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汽车新型压铸零部件的铸造工艺分析
发布日期:2021-05-10  来源:河南工业职业技术学院 西安邮电大学自动化学院  浏览次数:2615
核心提示:汽车新型压铸零部件的铸造工艺分析曹辉1,杜恭贺2( 1. 河南工业职业技术学院,河南南阳 473009; 2. 西安邮电大学自动化学院,陕
汽车新型压铸零部件的铸造工艺分析
曹辉1,杜恭贺2
( 1. 河南工业职业技术学院,河南南阳 473009; 2. 西安邮电大学自动化学院,陕西西安 710121)

摘要: 对 Mg-9Al-1Zn-0. 5Ce 汽车新型压铸零部件试样进行了压铸成型,并进行了力学性能和耐腐蚀性能的测试和分析。结果表明: 随浇注温度的升高和压射速度的加快,试样的抗拉强度、屈服强度先增大后减小,腐蚀电位正移后逐渐负移,伸长率变化幅度较小,力学性能和耐腐蚀性能均先提升后下降; 与 620 ℃ 浇注温度压铸时相比,650 ℃ 浇注温度下的抗拉强度、屈服强度分别增大了 13. 08%、23. 78%,断后伸长率减小了 1%,腐蚀电位正移了 43 mV; 与 1 m/ s 压射速度压铸时相比,3 m/ s 压铸下的抗拉强度、屈服强度分别增大了 11. 20%、16. 45%,断后伸长率减小了 0. 8%,腐蚀电位正移了
31 mV。Mg-9Al-1Zn-0. 5Ce 汽车新型压铸零部件的压铸工艺参数优选为: 650 ℃始锻温度、3 m/ s 压射速度。

关键词: Mg-9Al-1Zn-0. 5Ce 合金; 压铸零部件; 浇注温度; 压射速度; 力学性能; 耐腐蚀性能

前言在经济高速发展的今天,人们的生活和出行越来越离不开汽车,对汽车的质量、性能、经济性、使用寿命等有了更高的要求。同时基于节能减排、降耗、轻量化等全新发展理念的影响,汽车用材料更趋于轻质、高性能、环保,铝、镁合金等轻质金属得到了更多的研究和应用[1]。而汽车零部件种类繁多,形状复杂,如缸体、变速箱、缸盖、轮毂等,多为大型、复杂薄壁件,因而在生产工艺上,逐渐转向压铸,汽车用压铸零部件受到行业内更多的关注和应用[2-4]。虽然压铸工艺优于普通的铸造技术,表面更光滑,壁更薄,精度、强度更高,工艺简单,生产效率高,能极大地节省原材料,但是压铸工艺仅适宜流动性金属加工,发展受到一定的限制,且压铸也存在一定的铸造缺陷,易产生气孔、氧化杂物等,而且压铸所需设备模具等成本更高,因此适合进行大批量生产[5-7]。虽然我国的压铸技术日趋成熟,极大地提升了汽车零部件的质量与性能,但是基于业界和社会对汽车压铸零部件性能的高要求,所以还需不断地研发和创新压铸技术,促进汽 车 新 型 压 铸 零 部 件 的 发 展 更 上 一 个台阶[8-10]。

1、试验
研究对象为Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽车新型压铸零部件,Mg-9Al-1Zn-0.5Ce合金的原材料选用纯度为99%以上的纯镁锭、铝锭、锌锭、铈粉、细锰粉,其化学成分见表1。熔炼在坩埚电阻炉内进行,首先预热坩埚,待坩埚呈现暗红色后将RJ-2熔剂撒在坩埚底部和四周,分批次加入镁锭、细锰粉、铈粉、铝锭、锌锭,待所有成分都熔化后进行扒渣、精炼,静置10min后,将合金液浇入1250kN卧式冷室压铸机的模腔内,在1250kN卧式冷室压铸机上进行压铸试验。压铸过程中,保持模具预热温度250℃、压射比压90MPa不变,改变浇注温度和压射速度。试样的压铸工艺参数见表2。所有压铸试样都未进行热处理。图1是汽车新型压铸零部件锻件,主要尺寸为:外径88mm、高度54mm、厚度5mm、内径42 mm、总长101mm。

表1  Mg-9Al-1Zn-0.5Ce镁合金的化学成分(质量分数)
表1
图1
图1汽车新型压铸零部件锻件

Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽车新型压铸零部件的力学性能在室温环境下测试,仪器选用Instron8032型电子拉伸试验机,以2mm/min速度匀速拉伸,记录强度及断后伸长率,断口形貌用S-530扫描电镜进行观察。耐腐蚀性能采用电化学腐蚀方法进行室温测试,测试仪器为PARSTAT电化学三电极体系系统,腐蚀介质为NaCl溶液,浓度3.5%,以0.4mV/s速度进行极化曲线测试,并结合分析软件进行Tafel拟合,记录电化学参数(腐蚀电位),腐蚀形貌用S-530扫描电镜观察。

2、试验结果及讨论

2.1 不同浇注温度下试样的力学性能测试
Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽车新型压铸零部件试样于3m/s恒定压射速度下,经不同的浇注温度制备下的力学性能测试结果见图2。可以看出:浇注温度越低,强度越小,浇注温度的升高能够有效增强试样的抗拉强度和屈服强度,断后伸长率相对略有减小。620、635、650、675、700℃浇注温度下的抗拉强度分别为237、253、268、257、242MPa,屈服强度分别为143、165、177、169、154MPa,断后伸长率则分别为8.9%、8.2%、7.9%、8.1%、8.4%。由此可见:620℃浇注温度下试样的抗拉强度与屈服强度均最小,断后伸长率则最大,此时试样的力学性能最差;650℃浇注温度压铸时,试样的抗拉强度和屈服强度最大,分别较620℃压铸时增大了13.08%、23.78%,断后伸长率仅减小了1%,此时力学性能最佳。当浇注温度继续升高,试样的强度下降,断后伸长率减小,力学性能又开始下降。
表2
图2  浇注温度对Mg-9Al-1Zn-0.5Ce合金力学性能的影响

2.2 不同压射速度下试样的力学性能测试
Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽车新型压铸零部件试样于650℃恒定浇注温度下,经不同的压射速度制备下的力学性能测试结果见图3。
图3
图3    压射速度对Mg-9Al-1Zn-0.5Ce合金力学性能的影响

由图3可以看出:压射速度越慢,强度越小,压射速度的加快能够有效增强试样的抗拉强度和屈服强度,断后伸长率相对略有减小。1、2、3、4、5m/s 压射速度下的抗拉强度分别为241、255、268、259、244MPa,屈服强度分别为152、164、177、168、153 MPa,断后伸长率则分别为8.7%、8.4%、7.9%、8.2%、8.5%。由此可见:1m/s压射速度下试样的抗拉强度与屈服强度均最小,断后伸长率则最大,此时试样的力学性能最差;3m/s速度压铸时,试样的抗拉强度和屈服强度最大,分别较1m/s压铸时增大了11.20%、16.45%,断后伸长率仅减小了0.8%,此时力学性能最佳。当压射速度继续增加,试样的强度下降,断后伸长率减小,力学性能又开始下降。2.3试样的拉伸断口形貌

图4是Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽车新型压铸零部件试样分别经620、650℃浇注温度压铸时的拉伸断口图片。可看出:两种浇注温度压铸时,试样的拉伸断口处均呈现出典型的韧性断裂特征。620℃压铸时试样的撕裂棱粗大,韧窝不规则,具有较差的韧性;650℃压铸时试样的韧窝显著减小,形状较为圆润,分布较规则、均匀,韧性极大提升,力学性能最佳。综合不同浇注温度下的Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽车新型压铸零部件试样的强度和伸长率的测试结果可以得知,从优化Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽车新型压铸零部件试样的力学性能考虑,优选650℃浇注温度。
图4
图4    不同浇注温度下Mg-9Al-1Zn-0.5Ce合金的拉伸断口形貌

2.4  不同浇注温度下试样的耐腐蚀性能

Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽车新型压铸零部件试样于3m/s恒定压射速度下,经不同的浇注温度制备下的耐腐蚀性能测试结果见图6。可以看出:浇注温度的升高能够使试样的腐蚀电位显著正移,耐腐蚀性能得以提升。随浇注温度从620℃升高到650℃,试样的耐腐蚀性能先提升后下降。620、635、650、675、700℃浇注温度下的腐蚀电位分别为-0.924、-0.913、-0.881、-0.893、-0.908V。由此可见,620℃浇注温度下试样的腐蚀电位最负,此时试样的耐腐蚀性能最差;650℃浇注温度压铸时,试样的腐蚀电位最正,较620℃压铸时正移了43mV,此时耐腐蚀性能最佳。当浇注温度继续升高,试样的腐蚀电位开始负移,耐腐蚀性能又开始下降。
图6
图6    浇注温度对Mg-9Al-1Zn-0.5Ce合金耐腐蚀性能的影响

2.5    不同压射速度下试样的耐腐蚀性能

Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽车新型压铸零部件试样于恒定650℃浇注温度下,经不同的压射速度制备下的耐腐蚀性能测试结果见图7。可以看出:压射速度的加快能够使试样的腐蚀电位显著正移,耐腐蚀性能得以提升。随压射速度从1m/s加快至5m/s,试样的腐蚀电位正移后逐渐负移,1、2、3、4、5m/s压射速度下的腐蚀电位分别为-0.912、-0.906、-0.881、-0.892、-0.904V。由此可见,1m/s压射速度压铸下试样的腐蚀电位最负,此时试样的耐腐蚀性能最差;3m/s压射速度压铸时,试样的腐蚀电位最正,较压射速度1m/s时正移了31mV,此时耐腐蚀性能最佳。当压射速度继续增大,试样的腐蚀电位开始负移,耐腐蚀性能又开始下降。
图7
图7压射速度对Mg-9Al-1Zn-0.5Ce合金耐腐蚀性能的影响

2.6  不同压铸工艺下试样的腐蚀形貌
图8是Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽车新型压铸零部件试样分别经620、650℃浇注温度压铸时的腐蚀形貌图片。可看出:620℃压铸时,试样的腐蚀坑呈密集团状,坑深度较深,此时腐蚀程度严重;650℃压铸时试样的腐蚀程度大大减轻,仅有少量的腐蚀点出现。联系不同浇注温度下的Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽车新型压铸零部件试样的腐蚀电位测试值可以得知,从优化Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽车新型压铸零部件试样的耐腐蚀性能考虑,优选650℃浇注温度。
图8
图8  不同浇注温度下Mg-9Al-1Zn-0.5Ce合金的表面腐蚀形貌
图9
图9   是Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽车新型压铸零部件试样分别经3和5m/s压射速度压铸下的表面腐蚀形貌图片。
图9   不同压射速度下Mg-9Al-1Zn-0.5Ce合金的表面腐蚀形貌

从图9可看出:3m/s速度压射时,试样表面腐蚀点小,且为数不多,此时耐腐蚀性能最佳;当压射
速度加快至5m/s,试样的腐蚀程度加重,出现了较大形状的腐蚀坑,耐腐蚀性能下降。联系不同压射速度下的Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽车新型压铸零部件试样的腐蚀电位测试值可知,为优化Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽车新型压铸零部件试样的耐腐蚀性能,优选3m/s压射速度。

3 结论
采用不同的浇注温度和压射速度对Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽车新型压铸零部件试样进行了压铸成型,并进行了力学性能和耐腐蚀性能的测试和分析。现总结如下:

(1)随浇注温度的升高和压射速度的加快,试样的抗拉强度、屈服强度先增大后减小,腐蚀电位正移后逐渐负移,伸长率变化幅度较小,力学性能与耐腐蚀性能均先提升后下降。650℃浇注温度、3m/s压射速度下Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽车新型压铸零部件试样的抗拉强度、屈服强度最大,断后伸长率最小,腐蚀电位最正,力学性能和耐腐蚀性能最佳。

(2)与620℃浇注温度压铸时相比,650℃浇注温度下的抗拉强度、屈服强度分别增大了13.08%、23.78%,断后伸长率减小了1%,腐蚀电位正移了43mV;与1m/s压射速度压铸时相比,3m/s压铸下的抗拉强度、屈服强度分别增大了11.20%、16.45%,断后伸长率减小了0.8%,腐蚀电位正移了31mV。

(3)为优化Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽车新型压铸零部件试样的力学性能和耐腐蚀性能,Mg-9Al-1Zn-0.5Ce汽车新型压铸零部件试样的压铸工艺参数优选为:650℃始锻温度、3m/s压射速度。
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