汽車新型壓鑄零部件的鑄造工藝分析
曹輝1,杜恭賀2
( 1. 河南工業職業技術學院,河南南陽 473009; 2. 西安郵電大學自動化學院,陜西西安 710121)
曹輝1,杜恭賀2
( 1. 河南工業職業技術學院,河南南陽 473009; 2. 西安郵電大學自動化學院,陜西西安 710121)
摘要: 對 Mg-9Al-1Zn-0. 5Ce 汽車新型壓鑄零部件試樣進行了壓鑄成型,并進行了力學性能和耐腐蝕性能的測試和分析。結果表明: 隨澆注溫度的升高和壓射速度的加快,試樣的抗拉強度、屈服強度先增大后減小,腐蝕電位正移后逐漸負移,伸長率變化幅度較小,力學性能和耐腐蝕性能均先提升后下降; 與 620 ℃ 澆注溫度壓鑄時相比,650 ℃ 澆注溫度下的抗拉強度、屈服強度分別增大了 13. 08%、23. 78%,斷后伸長率減小了 1%,腐蝕電位正移了 43 mV; 與 1 m/ s 壓射速度壓鑄時相比,3 m/ s 壓鑄下的抗拉強度、屈服強度分別增大了 11. 20%、16. 45%,斷后伸長率減小了 0. 8%,腐蝕電位正移了
31 mV。Mg-9Al-1Zn-0. 5Ce 汽車新型壓鑄零部件的壓鑄工藝參數優選為: 650 ℃始鍛溫度、3 m/ s 壓射速度。
關鍵詞: Mg-9Al-1Zn-0. 5Ce 合金; 壓鑄零部件; 澆注溫度; 壓射速度; 力學性能; 耐腐蝕性能
前言在經濟高速發展的今天,人們的生活和出行越來越離不開汽車,對汽車的質量、性能、經濟性、使用壽命等有了更高的要求。同時基于節能減排、降耗、輕量化等全新發展理念的影響,汽車用材料更趨于輕質、高性能、環保,鋁、鎂合金等輕質金屬得到了更多的研究和應用[1]。而汽車零部件種類繁多,形狀復雜,如缸體、變速箱、缸蓋、輪轂等,多為大型、復雜薄壁件,因而在生產工藝上,逐漸轉向壓鑄,汽車用壓鑄零部件受到行業內更多的關注和應用[2-4]。雖然壓鑄工藝優于普通的鑄造技術,表面更光滑,壁更薄,精度、強度更高,工藝簡單,生產效率高,能極大地節省原材料,但是壓鑄工藝僅適宜流動性金屬加工,發展受到一定的限制,且壓鑄也存在一定的鑄造缺陷,易產生氣孔、氧化雜物等,而且壓鑄所需設備模具等成本更高,因此適合進行大批量生產[5-7]。雖然我國的壓鑄技術日趨成熟,極大地提升了汽車零部件的質量與性能,但是基于業界和社會對汽車壓鑄零部件性能的高要求,所以還需不斷地研發和創新壓鑄技術,促進汽 車 新 型 壓 鑄 零 部 件 的 發 展 更 上 一 個臺階[8-10]。
1、試驗
研究對象為Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽車新型壓鑄零部件,Mg-9Al-1Zn-0.5Ce合金的原材料選用純度為99%以上的純鎂錠、鋁錠、鋅錠、鈰粉、細錳粉,其化學成分見表1。熔煉在坩堝電阻爐內進行,首先預熱坩堝,待坩堝呈現暗紅色后將RJ-2熔劑撒在坩堝底部和四周,分批次加入鎂錠、細錳粉、鈰粉、鋁錠、鋅錠,待所有成分都熔化后進行扒渣、精煉,靜置10min后,將合金液澆入1250kN臥式冷室壓鑄機的模腔內,在1250kN臥式冷室壓鑄機上進行壓鑄試驗。壓鑄過程中,保持模具預熱溫度250℃、壓射比壓90MPa不變,改變澆注溫度和壓射速度。試樣的壓鑄工藝參數見表2。所有壓鑄試樣都未進行熱處理。圖1是汽車新型壓鑄零部件鍛件,主要尺寸為:外徑88mm、高度54mm、厚度5mm、內徑42 mm、總長101mm。
表1 Mg-9Al-1Zn-0.5Ce鎂合金的化學成分(質量分數)


圖1汽車新型壓鑄零部件鍛件
Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽車新型壓鑄零部件的力學性能在室溫環境下測試,儀器選用Instron8032型電子拉伸試驗機,以2mm/min速度勻速拉伸,記錄強度及斷后伸長率,斷口形貌用S-530掃描電鏡進行觀察。耐腐蝕性能采用電化學腐蝕方法進行室溫測試,測試儀器為PARSTAT電化學三電極體系系統,腐蝕介質為NaCl溶液,濃度3.5%,以0.4mV/s速度進行極化曲線測試,并結合分析軟件進行Tafel擬合,記錄電化學參數(腐蝕電位),腐蝕形貌用S-530掃描電鏡觀察。
2、試驗結果及討論
2.1 不同澆注溫度下試樣的力學性能測試
Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽車新型壓鑄零部件試樣于3m/s恒定壓射速度下,經不同的澆注溫度制備下的力學性能測試結果見圖2??梢钥闯?澆注溫度越低,強度越小,澆注溫度的升高能夠有效增強試樣的抗拉強度和屈服強度,斷后伸長率相對略有減小。620、635、650、675、700℃澆注溫度下的抗拉強度分別為237、253、268、257、242MPa,屈服強度分別為143、165、177、169、154MPa,斷后伸長率則分別為8.9%、8.2%、7.9%、8.1%、8.4%。由此可見:620℃澆注溫度下試樣的抗拉強度與屈服強度均最小,斷后伸長率則最大,此時試樣的力學性能最差;650℃澆注溫度壓鑄時,試樣的抗拉強度和屈服強度最大,分別較620℃壓鑄時增大了13.08%、23.78%,斷后伸長率僅減小了1%,此時力學性能最佳。當澆注溫度繼續升高,試樣的強度下降,斷后伸長率減小,力學性能又開始下降。

圖2 澆注溫度對Mg-9Al-1Zn-0.5Ce合金力學性能的影響
2.2 不同壓射速度下試樣的力學性能測試
Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽車新型壓鑄零部件試樣于650℃恒定澆注溫度下,經不同的壓射速度制備下的力學性能測試結果見圖3。

圖3 壓射速度對Mg-9Al-1Zn-0.5Ce合金力學性能的影響
由圖3可以看出:壓射速度越慢,強度越小,壓射速度的加快能夠有效增強試樣的抗拉強度和屈服強度,斷后伸長率相對略有減小。1、2、3、4、5m/s 壓射速度下的抗拉強度分別為241、255、268、259、244MPa,屈服強度分別為152、164、177、168、153 MPa,斷后伸長率則分別為8.7%、8.4%、7.9%、8.2%、8.5%。由此可見:1m/s壓射速度下試樣的抗拉強度與屈服強度均最小,斷后伸長率則最大,此時試樣的力學性能最差;3m/s速度壓鑄時,試樣的抗拉強度和屈服強度最大,分別較1m/s壓鑄時增大了11.20%、16.45%,斷后伸長率僅減小了0.8%,此時力學性能最佳。當壓射速度繼續增加,試樣的強度下降,斷后伸長率減小,力學性能又開始下降。2.3試樣的拉伸斷口形貌
圖4是Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽車新型壓鑄零部件試樣分別經620、650℃澆注溫度壓鑄時的拉伸斷口圖片??煽闯?兩種澆注溫度壓鑄時,試樣的拉伸斷口處均呈現出典型的韌性斷裂特征。620℃壓鑄時試樣的撕裂棱粗大,韌窩不規則,具有較差的韌性;650℃壓鑄時試樣的韌窩顯著減小,形狀較為圓潤,分布較規則、均勻,韌性極大提升,力學性能最佳。綜合不同澆注溫度下的Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽車新型壓鑄零部件試樣的強度和伸長率的測試結果可以得知,從優化Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽車新型壓鑄零部件試樣的力學性能考慮,優選650℃澆注溫度。

圖4 不同澆注溫度下Mg-9Al-1Zn-0.5Ce合金的拉伸斷口形貌
2.4 不同澆注溫度下試樣的耐腐蝕性能
Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽車新型壓鑄零部件試樣于3m/s恒定壓射速度下,經不同的澆注溫度制備下的耐腐蝕性能測試結果見圖6??梢钥闯?澆注溫度的升高能夠使試樣的腐蝕電位顯著正移,耐腐蝕性能得以提升。隨澆注溫度從620℃升高到650℃,試樣的耐腐蝕性能先提升后下降。620、635、650、675、700℃澆注溫度下的腐蝕電位分別為-0.924、-0.913、-0.881、-0.893、-0.908V。由此可見,620℃澆注溫度下試樣的腐蝕電位最負,此時試樣的耐腐蝕性能最差;650℃澆注溫度壓鑄時,試樣的腐蝕電位最正,較620℃壓鑄時正移了43mV,此時耐腐蝕性能最佳。當澆注溫度繼續升高,試樣的腐蝕電位開始負移,耐腐蝕性能又開始下降。

圖6 澆注溫度對Mg-9Al-1Zn-0.5Ce合金耐腐蝕性能的影響
2.5 不同壓射速度下試樣的耐腐蝕性能
Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽車新型壓鑄零部件試樣于恒定650℃澆注溫度下,經不同的壓射速度制備下的耐腐蝕性能測試結果見圖7??梢钥闯?壓射速度的加快能夠使試樣的腐蝕電位顯著正移,耐腐蝕性能得以提升。隨壓射速度從1m/s加快至5m/s,試樣的腐蝕電位正移后逐漸負移,1、2、3、4、5m/s壓射速度下的腐蝕電位分別為-0.912、-0.906、-0.881、-0.892、-0.904V。由此可見,1m/s壓射速度壓鑄下試樣的腐蝕電位最負,此時試樣的耐腐蝕性能最差;3m/s壓射速度壓鑄時,試樣的腐蝕電位最正,較壓射速度1m/s時正移了31mV,此時耐腐蝕性能最佳。當壓射速度繼續增大,試樣的腐蝕電位開始負移,耐腐蝕性能又開始下降。

圖7壓射速度對Mg-9Al-1Zn-0.5Ce合金耐腐蝕性能的影響
2.6 不同壓鑄工藝下試樣的腐蝕形貌
圖8是Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽車新型壓鑄零部件試樣分別經620、650℃澆注溫度壓鑄時的腐蝕形貌圖片??煽闯?620℃壓鑄時,試樣的腐蝕坑呈密集團狀,坑深度較深,此時腐蝕程度嚴重;650℃壓鑄時試樣的腐蝕程度大大減輕,僅有少量的腐蝕點出現。聯系不同澆注溫度下的Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽車新型壓鑄零部件試樣的腐蝕電位測試值可以得知,從優化Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽車新型壓鑄零部件試樣的耐腐蝕性能考慮,優選650℃澆注溫度。

圖8 不同澆注溫度下Mg-9Al-1Zn-0.5Ce合金的表面腐蝕形貌

圖9 是Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽車新型壓鑄零部件試樣分別經3和5m/s壓射速度壓鑄下的表面腐蝕形貌圖片。
圖9 不同壓射速度下Mg-9Al-1Zn-0.5Ce合金的表面腐蝕形貌
從圖9可看出:3m/s速度壓射時,試樣表面腐蝕點小,且為數不多,此時耐腐蝕性能最佳;當壓射
3 結論
采用不同的澆注溫度和壓射速度對Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽車新型壓鑄零部件試樣進行了壓鑄成型,并進行了力學性能和耐腐蝕性能的測試和分析?,F總結如下:
(1)隨澆注溫度的升高和壓射速度的加快,試樣的抗拉強度、屈服強度先增大后減小,腐蝕電位正移后逐漸負移,伸長率變化幅度較小,力學性能與耐腐蝕性能均先提升后下降。650℃澆注溫度、3m/s壓射速度下Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽車新型壓鑄零部件試樣的抗拉強度、屈服強度最大,斷后伸長率最小,腐蝕電位最正,力學性能和耐腐蝕性能最佳。
(2)與620℃澆注溫度壓鑄時相比,650℃澆注溫度下的抗拉強度、屈服強度分別增大了13.08%、23.78%,斷后伸長率減小了1%,腐蝕電位正移了43mV;與1m/s壓射速度壓鑄時相比,3m/s壓鑄下的抗拉強度、屈服強度分別增大了11.20%、16.45%,斷后伸長率減小了0.8%,腐蝕電位正移了31mV。
(3)為優化Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽車新型壓鑄零部件試樣的力學性能和耐腐蝕性能,Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽車新型壓鑄零部件試樣的壓鑄工藝參數優選為:650℃始鍛溫度、3m/s壓射速度。