Hiện tại, trọng lượng nhẹ của các sản phẩm kim loại trong hàng không vũ trụ, vận tải ô tô và các ngành công nghiệp khác đã trở thành một điểm nóng nghiên cứu. Hợp kim magiê là một hợp kim bao gồm magiê làm ma trận và các nguyên tố khác. Nó là nhẹ nhất trong các kim loại thực tế và có trữ lượng phong phú. Hợp kim magiê có lợi thế lớn về trọng lượng nhẹ và đã thu hút nhiều sự chú ý. Hợp kim magiê có nhiều ưu điểm, chẳng hạn như độ bền riêng cao, khả năng định hình nhiệt tốt, khả năng gia công và tương thích sinh học tốt, giảm xóc và che chắn điện từ tuyệt vời, và khả năng phân hủy. Chúng có tiềm năng lớn trong việc giảm trọng lượng của các sản phẩm kim loại, và cũng được đánh giá cao trong y sinh. Các vấn đề chính trong sự phát triển của hợp kim magiê hiện nay: (1) do cấu trúc lục giác gần gũi vốn có của magiê, khả năng hình thành nhựa của hợp kim magiê kém, và rất khó để tạo thành các bộ phận phức tạp; (2) Hợp kim magiê có khả năng chống ăn mòn kém, điều này hạn chế rất nhiều ứng dụng của nó trong các lĩnh vực khác nhau. Làm thế nào để cải thiện khả năng chống ăn mòn của hợp kim magiê là giá trị nghiên cứu thêm.
1 Phân loại hợp kim magiê
Hiện nay, hợp kim magiê chủ yếu chứa nhôm (AL), kẽm (Zn), mangan (MN), zirconi (Zr) và các nguyên tố hợp kim khác, cũng như các nguyên tố kim loại đất hiếm như rheni (RE). Các loại và nội dung khác nhau của các nguyên tố hợp kim được thêm vào hợp kim magiê sẽ có tác động lớn đến các tính chất của hợp kim magiê. Nói chung, khi hàm lượng zzn không vượt quá 22%, khả năng chống rão của vật đúc hợp kim magiê có thể được cải thiện; Một lượng thích hợp các nguyên tố MMN có thể cải thiện khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn của hợp kim magiê, và loại bỏ nguyên tố có hại FFE ở một mức độ nhất định trong quá trình nấu chảy; Số lượng thích hợp của các yếu tố AAL có thể cải thiện hiệu quả các đặc tính đúc của hợp kim magiê; Việc bổ sung các kim loại đất hiếm thích hợp thường có thể cải thiện tính lưu động của hợp kim, giảm độ xốp co ngót, tinh chỉnh kích thước hạt của hợp kim, đồng thời cải thiện độ bền và độ dẻo. Theo các loại hợp kim được thêm vào, hợp kim magiê có thể được chia thành các loạt sau:
- (1) Dòng Mg Al Zn. Loạt hợp kim này là hợp kim magiê đầu tiên được con người khám phá và ứng dụng. Chúng có thể được sử dụng không chỉ để đúc, mà còn để xử lý biến dạng. Khi hợp kim được đúc và hình thành, hàm lượng nguyên tố Al là 77% ~ 9%. Khi nó được sử dụng để xử lý biến dạng, hàm lượng của phần tử AAL nên được giữ ở mức 33% ~ 5%.
- (2) Dòng Mg Al Mn. Thêm một lượng MMN nhất định vào hợp kim nhôm magiê sẽ không có tác động lớn đến tính chất cơ học của hợp kim, nhưng sẽ làm giảm nhẹ độ dẻo của hợp kim. Thêm 11% - 25% MMN sẽ cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn ứng suất của hợp kim, và cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn và hiệu suất hàn của hợp kim.
- (3) Dòng Mg Al RE. Loạt hợp kim này có khả năng xử lý biến dạng tuyệt vời. Sức mạnh và độ dẻo của hợp kim đúc có thể được cải thiện đáng kể bằng cách đùn. Việc bổ sung nguyên tố đất hiếm RRE có thể làm giảm kích thước hạt và các tính chất cơ học toàn diện của hợp kim có thể được cải thiện đáng kể bằng cách tăng thích hợp hàm lượng AAL.
- (4) Dòng Mg Zn Zr. Hàm lượng các nguyên tố zzn trong loạt hợp kim này thường được kiểm soát ở mức khoảng 66%, đóng vai trò tăng cường dung dịch hợp kim và tăng cường xử lý nhiệt. Zzr trong hợp kim có thể tinh chế đáng kể các hạt hợp kim và cải thiện độ bền, độ dẻo và khả năng chịu nhiệt của hợp kim. Hàm lượng của Zr thường là 00,5% - 0,9%. Nó thường được sử dụng để sản xuất các thành phần cấu trúc với ứng suất lớn trong máy bay và phương tiện hàng không vũ trụ.
- (5) Dòng Mg Zn RE. Theo hàm lượng khác nhau của kim loại đất hiếm RRE, hợp kim sẽ phát triển từ việc tăng cường dung dịch rắn sang giai đoạn thứ hai để tăng cường ma trận. Việc bổ sung các nguyên tử re sẽ gây ra sự biến dạng mạng tinh thể, cản trở sự di chuyển của trật khớp trong cấu trúc hoặc củng cố ranh giới hạt
Mặc dù hợp kim có nhiều ưu điểm, chẳng hạn như cường độ riêng cao, cắt tốc độ cao, tương thích sinh học, v.v., các hợp kim magiê có thể thu được hiện nay vẫn có vấn đề như cắt đốt cháy, oxy hóa nhiệt độ cao, v.v. Làm thế nào để chuẩn bị hợp kim magiê chất lượng cao đáp ứng các tiêu chuẩn công nghiệp khác nhau vẫn cần nghiên cứu chuyên sâu. Chất lượng của hợp kim magiê thường phụ thuộc vào loại, hàm lượng và công nghệ xử lý của các nguyên tố. Bài báo này tóm tắt sự phát triển của hợp kim magiê từ các khía cạnh của công nghệ sản xuất, cơ chế tăng cường bề mặt và bên trong và công nghệ cắt.
2 Quá trình hình thành
Theo tính chất vật lý của các nguyên tố cấu thành của hợp kim magiê và hình dạng, kích thước và ứng dụng của thành phần đích, 33 quy trình tạo hình khác nhau sau đây thường được áp dụng:
- (1) Đúc trọng lực: sử dụng hợp kim magiê nóng chảy để đúc các thành phần bằng trọng lực của chính nó. Các phương pháp hoạt động bao gồm: đúc khuôn kim loại, đúc khuôn bán kim loại, đúc khuôn vỏ, đúc khuôn đầu tư và đúc khuôn cát. Trong số đó, chi phí đúc cát thấp, nhưng hoạt động tương đối cồng kềnh, phù hợp để sản xuất hàng loạt nhỏ các vật đúc lớn
- (2) Đúc áp lực: sử dụng một áp suất nhất định để giúp hợp kim nóng chảy lấp đầy khoang khuôn và hoàn thành quá trình đúc. Theo áp suất, nó có thể được chia thành đúc áp suất cao và đúc áp suất thấp. Đúc áp suất cao là ép hợp kim magiê lỏng hoặc bán rắn tan chảy vào khoang khuôn ở tốc độ cao và đông đặc nó. Kích thước của hợp kim thu được bằng phương pháp này chính xác hơn và phác thảo rõ ràng; Đúc áp suất thấp là sử dụng áp suất thấp hơn để làm cho chất lỏng của hợp kim tan chảy và lấp đầy khuôn một cách trơn tru, để nó có thể đông đặc và đóng vỏ theo trình tự, sau đó kết tinh dưới áp suất, và cuối cùng giải phóng áp suất để thu được vật đúc. Phương pháp này cũng có thể có được đúc hợp kim chất lượng cao. Trong liên kết hóa rắn của quá trình đúc khuôn, nếu tốc độ làm mát được tăng lên, hạt sẽ được tinh chế đáng kể và độ bền kéo và độ giãn dài của vật đúc sẽ được cải thiện [9-11]. Hợp kim magiê thích hợp để đúc áp suất do nhiệt độ nóng chảy thấp (magiê tinh khiết khoảng 6650 °C), hóa rắn nhanh, độ nhớt lỏng hợp kim thấp và tính lưu động tốt. Hiện nay, đúc khuôn chân không, đúc khuôn bán rắn và đúc chết chứa đầy oxy thường được sử dụng để đúc áp lực hợp kim magiê.
- (3) Hình thành bán rắn: hợp kim magiê được nung nóng đến sự cùng tồn tại của chất rắn và chất lỏng bằng cách gia nhiệt cảm ứng theo chu kỳ, và sau đó vật liệu được hình thành trực tiếp. So với tạo hình chất lỏng, nó có ưu điểm là nhiệt độ hình thành thấp, tuổi thọ chết lâu, khuyết tật thấp và độ nén cao. Công nghệ này có ưu điểm là cả đúc và tạo hình nhựa trạng thái rắn. Nhiệt độ hình thành thấp hơn trạng thái lỏng và khả năng chống biến dạng thấp hơn trạng thái rắn. Các thành phần hợp kim kết quả có độ chính xác cao. Hiện nay, nó đã được sử dụng trong một số bộ phận ô tô hợp kim magiê và dụng cụ công nghiệp hàng không vũ trụ.
Để tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện các tính chất cơ học toàn diện, vì hợp kim magiê đúc thường được cuộn, đùn, rèn và xử lý nhựa khác. Bởi vì loại magiê ma trận mạng thuộc cấu trúc lục giác gần gũi, và hợp kim cấu thành của nó nói chung là kết quả biến dạng của cấu trúc lục giác gần, với hệ thống trượt ít hơn và khả năng biến dạng dẻo yếu, hợp kim magiê thường sử dụng quá trình cán. Xem xét khả năng biến dạng lạnh kém của hợp kim magiê, cán nóng hoặc cán ấm thường được sử dụng.. Nhiệt độ cán phụ thuộc vào loại và hàm lượng của các nguyên tố hợp kim, thường thấp hơn khoảng 555 °C so với solidus hợp kim. Nhiệt độ và tốc độ biến dạng thích hợp có thể tinh chế hạt, giảm khả năng chống biến dạng và nâng cao hiệu quả chế biến.
3 Ứng dụng của hợp kim magiê
(1) Lĩnh vực hàng không vũ trụ
Với sự phát triển nhanh chóng của ngành hàng không vũ trụ và quốc phòng, nhu cầu về vật liệu kết cấu nhẹ hiệu suất cao ở Trung Quốc đã tăng mạnh, và trọng lượng nhẹ của vật liệu hàng không vũ trụ ngày càng trở nên quan trọng hơn. Trên cơ sở đáp ứng các màn trình diễn khác nhau, sử dụng hợp kim magiê để chế tạo các thành phần hàng không vũ trụ không chỉ tiết kiệm tài nguyên mà còn có lợi cho việc sử dụng tàu vũ trụ sau đó và kéo dài tuổi thọ của nó. Ngoài ra, nó cũng có lợi cho việc đảm bảo an toàn cho tàu vũ trụ trong quá trình trở về. Hiện tại, Trung Quốc đã đặt ra các mục tiêu nhẹ tương ứng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ.
(2) Lĩnh vực trung chuyển đường sắt
Vật liệu nhẹ có ý nghĩa rất lớn đối với sự phát triển của ngành vận tải đường sắt. Hợp kim magiê chống cháy được sử dụng trong việc giảm trọng lượng của khung định hướng vận chuyển quá cảnh đường sắt, nhưng hiện tại, việc áp dụng hợp kim magiê trong lĩnh vực này vẫn chưa được thúc đẩy, chủ yếu là do một số công nghệ chính chưa được phá vỡ, và nó vẫn cần một khoảng thời gian để liên tục kiểm tra nó để đảm bảo rằng nó đáp ứng các yêu cầu của tất cả các khía cạnh.
(3) Ngành công nghiệp ô tô
Hợp kim magiê có thể làm cho chiếc xe đạt được mục tiêu trọng lượng nhẹ và cải thiện hiệu quả hấp thụ sốc, được ưa chuộng trong lĩnh vực giảm trọng lượng xe. Nó có thể được sử dụng để làm cho trung tâm bánh xe ô tô, hộp số, nắp đầu xi lanh, vô lăng và giá đỡ lái, vv để giảm trọng lượng bản thân, giảm tiêu thụ nhiên liệu và bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, hợp kim magiê không được sử dụng rộng rãi vì khả năng chống ăn mòn và dễ cháy kém.
(4) Lĩnh vực y tế
Hợp kim magiê có khả năng tương thích sinh học tốt, khả năng phân hủy và gần với mật độ xương của con người, và có thể được sử dụng trong điều trị y tế. Tuy nhiên, chỉ một số hợp kim magiê phù hợp với lĩnh vực y tế, và các tính chất sẽ thay đổi sau khi hợp kim được hình thành. Magiê có thể thúc đẩy sự hấp thụ các ion canxi của cơ thể con người, để đẩy nhanh sự phát triển của mô xương và chữa lành vết thương, và rút ngắn chu kỳ điều trị của bệnh nhân.
(5) Lĩnh vực quân sự
Việc áp dụng hợp kim magiê trong thiết bị quân sự có thể làm giảm chất lượng của thiết bị quân sự và tăng cường khả năng cơ động và hiệu quả chiến đấu của quân đội. Nó có thể được sử dụng trong hộp số, thân mông, thiết bị ngắm và các bộ phận khác của súng quân sự. Nó cũng có thể được sử dụng trong trung tâm, khung ghế, hộp số và các bộ phận khác của xe bọc thép, cũng như thiết bị kéo, hộp cung cấp đạn dược và gương pháo và đạn dược của xạ thủ.
(6) Sản phẩm điện tử
Hợp kim magiê có ưu điểm là trọng lượng nhẹ, không từ tính, hấp thụ sốc tốt, v.v. Nó có một tương lai tươi sáng trong lĩnh vực sản phẩm điện tử. Bởi vì 33c (máy tính), được đại diện bởi máy tính xách tay, điện thoại di động và máy ảnh kỹ thuật số,
Truyền thông, tiêu thụ) các sản phẩm đã được phát triển theo hướng nhẹ, mỏng và nhỏ, và hợp kim magiê ngày càng nổi bật hơn. Các sản phẩm điện tử hợp kim magiê không chỉ có ngoại hình và cảm ứng tuyệt vời mà còn có độ dẫn nhiệt và độ cứng tốt. Độ dày của vỏ sản phẩm 33c mỏng nhất chỉ là 0, 4 mm.
(7) Các lĩnh vực khác
Hợp kim magiê tương đối ổn định trong xăng và dầu bôi trơn, và có thể được sử dụng để làm ống dẫn dầu, hộp số và các bộ phận khác.
Hợp kim magiê có nhiều ưu điểm, chẳng hạn như mật độ thấp, cường độ riêng cao, tương thích sinh học tốt, v.v. Nó có thể đạt được kết quả tốt hơn so với các vật liệu kim loại hoặc nhựa khác, và có triển vọng ứng dụng rộng rãi. Đồng thời, chúng ta cũng nên chú ý đến các vấn đề tồn tại trong sản xuất và sử dụng hợp kim magiê. Ví dụ, một số kim loại đất hiếm tạo thành hợp kim với magiê rất đắt tiền và khó thương mại hóa; Hợp kim magiê dễ bị ăn mòn trong quá trình sử dụng; Nó rất dễ bị cháy khi cắt. Các vấn đề trên hạn chế sự phát triển của hợp kim magiê và cần được thăm dò và giải quyết thêm bởi các nhà nghiên cứu khoa học có liên quan.