鑄造法對(duì)運(yùn)動(dòng)器材用鎂合金疲勞性能研究

張科

摘 要：分別運(yùn)用傳統(tǒng)鑄造法和擠壓鑄造法制備用于運(yùn)動(dòng)器材中的鎂合金，并對(duì)其進(jìn)行疲勞性能測試，通過測試結(jié)果可以得知：運(yùn)用擠壓鑄造法制備的鎂合金疲勞性能要遠(yuǎn)高于運(yùn)用傳統(tǒng)鑄造法制備的鎂合金，應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)器材之中，可增強(qiáng)其韌性，延長使用壽命。

關(guān)鍵詞：擠壓鑄造法;運(yùn)動(dòng)器材;鎂合金;疲勞性能

中圖分類號(hào)：TG292 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）05-0069-04

Study on fatigue performance of magnesium alloy used in sports equipment by casting method

Abstract： This paper uses traditional casting method and squeeze casting method to prepare magnesium alloys used in sports equipment， and conducts fatigue performance tests. The test results show that magnesium alloys prepared by squeeze casting method The fatigue performance is much higher than that of magnesium alloys prepared by traditional casting methods. When used in sports equipment， it can enhance its toughness and extend its service life.

Key words： squeeze casting method;sports equipment;magnesium alloy;fatigue performance

鎂合金相較于其他金屬材料，擁有著比重小、比強(qiáng)度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛的應(yīng)用于減重、減震等方面，在汽車、船舶制造等行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用。通過實(shí)際研究，鎂合金容易出現(xiàn)疲勞裂紋，且主要分布在合金表面或鑄造缺陷處，這種疲勞裂紋主要是由于鑄造方法造成的，其次，在鑄造過程中，成分、熱處理工藝都會(huì)對(duì)其疲勞性能產(chǎn)生影響。因此，本文以制備工藝為出發(fā)點(diǎn)，運(yùn)用傳統(tǒng)鑄造法和擠壓鑄造法對(duì)鎂合金進(jìn)行制備，并對(duì)2種方法制備出的鎂合金進(jìn)行疲勞性能方面的測試，深入研究鑄造法對(duì)鎂合金疲勞性能的影響。

1 鎂合金的特點(diǎn)及強(qiáng)化機(jī)制

1.1 鎂合金特點(diǎn)

鎂合金的強(qiáng)度會(huì)略低于鋁合金，但具備良好的比剛度及比強(qiáng)度。其次，鎂合金具備優(yōu)渥的阻尼性，適合進(jìn)行切屑加工[1]。鎂合金自身并不帶有磁性，且具備一定的熱導(dǎo)效率，因此幾乎適用于所有鑄造工藝。下面對(duì)其優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行具體闡述：

（1）密度小，重量輕。在較常應(yīng)用的金屬合金中，鎂合金的密度基本都會(huì)小于2.0 g/cm3，僅為鋼的22%，鋁合金的67%，是密度最小的一種，且減重性良好，在汽車輪轂等結(jié)構(gòu)件的制造上有著廣泛的應(yīng)用;

（2）比強(qiáng)度、比剛度高。鎂合金比強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于鋼等其他金屬。鎂合金自身的剛度在45 GPa左右，但因其密度較小的原因，其比剛度在數(shù)值上和鋁合金、鐵等金屬所差無幾;

（3）阻尼減震性好。鎂合金具有良好的阻尼性能，因此其減震性極其良好，若用于制造汽車的輪轂、座椅，可以大幅度的提升汽車駕乘的安全性與舒適性[2]。也可以當(dāng)做殼體材料用于交通工具的制造當(dāng)中，降低運(yùn)行噪音;

（4）熱傳導(dǎo)性、電磁屏蔽性良好。因?yàn)殒V合金自身并不具備磁性，因此可以用來制造電子通訊設(shè)備，使其不受電磁波干擾。良好的熱傳導(dǎo)性可幫助電子通訊設(shè)備快速散熱，防止因運(yùn)行溫度過高影響性能;

（5）鑄造性能、切削效率好。因鎂合金擁有超高的切削效率，因此在切削加工過程中，對(duì)刀具的磨損較小。融合其熱傳性好的優(yōu)點(diǎn)，在切削加工過程中，合金表面溫度、角度，加工質(zhì)量、精度都有所保障，在加工完成后，無需進(jìn)行額外的磨削、拋光等步驟。加工過程中產(chǎn)生的碎屑也不易粘連，易于清理回收[3]。其次，鎂合金在熔融后，金屬液擁有較強(qiáng)的流動(dòng)性，使其在鑄造性能方面要遠(yuǎn)優(yōu)于其他金屬;

（6）支持循環(huán)利用。因鎂合金熔點(diǎn)較低，因此可以通過再加工對(duì)其循環(huán)使用，提升鎂合金的利用率。

1.2 鎂合金的強(qiáng)化機(jī)制

鎂合金是以鎂為基體相，將其他金屬元素，如鋁、鋅等融入其中，制備出質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的鎂合金，因此可以將鎂合金當(dāng)做結(jié)構(gòu)材料使用。在融入其他合金元素后，可以利用固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等方式從多方面提升鎂合金性能。

（1）固溶強(qiáng)化。在鎂金屬中融入其他溶質(zhì)元素并進(jìn)行適當(dāng)合金化以后，提升金屬的強(qiáng)度及硬度，此種方法稱之為固溶強(qiáng)化。在進(jìn)行固溶強(qiáng)化時(shí)，合金內(nèi)的溶劑原子會(huì)被溶質(zhì)原子代替，并分布于晶格點(diǎn)陣之中[4]。鑒于鎂金屬和其他金屬的原子半徑和彈性模量有所區(qū)別，因此會(huì)引發(fā)晶格畸變，會(huì)在一定程度上影響位錯(cuò)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，以此來提升鎂合金的強(qiáng)度。需要注意的是，隨著溶質(zhì)原子濃度的提高，晶格畸變也會(huì)越來越嚴(yán)重;

（2）析出強(qiáng)化。在對(duì)鎂合金進(jìn)行鑄造時(shí)，當(dāng)熔體溫度變低時(shí)，固溶度也會(huì)隨之降低，當(dāng)析出第二相時(shí)，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)及滑移都會(huì)受到相應(yīng)的影響，當(dāng)消耗的能量達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，位錯(cuò)會(huì)切過第二相，此種方法稱之為沉淀強(qiáng)化[5]。沉淀強(qiáng)化的效果會(huì)受析出相尺寸、形貌、物理性質(zhì)等因素的影響，因此，當(dāng)合金的溶解度可以隨溫度變化而變化時(shí)，都可以將其當(dāng)做沉淀強(qiáng)化鎂基體。需要注意的是，若析出時(shí)溫度過高，其析出相穩(wěn)定性較差，強(qiáng)化效果會(huì)受到影響，直到逐漸消失。

2 擠壓鑄造工藝

2.1 擠壓鑄造工藝原理

擠壓鑄造工藝方法介于鑄造和鍛造之間。其原理在于，將金屬經(jīng)過高溫融化至液態(tài)后澆筑到模具凹模之中，經(jīng)過擠壓使其在高壓狀態(tài)下凝固成形。因其介于模鍛、壓鑄之間，除了模具內(nèi)的胚料形態(tài)不同，其應(yīng)用的壓鑄工藝也不一樣。當(dāng)金屬液進(jìn)入模具時(shí)，是以自下而上的方式慢慢填滿模具的，且在高壓狀態(tài)下凝固成結(jié)晶。

2.2 分類及工藝過程

（1）直接擠壓鑄造，將融化后的金屬原料注入模具后，利用壓頭的推動(dòng)力，將壓力直接均勻的分布在其表面，直到其填入模具的型腔之中[6]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，直接擠壓鑄造法主要用來制造厚度大、形狀簡單、性能要求較高的鑄件。

（2）間接擠壓鑄造，利用沖頭的壓力產(chǎn)生推動(dòng)力，在閉合的金屬型型腔內(nèi)，完成原料的擠壓鑄造。

2.3 擠壓鑄造工藝優(yōu)點(diǎn)

（1）細(xì)化微觀組織，重塑宏觀晶粒結(jié)構(gòu)。在擠壓鑄造過程中，會(huì)不斷向金屬液施加壓力，使其緊貼于鑄型內(nèi)壁[7]。通過這種方式，可以提升合金換熱條件和冷卻速度。在強(qiáng)烈的擠壓下，合金本身的成長中樹枝晶會(huì)被破壞、破碎后會(huì)脫落，所以鎂合金的微觀組織會(huì)得到細(xì)化，力學(xué)性能得以提升;

（2）抑制氣孔的形成。減少氣孔缺陷。對(duì)處于凝固熔融狀態(tài)的金屬加以壓力，可以提升合金內(nèi)氣體溶解度，減少可析出氣體含量。除此之外，還可以提升氣孔形成的難度，抑制形成氣孔;

（3）促使正偏析形成。當(dāng)鎂合金處于高壓狀態(tài)下，結(jié)晶凝固時(shí)間會(huì)變少，溶質(zhì)元素的擴(kuò)散系數(shù)會(huì)有所下降，所以可以阻礙以上偏析的形成，有助于提升合金成分的均勻性[8]。

3 實(shí)驗(yàn)材料與方法

3.1 試樣材料

在試樣材料的選擇上，除了鎂（Mg）、鋁（Al）、鋅（Zn）之外，還選用了Mg-5Mn和Mg-10Y中間合金，熔爐選用DLZ15KW型，分別利用傳統(tǒng)鑄造法和擠壓鑄造法制備AZ91-0.15Y，并將其運(yùn)用到運(yùn)動(dòng)器材的生產(chǎn)當(dāng)中。當(dāng)鎂合金制備完成后，利用EDX600型X射線光譜儀對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

應(yīng)用PANalytical B.V.X Pert Pro MPD型X射線衍射儀對(duì)AZ91-0.15Y鎂合金進(jìn)行物相組成分析，應(yīng)用DM 2700M型金相顯微鏡對(duì)鎂合金進(jìn)行纖維組織方面的研究，應(yīng)用WPG-100KN型疲勞測試儀對(duì)疲勞性方面進(jìn)行分析 [9]。主要測試參數(shù)如下：將載荷類型設(shè)定為拉-拉載荷，應(yīng)力比數(shù)值設(shè)定為0，加載頻率設(shè)定為（100±2）Hz，以正常室溫為測試溫度，名義應(yīng)力范圍在30～65 MPa，當(dāng)測試物徹底斷裂時(shí)，記錄當(dāng)時(shí)的載荷循環(huán)數(shù)目，此為測試物的疲勞性能，最后再用CX-100S型掃描電子顯微鏡觀察斷裂口的形狀。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

4.1 物相組成分析

對(duì)應(yīng)用2種不同鑄造法制備出的運(yùn)動(dòng)器材，用AZ91-0.15Y鎂合金進(jìn)行物相組成分析，XRD數(shù)值分別如表2所示。

由表2可知，應(yīng)用傳統(tǒng)鑄造法打造的鎂合金由4個(gè)相組成，應(yīng)用擠壓鑄造法打造的鎂合金則由3個(gè)相組成，相較于前者缺少Al8Mn5。

4.2 顯微組織

應(yīng)用DM2700M型金相顯微鏡，可以得到圖1和圖2兩張顯微組織照片。

從照片中可以看出，應(yīng)用擠壓鑄造法制備出的鎂合金與應(yīng)用傳統(tǒng)鑄造法制備出的相比，在樹枝晶方面得到了顯著的遏制，且組織得到了更好的細(xì)化處理[10]。造成這種現(xiàn)象的原因是，應(yīng)用擠壓鑄造法制備鎂合金時(shí)，液態(tài)金屬的流動(dòng)速度得到了大幅度提升，使其和晶體之間形成了明顯的剪切力，從而導(dǎo)致枝晶破碎，晶核數(shù)目有所提升，金晶粒得到了細(xì)化。

4.3 疲勞性能測試

對(duì)應(yīng)用2種鑄造法制備出的鎂合金進(jìn)行疲勞性能方面的測試，具體測試結(jié)果如表3所示。

由表3可知，當(dāng)名義應(yīng)力在30～65 MPa時(shí)，應(yīng)用擠壓鑄造法制備出的鎂合金在疲勞性能方面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于應(yīng)用傳統(tǒng)鑄造法制備出的鎂合金。當(dāng)名義應(yīng)力數(shù)值為30 MPa時(shí)，運(yùn)用擠壓鑄造法制備的AZ91-0.15Y鎂合金疲勞壽命可達(dá)898 000 次，相較于常規(guī)鑄造法的389 000 次，增長了130.85%;當(dāng)名義應(yīng)力數(shù)值為45 MPa時(shí)，運(yùn)用擠壓鑄造法制備的AZ91-0.15Y鎂合金疲勞壽命可達(dá)784 000 次，相較于常規(guī)鑄造法的105 000 次，增長了130.85%;當(dāng)名義應(yīng)力數(shù)值為60 MPa時(shí)，運(yùn)用擠壓鑄造法制備的AZ91-0.15Y鎂合金疲勞壽命可達(dá)627 000 次，相較于常規(guī)鑄造法的60 900 次，增長了1 029.56%。通過數(shù)據(jù)對(duì)比可知，運(yùn)用擠壓鑄造法制備的鎂合金在疲勞性方面得到了大幅度的提升，主要是因?yàn)槠鋬?nèi)部組織得到了細(xì)化，其抗疲勞性的能力就相應(yīng)的得到了提升。

圖3、圖4分別展示的是應(yīng)用2種不同鑄造法制備出的AZ91-0.15Y鎂合金斷口形貌。

通過圖3和圖4細(xì)節(jié)可以看出，運(yùn)用傳統(tǒng)鑄造法制備的鎂合金在斷口處脆性斷裂較為明顯，造成這種現(xiàn)象的原因是，疲勞裂紋出會(huì)經(jīng)受多次擠壓和摩擦，表面較為光亮;而運(yùn)用擠壓鑄造法制備的鎂合金在斷口處則會(huì)出現(xiàn)明顯的撕裂棱及韌窩，在特征方面具有混合性，在提升鎂合金疲勞性能方面也要優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造法。

通過以上多方面測試可以得知，應(yīng)用擠壓鑄造法制備出的AZ91-0.15Y鎂合金，無論是在物相組成、顯微組織、疲勞性能等方面都要優(yōu)于運(yùn)用傳統(tǒng)鑄造法制備出的鎂合金。因?yàn)榇丝铈V合金是用來制作運(yùn)動(dòng)器材，且部分運(yùn)動(dòng)器材會(huì)安裝于露天場所供居民鍛煉使用，因此除了會(huì)受到溫度、濕度等環(huán)境因素影響之外，其使用頻率和使用人數(shù)也會(huì)相對(duì)較高，各方面性能的提升無疑可以從根本上提升運(yùn)動(dòng)器材的使用壽命。因此應(yīng)用擠壓鑄造法制備運(yùn)動(dòng)器材用鎂合金擁有良好的發(fā)展前景及空間。

5 結(jié)語

因鑄造法對(duì)運(yùn)動(dòng)器材用鎂合金的疲勞性能有著直接的影響，應(yīng)用傳統(tǒng)鑄造法制備的鎂合金在疲勞性、顯微組織和物相組成方面存在一定的弊端，因此提出了運(yùn)用擠壓鑄造法制備鎂合金的構(gòu)想。擠壓鑄造法擁有細(xì)化微觀組織、抑制氣孔形成，提升致密度等優(yōu)點(diǎn)。并對(duì)應(yīng)用2種鑄造法制備出的鎂合金進(jìn)行了性能方面的測試，實(shí)際結(jié)果顯示，應(yīng)用擠壓鑄造法制備的鎂合金各方面都要優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造法制備出的鎂合金，可以很好的提升運(yùn)動(dòng)器材的使用壽命和疲勞性能，具有實(shí)際研究價(jià)值和意義。

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收稿日期：2021-03-24;修回日期：2022-04-29

作者簡介：張 科（1986-）男，碩士，講師，研究方向：體育、體育教育。