汽车轮毂用镁合金材料的半固态制备研究.docx

汽车轮毂用镁合金材料的半固态制备研究甘 伟, 吴雄喜, 马素平, 姚苏华(浙江工业职业技术学院, 浙 江 绍 兴 312000)摘 要 ：采用不同工艺参数的液相线铸造法 ，进行了半固态汽车轮毂用 az91d 镁 合 金 的 制 备 ，并进行了显微组织 、析 出 物 和 抗 拉 强 度 的 测 试 。 结 果 表 明 ：不同工艺下的半固态合金其析出物均为 mg17al12，但析出物形态有所不同 ；其 室 温抗拉强度均高于 280 mpa，且最大值与最小值相差 18.2 mpa；在保温温度一定的情况下 ，浇 注 拉 速对合金显微组织 、 析出物形态和抗拉强度的影响均较小 ，而保温时间对合金显微组织 、析出物形态和抗拉强度产生较为明显的影响 。关 键 词 ：镁 合 金 材 料 ； 半 固 态 ； 汽 车 轮 毂 ； 制 备 ； 液 相 线 铸 造 法中 图 分 类 号 ：tg146文 献 标 识 码 ：a文 章 编 号 ：1001-3814(2014)18-0056-03research on semi-solid preparation of magnesium alloy material forautomobile hubgan wei, wu xiongxi, ma suping, yao suhua(zhejiang industry polytechnic college, shaoxing 312000, china)abstract： the semi-solid az91d alloy material for automobile hub was prepared by liquidus casting under different process parameters, and the microstructure, precipitate and tensile strength at room temperature for the samples were tested. the results show that the precipitate of the semi-solid alloy with different process parameters is mg17al12, but the shape is different. moreover, the tensile strength of all the samples is over 280 mpa, and the difference between the maximum and the minimum is 18.2 mpa. in addition, when the holding temperature is constant, the casting speed has slight effects on the microstructure, shape of precipitate and tensile strength for the samples, but the holding time has significant effects on the microstructure and shape of precipitate and tensile strength.key words：magnesium alloy material; semi-solid; automobile hub; preparation; liquidus casting镁合金作为一种质量轻 、减震性好的金属材料，备受业界的关注，也引发了材料领域的研究热潮 。随 着镁合金技术的不断进步， 镁合金越来越广泛的 应用于手持工具、3c 产品、航空航天、摩 托车和汽车 等 行业。作为一种重要的汽车零部件，汽车轮毂的性能 对 整 车 使 用 性 和 安 全 性 产 生 重 要 影 响 。 目 前 ，汽 车 轮毂主要采用铝合金轮毂和钢轮毂， 但是随汽车向 轻量化方向发展， 镁合金轮毂显示出无可比拟的优 势1。 半固态金属加工技术，作为一种采用既不是完 全液态、 也不是完全固态的金属浆料来实现材料 的 成形和加工，使其制备出的材料具有组织致密、均匀 和气孔等缺陷少等优点2-3。 半固态加工技术已成功应 用 于 铝 合 金 、锌 合 金 、铜 合 金 、镍 合 金 等4-5。 鉴 于此， 本文采用半固态技术进行汽车轮毂用镁合金材料 az91d 制备，并对制备出的材料试样进行显微组 织、性能对比研究。试验材料与方法试验选用工业级原料， 采用液相线铸造法制备1半 固 态 az91d 镁 合 金 坯 料 。液 相 线 铸 造 法 制 备 半固态合金坯料，具有工艺简便、设备简单、投资小、生产效率高、 浆料纯净和适合于大规模工业化生产 等优点。 在合金液相线以下 、 固相线以上经保温形核后 ，制 备 出 az91d 镁 合 金 坯 料 试 样 ，具 体 工 艺 参 数 如表 1 所示。采用 6xb-pc 型金相 显微镜进行 液相线铸造 法 制 备 的 半 固 态 汽 车 轮 毂 用 az91d 镁 合 金 试 样 的 显微组织观察 ； 采用 d8 advance 型 x 射线 衍射仪 进 行 该 汽 车 轮 毂 用 az91d 镁 合 金 试 样 的 析 出 相 组成 测 试 和 分 析 ； 采 用 jem-200cx 型 透 射 电 镜 进 行收 稿 日 期:2013-09-18基 金 项 目:浙江省教育厅科研项目(y201330181);浙 江 省 科 技 计 划 项 目(2012c31018);绍 兴市科技计划项目 (2012b70026); 浙 江 省自然科学基金资助项目(ly12e05004)作 者简介:甘 伟(1981- ),男,浙 江 湖 州 人,讲 师,硕 士,研究方向为机械制 造及计算机辅助工程; 电 话e-mail: 析 出 相 微 观 组 织 的 观 察 。采 用 cmt4000 型 电 子 万56(a) 试 样 1(b) 试 样 2(c) 试 样 3(d) 试 样 4(e) 试 样 5图 1 试样显微组织的金相照片 500fig.1 metallograph photograph of microstructure for the samples 500(a) 试 样 1(b) 试 样 2(c) 试 样 3(d) 试 样 4(e) 试 样 5热加工工艺 2014 年 9 月 第 43 卷 第 18 期表 1 试样的制备工艺参数 tab.1 process parameters for the preparation of samples用 az91d 镁合金的显微组织有所细化，但细化的效果不是很明 显 ，其晶粒相 对于 试 样 4 和 试 样 5，组 织 更为粗大。由此可看出，浇注拉速对半固态汽车轮毂用 az91d 镁 合 金 显 微 组 织 的 影 响 作 用 较 小 。 从 图1 还可看 出，在保温温 度和浇注 拉速 相 同 的 情 况 下 ，随保温时间延长 ，半固态汽车轮毂用 az91d 镁合金 的显微组织先迅速细化 ， 然后几乎不变。 由此可看出，在保温温度一定的情况下，保温时间对半固态汽车轮毂用 az91d 镁合金显微组织的影响作用较大； 但为了实现较为细小的显微组织， 只需要适当长 的 保温时间即可。能 试 验 机 进 行 该 汽 车 轮 毂 用 az91d 镁 合 金 试 样 的抗拉 强度 测 试 ， 具 体 操 作 过 程 参 照 gb/ t 228- 2002进行，试验温度为室温。2试验结果分析析出物分析采用液相线铸造法不同工艺参数， 制备出的半 固态汽车轮毂用 az91d 镁合金试样，其析出物的透 射电镜照片如图 2 所示。 透射电镜的放大倍数为 80 万倍。 不同的制备工艺参数可获得不同形态的半 固2.2显微组织分析采用液相线铸造法不同工艺参数，2.1制备出的半固态汽车轮毂用 az91d 镁合金试样，其显微组织的金相照片如图 1 所示。可看出，在保温温度和保温时 间相同的情况下，随浇注拉速增加，半固态汽车轮毂态 汽 车 轮 毂 用 az91d 镁 合 金 析 出 物 。从 图 2 可 看图 2 试样析出物的透射电镜照片 800fig.2 tem photographs of precipitates for the samples 80057试 样 编 号保 温 温 度 / 保 温 时 间 / min浇 注 拉 速 / (cmmin-1)试 样 165552013试 样 265552017试 样 365552021试 样 465554017试 样 565556017(a) 试 样 1mg 与 al 原 子 比 为 17.02/12.0317 12(b) 试 样 2mg 与 al 原 子 比 为 17.07/12.0817 12al al mg mgssppccmgal mg al048121620048121620e / keve / kev(c) 试 样 3mg 与 al 原 子 比 为 17.11/12.0917 12(d) 试 样 4mg 与 al 原 子 比 为 17.03/12.0317 12alal mg mgssppccmg mgal al048121620048121620e / keve / kev(e) 试 样 5mg 与 al 原 子 比 为 17.04/12.0517 12al mgs图 3 试 样 1、2、3、4、5 析 出 物 的 edx 图pcfig.3 edx photograph of precipitates forsample no.1, 2, 3, 4, 5mgal048121620e / kev300290 apm/ 280度 强拉 270抗260250试 样 1 试 样 2试 样 3 试 样 4 试 样 5试 样 编 号hot working technology 2014, vol.43, no. 18出 ， 试 样 13 的 析 出 物 形 状 均 呈 现 出 圆 形 或 类 圆形，且析出物大小不一、均匀性较差，但也可看出，在保温温度和保温时间相同的情况下 ， 随着浇注拉 速 的增加， 析出物的形状有减小的趋势。 相对于试样1、2，浇 注 拉 速 增 至 21 cm/min 的 试 样 3 的 析 出 物 明 显减小。 从图 2 还可看出，试样 4、5 的析出物最小， 且分布更为均匀、 呈现出弥散分布状态。 由此可看 出，在保温温度一定的情况下，浇注拉速对半固态汽 车轮毂用 az91d 镁合金析出物形态的影响较小，而保 温 时 间 对 半 固 态 汽 车 轮 毂 用 az91d 镁 合 金 析 出物 形 态 的 影 响 较 大 。 为 控 制 半 固 态 汽 车 轮 毂 用 az91d 镁合 金析出物形 态 ，在保 温 温 度 一 定 的 情 况 下，需要特别注意保温时间的控制。采用液相线铸造法不同工艺参数， 制备出的半固 态 汽 车 轮 毂 用 az91d 镁 合 金 试 样 ， 其 析 出 物 的 edx 能谱图 如图 3 所示。 可 看出，采用 液 相 线 铸 造 法 制 备 出 的 半 固 态 汽 车 轮 毂 用 az91d 镁 合 金 的 析出物均为 mg17al12。 由上述分析可知 ，该析出物呈现出不同的外观形态，这主要有两个方面的原因：一是因 为 mg17al12 晶 胞 原 子 结 构 本 身 具 有 复 杂 多 样 性 ， 从 而 使 得 析 出 的 mg17al12 呈 现 出 不 同 的 外 观 形 态 ； 二是因为液相线铸造法制备出的半固态汽车轮毂用az91d 镁合金不可 避免的存在 位 错 、空 位 等 缺 陷 ，这 些 缺 陷 正 是 mg17al12 析 出 物 的 主 要 形 核 中 心 ， 缺陷的分布、 几 何形状等必 然对 mg17al12 析出物 的外 观形态产生影响 。2.3 抗拉强度的分析采用液相线铸造法不同工艺参数， 制备出的半 固态汽车轮毂用 az91d 镁合金各试样，其室温抗拉 强度的测试结果如图 4 所示。可看出，该方法制备的图 4 试样的室温抗拉强度测试结果 fig.4 tensile strength for the samples at room temperature汽 车 轮 毂 用 az91d 镁 合 金 的 室 温 抗 拉 强 度 均 高 于280 mpa，达 到 设 计 要 求 ；且 室 温 抗 拉(下 转 第 62 页)58hot working technology 2014, vol.43, no. 18索氏体。随着等温转变温度继续降低 ，珠光体间距变小；当等温转 变温度为 650 时，珠光体片 层间距较 小 ，即 出 现 了 部 分 索 氏 体 ；当 温 度 为 550 时 ， 钢 中出现了极细珠光体，即组织中出现了屈氏体，该组织具有很好的强度、硬度和韧性。 由此可见，随着转变温度的降低 ，过冷度越大 ，珠光体片层间距越小。 一方面是由于钢的等温转变温度降低 ， 其碳原子扩 散速度变慢 ，碳原子难以作较长距离的迁移，只能形成片层间距较小的索氏体与屈氏体。 另一方面由于钢过冷度越大 ，自由能差就越大，即可提供更多的能量以 增 加 铁 素 体 与 渗 碳 体 形 成 时 所 需 要 的 界 面 能 ，因此过冷度越大则形成的界面越多，形核率越高，片层间距越小5。当温度为 450 时， 在电镜下 看到的组织 主要 是絮状的混合组织 。 当温度为 350 时，钢中得到了典型的上贝氏体。这是由于在贝氏体转变前，碳处于饱和状态，碳有从铁素体向奥氏体扩散的倾向，最后 形 成 的 铁 素 体 条 间 分 布 着 粒 状 或 短 杆 状 渗 碳 体 ，即 上贝氏体 。 当温度为 300 时，钢的组织主要为板条 状下贝氏体 ，主要是因为过冷度太大 ，碳原子在奥氏 体和铁素体扩散都很困难， 只能在铁素体片中短 程 扩散。结论(1) 采 用 磁 性 法 进 行 zlx72a 帘 线 钢 过 冷 奥 氏 体 各 温 度 转 变 参 数 的 测 定 和 ttt 曲 线 的 绘 制 后 发 现，随着等温温度的降低，过冷奥氏体的等温转变孕 育时间和转变时间总体上都呈现出先减小后增加的 趋势。 根据 ttt 曲线图可确定最短孕育时间和最短转变时间，“鼻尖”温度为 550 左右。(2) 转变温度在 550 以上，组织主要是珠光体 以及少量铁素体，随温度上升，珠光体片层间距变大。(3) 转变温度在 550以下，其组 织随温度降 低 变化规律为： 先是絮状混合组织 ， 再是羽毛状贝氏体，最后为板条状贝氏体。3参考文献:张 世 中钢 的 过冷奥氏体转变曲线图集m北 京 ： 冶 金 工 业出 版 社 ，1982王 超 ， 赵 刚 ， 蔡 国 庆 ， 等 高 碳 帘 线 钢 72a 连 续 冷 却 转 变(cct)的 特 性j特 殊 钢 ，2008，29(5)：13-15钟 浩 ，宋 诚 ，李 春 峰 ，等帘线钢轧制工艺优化改进j山 东冶 金 ，2009，31(5)：36-39程 剑 ，余 驰 斌 ，叶 传 龙 ， 等试验测定和软件模拟绘制 22a 的ttt 曲 线j热 加 工 工 艺 ，2013，42(2)：58-62刘 宗 昌 ，任 慧 平过冷奥氏体扩散型相变m北 京 ：科 学 出 版社 ，200712345(上接第 58 页)强度值最大的 为试样 4。 与抗 拉强度最小的试样 1 相比，试样 4 的抗拉强度从 281.6 mpa提高到 299.8 mpa，提高了 18.2 mpa。 从图 4 还可看 出，在保温温度和保温时间相同的情况下，随着浇注拉速的增加 ，试样的室温抗拉强度增加的幅度较小；在保温温度和浇注拉速相同的情况下， 随保温时 间延长，试样的室温抗拉强度先增加后减小。由此可看出 ， 采 用 液 相 线 铸 造 法 进 行 半 固 态 汽 车 轮 毂 用az91d 镁 合金制备时 可行 ，而且 在 保 温 温 度 一 定 的 情况下，浇注拉速对抗拉强度影响较小 ，保温时间的 影响较为明显。物形态和抗拉强度产生较为明显的影响 。(3) 采 用 液 相 线 铸 造 法 制 备 出 的 半 固 态 汽 车 轮 毂 用 az91d 镁 合 金 各 试 样 的 室 温 抗 拉 强 度 均 高 于280 mpa； 且 与 抗