【摘要】：Mg-Al系鑄造鎂合金因具有優(yōu)異的成形性、良好的力學(xué)性能、耐腐蝕性和較低的制備成本等優(yōu)勢,使其在輪轂等汽車零部件上的應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。近10多年來,國內(nèi)外雖然對Mg-Al系鑄造鎂合金已開展了大量研究,但與鑄造鋁合金相比,Mg-Al系鑄造鎂合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性等仍然相對較差,從而使其在輪轂等汽車零部件上的應(yīng)用受到很大的限制。因此,有必要進(jìn)一步通過合金化和/或微合金化等來研究開發(fā)高性能低成本的Mg-Al系鑄造鎂合金。此外,已有對Mg-Al系鑄造鎂合金的研究主要集中合金化和/或微合金化對顯微組織、力學(xué)性能和腐蝕性能等的影響上,對合金在不同鑄造方法下顯微組織、力學(xué)性能和腐蝕性能的比較研究還涉及得相當(dāng)少。眾所周知,鑄造鎂合金的開發(fā)和應(yīng)用受鑄造方法的影響較大。如果不清楚鎂合金在不同鑄造方法下的組織和性能差異,將會(huì)極大影響新型鑄造鎂合金的開發(fā)應(yīng)用。因此,基于Mg-Al系鑄造鎂合金在輪轂上的應(yīng)用,針對Mg-Al系鎂合金的進(jìn)一步合金化和/或微合金化和不同鑄造方法下Mg-Al系鎂合金的顯微組織、力學(xué)性能及腐蝕行為進(jìn)行研究,對于高性能低成本新型Mg-Al系鑄造鎂合金的開發(fā)和推動(dòng)其在汽車零部件上的應(yīng)用意義重大。本文基于已有Mg-Al系鑄造鎂合金的研究結(jié)果,利用熔煉鑄造、光學(xué)金相(OM)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、電子能譜(EDS)、X射線衍射儀(XRD)、差熱分析(DSC)、力學(xué)性能和耐蝕性能測試等方法和手段,通過Ce或Y合金化、Sb和Sr微合金化、Mn含量優(yōu)化以及Fe含量控制等,研制開發(fā)出了一種可用于汽車輪轂的高性能低成本Mg-Al基壓鑄鎂合金AE81(Mg-8Al-0.7Zn-0.25Mn-0.25Sb-0.1Sr-1.5Ce),并在此基礎(chǔ)上比較研究了AE81鑄造鎂合金在金屬型重力鑄造(GPMC)、砂型低壓鑄造(LPSC)和砂型重力鑄造(GSC)下的顯微組織、力學(xué)性能和腐蝕性能。此外,還通過Sb和Sr微合金化,研制開發(fā)出了一種低成本的AZ91-0.5Sb-0.1Sr鑄造鎂合金,并對其在金屬型重力鑄造和殼型低壓鑄造(LPSHC)下的顯微組織、力學(xué)性能和腐蝕性能也進(jìn)行了研究。本文得到的主要研究結(jié)果如下:(1)在Mg-8Al-0.7Zn合金成分的基礎(chǔ)上,通過添加0.25wt.%Sb、0.1wt.%Sr、0.25-0.75wt.%Mn、1.0-2.0wt.%Ce或0.5-1.5wt.%Y,設(shè)計(jì)制備出了不同成分和性能的壓鑄鎂合金,其中對于一定量的含Ce或Y試驗(yàn)合金,Mn含量變化對合金性能的影響不大。在含Ce的合金中,以含1.5wt.%Ce和0.25wt.%Mn合金的拉伸性能相對較佳,其室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)到了261MPa、160MPa和11.2%;而在含Y的合金中,以含1.5wt.%Y和0.25wt.%Mn合金的拉伸性能相對較佳,其室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)到了258MPa、147MPa和9.4%。綜合考慮力學(xué)性能和成本等因素,含1.5wt.%Ce和0.25wt.%Mn的AE81壓鑄鎂合金被認(rèn)為是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ腗g-Al基低成本鑄造鎂合金。(2)研制開發(fā)的AE81鎂合金壓鑄后的室溫拉伸性能(抗拉強(qiáng)度:261MPa;屈服強(qiáng)度:160MPa和伸長率:11.2%)已超過鎂合金鑄造輪轂的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T26654-2011),并且完全達(dá)到了鋁合金鑄造輪轂的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T23301-2009)。(3)發(fā)現(xiàn)不同鑄造方法對AE81鎂合金的顯微組織有較大影響,其中金屬型重力鑄造合金的晶粒最細(xì)小,其次是砂型低壓鑄造合金,砂型重力鑄造合金的晶粒最為粗大,從而導(dǎo)致金屬型重力鑄造合金的性能最為優(yōu)異,其鑄態(tài)室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)到了213MPa、131MPa和6.4%。經(jīng)過熱處理后,無論是固溶態(tài)還是時(shí)效態(tài),均以金屬型重力鑄造合金的室溫拉伸性能最高,其次分別是砂型低壓鑄造合金和砂型重力鑄造合金,其中金屬型重力鑄造合金經(jīng)410°C×10h固溶處理后的室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)到了275MPa、132MPa和16.5%,而其經(jīng)410°C×10h固溶處理+200°C×12h時(shí)效處理后的室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率也分別達(dá)到了232MPa、164MPa和5.5%。(4)研制開發(fā)的AE81鎂合金金屬型重力鑄造后的時(shí)效態(tài)室溫拉伸性能(抗拉強(qiáng)度:232MPa;屈服強(qiáng)度:164MPa和伸長率:5.5%)已達(dá)到了鎂合金鑄造輪轂的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 26654-2011)。同時(shí),其固溶態(tài)室溫抗拉強(qiáng)度和伸長率(抗拉強(qiáng)度:275MPa和伸長率:16.5%)均高于鎂合金鑄造輪轂的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 26654-2011)和鋁合金鑄造輪轂的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 23301-2009)。(5)發(fā)現(xiàn)不同鑄造方法制備的AE81鎂合金的耐腐蝕性能存在較大差異,其中無論是鑄態(tài)、固溶態(tài)還是時(shí)效態(tài),均以金屬型重力鑄造合金的耐腐蝕性最好,其次依次是砂型低壓鑄造合金和砂型重力鑄造合金。此外,對于同一種鑄造方法制備的AE81鎂合金,其在不同狀態(tài)條件的耐腐蝕性能差異較大,其中砂型重力鑄造和砂型低壓鑄造合金在鑄態(tài)時(shí)的耐腐蝕性能最好,其次依次是時(shí)效態(tài)和固溶態(tài)。相反,金屬型重力鑄造合金時(shí)效態(tài)時(shí)的耐腐蝕性能最好,其次依次是鑄態(tài)和固溶態(tài)。不同鑄造方法制備的AE81鎂合金耐腐蝕性能的差異以及不同狀態(tài)對AE81鎂合金耐腐蝕性能的影響可能主要與不同條件下合金組中Mg17Al12相的形態(tài)和分布差異有關(guān)。(6)發(fā)現(xiàn)制備的AZ91-0.5Sb-0.1Sr(Mg-9Al-0.7Zn-0.25Mn-0.5Sb-0.1Sr)鑄造鎂合金,不論鑄態(tài)還是熱處理態(tài),相比殼型重力鑄造合金,金屬型重力鑄造合金的晶粒更細(xì)小和性能更優(yōu)異,其中金屬型重力鑄造合金經(jīng)過415°C×12h固溶處理后的室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)到了248 MPa、112MPa和13%,而經(jīng)過415°C×12h固溶處理+200°C×14h時(shí)效處理后的室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率則分別達(dá)到了261 MPa、150MPa和6.5%。(7)研制開發(fā)的AZ91-0.5Sb-0.1Sr金屬型重力鑄造鎂合金的時(shí)效態(tài)室溫拉伸性能(抗拉強(qiáng)度:261MPa;屈服強(qiáng)度:150MPa和伸長率:6.5%;)已超過鎂合金鑄造輪轂的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 26654-2011),并且與鋁合金鑄造輪轂的國家標(biāo)準(zhǔn)基本接近(GB/T 23301-2009)。(8)本文實(shí)驗(yàn)條件下,殼型低壓鑄造AZ91-0.5Sb-0.1Sr鑄態(tài)鎂合金的耐腐蝕性能均優(yōu)于金屬型重力鑄造AZ91-0.5Sb-0.1Sr鎂合金。原因可能與不同鑄造方法制備AZ91-0.5Sb-0.1Sr鎂合金鑄態(tài)組織中Mg17Al12相尺寸不同導(dǎo)致的陰陽極面積比差異有關(guān)。
【圖文】：

圖 1.1 元素的原子直徑和鎂匹配的原子尺寸范圍Fig.1.1 The atomic diameter of the elements displaying the zoneof suitable size for alloying with magnesium在 Labusch 與 Fleischer 的固溶強(qiáng)化理論[30]中，詮釋了合金溶質(zhì)元素的固溶強(qiáng)化作用。此外，溶質(zhì)和基體間原子尺寸差異導(dǎo)致的尺寸錯(cuò)配，，以及原子間的硬度差異產(chǎn)生的模量錯(cuò)配必須考慮進(jìn)去。所以，在合金中溶質(zhì)濃度和屈服強(qiáng)度間關(guān)系可表示為：= + ( + )/ /(1.2)= + ( + )/ /(1.3)式中， 為合金的屈服強(qiáng)度； 為純金屬的屈服強(qiáng)度；ZF為常數(shù)；ZL為常數(shù)；G 為固溶體的剪切模量；α 為常數(shù)；δ 為尺寸錯(cuò)配度；η 為模量錯(cuò)配度；c 為溶質(zhì)元素的濃度。從式（1.2）和式（1.3）可以看出，合金的屈服強(qiáng)度 與溶質(zhì)元素的濃度 cn（n = 1/2 和 2/3）成正比，其斜率為溶質(zhì)元素的固溶強(qiáng)化因子 kn（n = 1/2 和

金屬型重力鑄造法（gravity permanent mold casting，GPMC）是金屬液在重力作用下注入金屬型的工藝。操作過程如下：將鑄鐵模具涂抹氮化硼脫模劑后，如圖 2.3(a)，在加熱爐中預(yù)熱至 200°C 保溫半 h 取出等待澆鑄；將熔煉好的金屬液勻速倒入金屬模澆注口，待冷卻后脫模取出鑄件，如圖 2.3(b)，從中縱向截取后續(xù)測試件。③ 殼型低壓鑄造殼型低壓鑄造（low-pressure shell casting，LPSHC）是將金屬液在壓力作用下由下而上壓入殼型型腔，并在壓力作用下凝固獲得鑄件的鑄造方法，其工藝流程如圖 2.4 所示。具體操作過程如下：殼型制備：1.按照鑄件尺寸制作等比例蠟制母模；2.在蠟?zāi)１砻嫠⑼苛�，撒上耐火材料重�?fù)多次，后再次烘干；3.在加熱爐中一定的溫度下烘焙
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG292;TG146.22

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2589744