低压铸造镁合金转向节工艺与性能研究
发布时间：2020-12-24 14:56
汽车轻量化是汽车工业领域的重要发展路径之一。稀土镁合金凭借其优越的性能,已经成为汽车轻量化发展过程中重点研究对象并逐步开始应用于生产实践中。转向节是最为关键的汽车结构部件之一,目前还没有相关研究使用镁合金作为转向节材料,因此有必要对其展开研究。本文以镁合金汽车转向节为研究对象,系统地研究了材料筛选、低压铸造工艺优化、热处理工艺优化和转向节的性能。目的是实现MgGd-Y-Zr合金在汽车转向节上的应用。同时希望能够以此次全面系统的研究过程为后续的镁合金应用提供理论和实践指导。首先梳理当前应用于汽车行业的商用铝合金性能,并与常见的商业镁合金体系对比,发现GW系、GN系和WE系的稀土镁合金在力学性能方面相较于AZ系、AM系、AS系等普通非稀土系镁合金具有明显的优势。GW63K镁合金在T6态具有198MPa的屈服强度和7.1%的延伸率,满足汽车转向节对材料性能的要求。采用AnyCasting软件模拟研究低压铸造的工艺。得到最理想的工艺组合为:添加冷铁实现转向节局部区域的性能强化;1.1倍大气压的峰值压力实现平稳、快速充型;745℃的浇铸温度使铸件具有理想的凝固顺序和凝固速率。并预测了铸件不同部位...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
汽车转向节[9]
上海交通大学硕士学位论文5到了103千克，占比整车质量接近5%[22]。在我国，镁合金在汽车上的使用相对较为滞后，最早可以追溯到1980年代末，大众集团在国内生产的桑塔纳车型中首次使用了镁合金。现如今，我国众多的国产汽车品牌，例如比亚迪、奇瑞、东风、长安，宇通等，均已经开始在汽车上大范围使用镁合金，且都拥有各自独立的镁合金零部件的研发机构，从而使得我国汽车行业镁合金使用率处于逐年稳定升高的状态。根据行业内资深工程人员的预测，中国汽车用镁合金的消费量将以年均25%的速度保持快速的增长，在2020年这一数字将有望突破20万吨[23]。对比镁合金与铝合金的各方面特点。镁的密度非常低，仅为铝的约2/3，图1-2展示的是镁合金在汽车轻量化中实现替代后能够达到的减重效果。同时由于其非常丰富的储量，开采寿命是铝的4倍以上。但是镁合金由于其过于活泼的特性，导致其在熔炼成本方面与铝相比具有劣势，并且在耐氧化性方面也略有不足，因此发展处于相对滞后的状态。随着如今镁合金的价格在技术成熟的过程中逐步降低，在向铝合金慢慢实现靠拢，其在汽车轻量化中的应用不断迎来新的机遇。图1-2镁合金在汽车轻量化中的替代效果[24]Fig.1-2Effectofmagnesiumonautomotivelightweight根据汽车各部分零部件对于性能的要求，除了发动机本体之外的大多数零部件均可以实现使用镁合金材料的替代，共计有60多种[25]。这些零部件大致可以归为四类。（1）内饰件：包括座椅架内饰罩板、仪表盘、风扇架、格栅、方向盘、凉栅安装导轨等；（2）车身部件：包括车把手、镁板件、防撞梁、挡泥板支架、车门
上海交通大学硕士学位论文8学公司的Leonis就“mischmetal”展开了研究，具体分析了“mischmetal”中含有的四种主要稀土成分，定量地分析了它们分别对于镁合金强度的影响。Leonis的研究结果结果表明，四种元素中Nd的作用是最为明显，其能有效提高镁合金的高温强度，并且效果远远超过其余三种元素La，Ce和Pr。Leonis研究的重大意义在于：其证明了稀土元素虽然具有相似的化学性质，但是当具体到其被添加到镁合金中会产生的性能变化，变化的效果大小都是不同的，追本溯源其背后存在着不同的强化作用机制，这值得后来的研究者开展更为深入的研究[37,38]。Leonis的这项研究成果在稀土镁合金的发展历史中具有里程碑式的意义，它首先直接确定了Nd在镁合金稀土添加元素中优势的地位，衍生出一系列具有优秀性能的商用镁合金，其次为稀土镁合金后续的强化机制研究打开了全新的大门。稀土镁合金下一个重大的进展发生在二十世纪六十年代，London等人发现了Y元素对于各类金属具有优秀的强化效果，其作用较之于之前发现的Nd更为显著[39,40]。这项研究直接推动了Mg-Y系稀土镁合金的迅速发展，在此基础上，后来的研究者NieJ.F[41]和AntionC[42]等人开发出含Nd，Y的成熟商用镁合金WE系列。图1-3Mg-RE合金中富Mg共晶体的坐标及RE在镁中的最大固溶度[43]Fig.1-3CoordinateofrichinMgeutecticinMg2REalloyandlimitedsolubilityofREinmagnesium在1970年之后，Rokhlin等人进一步在稀土镁合金的研究中进行了相当基储全面、系统的工作[5]。Rokhlin等人的研究覆盖了几乎所有的稀土富镁二元合金和部分重要的稀土富镁三元合金，研究内容包含力学性能、腐蚀性能、热处理影响等各个方面。他们发现部分重稀土元素（例如Gd、Tm、Dy）在镁基体中的具有
【参考文献】：
期刊论文
[1]ZK60镁合金固溶处理工艺研究[J]. 常峰,夏建强,蔡永生. 热加工工艺. 2018(22)
[2]超声铸造对汽车A356铝合金组织和力学性能的影响[J]. 石昊昱,叶升强. 热加工工艺. 2018(19)
[3]镁合金汽车轮毂的铸造工艺设计及模拟成形[J]. 崔乐,王黎晶,李春,袁训锋,刘彦峰,韩茜. 内燃机与配件. 2018(19)
[4]固溶+时效处理对ZK61镁合金组织和力学性能的影响[J]. 王强. 热加工工艺. 2018(18)
[5]Mg-10Gd-3Y-Zr镁合金的热处理工艺[J]. 胡传凯,赵强,王艳彬,宁海青,屈俊岑. 金属热处理. 2018(09)
[6]汽车转向节小飞边精锻技术的研发及应用[J]. 张运军,陈天赋,杨杰,夏巨谌,邓磊,金俊松. 锻压技术. 2018(08)
[7]基于生命周期评价的镁合金汽车轮毂环境影响评价（英文）[J]. 易秋平,唐昌平. Journal of Central South University. 2018(08)
[8]A356合金铸造工艺及组织与性能研究[J]. 龙锦中,梁艳娟,马俊,贾勤鬙. 铸造技术. 2018(07)
[9]发动机铝合金缸体压铸工艺及力学性能研究[J]. 晋太洋. 佳木斯大学学报(自然科学版). 2018(04)
[10]汽车轻量化材料发展成热潮[J]. 邵蕊. 汽车工艺师. 2018(07)
博士论文
[1]A356铝合金半固态流变成形中的凝固行为及组织控制[D]. 李明.兰州理工大学 2018
[2]汽车轮毂用镁合金腐蚀防护研究[D]. 杨江.重庆大学 2017
[3]Mg-Gd-Nd-Zr系高强耐热镁合金组织与性能研究[D]. 郑开云.上海交通大学 2008
[4]Mg-Gd-Y-Zr（-Ca）合金的微观组织演变、性能和断裂行为研究[D]. 何上明.上海交通大学 2007
[5]智能控制的薄壁铝合金铸件真空差压铸造工艺与理论[D]. 严青松.华中科技大学 2006
硕士论文
[1]某复杂铝合金铸件低压铸造数值模拟及工艺优化研究[D]. 姜月明.贵州大学 2018
[2]Mg-Y-Nd-Zr和Mg-Nd-Zn-Zr基高强铸造镁合金的显微组织和力学性能研究[D]. 张波.重庆理工大学 2017
[3]两种镁合金热裂行为研究[D]. 秦佳明.沈阳工业大学 2016
[4]高铁含量A356合金强化的研究及其在车轮上的应用[D]. 崔杰.东北大学 2015
[5]镁合金轮毂扩—收挤压近均匀成形技术研究[D]. 陆国桢.中北大学 2014
[6]球墨铸铁长叉消失模铸造工艺研究及模拟[D]. 熊芳喜.湘潭大学 2014
[7]连续式低压铸造技术的研究与开发[D]. 许豪劲.华中科技大学 2013
[8]基于FLUENT的铸件充型凝固过程数值模拟[D]. 宇文晅晅.天津理工大学 2012
本文编号：2935852
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
汽车转向节[9]
上海交通大学硕士学位论文5到了103千克，占比整车质量接近5%[22]。在我国，镁合金在汽车上的使用相对较为滞后，最早可以追溯到1980年代末，大众集团在国内生产的桑塔纳车型中首次使用了镁合金。现如今，我国众多的国产汽车品牌，例如比亚迪、奇瑞、东风、长安，宇通等，均已经开始在汽车上大范围使用镁合金，且都拥有各自独立的镁合金零部件的研发机构，从而使得我国汽车行业镁合金使用率处于逐年稳定升高的状态。根据行业内资深工程人员的预测，中国汽车用镁合金的消费量将以年均25%的速度保持快速的增长，在2020年这一数字将有望突破20万吨[23]。对比镁合金与铝合金的各方面特点。镁的密度非常低，仅为铝的约2/3，图1-2展示的是镁合金在汽车轻量化中实现替代后能够达到的减重效果。同时由于其非常丰富的储量，开采寿命是铝的4倍以上。但是镁合金由于其过于活泼的特性，导致其在熔炼成本方面与铝相比具有劣势，并且在耐氧化性方面也略有不足，因此发展处于相对滞后的状态。随着如今镁合金的价格在技术成熟的过程中逐步降低，在向铝合金慢慢实现靠拢，其在汽车轻量化中的应用不断迎来新的机遇。图1-2镁合金在汽车轻量化中的替代效果[24]Fig.1-2Effectofmagnesiumonautomotivelightweight根据汽车各部分零部件对于性能的要求，除了发动机本体之外的大多数零部件均可以实现使用镁合金材料的替代，共计有60多种[25]。这些零部件大致可以归为四类。（1）内饰件：包括座椅架内饰罩板、仪表盘、风扇架、格栅、方向盘、凉栅安装导轨等；（2）车身部件：包括车把手、镁板件、防撞梁、挡泥板支架、车门
上海交通大学硕士学位论文8学公司的Leonis就“mischmetal”展开了研究，具体分析了“mischmetal”中含有的四种主要稀土成分，定量地分析了它们分别对于镁合金强度的影响。Leonis的研究结果结果表明，四种元素中Nd的作用是最为明显，其能有效提高镁合金的高温强度，并且效果远远超过其余三种元素La，Ce和Pr。Leonis研究的重大意义在于：其证明了稀土元素虽然具有相似的化学性质，但是当具体到其被添加到镁合金中会产生的性能变化，变化的效果大小都是不同的，追本溯源其背后存在着不同的强化作用机制，这值得后来的研究者开展更为深入的研究[37,38]。Leonis的这项研究成果在稀土镁合金的发展历史中具有里程碑式的意义，它首先直接确定了Nd在镁合金稀土添加元素中优势的地位，衍生出一系列具有优秀性能的商用镁合金，其次为稀土镁合金后续的强化机制研究打开了全新的大门。稀土镁合金下一个重大的进展发生在二十世纪六十年代，London等人发现了Y元素对于各类金属具有优秀的强化效果，其作用较之于之前发现的Nd更为显著[39,40]。这项研究直接推动了Mg-Y系稀土镁合金的迅速发展，在此基础上，后来的研究者NieJ.F[41]和AntionC[42]等人开发出含Nd，Y的成熟商用镁合金WE系列。图1-3Mg-RE合金中富Mg共晶体的坐标及RE在镁中的最大固溶度[43]Fig.1-3CoordinateofrichinMgeutecticinMg2REalloyandlimitedsolubilityofREinmagnesium在1970年之后，Rokhlin等人进一步在稀土镁合金的研究中进行了相当基储全面、系统的工作[5]。Rokhlin等人的研究覆盖了几乎所有的稀土富镁二元合金和部分重要的稀土富镁三元合金，研究内容包含力学性能、腐蚀性能、热处理影响等各个方面。他们发现部分重稀土元素（例如Gd、Tm、Dy）在镁基体中的具有
【参考文献】：
期刊论文
[1]ZK60镁合金固溶处理工艺研究[J]. 常峰,夏建强,蔡永生. 热加工工艺. 2018(22)
[2]超声铸造对汽车A356铝合金组织和力学性能的影响[J]. 石昊昱,叶升强. 热加工工艺. 2018(19)
[3]镁合金汽车轮毂的铸造工艺设计及模拟成形[J]. 崔乐,王黎晶,李春,袁训锋,刘彦峰,韩茜. 内燃机与配件. 2018(19)
[4]固溶+时效处理对ZK61镁合金组织和力学性能的影响[J]. 王强. 热加工工艺. 2018(18)
[5]Mg-10Gd-3Y-Zr镁合金的热处理工艺[J]. 胡传凯,赵强,王艳彬,宁海青,屈俊岑. 金属热处理. 2018(09)
[6]汽车转向节小飞边精锻技术的研发及应用[J]. 张运军,陈天赋,杨杰,夏巨谌,邓磊,金俊松. 锻压技术. 2018(08)
[7]基于生命周期评价的镁合金汽车轮毂环境影响评价（英文）[J]. 易秋平,唐昌平. Journal of Central South University. 2018(08)
[8]A356合金铸造工艺及组织与性能研究[J]. 龙锦中,梁艳娟,马俊,贾勤鬙. 铸造技术. 2018(07)
[9]发动机铝合金缸体压铸工艺及力学性能研究[J]. 晋太洋. 佳木斯大学学报(自然科学版). 2018(04)
[10]汽车轻量化材料发展成热潮[J]. 邵蕊. 汽车工艺师. 2018(07)
博士论文
[1]A356铝合金半固态流变成形中的凝固行为及组织控制[D]. 李明.兰州理工大学 2018
[2]汽车轮毂用镁合金腐蚀防护研究[D]. 杨江.重庆大学 2017
[3]Mg-Gd-Nd-Zr系高强耐热镁合金组织与性能研究[D]. 郑开云.上海交通大学 2008
[4]Mg-Gd-Y-Zr（-Ca）合金的微观组织演变、性能和断裂行为研究[D]. 何上明.上海交通大学 2007
[5]智能控制的薄壁铝合金铸件真空差压铸造工艺与理论[D]. 严青松.华中科技大学 2006
硕士论文
[1]某复杂铝合金铸件低压铸造数值模拟及工艺优化研究[D]. 姜月明.贵州大学 2018
[2]Mg-Y-Nd-Zr和Mg-Nd-Zn-Zr基高强铸造镁合金的显微组织和力学性能研究[D]. 张波.重庆理工大学 2017
[3]两种镁合金热裂行为研究[D]. 秦佳明.沈阳工业大学 2016
[4]高铁含量A356合金强化的研究及其在车轮上的应用[D]. 崔杰.东北大学 2015
[5]镁合金轮毂扩—收挤压近均匀成形技术研究[D]. 陆国桢.中北大学 2014
[6]球墨铸铁长叉消失模铸造工艺研究及模拟[D]. 熊芳喜.湘潭大学 2014
[7]连续式低压铸造技术的研究与开发[D]. 许豪劲.华中科技大学 2013
[8]基于FLUENT的铸件充型凝固过程数值模拟[D]. 宇文晅晅.天津理工大学 2012
本文编号：2935852
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