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高性能镁合金的研究及其在汽车工业中的开发应用

佟国栋  
【摘要】:进入21世纪以后,资源和环境的平衡以及可持续发展已经成为人类的首要问题,节能和环保已经成为现代产业的突出特点。镁合金的密度为1.8g/cm3,是铝合金的2/3,钢的1/4,是实际工程应用中最轻的金属材料。镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、导热性能好、切削加工性好、、电磁屏蔽能力强以及减振和阻尼性能好、易于回收等一系列独特的优势,满足了现代汽车工业对减重、节能的要求。镁合金已经成为汽车用材料的重要发展方向,被誉为“21世纪的绿色工程材料”。 镁合金部件应用于汽车工业中主要有如下优势:质量轻,其密度只有铝合金的2/3,换用镁合金就可以减轻整车重量,并间接减少了燃油消耗量,降低排放;镁合金的比强度高于铝合金和钢,比刚度基本相同,可以取代铝合金和钢部件承受一定载荷;镁合金具有良好的铸造性能和尺寸稳定性,易于加工,废品率低,从而可以降低生产成本;镁合金具有良好的阻尼系数,减振量大于铝合金和铸铁,用于制造壳体可以降低噪声,用于制造座椅、轮圈可以减小震动,从而提高汽车的安全性和舒适性。因此高性能镁合金,特别是耐高温镁合金是进一步扩大镁合金在汽车工业中的应用关键,也是汽车用镁合金材料的研究热点。 随着全球一体化,中国汽车工业面临前所未有的,严峻的国际竞争。降低汽车的碳排放,实现轻量化和低油耗,降低成本、提高产品竞争能力是中国汽车工业所急需解决的问题。镁合金零部件应用于汽车工业中可以进一步减轻重量、降低车辆的燃耗和排放,从而实现降低汽车的碳排放。此外镁合金材料的应用还可以提高车辆驾驶安全性和舒适性的要求,并提高汽车的技术含量和档次。自20世纪80年代以来,镁合金汽车零部件在欧洲和北美的工业发达国家出现了持续快速增长的趋势。上汽大众的桑塔纳轿车率先在国内开始使用镁合金变速箱壳体,并实现了批量生产。一汽集团公司的合资公司一汽大众公司所生产的捷达、奥迪轿车有相当数量的部件就是镁合金部件,但是由于当时一汽集团公司不具备生产镁合金压铸件的能力,在引进车型时将镁合金部件改为了铝合金部件。目前在德国大众公司生产的捷达A4、奥迪A4,、A6轿车的变速箱壳、离合器壳、差速器壳等零件均为镁合金压铸件。一汽轿车有限公司所生产红旗和奔腾轿车也正面临着通过采用镁合金零部件实现减重、降低能耗等方面的问题。 一汽铸造有限公司根据镁合金零部件的发展趋势,在集团公司和科技部科技攻关计划的支持下,建立了镁合金压铸生产基地,其年生产能力为1500吨镁合金压铸件。目前已经实现了镁合金零部件的小批量供货,证实了镁合金部件在汽车上应用的可行性。但是目前还存在着一些有待于解决的技术方面的难点制约着压铸镁合金部件在汽车工业上的进一步应用,这主要表现在以下三个方面: 镁合金零件的强度不够高,不能用于重要结构部件,需要提高合金的力学性能; 镁合金零件在高温使用条件下产生蠕变,无法满足壳体类零部件的密封要求; 目前商用镁合金的耐腐蚀性能较低,无法满足沿海气候的使用条件。 如果以上问题得不到不解决,镁合金就不可能在汽车工业中获得广泛的应用,因此针对以上不足展开高性能镁合金材料的开发,可以进一步提高镁合金的应用范围,掌握镁合金变形和高温蠕变的基本规律,为高性能汽车产品的开发提供关键的技术支撑和基本的材料数据。上述研究工作为拥有自主知识产权的新型镁合金,提高一汽集团公司镁合金压铸产品的档次、技术含量以及产品的竞争能力都具有重大意义。 本文以开发新型高性能镁合金为研究背景,根据汽车工业的实际需要出发,系统的研究了合金元素的添加对Mg-9Al-1Zn体系组织与性能的研究,特别是其抗高温蠕变性能和耐蚀性能,并分析了影响其抗蠕变性能的因素,在此基础上开发了新型高强度、抗高温蠕变镁合金。主要研究以下内容: (1)选择工艺性能良好的基准合金,并在此基础上开发具有独立知识产权的,具有良好压铸性能、合金性能以及相对低廉合金成本,高性能压铸镁合金,并实现铸锭的产业化生产; (2)系统地研究在压铸条件下,稀土元素(Ce、Y、Nd等)和合金元素(Mn、Si、Ca等)的添加对压铸镁合金强度和高温蠕变性能影响和作用机理; (3)针对重型柴油机气缸盖罩盖的耐热要求和链条室罩盖的抗扭要求,开发出具有商用价值的压铸镁合金,实现铸锭的商业化生产; (4)实现镁合金高压铸造的数值模拟分析和工艺优化,实现批量生产。 本研究综合以上研究结果,得出如下结论:: 1.通过综合试验成功的开发出了可实用化的、具有独立知识产权的高强度和抗高温蠕变的新型镁合金。新型镁合金的常温抗拉强度比AZ91合金高出30MPa左右,其最佳成分的蠕变量仅为AZ91合金的1/20左右,在强度和抗高温蠕变性能两个方面均明显超过了AZ91合金。 2.研究了Mg-Al-RE-Zn体系、Mg-Al-Zn-Si-Ca体系和Mg-Al-Zn-Y(Nd)体系。其中自Mg-Al-Zn-Y(Nd)体系中开发出的AWZ和ANZ合金的抗蠕变性能最佳,在150℃,50MPa条件下其蠕变变形量只有AZ91HP合金在同等条件下蠕变量的1/20;自Mg-Al-Zn-Si-Ca体系中开发出的AZSC合金也具有较好的抗蠕变性能,其蠕变变形量为AZ91HP合金在同等条件下蠕变量的1/10左右。 3. Mg-Al-Zn-Y(Nd)体系的强化机理主要为固溶强化,经150℃,100h蠕变后,在Mg-Al-Zn-Y(Nd)体系的合金中,没有发现有合金相析出。Mg-Al-Zn-Si-Ca体系的强化机理为在晶界处新形成Mgx(Si,Ca)y相取代原有Mg17A112相强化晶界所至。Mg-Al-RE-Zn的强化机理主要强化机理为添加RE后在晶界处形成的Al11RE3相强化晶界所至。 4.在150℃,50MPa,100h的蠕变试验中发现了Mg-Al-RE-Zn合金体系中的强化相Al11RE3的分解,并据此解释了AE系列合金的在150℃条件下蠕变性能变差的原因。对所开发3种合金体系的新型合金的成本估算表明,在150℃条件下,Mg-Al-Zn-Si-Ca体系合金的抗蠕变性能中等,可以满足对蠕变性能要求一般的工作场合,而且其成本低于AZ91合金;Mg-Al-Zn-Y(Nd)体系合金的抗蠕变性能最佳,可用于蠕变性能要求较高的工作场合,而且其成本仅高于AZ91合金8%左右。 在进行数值模拟工艺优化的基础上,采用AZ91X合金进行了产品的实际压铸批量生产。试制了用于TA1发动机车的汽缸罩盖等3种产品。试制结果表明,所开发的新型合金的工艺性能良好,完全可以满足汽车零部件的生产需要,目前镁合金汽车零部件年产量已经达到120万件。


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