稀土元素在镁合金中的作用及其应用(1)

稀土元素在镁合金中的作用及其应用..
张景怀1, 2 , 唐定骧1 , 张洪杰1 , 王立民1 , 王.. 军1 , 孟.. 健1*
( 1. 中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室, 吉林长春130022; 2. 中国科学院研究
生院, 北京100039)
摘要: 综述了稀土元素在镁合金中的主要作用和效果, 从冶金物理化学角度对稀土元素在镁合金中的作用行为进行了初步分析。结合中国科
学院长春应用化学研究所的初步研究成果介绍了含稀土镁合金Mg..Zn..RE, Mg..Al..RE, Mg..RE 等系列的性能及其应用, 展示了含稀土镁合金的
优良综合性能, 特别是高强、高韧、耐热和抗蠕变性能、耐腐蚀性能, 稀土镁合金将成为研制高性能镁合金的重要方向。
关键词: 镁合金; 力学性能; 耐热性; 稀土
中图分类号: TG146. 2; O614. 33.. .. 文献标识码: A.. .. 文章编号: 0258- 7076( 2008) 05- 0659- 09
.. .. 镁合金是工程应用中最轻的金属结构材料,
具有密度低、比强度高、比刚度高、减震性高、易
加工、易回收等优点, 在航天、军工、电子通讯、
交通运输等领域有着巨大的应用市场, 特别是在
全球铁、铝、锌等金属资源紧缺大背景下, 镁的资
源优势、价格优势、产品优势得到充分发挥, 镁合
金成为一种迅速崛起的工程材料。面临国际镁金
属材料的高速发展, 我国作为镁资源生产和出口
大国, 对镁合金开展深入研究和应用前期开发工
作意义重大。然而目前普通镁合金强度偏低、耐热
耐蚀等性能较差仍然是制约镁合金大规模应用的
瓶颈问题[ 1~ 5] 。
稀土元素由于具有独特的核外电子结构, 作
为一种重要的合金化元素, 在冶金、材料领域起着
独特的作用, 例如净化合金熔体、细化合金组织、
提高合金力学性能和耐腐蚀性能等。作为合金化
元素或微合金化元素, 稀土已经被广泛应用于钢
铁及有色金属合金中[ 6] 。在镁合金领域, 尤其是在
耐热镁合金领域, 稀土突出的净化、强化性能逐渐
被人们认识与把握, 稀土被认为是耐热镁合金中
最具使用价值和发展潜力的合金化元素。我国的
镁资源和稀土资源特别丰富, 近年来国内科研工
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。
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
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。
1. 1. 3 .. 细晶强化作用[ 10] .. .. 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
....Mg晶粒长大的作用, 进一步促进了晶粒的细化。
第32 卷.. 第5 期
Vol. 32 . 5
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
稀.. 有.. 金.. 属
CHINESE JOURNAL OF RARE METALS
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 2008 年10 月
Oct. 2008
.. 收稿日期: 2007- 12- 06; 修订日期: 2008- 03- 19
基金项目: 国家863 项目( 2006AA03Z520) 和中国科学院重大项目资助
作者简介: 张景怀(1981- ) , 男, 河北人, 博士研究生; 研究方向: 高性能稀土镁合金
* 通讯联系人(E..mail : jmeng@ ciac. jl . cn)

根据Hall..Petch 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。
1. 1. 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。
1. 1. 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。
1. 2 .. 稀土对镁合金性能的提高
1. 2. 1 .. 提高镁合金力学性能.. .. 如前所述, 稀土
的添加通过细晶强化、固溶强化、弥散强化及时效
沉淀强化( 其中的一种或几种强化机制) 提高镁合
金的力学性能,

特别是高温力学性能, 使得稀土镁
合金成为高温抗蠕变、高温高强镁合金的重要研
发方向。
1. 2. 2 .. 提高镁合金耐蚀性能.. .. 稀土元素能够与
镁合金中有害杂质( 如铁、镍等) 结合, 降低它们的
强阴极性作用, 并且能够优化合金组织结构, 抑制
阴极过程[ 11] , 从而提高合金基体的耐蚀性能。此
外, 稀土的加入使合金表面生成更加致密的腐蚀
产物膜, 抑制合金的进一步腐蚀, 因此稀土能够有
效地提高镁合金耐腐蚀性能。
1. 2. 3 .. 提高镁合金摩擦磨损性能[ 12] .. .. 稀土元素
与氧、硫等杂质元素有较强的结合力, 抑制了这些
杂质元素引起组织疏松的作用; 在熔炼过程中, 稀
土元素能与水气和镁液中的氢反应, 生成稀土氢
化物和稀土氧化物以除去氢气, 减少气孔、针孔及
缩松等铸造缺陷, 提高了铸件质量, 减少了在摩擦
过程中裂纹源的产生; 稀土元素还可以净化晶界,
增加晶界强度, 使裂纹不易在晶界处产生; 在材料
摩擦过程中, 磨损表面不可避免会发生温度升高,
在大气环境中, 几乎无法避免氧化作用的影响, 摩
擦表面的氧化物层对摩擦磨损起着非常重要的作
用。稀土元素在氧化物膜与基体界面发生了偏聚,
提高了氧化物膜的粘着力, 细化了膜的组织, 有助
于提高膜的耐磨性和抗剥离能力, 这样形成的氧
化物膜比较稳定, 故增强了稀土镁合金的承载能
力。
1. 2. 4 .. 提高镁合金疲劳性能[ 13] .. .. 一方面稀土的
加入抑制了氧、硫等杂质元素引起的组织疏松作
用, 减少了气孔及缩松等铸造缺陷, 提高了铸件质
量, 从而减少在疲劳过程中裂纹源的产生。另一方
面, 稀土添加引起的晶粒细化、第二相强化及固溶
强化增强了镁合金的抗疲劳性能。
1. 3 .. 稀土元素在镁合金中的冶金物理化学基础
对于稀土在镁合金中产生的主要作用和效果,
从物理冶金和化学冶金基础方面进行初步分析。
( 1) 稀土( RE) 和Mg 的晶体结构一致性。大部
分RE 在使用温度下的晶体结构与Mg 相似, 为密
排六方( hcp) , 因此具有较高的固溶度。某些Mg..
RE 亚稳相为六方相( 超点阵结构, D019 ) , 易于和
镁基体形成共格..半共格关系, 这是含稀土镁合金
通常具有很好的高温蠕变抗力的原因之一。
( 2) 稀土原子与镁原子的半径之差相似, 但又
互不相同, 因此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
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

示于图2。由图2 可以看出, 稀土元素与镁的电负
性相差越小, 稀土元素在镁中的固溶度越大。相
反, 原子间电负性相差越大, 越易生成金属间化合
物, 生成的化合物越稳定。例如, 在Mg..Al..RE 系
合金中, Mg 电负性为1. 31, Al 电负性为1. 61, 稀
土元素的电负性在0. 97 ~ 1. 27 之间, .. Al..RE >
.. Mg..RE( .. 表示电负性差值) , 因此合金中通常生
成的是Al..RE 相。
(4) 三价的稀土元素增强合金基体中Mg2+ 间
的结合力。稀土金属多以三价形式溶于二价镁基
体中, 提高了合金基体的电子云密度, 增强镁合金
中原子间的结合力, 另外稀土原子质量和半径都
比镁原子大, 从而能够减慢原子的扩散速率, 有助
于提高合金的力学性能, 尤其是抗高温蠕变性能。
图1.. 稀土金属在镁中最大固溶度与稀土原子半径的关系
Fig. 1 .. RE metallic radius ( 1) and RE solid solubility in Mg ( 2)
versus the RE atomic number
图2.. 稀土金属电负性与稀土金属在镁中最大固溶度的关系
Fig. 2 .. RE metallic electronegativity ( 1) and RE solid solubility in
Mg ( 2) versus the RE atomic number
.. .. ( 5) 稀土元素是镁合金的表面活性元素。合金
熔炼时稀土元素在合金液表面聚集, 形成MgO,
RE2O3 , (Al2O3 ) 等多元复合致密氧化物层, 减轻氧
化现象, 提高合金的起燃温度, 有利于合金的熔
铸; 合金液凝固过程中, 稀土元素在固液前沿富
集, 提高成分过冷度, 有助于细化合金组织( 包括
基体和第二相) ; 适量的稀土可以降低合金液的表
面张力, 有助于提高合金的铸造性能。
( 6) 稀土元素与镁合金中各元素的化学反应。
稀土元素化学活性高, 几乎能和所有元素起化学
反应, 因此与杂质反应, 可以生成熔点高、密度大
的化合物, 从而被除去, 比如镁合金中常见的氢、
氧化物夹杂、硫和铁等。
稀土元素除氢的反应过程如下:
H2O( g) + Mg( l) = MgO( s) + 2[H]
RE= [ RE]
2[ RE] + 3MgO= RE2O3+ 3Mg( l)
[ RE] + 2[ H] = REH2
稀土元素除氧化物夹杂的反应过程如下:
MgO( s) = Mg( l) + 1..2O2 ( g)
RE= [ RE]
2[ RE] + 3..2O2= RE2O3
3MgO+ 2[ RE] = RE2O3+ 3Mg( l) ( 以上三式加合)
稀土元素除硫反应过程如下:
2[ RE] + S2 ( g) = 2RES
4[ RE] + 3S2 ( g) = 2RE2S3

稀土元素除铁反应过程如下:
[ RE] + 2[ Fe] = REFe2
[ RE] + 3[ Fe] = REFe3
[ RE] + [Fe] + [Mg] + [ Al] + [ Mn] .Mg..RE..Fe..Al..
Mn[ 7]
另一方面, 稀土元素与镁或合金化元素生成
熔点高热稳定性好的第二相化合物, 这些化合物
在高温下不易长大变形或分解, 因而能提高合金
的强度和耐热性能( 表1) 。
( 7) 具有良好的时效硬化效果。从图3 可以看
出, 稀土元素, 尤其是重稀土元素( 镱除外) , 在镁
中固溶度随着温度的下降而降低, 具备固溶..人工
时效强化的基本条件。
( 8) 各稀土元素在镁中的作用具有多样性。
5期.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 张景怀等.. 稀土元素在镁合金中的作用及其应用.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..66.. 1

净化合金液方面: 轻稀土元素化学活性比重
稀土元素高, 因此轻稀土元素的除杂能力一般比
重稀土元素要好。
细化作用: 铈最常用, 但钇的细化作用也很明
显, 对于不同种类的镁合金, 各稀土元素的细化效
果不一样。
强化效果: 由前面的分析可知, 重稀土元素固
溶强化和时效沉淀强化效果一般比轻稀土元素好。
但轻稀土元素更易于富集晶界, 形成高熔点金属
间化合物, 因此轻稀土元素的晶界强化效果一般
比重稀土元素要好。轻稀土元素和重稀土元素组
合有望发挥出稀土元素的最佳效果。
各稀土元素储量、市场和价格: 各稀土元素储
量、市场和价格差异悬殊, 因此在选择稀土元素作
为镁合金的合金成分时, 应尽量考虑储量大、价格
低、目前缺乏应用市场的稀土元素, 比如轻稀土中
表1.. 镁合金中常见含稀土的析出相及其熔点
Table 1 .. Intermetallics in magnesium alloys and their melting
point (M. P. )
Alloys Phases M. P. ..K Alloys Phases M.P...K
Mg..Al Mg17Al12 728 Mg..Yb Mg2Yb 991
https://www.wendangku.net/doc/dc8783818.html, Mg12La 913 Mg..Y Mg24Y5 878
Mg..Ce Mg12Ce 884 https://www.wendangku.net/doc/dc8783818.html, Al11La3 1513
Mg..Nd Mg41Nd5 833 Mg..Al..Ce Al11Ce3 1508
Mg..Gd Mg5 Gd 915 Mg..Al..Ce Al2Ce 1753
Mg..Dy Mg24Dy5 883 Mg..Al..Nd Al11Nd3 1508
Mg..Ho Mg24Ho5 883 Mg..Al..Nd Al2Nd 1733
Mg..Er Mg24Er5 893 Mg..Al..Y Al2Y 1758
图3.. 不同温度下稀土金属在镁中的固溶度
Fig. 3 .. Solid solubility of rare earth metals in magnesium at differ..
ent temperatures
将价值高、市场好的钕, 镨分离出去剩余的铈..镧
混合稀土、除掉贵重稀土( 铽, 镝, 镥等) 后剩余的
富Y 混合稀土[ 14] , 旨在开发出加入稀土元素后合
金成本增加不高于10% 、为市场可以接受的新型
镁合金, 解决国内外认为稀土元素加入镁合金后
太贵、用不起的难题。
2 .. 稀土镁合金的研发
国外稀土镁合金的研制可追溯到20 世纪20
年代, 在初期的镁合金研究中, 由于价格昂贵, 稀
土镁合金主要应用于军事和航空航天领域, 随着

其他金属资源的日益枯竭, 稀土和镁生产成本的
降低, 尤其是对提高镁合金高温性能的迫切需要,
稀土镁合金的研究已经成为世界研究热点, 含稀
土镁合金正在被积极的推广应用到汽车、电子、通
讯等商用领域。目前国外对稀土镁合金研究较多
的是美国、欧洲、日本及俄罗斯, 已经开发出AE,
WE, EZ, EK, QE 等诸多含稀土的镁合金。我国在
20 世纪50 年代末对稀土元素在镁合金中的应用展
开了研究, 几十年来研究出不少有应用价值的含
稀土镁合金, 在铸造镁合金中开发了ZM2, ZM3,
ZM4, ZM6 以及ZM8 等系列产品, 在变形镁合金中
开发了MB8, MB22, MB25 以及在MB25 基础上用
富钇混合稀土代替高品位钇的MB26[ 7] 。
中国科学院长春应用化学研究所近年来对镁..
稀土中间合金、系列稀土镁合金进行了深入研究。
目前, 已开发出下沉阴极[ 15] 、液固组合阴极[16] 以
及共电沉积[17] ( 在氯化物熔体和氧化物..氟化物熔
体) 电解工艺, 制备出几乎所有单一稀土金属与镁
组成的中间合金; 采用提取贵重稀土元素后剩余
的混合稀土为原料制备出富铈、富钇和铈镧与镁
组成的新型低成本镁..稀土中间合金。利用研制出
的镁..稀土中间合金, 开发出一系列适合不同使用
温度的挤压变形、高压铸造、重力铸造的应用镁合
金。
2. 1 .. Mg..6Zn..1Ymm( MB26) 室温高强变形镁合金
以富钇(Ymm, 钇含量大于75% ) 代替纯钇研
制的MB26, 不仅价格明显便宜, 而且材料性能也
优于含纯钇的镁合金, 这与富钇稀土中含有的多
种稀土元素( 如Ho, Er 等) 的交互作用有关, 尤其
Er 对改善合金延展性作用很大。该合金抗拉强度
.. 6..62 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 稀.. 有.. 金.. 属.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 32卷

可达350~ 370MPa, 延伸率在14%~ 18% , 高强高
韧使合金在很多领域受到青睐, 已经成功应用于
卫星和飞机的某些部件, 另外该合金正准备大量
用于自行车零部件。
2. 2 .. Mg..9Al..1Zn..RE(AZ91..RE) 压铸镁合金
如图4 所示, 添加富钇稀土( Ymm) 使AZ91 的
初生Mg 相和Mg17Al12相都得到明显细化, 组织的
细化以及稀土元素的固溶强化能够提高合金强度
和耐热性能。从表2 可以看出加入不同稀土元素以
后合金室温和150 % 的抗拉强度, 屈服强度, 伸长
率均有提高。由图5 可以看出, 加入富钇稀土
( 0..5% ( 质量分数) 以上) 以后合金在150 % ..50 MPa
条件下最小蠕变速率降低了20 多倍。从目前的研
究结果看, RE 的加入可以提升AZ91 的断裂强度、
塑性和高温蠕变性能, 其使用温度可以提高到150
% 。稀土元素改良后的AZ91 合金已经成功应用于
压铸锡柴发动机汽缸罩盖, 红旗轿车发动机罩盖,
电动自行

车轮毂等, 目前, 压铸AZ91 合金是应用
最为广泛的镁合金, 加入稀土元素提高它的综合
性能, 可以扩大其应用范围。
2. 3 .. Mg..Al..RE 系列耐热压铸镁合金[ 18]
Mg..Al 系耐热镁合金是适合汽车动力系统使用
最具性能和成本优势的镁合金。通过向Mg..Al 系合
金中添加稀土或碱土金属元素, 可以大大提高镁
合金高温强度和抗蠕变性能。图6 为Mg..4Al..4La..
0. 4Mn, Mg..4Al..4Ce..0. 4Mn, https://www.wendangku.net/doc/dc8783818.html,..0. 4Mn
( https://www.wendangku.net/doc/dc8783818.html, 代表铈镧混合稀土) 和Mg..4Al..4RE..0. 4Mn
表2.. 压铸Mg..9Al..1Zn..RE 镁合金室温和高温力学性能
Table 2.. Tensile properties of Mg..9Al..1Zn..RE die..cast alloys
at room temperature (RT) and high temperature
Alloys
!b..MPa !0. 2..MPa ...%
RT 423 K RT 423 K RT 423 K
AZ91 220 150 145 105 3 13
AZ91..0. 3Ymm 267 155 156 120 9 25
AZ91..0. 5Ymm 268 155 161 125 10 27
AZ91..0. 8Ymm 271 153 160 132 11 30
图4 .. 压铸AZ91 合金和AZ91..0. 8Ymm 合金的显微组织
Fig. 4 .. Microstructures of AZ91 and AZ91..0. 8Ymm die..cast alloys: optical micrographs of ( a) AZ91 and ( b) AZ91..0. 8Ymm, and SEM im..
ages of ( c) AZ91 and ( d) AZ91..0. 8Ymm
图5 .. Ymm 对压铸AZ91 合金蠕变性能的影响
Fig. 5.. Creep properties of AZ91- xYmm die..cast alloys: ( a) creep curves at 150 % ..50 MPa; ( b) second creep rates
5期.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 张景怀等.. 稀土元素在镁合金中的作用及其应用.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..66.. 3

(AE44, RE 代表富铈混合稀土) 压铸合金的微观组
织照片, 可以看出合金晶粒为细化等轴晶, 第二相
绝大部分分布在晶界区域, 第二相体积分数最大
的是Mg..4Al..4La..0. 4Mn 合金, 而平均晶粒尺寸最
小的是https://www.wendangku.net/doc/dc8783818.html,..0. 4Mn 合金。因此稀土元素
对Mg..4Al 基合金具有显著的细晶强化和第二相沉
淀强化的作用。合金室温和高温下的拉伸性能见
表3, 新开发的合金具有与AE44 相当或更高的室
温和高温力学性能, 尤其是https://www.wendangku.net/doc/dc8783818.html,..0..4Mn
合金。由图7 可以看出Mg..4Al..4La..0..4Mn 合
金表现出最佳的抗高温蠕变性能, 其次为Mg..4Al..
表3.. 压铸Mg..4Al..4RE..0. 4Mn镁合金室温和高温力学性能
Table 3 .. Tensile properties of Mg..4Al..4RE..0. 4Mn die..cast
alloys at room temperature ( RT) and high temper..
ature
Alloys
UTS..MPa YS..MPa ...%
RT 473 K RT 473 K RT 473 K
AM40 210 77 105 60 10 15
AE44 240 120 140 105 11 23
Mg..4Al.. 4La..0. 4Mn 264 118 146 102 13 20
Mg..4Al.. 4Ce..0. 4Mn 250 113 141 98 10 17
Mg..4Al.. https://www.wendangku.net/doc/dc8783818.html,..0. 4Mn 271 120 160 107 14 27
https://www.wendangku.net/doc/dc8783818.html,..0. 4Mn。通过对Mg..4Al..4La..0. 4Mn 和AE44
合金蠕变前后的微观组织分析可知, 对于细晶的
压铸镁合金来说, 晶界的稳定性对于合金的高温
蠕变性能至关重要[ 19] 。
AE44 合金是2005 年挪威Hydro 镁业公司开发
的新型抗高温蠕变

压铸镁合金, 已用于生产汽车
零件。由AE44 合金制成的GM Corvette Z06 汽车发
动机托架荣获世界镁协2006 年度优秀奖, AE44 合
金被称为! 新型铸造镁合金, 重要汽车应用的驱动
发展力.[ 20] 。有必要说明的是, AE44 中RE 为含
La, Ce, Pr, Nd 的富铈混合稀土, 新开发的Mg..4Al..
https://www.wendangku.net/doc/dc8783818.html,..0. 4Mn 合金中的铈镧混合稀土是富铈混合
稀土提取价值高的钕、镨( 主要用于生产永磁材料
钕铁硼) 后剩余的、更为廉价的、只含有铈和镧的
混合稀土, 从初步的实验结果看, 利用廉价的铈镧
混合稀土有望开发出新型的低成本耐热压铸镁合
金。目前影响我国稀土综合利用和平衡发展的其
中一个难题就是铈镧混合稀土的大量积压, 而这
种铈镧混合稀土一直未得到大量应用, 成为制约
稀土综合利用、平衡发展的瓶颈。利用廉价的
铈镧混合稀土开发新型AE 系耐热压铸镁合金, 一
图6.. Mg..4Al..4La..0. 4Mn( a) , Mg..4Al..4Ce..0. 4Mn( b) , https://www.wendangku.net/doc/dc8783818.html,..0. 4Mn( c) 和AE44( d) 压铸合金的微观组织
Fig . 6.. Microstructures of the die..cast alloys
图7.. Mg..4Al..4RE..0. 4Mn( RE= La, Ce, https://www.wendangku.net/doc/dc8783818.html, 混合稀土, 富铈混合稀土) 蠕变曲线和蠕变速率
Fig. 7.. Creep properties of the die..cast alloys
.. 6..64 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 稀.. 有.. 金.. 属.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 32卷

是为积压铈镧稀土资源找到一个大用户& 镁合金,
有利于缓解稀土资源产销不平衡问题, 有利于诸
多稀土元素的协调发展; 二是降低了此类合金的
成本, 并且丰富的铈镧稀土资源使该合金的可持
续发展得到保证, 有利于提高镁合金的竞争力, 促
进稀土镁合金又好又快的发展。
2. 4 .. Mg..Y..RE 系列耐热铸造镁合金[ 21, 22]
钇是提高镁合金力学性能的优良添加剂, 因
此在稀土镁合金的开发过程中, 钇备受人们关注。
已经开发出的WE43, WE54 合金得到广泛应用。为
了进一步提高合金的性能, 我们在WE 系列商用合
金的基础上开发了一系列含钇稀土镁合金。如表4
所示, 良好的室温和高温力学性能, 使它们使用温
度可达250 % 。对其中的Mg..10Gd..6Y (T6) 合金进
行透射电镜分析, 可以看出均匀弥散于镁基体的
细小#.相(Mg15RE5 ) 是合金具有良好室温和高温力
学性能的主要原因。
2. 5 .. Mg..Gd..RE 系列耐热铸造镁合金[ 23~ 28]
钆能提高镁合金耐热和抗蠕变性能。钆在镁
中有很高的固溶度, 因此主要表现为固溶强化和
时效沉淀强化。研究表明, Mg..Gd 合金在时效过程
中析出相为: ..固溶体.#(( DO19有序相) .#.( cbco,
Mg15Gd5 ) .# 相( fcc, Mg5Gd) 。在Mg..Gd 合金中加
入其他稀土元素能减低合金对Gd 含量的要求, 并
且大大提高镁合金的性能。表5 列出了Mg..Gd..RE
耐热铸

造镁合金的室温和高温力学性能。Mg..Gd..
RE 系列合金具有极好的耐高温性能, 预测其使用
温度在250 % 以上, 是近年来耐热镁合金研究的热
点, 目前Mg..Gd..RE 系合金正致力于降低稀土元素
含量的研究, 旨在开发出更利于推广和应用的合
金。
表4.. 铸造Mg..Y..RE 镁合金室温和高温力学性能
Table 4.. Tensile properties of Mg..Y..RE as..cast alloys at room
temperature ( RT) and high temperature
Alloys
UTS..MPa YS..MPa ...%
RT 523 K RT 523 K RT 523 K
Mg..6Y..10Gd (T6) 302 324 270 260 3 5
Mg..7Y..4Ho ( T6) 284 232 200 168 9 19
Mg..6Y..1. 5Ce ( T6) 280 223 158 141 6 17
Mg..6Y..1. 5La (T6) 251 210 140 129 10 26
表5.. 铸造Mg..Gd..RE 镁合金室温和高温力学性能
Table 5 .. Tensile properties of Mg..Gd..RE as.. cast alloys at
room temperature (RT) and high temperature
Alloys (HV)
UTS..MPa YS..MPa ...%
RT 523 K RT 523 K RT 523 K
Mg8Gd1La 80 148 115 89 75 3. 4 7. 5
Mg8Gd1Ce 81 170 135 146 90 4. 1 7. 8
Mg7Gd3Y 91 253 203 149 115 8. 4 12. 6
Mg8Gd2Nd 81 242 190 172 130 8. 0 13. 0
Mg8Gd1Dy 119 355 289 261 218 8. 1 10. 1
Mg8Gd5Er 98 345 298 242 189 7. 5 9. 2
Mg8Gd3Ho 97 279 211 175 131 7. 6 8. 3
2. 6 .. 合金耐蚀性能研究
目前镁合金应用最主要的限制是它的力学性
能和耐腐蚀性能。镁合金在各种环境下应用, 必然
产生腐蚀问题, 因为镁的化学活泼性决定了镁合
金的耐蚀性不好, 可以说腐蚀问题是制约镁在各
领域应用的关键因素之一。只有较好地解决镁合
金的腐蚀问题, 才能消除镁合金及其相关产业的
发展阻力, 并使镁合金应用于原来不大可能的领
域中。提高镁合金耐蚀性的途径有: 提纯镁合金,
表面处理和合金化。合金化可以在提高镁合金力
学性能的基础上增强镁合金的耐蚀性。稀土元素
对镁合金耐蚀性能的提高极为显著( 表6) , 它主要
通过3 种途径提高合金的抗腐蚀性能, 其一, 如上
所述, 稀土元素在镁合金中具有除杂除气、净化熔
体的作用, 尤其是与合金中铁或其他重金属元素
形成化合物, 使其作为熔渣被排除, 从而消除或减
弱它们对镁合金耐蚀性的有害影响; 其二, 稀土元
素能够改善镁合金的微观组成和形貌, 如在Mg..Al
基合金中加入少量的稀土元素, 可使镁合金中的
....Mg 相和#..Mg17Al12相细化, 使镁合金中原有的粗
大的#相变成弥散分布的颗粒状, 减少#相在镁合
金中的含量, 降低#相的电偶阴极作用[ 29] , 此外稀
土元素可以和Al 形成Al..RE 相, 尽管它的电位比
镁基相正, 可能成为加速镁基相腐蚀的阴极, 但因
为它能在很宽的pH 范围内钝化, 因此它对合金的
腐蚀并无明显的加速作用[ 30] ; 其三, 稀土元素的
加入能够使合金表面形成MgO, RE2O3 , Al2O3 等致
密的多元复合氧化膜, 具有更强的保护

性[ 11] 。
5期.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 张景怀等.. 稀土元素在镁合金中的作用及其应用.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..66.. 5

表6.. Mg.. Al 基含稀土镁合金盐雾腐蚀速率( 35 % , 4 d,
5%NaCl)
Table 6 .. Corrosion rate of Mg..Al based alloys
Alloys Corrosion rat e..(mg)cm- 2..d)
AZ91 7. 350
AZ91..0. 05Ymm 0. 4172
AZ91..0. 1Ymm 0. 3014
AZ91..0. 3Ymm 0. 1924
AZ91..0. 5Ymm 0. 1915
AZ91..0. 8Ymm 0. 1910
Mg..4Al..4La..0. 4Mn 0. 2115
Mg..4Al..4Ce..0. 4Mn 0. 2807
https://www.wendangku.net/doc/dc8783818.html,..0. 4Mn 0. 1651
Mg..4Al..4Nd..0. 4Mn 0. 1103
3 .. 结.. 语
总结了稀土元素在镁合金中产生的主要作用
和效果, 从化学冶金和物理冶金基础方面, 对稀土
元素在镁合金中的行为进行了分析, 希望对稀土
元素在镁合金中的作用机理和规律逐渐加深认识,
克服传统镁合金固有的弱势。在对镁..稀土中间合
金和应用合金的研发过程中, 进一步认识到稀土
元素既是改善传统镁合金综合性能有效的合金成
分, 又是开发新型耐热镁合金颇具实用价值和开
发潜力的合金化..微合金化元素; 另一方面, 由于
稀土元素在镁中的固溶强化、时效强化和弥散强
化比在铝或铁合金中更有效, 因此镁合金( 相比其
他黑色或有色金属材料) 对于稀土来说, 是其应用
量大面广、发挥其最大效用的最佳对象。
通过这些基础研究, 为未来稀土镁合金的扩
大深入发展奠定基础, 以实现资源优化配置和高
效利用: 即利用我国丰富的镁资源和特有的稀土
资源进行研究, 加速镁和稀土资源优势向技术和
经济优势转化, 研发出具有独立知识产权的稀土
镁中间合金、高性能稀土镁应用合金、高性能低成
本的稀土镁合金的零部件, 让轻质、绿色镁合金
( 包含稀土镁合金) 成为本世纪重要结构材料的憧
憬变成现实。
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Effect and Application of Rare Earth Element in Magnesium Alloys
Zhang Jinghuai1, 2 , Tang Dingxiang1, Zhang Hongjie1 , Wang Limin1, Wang Jun1 , Meng Jian1*
( 1. State Key Laboratory of Rare Earth Resources Utilization, Changchun Institute of Applied Chemistry ,
Chinese Academy of Sciences , Changchun 130022 , China; 2 . Graduate School of the Chinese Academy
of Sciences , Beij ing 100049 , China)
Abstract: Rare earth element played key role and validi..
ty in magnesium alloy were summarized. The behaviors of
rare earth element in magnesium alloy were reviewed
based on physic..chemistry of metallurgical process. The
properties and application of a series of important RE..
containing magnesium alloys, i. e. , Mg..Zn..RE, Mg..Al..
RE and Mg..RE alloys, were introduced in the company
with the achievement of RE..Mg alloy in Changchun Insti..
tute of Applied Chemistry. It was emphasized that the
RE..containing magnesium alloys exhibited the excellent
comprehensive properties, especially, in high strength..
toughness, heat..creep resistance and corrosion..resis..
tance. REMg alloy should be one of the important direc..
t ion in the field of development of advanced magnesium
alloy.
Key words: magnesium alloy; mechanical properties; heat..resistance; rare earths
5期.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 张景怀等.. 稀土元素在镁合金中的作用及其应用.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..66.. 7