鍛造溫度對(duì)Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In鎂合金力學(xué)和耐磨損性能的影響

　　摘要：研究了不同溫度下等溫鍛造對(duì)Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In汽車用鎂合金力學(xué)性能和耐磨損性能的影響。結(jié)果表明：適當(dāng)提高鍛造溫度有助于提高力學(xué)性能和耐磨損性能。與380℃鍛造相比，420℃鍛造時(shí)試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高了27、32MPa，斷后伸長(zhǎng)率降低了0.2%，磨損體積減小了36.94%。汽車用Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In鎂合金等溫鍛造溫度優(yōu)選為420℃。

　　游曉暢; 李東科， 熱加工工藝 發(fā)表時(shí)間：2021-08-05

　　關(guān)鍵詞：Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In鎂合金;鍛造溫度;力學(xué)性能;耐磨損性能

　　近年來(lái)我國(guó)的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，汽車已經(jīng)成為了人們生活中不可或缺的代步工具，但汽車作為消耗品，會(huì)耗費(fèi)大量的燃油和合金，且加重環(huán)境負(fù)荷。因此，尋找一種輕質(zhì)、綠色金屬對(duì)于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、輕量化發(fā)展具有積極重大的意義[1-2]。鎂合金由于密度低、強(qiáng)度高、易加工成型、減震性強(qiáng)、易導(dǎo)熱、可回收等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在汽車行業(yè)應(yīng)用愈加普及。它能夠極大地減輕車身重量，降低油耗、減少污染，且安全、耐用[3-5]。鎂合金為密排六方結(jié)構(gòu)，室溫下不易變形，從而其具有較佳的鑄造性能，因此汽車用鎂合金大部分為鑄件，但鎂合金鑄件存在縮孔、裂縫等不足，而有關(guān)高質(zhì)量鎂合金鍛件的研究并不是很多[6-7]。通過(guò)鍛造加工的汽車用鎂合金件，強(qiáng)度更高、塑性增強(qiáng)。雖然我國(guó)的鍛造鎂合金技術(shù)取得了較大的進(jìn)步，但是現(xiàn)在汽車用鎂合金鍛造存在著鍛件質(zhì)量不穩(wěn)定、工藝繁雜等問(wèn)題[8-9]。此外，合金化也是改善合金性能的有效方法。除了常見(jiàn)的Gd和Y外，Ti和In也可作為鎂合金的合金化元素。但是在鎂合金中復(fù)合添加Gd、Y、Ti和In的研究還鮮有報(bào)道。為了進(jìn)一步優(yōu)化汽車用鎂合金的鍛造性能，擴(kuò)展其發(fā)展前景，本文研究了Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In鎂合金的力學(xué)性能和耐磨損性能。

　　1試驗(yàn)材料及方法

　　研究對(duì)象為Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In汽車用鎂合金。以純鎂、金屬鈦以及Mg-10Gd、Mg-10Y、Mg-5In中間合金為原料。為了避免水分帶入鎂液中發(fā)生爆炸，熔煉前將所有原料烘干。熔煉時(shí)，先將純鎂置于中頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，加熱到720℃待純鎂完全熔融后，打渣完畢后將金屬鈦以及Mg-10Gd、Mg-10Y、Mg-5In中間合金快速壓入液面以下，升溫到740℃保溫1h，熔煉過(guò)程的保護(hù)氣氛為含0.2%六氟化硫的空氣;然后靜置15min，澆注到自制的金屬模具腔內(nèi)，冷卻后獲得尺寸為準(zhǔn)75mm×120mm的圓棒狀坯料;最后采用5MN液壓機(jī)及自制模具對(duì)坯料進(jìn)行等溫鍛造試驗(yàn)，得到所需的汽車用鎂合金鍛件，尺寸外徑準(zhǔn)250mm、內(nèi)徑準(zhǔn)170mm、厚度20mm。所有鍛造試件進(jìn)行了相同工藝230℃×50h的時(shí)效處理。為了研究鍛造溫度對(duì)Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In汽車用新型鎂合金性能的影響，等溫鍛造試驗(yàn)時(shí)，保持鍛造速度15mm/min等不變，改變鍛造溫度。鍛造溫度分別為：380、400、420、440℃。

　　在不同等溫鍛造溫度下獲得的Mg-9Gd-2Y0.2Ti-0.1In鎂合金試件上沿切向隨機(jī)切取3個(gè)拉伸平行試樣、3個(gè)磨損平行試塊和1個(gè)金相試塊，拉伸試樣尺寸為準(zhǔn)10mm×55mm，磨損試塊尺寸為準(zhǔn)5mm×15mm。以3個(gè)平行試塊測(cè)試值的算術(shù)平均值作為試樣測(cè)試值。鎂合金鍛件的力學(xué)性能測(cè)試在ZWICK-Z150型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為1mm/min，測(cè)試溫度為室溫，記錄拉伸試驗(yàn)結(jié)果。磨損試驗(yàn)儀器選用MMU-10G摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，對(duì)磨材料為45鋼，硬度45HRC，載荷80N，摩擦速度3m/min，磨損時(shí)間10min，記錄磨損體積。鎂合金鍛件表面的拉伸斷口和磨損情形用SSX-500型掃描電鏡觀察。

　　2試驗(yàn)結(jié)果及討論

　　2.1力學(xué)性能檢測(cè)

　　鍛造溫度對(duì)Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In鎂合金試樣的力學(xué)性能影響如圖1所示。鍛造溫度為380℃時(shí)，合金試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均最小，分別為319、250MPa，斷后伸長(zhǎng)率最大，為5.9%，此時(shí)合金試樣的強(qiáng)度最差;隨鍛造溫度升高至400℃，試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別增至328、261MPa，斷后伸長(zhǎng)率略有降低，為5.8%;鍛造溫度為420℃時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別達(dá)到峰值346、282MPa，較380℃時(shí)分別減小了27、32MPa，伸長(zhǎng)率則相對(duì)降至最低值5.7%，伸長(zhǎng)率減幅僅為0.2%。但鍛造溫度并非越高越好，鍛造溫度達(dá)到440℃后，試樣的強(qiáng)度不增反減，較420℃時(shí)的差。

　　圖2為經(jīng)380、400、420、440℃等溫鍛造的Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In鎂合金試樣的拉伸斷口照片。據(jù)該圖可看出，380℃等溫鍛造時(shí)，試樣的韌窩尺寸最大、形狀不規(guī)則，韌性最差;而420℃等溫鍛造時(shí)韌窩最圓潤(rùn)、細(xì)小，規(guī)則分布，呈現(xiàn)出較好的韌性。

　　2.2磨損性能檢測(cè)

　　不同溫度等溫鍛造Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In合金試樣的耐磨損性能檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。等溫鍛造溫度為380℃時(shí)，合金試樣的磨損體積最大，為31.4×10-3mm3，此時(shí)的耐磨損性能最差;隨鍛造溫度升高至420℃時(shí)，試樣的磨損體積最小，為19.8×10-3mm3，較380℃時(shí)減小了36.94%，耐磨損性能表現(xiàn)最佳。但鍛造溫度并非越高越好，當(dāng)鍛造溫度達(dá)到440℃，試樣的磨損體積增大，磨損程度加重，磨損體積不減反增。

　　圖4為380、400、420、440℃等溫鍛造的Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In鎂合金試樣的表面磨損形貌照片。從該圖可見(jiàn)，380℃溫度鍛造時(shí)，試樣表面出現(xiàn)了較多的犁溝，磨痕粗大，耐磨損性能最差;而420℃鍛造時(shí)磨痕淺顯、細(xì)小，無(wú)犁溝和皮屑，磨損程度最輕微。綜合不同鍛造溫度下Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In鎂合金的磨損體積，耐磨損性能為：380℃<400℃<420℃<440℃。

　　2.3討論與分析

　　綜合上面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果可知，在等溫鍛造過(guò)程中，Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In鎂合金的力學(xué)性能、磨損性能和顯微組織受鍛造溫度的影響較大。等溫鍛造工藝的原理其實(shí)就是通過(guò)鍛造時(shí)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶令合金內(nèi)部的晶粒得到細(xì)化。380℃較低鍛造溫度下，Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In合金內(nèi)部熱量不充分，所以發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶就不是很顯著，晶粒無(wú)法得到充分細(xì)化，此時(shí)晶粒更為粗大、組織內(nèi)部疏松、散亂，強(qiáng)度和硬度低，力學(xué)性能和耐磨損性能略差;當(dāng)鍛造溫度升高到420℃，溫度足以支持Mg-9Gd-2Y0.2Ti-0.1In合金進(jìn)行充分的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，變形充分，晶粒得到充分細(xì)化，晶粒與晶粒之間變致密，組織狀態(tài)最佳，強(qiáng)度得到最大幅度提高，力學(xué)性能和耐磨損性能達(dá)到最佳。但過(guò)高的鍛造溫度并不利于Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In合金強(qiáng)度和耐磨損性能的提高。當(dāng)鍛造溫度達(dá)到440℃，合金內(nèi)部的晶粒粗化，強(qiáng)度降低、磨損體積增大，耐磨損性能下降。

　　3結(jié)論

　　(1)鍛造后的Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In鎂合金的強(qiáng)度隨鍛造溫度的升高而先增大后減小，斷后伸長(zhǎng)率變化不大。

　　(2)與380℃鍛造相比，420℃鍛造使Mg-9Gd2Y-0.2Ti-0.1In的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高了27、32MPa，斷后伸長(zhǎng)率降低了0.2%，磨損體積減小了36.94%。

　　(3)從提高汽車用Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In鎂合金的強(qiáng)度和耐磨損性能出發(fā)，鍛造溫度優(yōu)選為420℃。