王小寧+張長軍

摘 要：為了減輕減速器質(zhì)量，改善車輛的噪音、震動(dòng)現(xiàn)象，利用感應(yīng)熔煉制備了Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金，利用DSC確定合金的相變溫度，在熱擠壓變形對(duì)鑄態(tài)合金進(jìn)行強(qiáng)化處理，利用SEM、XRD、TEM分別對(duì)鑄態(tài)、擠壓態(tài)合金試樣的組織形貌、相組成及尺寸進(jìn)行表征；通過硬度測(cè)量、壓縮及拉伸試驗(yàn)、失重比測(cè)試分別對(duì)合金的力學(xué)行為、降解行為進(jìn)行研究。結(jié)果表明，Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金能滿足制備減速器所需力學(xué)性能及耐蝕性。

關(guān)鍵詞：降解材料；鎂合金；力學(xué)行為；腐蝕行為

中圖分類號(hào)：U415.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1000-033X（2017）03-0107-05

Abstract： In order to reduce the weight of the gear reducer and alleviate the noise and vibration of the vehicle， Mg-Ca-Zn-Ni-Cu alloy was prepared by induction melting. The phase-transition temperature of the alloy was determined by differential scanning calorimetry （DSC）. The cast alloys were strengthened by hot extrusion deformation. The microstructures， phase compositions and sizes of the as-cast and extruded alloys were characterized by SEM， XRD and TEM. The mechanical behavior and degradation behavior of the alloy were studied by hardness， compression and tensile tests and weight loss ratio tests. The results show that Mg-Ca-Zn-Ni-Cu can meet the requirements of mechanical properties and corrosion resistance of the gear reducer.

Key words： degradable material； magnesium alloy； mechanical behavior； corrosion behavior

0 引 言

減速器是動(dòng)力和傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)變速和動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵，而減速器箱體在整個(gè)減速器總成中起支撐和連接的作用，它把各個(gè)零件連接起來，支撐傳動(dòng)軸，保證各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的正確運(yùn)轉(zhuǎn)。這類箱體須有一定的強(qiáng)度，滿足抗拉強(qiáng)度不小于230 MPa、屈服強(qiáng)度不小于190 MPa、布氏硬度不小于75等要求，并具有良好的密封性。

鎂合金因具備獨(dú)特的性能，如密度低、比剛度和比強(qiáng)度高，成為了繼鋼鐵、鋁之后的第三大金屬工程材料[1-6]。鎂合金密度小、重量輕，是汽車工業(yè)中鋁合金最好的替代品，能夠顯著減輕汽車自身的質(zhì)量，提升車輛的裝載能力，改善車輛的剎車、加速性能，降低燃油成本和廢氣排放，同時(shí)也可以極大程度地改善車輛的噪音、震動(dòng)現(xiàn)象。鎂及其合金因塑性低、化學(xué)性質(zhì)活潑、耐蝕性差等原因不能廣泛地應(yīng)用于實(shí)際。目前，已應(yīng)用沉淀、彌散、細(xì)晶、熱處理等強(qiáng)化和復(fù)合強(qiáng)化處理方法來提高鎂的綜合性能[7-12]。

近年來，Mg-Ca系合金得到廣泛研究。研究表明，澆鑄前Ca的加入可與Mg形成高熔點(diǎn)的金屬化合物Mg2Ca，提高合金的燃點(diǎn)，減輕溶體的氧化；微量鈣元素的添加可細(xì)化合金晶粒，改善合金力學(xué)行為[13-16]。在Mg-Ca系合金的基礎(chǔ)上，添加一定量Zn元素，能在很大程度提高M(jìn)g合金的力學(xué)性能，如強(qiáng)度及延展性，還可弱化雜質(zhì)元素導(dǎo)致的腐蝕行為[17-19]。

本文在研究Mg-Ca-Zn合金的基礎(chǔ)上，添加Cu、Ni元素制備Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金，并調(diào)控添加元素的比例獲得可用于制備減速器的材料。利用DSC確定合金的相變溫度，通過熱擠壓變形對(duì)鑄態(tài)合金進(jìn)行再強(qiáng)化處理。利用SEM、XRD分別對(duì)鑄態(tài)、擠壓態(tài)合金試樣的組織形貌及尺寸進(jìn)行表征；通過硬度測(cè)量、壓縮及拉伸試驗(yàn)、失重比測(cè)試分別對(duì)合金的力學(xué)行為、降解行為進(jìn)行研究。

1 合金的組成

采用電阻絲加熱熔煉爐（ZG-25A），在氣體保護(hù)（保護(hù)氣體為0.5%SF6與99.5%CO2的混合氣體）條件下制備Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金，其中設(shè)計(jì)合金元素含量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）為：Ca 5%、Zn 6%，Cu 0.5%，Ni 0.5%，表1為實(shí)際合金元素的含量。

當(dāng)加熱速率為0.667 ℃·s-1時(shí)，Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金的連續(xù)加熱DSC曲線如圖1所示?？梢钥闯觯辖鸬南嘧兤鹗紲囟燃s為400 ℃，因此熱擠壓溫度確定為380 ℃；擠壓鑄態(tài)試樣尺寸為Φ40 mm，擠壓完尺寸為Φ7 mm，擠壓比為32.65，擠壓速率為2.5 mm·min-1。

利用X射線衍射（XRD，D/MAX 2400型X射線衍射儀，Cu Kα射線）對(duì)合金進(jìn)行物相分析；利用金相（OM）觀察合金的微觀組織結(jié)構(gòu)；在合金鑄錠上通過線切割加工成符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣，利用HT-2420型萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試，其中每組相同試驗(yàn)條件試的樣各4個(gè)，以確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。利用HB-3000型顯微硬度測(cè)量儀進(jìn)行維氏硬度（HV）測(cè)量，保載載荷為250 kN，保載時(shí)間為15 s。腐蝕試樣尺寸為 20 mm×20 mm×20 mm，試驗(yàn)前經(jīng)金相砂紙打磨處理，然后用酒精清除表面油污，稱量試樣的初始質(zhì)量。采用蒸餾水與3.0%KCl的混合溶液腐蝕介質(zhì)，試驗(yàn)溫度分別為室溫及60 ℃。腐蝕試驗(yàn)后，試樣在沸騰的鉻酸（180 mg CrO3+1%AgNO3）中清洗5 min，然后再用丙酮、酒精進(jìn)行清洗，最后烘干并稱重；利用掃描電子顯微鏡（SEM，JEOL JSM-7000F型）觀察試樣的斷口及腐蝕形貌。

2 合金微觀組成及性能分析

2.1 微觀組織及成分分析

合金鑄態(tài)及擠壓態(tài)XRD圖譜如圖2所示，可以看出合金鑄態(tài)組織由基體α-Mg、析出相Mg2Ca、Mg2Ni、Mg2Cu及Mg6Ca2Zn3等組成。合金擠壓態(tài)的相結(jié)構(gòu)遺傳或保持其鑄態(tài)組成。但由于擠壓變形前合金需要在370 ℃保溫6 h后進(jìn)行加熱，這一過程使析出相在一定程度固溶到基體中，導(dǎo)致析出相數(shù)量降低，衍射峰強(qiáng)度弱化。

合金的顯微組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖3（b）可知，鑄態(tài)合金由鎂基體及沿晶界分布的析出相組成，其中鎂基體呈等軸晶狀（平均晶粒尺寸約50 μm），析出相尺度亦較大（平均寬約5 μm）。與鑄態(tài)組織相比，合金擠壓態(tài)基體相晶粒及析出相明顯呈纖維化，空間分布與熱擠壓方向一致（圖3（e））。另外，比較3圖（b）及圖3（d）可以發(fā)現(xiàn)，與鑄態(tài)相比，擠壓態(tài)基體相及析出相的尺度明顯降低，這歸因于擠壓變形的回復(fù)與再結(jié)晶過程。

2.2 力學(xué)性能

鑄態(tài)及擠壓態(tài)試樣的室溫拉伸數(shù)據(jù)如圖4所示，其中相同試驗(yàn)條件的試樣每組各3個(gè)，以確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。由圖4可見，鑄態(tài)合金的平均屈服強(qiáng)度為130 MPa，平均抗拉強(qiáng)度為180 MPa，形變過程沒有明顯的加工硬化現(xiàn)象；與之相比，擠壓態(tài)試樣的平均屈服強(qiáng)度為232 MPa，平均抗拉強(qiáng)度為391 MPa。熱擠壓變形明顯提高了鑄態(tài)Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度。熱擠壓變形對(duì)鎂合金的強(qiáng)化機(jī)制歸因于：熱擠壓變形使合金晶粒及析出相細(xì)化，且空間交錯(cuò)分布（圖3（c）），同時(shí)使合金位錯(cuò)的密度大幅增加，導(dǎo)致形變過程位錯(cuò)的啟動(dòng)不易進(jìn)行，從而提高了合金的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度。另外，晶粒的細(xì)化及位錯(cuò)密度的增加使合金形變過程中處于軟取向的滑移系增多，從而在一定程度上提高了合金的塑性變形能力。

圖5為鑄態(tài)及擠壓態(tài)合金拉伸試樣的斷口形貌照片。從圖5可以看出，擠壓態(tài)合金拉伸試樣斷口呈明顯的準(zhǔn)解理斷裂特征，并伴有少量的撕裂棱區(qū)域（圖5（d）），這與相關(guān)的研究結(jié)果一致。鑄態(tài)合金的拉伸斷口主要為沿晶斷裂形貌（圖5（b）），伴有少量的撕裂棱區(qū)域，這與其較差的塑性變形能力相對(duì)。

表2為合金的維氏硬度（試驗(yàn)載荷為200 N，載荷保持時(shí)間為15 s）。從表2可知，鑄態(tài)合金的平均硬度值為86，擠壓態(tài)合金的平均維氏硬度值為120，表明經(jīng)熱擠壓處理后的Mg-Ca-Zn -Ni-Cu合金顯微維氏硬度大幅提高，平均增幅達(dá)30%。這與圖4合金的拉伸力學(xué)行為測(cè)試結(jié)果一致。

2.3 腐蝕性能

圖6為合金鑄態(tài)及擠壓態(tài)在室溫及60 ℃條件下的失重比曲線。從圖6可以看出，所有試樣的腐蝕速率均隨時(shí)間的延長而增加，且與試驗(yàn)溫度成正比關(guān)系。與鑄態(tài)相比，擠壓態(tài)試樣在相同測(cè)試環(huán)境下的降解速率稍有下降，腐蝕20 d后，測(cè)試溫度為60 ℃的鑄態(tài)試樣失重比為3.2%，而室溫環(huán)境試樣失重比為4.35%。合金經(jīng)熱擠壓后降解速率的降低與其晶粒尺度及析出相尺度、相連續(xù)性降低有關(guān)。

圖7為不同試樣浸泡20 d后的SEM形貌。由圖7（a）、圖7（c）可見，經(jīng)過20 d的室溫腐蝕，合金表現(xiàn)出典型的點(diǎn)蝕特征，但在一定程度上仍保持連續(xù)的微觀組織形貌。經(jīng)60 ℃下20 d的浸泡，鑄態(tài)試樣與擠壓態(tài)相比（圖7（d）），微觀形貌已表現(xiàn)出一定的不連續(xù)性（圖7（b）），這與其較快的腐蝕速率相對(duì)應(yīng)（圖6）。

3 結(jié) 語

本文為降低減速器自重，從而減輕汽車的質(zhì)量，提升車輛的裝載能力，改善車輛的剎車性能，提升車輛行駛安全性，降低燃油成本和廢氣排放，降低車輛行駛過程的噪音、震動(dòng)現(xiàn)象，在Mg-Zn-Ca合金的基礎(chǔ)上，添加Ni、Cu元素制備了Mg-Ca- Zn-Ni-Cu合金，通過熱擠壓變形對(duì)制備的鑄態(tài)合金進(jìn)行熱變形處理，對(duì)比研究了鑄態(tài)及擠壓態(tài)合金的微觀組織、力學(xué)性能及降解性能，得出如下結(jié)論。

（1）Ni、Cu元素的添加明顯改善了鑄態(tài)Mg-Ca-Zn合金的力學(xué)及腐蝕性能，鑄態(tài)Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金的室溫屈服強(qiáng)度為125 MPa，延伸率為3%；腐蝕30 d后， 60 ℃鑄態(tài)試樣失重比僅為4.3%。

（2）經(jīng)熱擠壓處理后，Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金的屈服強(qiáng)度增至225 MPa；腐蝕30 d后， 60 ℃鑄態(tài)試樣失重比僅為3.2%。

（3）在實(shí)際應(yīng)用中，Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金可以作為減速器材料，但其性能穩(wěn)定性還需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

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[責(zé)任編輯：高 甜]