中鋁輕研成功開發新型不銹鎂“SSMag”合金
日期：2024年01月11日
“11月中旬，中鋁輕研鎂合金團隊成功開發出一種具有高強度、高耐蝕性和優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，抗拉強度、屈服強度均提升近40%，密度則降低34%，能夠滿足更復雜、更嚴苛的應用場景和使用環境，在航空航天、軌道交通及3C筆電領域應用前景廣闊。鎂合金團隊將其命名為“Super stainless magnesium alloy”，簡稱SSMag。 ”
SSMag不銹原理與效果
致密表面膜層是關鍵。
鎂合金團隊基于前期“不銹”鎂鋰合金研究基礎，篩選了可形成致密氧化產物膜層的化學成分，首先通過合金化元素固溶降低自腐蝕電位，然后通過形成網狀和連續分布的第二相抑制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，最終開發出高強高耐蝕鎂合金。
該鎂合金經3.5wt.% NaCl鹽霧實驗14天，腐蝕速率達到0.036mg/cm2/d，是普通鎂合金的10-50倍，且有隨腐蝕時間延長，腐蝕速率下降的趨勢，與防銹鋁A5052腐蝕性能相當（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），故而鎂合金團隊將其命名為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、防銹鋁力學性能和腐蝕性能對比
SSMag在3C鎂合金的應用優勢
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、數碼相機、平板電腦、手機等的外殼，被主流品牌認可，且用量呈上升趨勢。在輕量化要求下，輕薄筆電整機重量基本控制在1000g左右，殼體厚度都在0.4~0.6mm，傳統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痛點，限制了其產品在消費領域的進一步擴大應用：
1、難沖壓。鎂合金晶體結構為密排六方結構，對稱性差，變形后微觀組織和力學性能的各向異性大，如3C常用AZ31B鎂合金薄板即使在高溫沖壓時也容易開裂，成品率不穩定。
2、表面差。鎂合金易腐蝕，需要做微弧氧化+噴漆以保護基材不被侵蝕。但這樣會造成鎂合金外殼表現油漆感，即呈現塑料感，雖重量大幅降低，但美觀性和質感無法與鋁合金外殼相媲美。
3、強度低。3C常用鎂合金強度較低，結構強度與A5052鋁合金相當，加之其成本更高、油漆感更強，故替代優勢表現不足。
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產生一定比例的報廢，最終成品率低至50%以下，造成成本攀升。
鎂合金團隊開發的SSMag，具有高強度、高耐蝕性和溫間沖壓成形性，能夠很好的彌補3C鎂合金所存在的以上不足，實現媲美鋁合金表面觀感的工藝效果，并因其更高的比強度，可為筆電帶來進一步結構減重。SSMag用于3C筆電主要優勢有下：
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下，SSMag成形質量更好，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℃下拉伸時延伸率最高達到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℃下高溫拉伸力學性能對比
高強高韌性
SSMag不銹鎂合金相比于A5052防銹鋁合金，抗拉強度360MPa，提升約40%；屈服強度300MPa，提升40%；密度1.79g/cm3,降低34%；比強度提升1倍。力學性能的提升帶來抗磨性、抗凹性及耐沖擊性的提高，可在保證零件強度和剛度的前提下, 減少零件壁厚，達到進一步結構減重的目的。
高光：表面處理后具有更豐富的外觀性
由于其不銹特性，能夠實現陽極電泳，具有金屬光澤（圖8）實現高級質感；也可以通過鉆石切割、透明涂裝保持金屬外觀，呈現高光、高亮效果（圖9）；還可以通過化學轉化，實現高的鹽霧可靠性，進而降低表面處理的成本，這都是其他鎂合金不能實現的表面處理方式。
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，強度更高。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、高比剛度、優異的散熱性和電磁屏蔽性，使其能夠滿足更復雜、更嚴苛的應用場景和使用環境，可替代現有AZ91D高強鎂合金和A5052鋁合金用于3C筆記電設備，產品更加耐用、可靠。
供貨能力和技術水平
中鋁輕研合金可根據客戶需求連續批量生產多尺寸規格、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、創新的卷材生產工藝，采用先進的自動化控制系統和獨特的軋制技術，可實現鎂合金的120m/min的高速軋制，確保鎂合金卷材的尺寸精度和表面質量，降低生產成本。并通過精確控制軋制力、軋制溫度和軋制速度等參數，使得鎂合金卷材的內部晶粒結構得到優化，力學性能得到顯著提升。能夠快速完成大批量，高品質的產品輸出，滿足客戶的需要。
中鋁輕研先后通過國軍標武器裝備質量管理體系、國標質量管理體系、職業健康安全管理體系、環境管理體系認證，武器裝備科研生產單位二級保密資格認證，是國家工信部認定的專精特新“小巨人”企業，科技部認定的國家科技型中小企業。以國防軍工中航空航天裝備及零部件作為應用目標，開發高性能輕合金材料及精深加工新產品，選取超輕、高強、高模量、耐熱等輕合金領域技術難度較大的合金產品作為技術產業化方向。
不銹鎂的發現及由來
易腐蝕的世界難題是一百多年來一直制約鎂合金發展的直接原因。如何研究開發高強度、高塑性、耐腐蝕的新型鎂合金決定鎂合金的發展前景，是鎂合金與鋁、鈦、高分子等材料相競爭的關鍵。
2009年到2015年期間，為解決鎂合金發展中存在的困境，肖陽博士團隊從純凈化、低腐蝕電位微觀組織設計、基體耐蝕膜層構建等方面，開展耐蝕鎂合金的研究，并陸續培養了1名博士后、5名研究生。
2014年時，通過在鎂合金中添加Li、Al、微量稀土Y，并經過固溶、時效、冷軋后在鎂合金內部鋰原子積聚形成一種均質納米結構，在中性鹽霧和鹽水中做加速腐蝕試驗時，鋰優先氧化成Li2CO3，并與MgO和Mg(OH)2結合形成了一層氧化膜，其薄而致密、可自修復，具有類似不銹鋼那樣的防護特性，腐蝕速率與純鋁相當（圖10），從而首次提出“不銹鎂”的概念，并在中國鎂業大會上做相關報道。
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，與合作者共同發表在國際學術期刊《nature materials》上，該成果通過控制合金化和優化熱機械加工路線，有效地設計了溶質納米結構的鎂鋰合金，解釋了鎂鋰合金中復合強化和耐腐蝕性增強的機理。這項工作為進一步修改或控制鎂合金的性能提供了一個平臺，并證明了生產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
鎂合金團隊8年來持續對“不銹鎂”的化學成分、制備工藝進行不斷優化與迭代。2023年11月，成功開發出新型高強高耐蝕鎂合金——SSMag鎂合金（圖11），該合金能夠快速實現產業化、市場化，可為航空航天、國防軍工和3C筆電等領域新材料選材提供更多選擇。
未來，中鋁輕研將繼續致力于開發新型合金的高性能和多樣化應用，積極推動中國有色合金產業的快速發展，為促進科技進步貢獻力量。
版權所有 ? 鄭州輕研合金科技有限公司 網站建設：中企動力鄭州 營業執照 豫ICP備16019588號-1