減速器殼體輕量化鎂材應(yīng)用可行性研究

謝 玉 陳自凱

(寶鋼股份中央研究院 上海：201900)

汽車輕量化對(duì)節(jié)能減排有著非常重要的意義。汽車輕量化的范圍大體分為四類：車身、底盤、動(dòng)力系統(tǒng)和內(nèi)外飾件。汽車輕量化手段主要有四種：結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)、輕量化制造技術(shù)、輕量化連接技術(shù)及輕量化材料的使用。其中，輕量化材料的使用往往伴隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與連接技術(shù)的優(yōu)化，可以帶來最大的輕量化效果。鎂合金具有低密度(1.8g/cm3)、高比強(qiáng)度和比剛度以及優(yōu)良的物理屬性(如導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性能、阻尼減震性能和對(duì)聲音高頻音域的響應(yīng)特性)，是汽車、軌道交通等運(yùn)輸工業(yè)輕量化的主要選擇之一[1-4]。

汽車零部件主要采用鑄造鎂合金[5]，最常用的商用鎂合金是Mg-Al及Mg-Al-Zn合金，大量應(yīng)用于汽車零部件內(nèi)飾件，包括汽車座椅骨架，方向盤[1，6]。Mg-Al商用壓鑄鎂合金包括AM20/AM50/AM60合金，該類合金相比于Mg-Al-Zn合金具有更好的塑性，但是強(qiáng)度偏低。Mg-Al-Zn系商用鎂合金指AZ91D，比Mg-Al合金強(qiáng)度高，但是塑性差。以上兩個(gè)系列的商用鎂合金由于含有低熔點(diǎn)第二相Mg17Al12，在較高溫度下強(qiáng)度與耐蠕變性能低，且腐蝕性能不能滿足裸漏件的要求[7-9]，因此無法應(yīng)用于對(duì)承載、耐熱、耐蝕等有要求的承載件，如變速箱、減速器殼體等。

對(duì)耐熱性有要求的變速箱、減速器殼體等零部件通常采用耐熱鎂合金。商業(yè)化耐熱鎂合金牌號(hào)包括AS、AE、AJ系列，其中AS系列為Al-Si合金，是德國(guó)大眾汽車開發(fā)的較高溫度下使用的壓鑄鎂合金[1，10]，通過產(chǎn)生Al2Si第二相替代耐熱性差的Mg17Al12相，從而提升耐熱性，可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作在110℃-120℃。Si元素的添加，可以增加Mg-Al合金的室溫強(qiáng)度，耐高溫性能，但是極大地降低了Mg-Al合金的耐蝕性能[12，13]。添加稀土元素的AE、AJ鎂合金，通過產(chǎn)生耐熱度更高的第二相[1，11]，具有更高溫度下的耐熱性能，但是稀土的加入極大地增加了鎂件成本，因此，主要應(yīng)用于對(duì)成本不敏感的高端車零部件應(yīng)用上[14]。

通過添加成本更低的堿土元素Sr、S、B、Ca等[15-17]，形成耐熱性較好的第二相，開發(fā)性價(jià)比更優(yōu)的Mg-9Al-1Zn-xCa新型鎂合金應(yīng)用于減速器等殼體勢(shì)在必行。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

自主開發(fā)的Mg-9Al-1Zn-xCa合金，x在0.8-1.2之間，也可記作AZ91+xCa。采用商用AS41B合金作為對(duì)比材料。采用直徑為420mm的半連續(xù)鑄錠用于綜合評(píng)估鎂材室溫/高溫承載性能。材料成分檢測(cè)結(jié)果見表1，其中AS41B合金成分按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T19078-2003鑄造鎂合金錠配置。

表1 兩種合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 試樣制備與試驗(yàn)過程

材料本身的剛度即材料的彈性性能由楊氏模量(E)、剪切模量(G)以及泊松比等參數(shù)進(jìn)行表征。其測(cè)試采用動(dòng)態(tài)機(jī)械性能(DMA)設(shè)備測(cè)試。樣品尺寸為50mm×5mm×2mm的長(zhǎng)片，在圓柱截面心部取樣，采用三點(diǎn)彎曲模式。

兩種合金在不同溫度下的拉伸性能在寶鋼研究院分析測(cè)試中心進(jìn)行，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 228.2-2015進(jìn)行，測(cè)試試驗(yàn)機(jī)為250kN高低溫拉伸試驗(yàn)機(jī)(SCL236)。測(cè)試試樣為直徑10mm，標(biāo)距50mm的圓棒。測(cè)試時(shí)，夾頭拉伸速度為3.5mm/min，拉伸應(yīng)變速率則計(jì)算為0.0012/s。測(cè)試溫度為室溫、90℃、120℃和150℃，平行樣3個(gè)，結(jié)果取平均值。

合金的耐熱性能用樣品在循環(huán)熱環(huán)境下的熱膨脹行為進(jìn)行表征，采用耐馳TMA設(shè)備進(jìn)行熱膨脹系數(shù)測(cè)量。由于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和關(guān)閉，減速器殼體受熱是非穩(wěn)定的，從而測(cè)量材料本身在不同溫度下的熱膨脹系數(shù)以及在變溫環(huán)境下熱膨脹系數(shù)的變化是有必要的。利用TMT對(duì)AS41B和AZ91+xCa合金進(jìn)行了兩種情況下的測(cè)量，以5℃/min的速度從0℃升溫至400℃，測(cè)量了合金從0℃到400℃的膨脹系數(shù)。設(shè)計(jì)了循環(huán)變溫環(huán)境(溫度從0℃到150℃以5℃/min升降溫15次，如圖1所示)，用于考察兩種合金在變溫環(huán)境下的熱膨脹系數(shù)變化。

圖1 循環(huán)變溫曲線，溫度從從0℃到150℃升降溫15次

中性鹽霧試驗(yàn)依據(jù)ASTM B117標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，選取三個(gè)平行樣進(jìn)行測(cè)試。樣品尺寸為150mm×80mm×4mm，使用水磨砂紙連續(xù)打磨至2000#，吹干，采用硅膠封閉樣品背面和四邊。試驗(yàn)溫度35℃，腐蝕介質(zhì)為5% NaCl水溶液，pH=6.6，測(cè)試面朝上，采用PVC擋板支撐，測(cè)試樣品縱向呈20°夾角放置，測(cè)試時(shí)間為120h，采用連續(xù)噴霧方式，鹽霧沉降量為1.5 mL/(80 cm2·h)。鹽霧測(cè)試后的樣品采用濃度為180g/L的鉻酸溶液去除腐蝕產(chǎn)物，采用賽多利斯BSA224S-CW分析天平測(cè)量測(cè)試前后樣品的質(zhì)量，根據(jù)失重計(jì)算出腐蝕速率。

結(jié)構(gòu)仿真驗(yàn)證利用Altair(澳汰爾)公司的Optistruct模塊分析了應(yīng)力與應(yīng)變分布。主機(jī)廠方提供了原始的CAE數(shù)據(jù)(Abaqus文件，鋁合金性能參數(shù))，原鋁件重量15.2kg。在該CAE數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了“以鎂代鋁”的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 室/高溫剛度與強(qiáng)度

表2是商用AS41B與AZ91+xCa合金在不同溫度下的彈性模量與泊松比的測(cè)試結(jié)果。通常，文獻(xiàn)常用的鎂合金在室溫下的楊氏模量默認(rèn)為45GPa[4]，與AS41B測(cè)量值相近。而模量與原子間的作用力相關(guān)，即固溶于鎂基體中的合金元素與鎂原子的結(jié)合力。AZ91+xCa合金通過固溶更多合金元素在鎂基體中，同時(shí)會(huì)析出Al2Ca等第二相，因此，AZ91+xCa合金的楊氏模量稍高于AS41B，意味著，同樣的結(jié)構(gòu)下，AZ91+xCa產(chǎn)品的剛度高于AS41B產(chǎn)品的剛度，在同等結(jié)構(gòu)與承載條件下，采用開發(fā)的AZ91+xCa產(chǎn)品不易發(fā)生彈性變形，具有更高的剛性。

表2 AS41B與AZ91+xCa合金在不同溫度下的楊氏模量、剪切模量與泊松比

減速器殼體在使用過程中只允許發(fā)生彈性變形，因此合金在不同溫度下的屈服強(qiáng)度是重點(diǎn)考量的參數(shù)。AS41B與AZ91+xCa兩種合金在不同溫度下的強(qiáng)度見圖2。根據(jù)圖2所示，AS41B的屈服強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，而AZ91+xCa合金的屈服強(qiáng)度則時(shí)先升高后降低；當(dāng)溫度從30℃升高到150℃時(shí)，AS41B的屈服強(qiáng)度從105MPa降低到91MPa，降低13%左右，而AZ91+xCa的屈服強(qiáng)度幾乎不變，表明后者在高溫下的性能更穩(wěn)定，預(yù)示AZ91+xCa的蠕變性能高于AS41B合金，這可能與合金中第二相析出物的熱穩(wěn)定性更高有關(guān)。兩種合金的組織如圖3所示。從圖3可以看到，兩種合金組織主要由基體Mg與第二相組成。AS41B的第二相為松散的Mg2Si相，AZ91+xCa的第二相為Mg2Ca相，后者具有比前者更高的熔點(diǎn)，預(yù)示著更高的耐高溫性能。

圖2 AS41B與AZ91+xCa合金在不同溫度下的強(qiáng)度比較

圖3 AS41B合金與AZ91+xCa半連續(xù)鑄造組織形貌

2.2 耐熱性能

零部件在變溫環(huán)境中的尺寸穩(wěn)定性也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)考量指標(biāo)之一。熱膨脹系數(shù)是衡量材料在變溫環(huán)境下尺寸穩(wěn)定性的特征參數(shù)之一。減速器殼體在50℃與150℃之間變化，因此要關(guān)注合金在50℃-150℃的耐熱性。理論上，熱膨脹系數(shù)越低，在同樣的變溫環(huán)境中，該材料零部件的尺寸穩(wěn)定性越好。AS41B與AZ91+xCa合金在不同溫度下的熱膨脹系數(shù)見圖4所示，并與鋁合金(A356)及AZ91D鎂合金做了比較。與常用的壓鑄鋁合金A356相比，無論是在低溫還是高溫環(huán)境下，三種鎂合金的熱膨脹系數(shù)都高于鋁合金，但并沒有數(shù)量級(jí)上的差別。在50℃與150℃之間，鎂合金的熱膨脹系數(shù)僅僅比鋁合金高約25%，意味著在50℃-150℃環(huán)境下，鎂合金有取代鋁合金的可能性。在低溫時(shí)(溫度<50℃)，三種鎂合金的熱膨脹系數(shù)相差不大，幾乎相等。當(dāng)溫度在50℃與150℃之間(產(chǎn)品應(yīng)用關(guān)注溫度區(qū)間)時(shí)，AS41B與AZ91+xCa的熱膨脹系數(shù)幾乎相等，但小于AZ91D合金。AZ91D合金為非耐熱合金，因此可以理解其熱膨脹系數(shù)最大。AS41B與AZ91+xCa合金在關(guān)注的溫度區(qū)間熱膨脹系數(shù)幾乎相等。隨著溫度的繼續(xù)增加，AZ91+xCa的熱膨脹系數(shù)大于AS41B合金，考慮到AS41B的使用溫度在150℃以下，我們推測(cè)AZ91+xCa的最佳使用溫度也在150℃以下。

圖4 四種合金在不同溫度下的熱膨脹系數(shù)

以上四種合金在循環(huán)變溫環(huán)境下的膨脹率如圖5所示。從圖5中可以看出：(1)無論哪種合金，其熱膨脹系數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)增加而增大，表明熱循環(huán)導(dǎo)致合金耐熱性能的下降；(2)在循環(huán)變溫環(huán)境下，AZ91+xCa的熱膨脹系數(shù)變化最小，而鋁合金的熱膨脹系數(shù)變化最大。在實(shí)際工作環(huán)境中，減速器殼體的工作溫度不是固定不變的，而是隨著車況不斷變化，意味著產(chǎn)品要在不斷變溫的環(huán)境下，盡量保證尺寸的穩(wěn)定性，從這方面考慮，AZ91+xCa合金具有優(yōu)勢(shì)。

圖5 不同合金在循環(huán)變溫下膨脹率

2.3 耐腐蝕性能

AS41B和AZ91+xCa鎂合金樣品的鹽霧試驗(yàn)形貌見圖6。從圖6中可看出兩種合金經(jīng)過鹽霧試驗(yàn)后表面均被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，但AS41B鎂合金樣品表面堆積大量黑色腐蝕產(chǎn)物，腐蝕明顯更深，相對(duì)而言AZ91+xCa鎂合金腐蝕深度較小。腐蝕前后的腐蝕速率如表3所示。AS41B，AZ91+xCa合金在120 h中性鹽霧試驗(yàn)后，平均腐蝕速率分別為2.8mm/y和0.1mm/y，AZ91+xCa的腐蝕速率比AS41B合金低一個(gè)數(shù)量級(jí)，表面其耐蝕性遠(yuǎn)好于AS41B鎂合金。

圖6 兩種鎂合金鹽霧試驗(yàn)腐蝕前后宏觀形貌

表3 樣品中性鹽霧腐蝕率測(cè)試結(jié)果

2.4 材料在減速器殼體應(yīng)力分析

如果結(jié)構(gòu)不變，用鎂材代替鋁材后的應(yīng)力分析表明，最大承載應(yīng)力為115MPa， 超過了所用鎂材的屈服強(qiáng)度。這意味在承載條件下，軸承孔發(fā)生較大變形，會(huì)影響齒輪的嚙合。因此，為了提高鎂合金減速器殼體的承載性，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如添加加強(qiáng)筋或者是增加厚度。

我們?cè)跍p速器殼體的外部進(jìn)行了加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，圖7是結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)力分布，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)件承載的最大應(yīng)力為85MPa，低于所用材料AZ91+xCa的屈服強(qiáng)度。原鋁件體系重達(dá)15.2kg，采用鎂系合金優(yōu)化后的殼體重量為11.4kg， 減重3.8kg， 減重效果達(dá)25%。

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)力分布圖

3 結(jié)論

本文從結(jié)構(gòu)承載性、耐熱及耐蝕角度分析了一種Mg-Al-Ca鎂合金在非室溫服役減速器殼體零部件上應(yīng)用的可行性，得出以下主要結(jié)論：

(1)與AS41B合金相比，AZ91+xCa合金具有同樣的剛度與屈服強(qiáng)度，而且AZ91+xCa在循環(huán)熱應(yīng)力環(huán)境下具有更低的形變、更優(yōu)的耐中性鹽霧性能。

(2)Mg-Al-Ca鎂合金可以滿足減速器殼體零部件承載性的要求，相比于傳統(tǒng)鋁殼體，減重效果達(dá)25%。