減速器用高強鎂合金力學及腐蝕行為研究

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、震動現(xiàn)象，利用感應熔煉制備了Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金，利用DSC確定合金的相變溫度，在熱擠壓變形對鑄態(tài)合金進行強化處理，利用SEM、XRD、TEM分別對鑄態(tài)、擠壓態(tài)合金試樣的組織形貌、相組成及尺寸進行表征；通過硬度測量、壓縮及拉伸試驗、失重比測試分別對合金的力學行為、降解行為進行研究。結(jié)果表明，Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金能滿足制備減速器所需力學性能及耐蝕性。

關鍵詞：降解材料；鎂合金；力學行為；腐蝕行為

中圖分類號：U415.5 文獻標志碼：B

文章編號：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

減速器是動力和傳動系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)變速和動力傳遞的關鍵，而減速器箱體在整個減速器總成中起支撐和連接的作用，它把各個零件連接起來，支撐傳動軸，保證各傳動機構(gòu)的正確運轉(zhuǎn)。這類箱體須有一定的強度，滿足抗拉強度不小于230 MPa、屈服強度不小于190 MPa、布氏硬度不小于75等要求，并具有良好的密封性。

鎂合金因具備獨特的性能，如密度低、比剛度和比強度高，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，同時也可以極大程度地改善車輛的噪音、震動現(xiàn)象。鎂及其合金因塑性低、化學性質(zhì)活潑、耐蝕性差等原因不能廣泛地應用于實際。目前，已應用沉淀、彌散、細晶、熱處理等強化和復合強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形成高熔點的金屬化合物Mg2Ca，提高合金的燃點，減輕溶體的氧化；微量鈣元素的添加可細化合金晶粒，改善合金力學行為[13-16]。在Mg-Ca系合金的基礎上，添加一定量Zn元素，能在很大程度提高Mg合金的力學性能，如強度及延展性，還可弱化雜質(zhì)元素導致的腐蝕行為[17-19]。

本文在研究Mg-Ca-Zn合金的基礎上，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，通過熱擠壓變形對鑄態(tài)合金進行再強化處理。利用SEM、XRD分別對鑄態(tài)、擠壓態(tài)合金試樣的組織形貌及尺寸進行表征；通過硬度測量、壓縮及拉伸試驗、失重比測試分別對合金的力學行為、降解行為進行研究。

1 合金的組成

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

當加熱速率為0.667 ℃·s-1時，Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金的連續(xù)加熱DSC曲線如圖1所示。可以看出，合金的相變起始溫度約為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）對合金進行物相分析；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標準的拉伸試樣，利用HT-2420型萬能試驗機進行室溫拉伸測試，其中每組相同試驗條件試的樣各4個，以確保試驗數(shù)據(jù)的可靠性。利用HB-3000型顯微硬度測量儀進行維氏硬度（HV）測量，保載載荷為250 kN，保載時間為15 s。腐蝕試樣尺寸為 20 mm×20 mm×20 mm，試驗前經(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)，試驗溫度分別為室溫及60 ℃。腐蝕試驗后，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后進行加熱，這一過程使析出相在一定程度固溶到基體中，導致析出相數(shù)量降低，衍射峰強度弱化。

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與再結(jié)晶過程。

2.2 力學性能

鑄態(tài)及擠壓態(tài)試樣的室溫拉伸數(shù)據(jù)如圖4所示，其中相同試驗條件的試樣每組各3個，以確保試驗數(shù)據(jù)的可靠性。由圖4可見，鑄態(tài)合金的平均屈服強度為130 MPa，平均抗拉強度為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)試樣的平均屈服強度為232 MPa，平均抗拉強度為391 MPa。熱擠壓變形明顯提高了鑄態(tài)Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金的屈服強度及抗拉強度。熱擠壓變形對鎂合金的強化機制歸因于：熱擠壓變形使合金晶粒及析出相細化，且空間交錯分布（圖3（c）），同時使合金位錯的密度大幅增加，導致形變過程位錯的啟動不易進行，從而提高了合金的屈服強度及抗拉強度。另外，晶粒的細化及位錯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。

表2為合金的維氏硬度（試驗載荷為200 N，載荷保持時間為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30%。這與圖4合金的拉伸力學行為測試結(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間的延長而增加，且與試驗溫度成正比關系。與鑄態(tài)相比，擠壓態(tài)試樣在相同測試環(huán)境下的降解速率稍有下降，腐蝕20 d后，測試溫度為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。

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應（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、震動現(xiàn)象，在Mg-Zn-Ca合金的基礎上，添加Ni、Cu元素制備了Mg-Ca- Zn-Ni-Cu合金，通過熱擠壓變形對制備的鑄態(tài)合金進行熱變形處理，對比研究了鑄態(tài)及擠壓態(tài)合金的微觀組織、力學性能及降解性能，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合金的力學及腐蝕性能，鑄態(tài)Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金的室溫屈服強度為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）在實際應用中，Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金可以作為減速器材料，但其性能穩(wěn)定性還需進一步試驗驗證。

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[責任編輯：高 甜]