鑄造法對運動器材用鎂合金疲勞性能研究

張科

摘 要：分別運用傳統鑄造法和擠壓鑄造法制備用于運動器材中的鎂合金，并對其進行疲勞性能測試，通過測試結果可以得知：運用擠壓鑄造法制備的鎂合金疲勞性能要遠高于運用傳統鑄造法制備的鎂合金，應用于運動器材之中，可增強其韌性，延長使用壽命。

關鍵詞：擠壓鑄造法;運動器材;鎂合金;疲勞性能

中圖分類號：TG292 文獻標識碼：A 文章編號：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、比強度高等諸多優點，因此被廣泛的應用于減重、減震等方面，在汽車、船舶制造等行業都有著廣泛的應用。通過實際研究，鎂合金容易出現疲勞裂紋，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、熱處理工藝都會對其疲勞性能產生影響。因此，本文以制備工藝為出發點，運用傳統鑄造法和擠壓鑄造法對鎂合金進行制備，并對2種方法制備出的鎂合金進行疲勞性能方面的測試，深入研究鑄造法對鎂合金疲勞性能的影響。

1 鎂合金的特點及強化機制

1.1 鎂合金特點

鎂合金的強度會略低于鋁合金，但具備良好的比剛度及比強度。其次，鎂合金具備優渥的阻尼性，適合進行切屑加工[1]。鎂合金自身并不帶有磁性，且具備一定的熱導效率，因此幾乎適用于所有鑄造工藝。下面對其優點進行具體闡述：

（1）密度小，重量輕。在較常應用的金屬合金中，鎂合金的密度基本都會小于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，在汽車輪轂等結構件的制造上有著廣泛的應用;

（2）比強度、比剛度高。鎂合金比強度要遠高于鋼等其他金屬。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]。也可以當做殼體材料用于交通工具的制造當中，降低運行噪音;

（4）熱傳導性、電磁屏蔽性良好。因為鎂合金自身并不具備磁性，因此可以用來制造電子通訊設備，使其不受電磁波干擾。良好的熱傳導性可幫助電子通訊設備快速散熱，防止因運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，對刀具的磨損較小。融合其熱傳性好的優點，在切削加工過程中，合金表面溫度、角度，加工質量、精度都有所保障，在加工完成后，無需進行額外的磨削、拋光等步驟。加工過程中產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，金屬液擁有較強的流動性，使其在鑄造性能方面要遠優于其他金屬;

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

1.2 鎂合金的強化機制

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，制備出質量輕、強度高的鎂合金，因此可以將鎂合金當做結構材料使用。在融入其他合金元素后，可以利用固溶強化、析出強化等方式從多方面提升鎂合金性能。

（1）固溶強化。在鎂金屬中融入其他溶質元素并進行適當合金化以后，提升金屬的強度及硬度，此種方法稱之為固溶強化。在進行固溶強化時，合金內的溶劑原子會被溶質原子代替，并分布于晶格點陣之中[4]。鑒于鎂金屬和其他金屬的原子半徑和彈性模量有所區別，因此會引發晶格畸變，會在一定程度上影響位錯發生運動，以此來提升鎂合金的強度。需要注意的是，隨著溶質原子濃度的提高，晶格畸變也會越來越嚴重;

（2）析出強化。在對鎂合金進行鑄造時，當熔體溫度變低時，固溶度也會隨之降低，當析出第二相時，位錯的運動及滑移都會受到相應的影響，當消耗的能量達到一定的數值時，位錯會切過第二相，此種方法稱之為沉淀強化[5]。沉淀強化的效果會受析出相尺寸、形貌、物理性質等因素的影響，因此，當合金的溶解度可以隨溫度變化而變化時，都可以將其當做沉淀強化鎂基體。需要注意的是，若析出時溫度過高，其析出相穩定性較差，強化效果會受到影響，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，將金屬經過高溫融化至液態后澆筑到模具凹模之中，經過擠壓使其在高壓狀態下凝固成形。因其介于模鍛、壓鑄之間，除了模具內的胚料形態不同，其應用的壓鑄工藝也不一樣。當金屬液進入模具時，是以自下而上的方式慢慢填滿模具的，且在高壓狀態下凝固成結晶。

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]。在實際生產過程中，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，利用沖頭的壓力產生推動力，在閉合的金屬型型腔內，完成原料的擠壓鑄造。

2.3 擠壓鑄造工藝優點

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

（2）抑制氣孔的形成。減少氣孔缺陷。對處于凝固熔融狀態的金屬加以壓力，可以提升合金內氣體溶解度，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。當鎂合金處于高壓狀態下，結晶凝固時間會變少，溶質元素的擴散系數會有所下降，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 實驗材料與方法

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，分別利用傳統鑄造法和擠壓鑄造法制備AZ91-0.15Y，并將其運用到運動器材的生產當中。當鎂合金制備完成后，利用EDX600型X射線光譜儀對其化學成分進行分析，結果如表1所示。

3.2 實驗方法

應用PANalytical B.V.X Pert Pro MPD型X射線衍射儀對AZ91-0.15Y鎂合金進行物相組成分析，應用DM 2700M型金相顯微鏡對鎂合金進行纖維組織方面的研究，應用WPG-100KN型疲勞測試儀對疲勞性方面進行分析 [9]。主要測試參數如下：將載荷類型設定為拉-拉載荷，應力比數值設定為0，加載頻率設定為（100±2）Hz，以正常室溫為測試溫度，名義應力范圍在30～65 MPa，當測試物徹底斷裂時，記錄當時的載荷循環數目，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 實驗結果及討論

4.1 物相組成分析

對應用2種不同鑄造法制備出的運動器材，用AZ91-0.15Y鎂合金進行物相組成分析，XRD數值分別如表2所示。

由表2可知，應用傳統鑄造法打造的鎂合金由4個相組成，應用擠壓鑄造法打造的鎂合金則由3個相組成，相較于前者缺少Al8Mn5。

4.2 顯微組織

應用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，應用擠壓鑄造法制備出的鎂合金與應用傳統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化處理[10]。造成這種現象的原因是，應用擠壓鑄造法制備鎂合金時，液態金屬的流動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，從而導致枝晶破碎，晶核數目有所提升，金晶粒得到了細化。

4.3 疲勞性能測試

對應用2種鑄造法制備出的鎂合金進行疲勞性能方面的測試，具體測試結果如表3所示。

由表3可知，當名義應力在30～65 MPa時，應用擠壓鑄造法制備出的鎂合金在疲勞性能方面要遠遠優于應用傳統鑄造法制備出的鎂合金。當名義應力數值為30 MPa時，運用擠壓鑄造法制備的AZ91-0.15Y鎂合金疲勞壽命可達898 000 次，相較于常規鑄造法的389 000 次，增長了130.85%;當名義應力數值為45 MPa時，運用擠壓鑄造法制備的AZ91-0.15Y鎂合金疲勞壽命可達784 000 次，相較于常規鑄造法的105 000 次，增長了130.85%;當名義應力數值為60 MPa時，運用擠壓鑄造法制備的AZ91-0.15Y鎂合金疲勞壽命可達627 000 次，相較于常規鑄造法的60 900 次，增長了1 029.56%。通過數據對比可知，運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，主要是因為其內部組織得到了細化，其抗疲勞性的能力就相應的得到了提升。

圖3、圖4分別展示的是應用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細節可以看出，運用傳統鑄造法制備的鎂合金在斷口處脆性斷裂較為明顯，造成這種現象的原因是，疲勞裂紋出會經受多次擠壓和摩擦，表面較為光亮;而運用擠壓鑄造法制備的鎂合金在斷口處則會出現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于傳統鑄造法。

通過以上多方面測試可以得知，應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于運用傳統鑄造法制備出的鎂合金。因為此款鎂合金是用來制作運動器材，且部分運動器材會安裝于露天場所供居民鍛煉使用，因此除了會受到溫度、濕度等環境因素影響之外，其使用頻率和使用人數也會相對較高，各方面性能的提升無疑可以從根本上提升運動器材的使用壽命。因此應用擠壓鑄造法制備運動器材用鎂合金擁有良好的發展前景及空間。

5 結語

因鑄造法對運動器材用鎂合金的疲勞性能有著直接的影響，應用傳統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，因此提出了運用擠壓鑄造法制備鎂合金的構想。擠壓鑄造法擁有細化微觀組織、抑制氣孔形成，提升致密度等優點。并對應用2種鑄造法制備出的鎂合金進行了性能方面的測試，實際結果顯示，應用擠壓鑄造法制備的鎂合金各方面都要優于傳統鑄造法制備出的鎂合金，可以很好的提升運動器材的使用壽命和疲勞性能，具有實際研究價值和意義。

【參考文獻】

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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。