鑄造法對(duì)運(yùn)動(dòng)器材用鎂合金疲勞性能研究

張 科

（西安培華學(xué)院，陜西 西安 710125）

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(cè)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。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。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。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。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。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。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。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。

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。

表1 試樣化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of sample

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(cè)試儀對(duì)疲勞性方面進(jìn)行分析。主要測(cè)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(cè)試溫度，名義應(yīng)力范圍在30～65 MPa，當(dāng)測(cè)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(cè)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。

表2 鎂合金物相組成Tab.2 Phase composition of magnesium alloy

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AlMn。

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。

圖1 傳統(tǒng)鑄造法試樣Fig.1 Sample traditional casting method

圖2 擠壓鑄造法試樣Fig.2 Squeeze casting method sample

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。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(cè)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(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 疲勞性能測(cè)試結(jié)果Tab.3 Fatigue performance test results

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。

圖3 傳統(tǒng)鑄造法鎂合金斷口形貌Fig.3 Fracture morphology of magnesium alloy by traditional casting method

圖4 擠壓鑄造法鎂合金斷口形貌Fig.4 Fracture morphology of magnesium alloy by squeeze casting method

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(cè)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(chǎng)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(cè)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。