yīng)用優(yōu)勢
目前，鎂合金材料通常被用于中高檔超輕、超薄型的筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、平板電腦、手機(jī)等的外殼，被主流品牌認(rèn)可，且用量呈上升趨勢。在輕量化要求下，輕薄筆電整機(jī)重量基本控制在1000g左右，殼體厚度都在0.4~0.6mm，傳統(tǒng)壓鑄工藝已不能滿足要求，因此筆電鎂合金薄壁件加工主要采用薄板沖壓成型，后制程主要是微弧氧化+噴漆。
然而，目前3C用鎂合金存在以下幾個(gè)痛點(diǎn)，限制了其產(chǎn)品在消費(fèi)領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用：
1、難沖壓。鎂合金晶體結(jié)構(gòu)為密排六方結(jié)構(gòu)，對稱性差，變形后微觀組織和力學(xué)性能的各向異性大，如3C常用AZ31B鎂合金薄板即使在高溫沖壓時(shí)也容易開裂，成品率不穩(wěn)定。
2、表面差。鎂合金易腐蝕，需要做微弧氧化+噴漆以保護(hù)基材不被侵蝕。但這樣會(huì)造成鎂合金外殼表現(xiàn)油漆感，即呈現(xiàn)塑料感，雖重量大幅降低，但美觀性和質(zhì)感無法與鋁合金外殼相媲美。
3、強(qiáng)度低。3C常用鎂合金強(qiáng)度較低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與A5052鋁合金相當(dāng)，加之其成本更高、油漆感更強(qiáng)，故替代優(yōu)勢表現(xiàn)不足。
4、成本高。常用鎂合金在薄板軋制、沖壓成型及表面處理均會(huì)產(chǎn)生一定比例的報(bào)廢，最終成品率低至50%以下，造成成本攀升。
鎂合金團(tuán)隊(duì)開發(fā)的SSMag，具有高強(qiáng)度、高耐蝕性和溫間沖壓成形性，能夠很好的彌補(bǔ)3C鎂合金所存在的以上不足，實(shí)現(xiàn)媲美鋁合金表面觀感的工藝效果，并因其更高的比強(qiáng)度，可為筆電帶來進(jìn)一步結(jié)構(gòu)減重。SSMag用于3C筆電主要優(yōu)勢有下：
良好的溫沖成形性
SSMag不銹鎂合金比AZ31B具有有更好的溫間沖壓成形性能（圖5），在同樣溫度和沖壓參數(shù)下，SSMag成形質(zhì)量更好，沖壓后無任何裂紋和缺陷，且表面保持光亮，可有效降低沖壓成型廢品率。通過高溫拉伸性能表征可以看到（圖6），SSMag在250℃下拉伸時(shí)延伸率最高達(dá)到232%，約為AZ31B鎂合金的3倍、AZ91D鎂合金的4.5倍。
圖5 SSMag與AZ31B在250℃下沖壓成形對比
圖6 SSMag與AZ31B、AZ91D在250℃下高溫拉伸力學(xué)性能對比
高強(qiáng)高韌性
SSMag不銹鎂合金相比于A5052防銹鋁合金，抗拉強(qiáng)度360MPa，提升約40%；屈服強(qiáng)度300MPa，提升40%；密度1.79g/cm3,降低34%；比強(qiáng)度提升1倍。力學(xué)性能的提升帶來抗磨性、抗凹性及耐沖擊性的提高，可在保證零件強(qiáng)度和剛度的前提下, 減少零件壁厚，達(dá)到進(jìn)一步結(jié)構(gòu)減重的目的。
高光：表面處理后具有更豐富的外觀性
由于其不銹特性，能夠?qū)崿F(xiàn)陽極電泳，具有金屬光澤（圖8）實(shí)現(xiàn)高級質(zhì)感；也可以通過鉆石切割、透明涂裝保持金屬外觀，呈現(xiàn)高光、高亮效果（圖9）；還可以通過化學(xué)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)高的鹽霧可靠性，進(jìn)而降低表面處理的成本，這都是其他鎂合金不能實(shí)現(xiàn)的表面處理方式。
圖8陽極氧電泳
圖9 透明涂裝-高光
綜上，SSMag采用中鋁輕研獨(dú)特的真空高純凈鎂合金制備工藝，耐腐蝕性能與防銹鋁A5052相當(dāng)，強(qiáng)度更高。而加工成形性、表面處理方式突破了鎂合金限制，且充分保留了鎂合金的高阻尼、低密度、高比強(qiáng)、高比剛度、優(yōu)異的散熱性和電磁屏蔽性，使其能夠滿足更復(fù)雜、更嚴(yán)苛的應(yīng)用場景和使用環(huán)境，可替代現(xiàn)有AZ91D高強(qiáng)鎂合金和A5052鋁合金用于3C筆記電設(shè)備，產(chǎn)品更加耐用、可靠。
供貨能力和技術(shù)水平
中鋁輕研合金可根據(jù)客戶需求連續(xù)批量生產(chǎn)多尺寸規(guī)格、不同厚度的高性能鎂合金、鎂鋰合金等鎂合金薄板的能力。公司擁有多套尖端、高效、創(chuàng)新的卷材生產(chǎn)工藝，采用先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)和獨(dú)特的軋制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)鎂合金的120m/min的高速軋制，確保鎂合金卷材的尺寸精度和表面質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。并通過精確控制軋制力、軋制溫度和軋制速度等參數(shù)，使得鎂合金卷材的內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，力學(xué)性能得到顯著提升。能夠快速完成大批量，高品質(zhì)的產(chǎn)品輸出，滿足客戶的需要。
中鋁輕研先后通過國軍標(biāo)武器裝備質(zhì)量管理體系、國標(biāo)質(zhì)量管理體系、職業(yè)健康安全管理體系、環(huán)境管理體系認(rèn)證，武器裝備科研生產(chǎn)單位二級保密資格認(rèn)證，是國家工信部認(rèn)定的專精特新“小巨人”企業(yè)，科技部認(rèn)定的國家科技型中小企業(yè)。以國防軍工中航空航天裝備及零部件作為應(yīng)用目標(biāo)，開發(fā)高性能輕合金材料及精深加工新產(chǎn)品，選取超輕、高強(qiáng)、高模量、耐熱等輕合金領(lǐng)域技術(shù)難度較大的合金產(chǎn)品作為技術(shù)產(chǎn)業(yè)化方向。
不銹鎂的發(fā)現(xiàn)及由來
易腐蝕的世界難題是一百多年來一直制約鎂合金發(fā)展的直接原因。如何研究開發(fā)高強(qiáng)度、高塑性、耐腐蝕的新型鎂合金決定鎂合金的發(fā)展前景，是鎂合金與鋁、鈦、高分子等材料相競爭的關(guān)鍵。
2009年到2015年期間，為解決鎂合金發(fā)展中存在的困境，肖陽博士團(tuán)隊(duì)從純凈化、低腐蝕電位微觀組織設(shè)計(jì)、基體耐蝕膜層構(gòu)建等方面，開展耐蝕鎂合金的研究，并陸續(xù)培養(yǎng)了1名博士后、5名研究生。
2014年時(shí)，通過在鎂合金中添加Li、Al、微量稀土Y，并經(jīng)過固溶、時(shí)效、冷軋后在鎂合金內(nèi)部鋰原子積聚形成一種均質(zhì)納米結(jié)構(gòu)，在中性鹽霧和鹽水中做加速腐蝕試驗(yàn)時(shí)，鋰優(yōu)先氧化成Li2CO3，并與MgO和Mg(OH)2結(jié)合形成了一層氧化膜，其薄而致密、可自修復(fù)，具有類似不銹鋼那樣的防護(hù)特性，腐蝕速率與純鋁相當(dāng)（圖10），從而首次提出“不銹鎂”的概念，并在中國鎂業(yè)大會(huì)上做相關(guān)報(bào)道。
圖10 不同鎂合金在鹽水腐蝕后的表面形貌
2015年將“不銹鎂”部分成果，與合作者共同發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《nature materials》上，該成果通過控制合金化和優(yōu)化熱機(jī)械加工路線，有效地設(shè)計(jì)了溶質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的鎂鋰合金，解釋了鎂鋰合金中復(fù)合強(qiáng)化和耐腐蝕性增強(qiáng)的機(jī)理。這項(xiàng)工作為進(jìn)一步修改或控制鎂合金的性能提供了一個(gè)平臺，并證明了生產(chǎn)超輕耐蝕鎂合金的可能性。
圖11 SSMag（左）和AZ31B（右）在3.5wt%NaCl溶液中浸泡14d的形貌對比
鎂合金團(tuán)隊(duì)8年來持續(xù)對“不銹鎂”的化學(xué)成分、制備工藝進(jìn)行不斷優(yōu)化與迭代。2023年11月，成功開發(fā)出新型高強(qiáng)高耐蝕鎂合金——SSMag鎂合金（圖11），該合金能夠快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、市場化，可為航空航天、國防軍工和3C筆電等領(lǐng)域新材料選材提供更多選擇。
未來，中鋁輕研將繼續(xù)致力于開發(fā)新型合金的高性能和多樣化應(yīng)用，積極推動(dòng)中國有色合金產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，為促進(jìn)科技進(jìn)步貢獻(xiàn)力量。
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