Mg-Al基低成本铸造镁合金的研究与开发

发布时间：2020-03-19 04:58

【摘要】：Mg-Al系铸造镁合金因具有优异的成形性、良好的力学性能、耐腐蚀性和较低的制备成本等优势,使其在轮毂等汽车零部件上的应用前景相当广阔。近10多年来,国内外虽然对Mg-Al系铸造镁合金已开展了大量研究,但与铸造铝合金相比,Mg-Al系铸造镁合金的力学性能和耐腐蚀性等仍然相对较差,从而使其在轮毂等汽车零部件上的应用受到很大的限制。因此,有必要进一步通过合金化和/或微合金化等来研究开发高性能低成本的Mg-Al系铸造镁合金。此外,已有对Mg-Al系铸造镁合金的研究主要集中合金化和/或微合金化对显微组织、力学性能和腐蚀性能等的影响上,对合金在不同铸造方法下显微组织、力学性能和腐蚀性能的比较研究还涉及得相当少。众所周知,铸造镁合金的开发和应用受铸造方法的影响较大。如果不清楚镁合金在不同铸造方法下的组织和性能差异,将会极大影响新型铸造镁合金的开发应用。因此,基于Mg-Al系铸造镁合金在轮毂上的应用,针对Mg-Al系镁合金的进一步合金化和/或微合金化和不同铸造方法下Mg-Al系镁合金的显微组织、力学性能及腐蚀行为进行研究,对于高性能低成本新型Mg-Al系铸造镁合金的开发和推动其在汽车零部件上的应用意义重大。本文基于已有Mg-Al系铸造镁合金的研究结果,利用熔炼铸造、光学金相(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、电子能谱(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、差热分析(DSC)、力学性能和耐蚀性能测试等方法和手段,通过Ce或Y合金化、Sb和Sr微合金化、Mn含量优化以及Fe含量控制等,研制开发出了一种可用于汽车轮毂的高性能低成本Mg-Al基压铸镁合金AE81(Mg-8Al-0.7Zn-0.25Mn-0.25Sb-0.1Sr-1.5Ce),并在此基础上比较研究了AE81铸造镁合金在金属型重力铸造(GPMC)、砂型低压铸造(LPSC)和砂型重力铸造(GSC)下的显微组织、力学性能和腐蚀性能。此外,还通过Sb和Sr微合金化,研制开发出了一种低成本的AZ91-0.5Sb-0.1Sr铸造镁合金,并对其在金属型重力铸造和壳型低压铸造(LPSHC)下的显微组织、力学性能和腐蚀性能也进行了研究。本文得到的主要研究结果如下:(1)在Mg-8Al-0.7Zn合金成分的基础上,通过添加0.25wt.%Sb、0.1wt.%Sr、0.25-0.75wt.%Mn、1.0-2.0wt.%Ce或0.5-1.5wt.%Y,设计制备出了不同成分和性能的压铸镁合金,其中对于一定量的含Ce或Y试验合金,Mn含量变化对合金性能的影响不大。在含Ce的合金中,以含1.5wt.%Ce和0.25wt.%Mn合金的拉伸性能相对较佳,其室温抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到了261MPa、160MPa和11.2%;而在含Y的合金中,以含1.5wt.%Y和0.25wt.%Mn合金的拉伸性能相对较佳,其室温抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到了258MPa、147MPa和9.4%。综合考虑力学性能和成本等因素,含1.5wt.%Ce和0.25wt.%Mn的AE81压铸镁合金被认为是一种具有发展潜力的Mg-Al基低成本铸造镁合金。(2)研制开发的AE81镁合金压铸后的室温拉伸性能(抗拉强度:261MPa;屈服强度:160MPa和伸长率:11.2%)已超过镁合金铸造轮毂的国家标准(GB/T26654-2011),并且完全达到了铝合金铸造轮毂的国家标准(GB/T23301-2009)。(3)发现不同铸造方法对AE81镁合金的显微组织有较大影响,其中金属型重力铸造合金的晶粒最细小,其次是砂型低压铸造合金,砂型重力铸造合金的晶粒最为粗大,从而导致金属型重力铸造合金的性能最为优异,其铸态室温抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到了213MPa、131MPa和6.4%。经过热处理后,无论是固溶态还是时效态,均以金属型重力铸造合金的室温拉伸性能最高,其次分别是砂型低压铸造合金和砂型重力铸造合金,其中金属型重力铸造合金经410°C×10h固溶处理后的室温抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到了275MPa、132MPa和16.5%,而其经410°C×10h固溶处理+200°C×12h时效处理后的室温抗拉强度、屈服强度和伸长率也分别达到了232MPa、164MPa和5.5%。(4)研制开发的AE81镁合金金属型重力铸造后的时效态室温拉伸性能(抗拉强度:232MPa;屈服强度:164MPa和伸长率:5.5%)已达到了镁合金铸造轮毂的国家标准(GB/T 26654-2011)。同时,其固溶态室温抗拉强度和伸长率(抗拉强度:275MPa和伸长率:16.5%)均高于镁合金铸造轮毂的国家标准(GB/T 26654-2011)和铝合金铸造轮毂的国家标准(GB/T 23301-2009)。(5)发现不同铸造方法制备的AE81镁合金的耐腐蚀性能存在较大差异,其中无论是铸态、固溶态还是时效态,均以金属型重力铸造合金的耐腐蚀性最好,其次依次是砂型低压铸造合金和砂型重力铸造合金。此外,对于同一种铸造方法制备的AE81镁合金,其在不同状态条件的耐腐蚀性能差异较大,其中砂型重力铸造和砂型低压铸造合金在铸态时的耐腐蚀性能最好,其次依次是时效态和固溶态。相反,金属型重力铸造合金时效态时的耐腐蚀性能最好,其次依次是铸态和固溶态。不同铸造方法制备的AE81镁合金耐腐蚀性能的差异以及不同状态对AE81镁合金耐腐蚀性能的影响可能主要与不同条件下合金组中Mg17Al12相的形态和分布差异有关。(6)发现制备的AZ91-0.5Sb-0.1Sr(Mg-9Al-0.7Zn-0.25Mn-0.5Sb-0.1Sr)铸造镁合金,不论铸态还是热处理态,相比壳型重力铸造合金,金属型重力铸造合金的晶粒更细小和性能更优异,其中金属型重力铸造合金经过415°C×12h固溶处理后的室温抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到了248 MPa、112MPa和13%,而经过415°C×12h固溶处理+200°C×14h时效处理后的室温抗拉强度、屈服强度和伸长率则分别达到了261 MPa、150MPa和6.5%。(7)研制开发的AZ91-0.5Sb-0.1Sr金属型重力铸造镁合金的时效态室温拉伸性能(抗拉强度:261MPa;屈服强度:150MPa和伸长率:6.5%;)已超过镁合金铸造轮毂的国家标准(GB/T 26654-2011),并且与铝合金铸造轮毂的国家标准基本接近(GB/T 23301-2009)。(8)本文实验条件下,壳型低压铸造AZ91-0.5Sb-0.1Sr铸态镁合金的耐腐蚀性能均优于金属型重力铸造AZ91-0.5Sb-0.1Sr镁合金。原因可能与不同铸造方法制备AZ91-0.5Sb-0.1Sr镁合金铸态组织中Mg17Al12相尺寸不同导致的阴阳极面积比差异有关。
【图文】：

原子直径,原子尺寸,范围,溶质元素

图 1.1 元素的原子直径和镁匹配的原子尺寸范围Fig.1.1 The atomic diameter of the elements displaying the zoneof suitable size for alloying with magnesium在 Labusch 与 Fleischer 的固溶强化理论[30]中，诠释了合金溶质元素的固溶强化作用。此外，溶质和基体间原子尺寸差异导致的尺寸错配，，以及原子间的硬度差异产生的模量错配必须考虑进去。所以，在合金中溶质浓度和屈服强度间关系可表示为：= + ( + )/ /(1.2)= + ( + )/ /(1.3)式中，为合金的屈服强度；为纯金属的屈服强度；ZF为常数；ZL为常数；G 为固溶体的剪切模量；α 为常数；δ 为尺寸错配度；η 为模量错配度；c 为溶质元素的浓度。从式（1.2）和式（1.3）可以看出，合金的屈服强度与溶质元素的浓度 cn（n = 1/2 和 2/3）成正比，其斜率为溶质元素的固溶强化因子 kn（n = 1/2 和

纵向,壳型,金属液

金属型重力铸造法（gravity permanent mold casting，GPMC）是金属液在重力作用下注入金属型的工艺。操作过程如下：将铸铁模具涂抹氮化硼脱模剂后，如图 2.3(a)，在加热炉中预热至 200°C 保温半 h 取出等待浇铸；将熔炼好的金属液匀速倒入金属模浇注口，待冷却后脱模取出铸件，如图 2.3(b)，从中纵向截取后续测试件。③ 壳型低压铸造壳型低压铸造（low-pressure shell casting，LPSHC）是将金属液在压力作用下由下而上压入壳型型腔，并在压力作用下凝固获得铸件的铸造方法，其工艺流程如图 2.4 所示。具体操作过程如下：壳型制备：1.按照铸件尺寸制作等比例蜡制母模；2.在蜡模表面刷涂料，撒上耐火材料重复多次，后再次烘干；3.在加热炉中一定的温度下烘焙
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG292;TG146.22

【参考文献】