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

　　摘要：研究了不同溫度下等溫鍛造對Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In汽車用鎂合金力學性能和耐磨損性能的影響。結果表明：適當提高鍛造溫度有助于提高力學性能和耐磨損性能。與380℃鍛造相比，420℃鍛造時試樣的抗拉強度和屈服強度分別提高了27、32MPa，斷后伸長率降低了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選為420℃。

　　游曉暢; 李東科， 熱加工工藝 發表時間：2021-08-05

　　關鍵詞：Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In鎂合金;鍛造溫度;力學性能;耐磨損性能

　　近年來我國的汽車產業發展迅猛，汽車已經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，會耗費大量的燃油和合金，且加重環境負荷。因此，尋找一種輕質、綠色金屬對于實現節能減排、輕量化發展具有積極重大的意義[1-2]。鎂合金由于密度低、強度高、易加工成型、減震性強、易導熱、可回收等優點，應用范圍不斷擴大，在汽車行業應用愈加普及。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構，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，而有關高質量鎂合金鍛件的研究并不是很多[6-7]。通過鍛造加工的汽車用鎂合金件，強度更高、塑性增強。雖然我國的鍛造鎂合金技術取得了較大的進步，但是現在汽車用鎂合金鍛造存在著鍛件質量不穩定、工藝繁雜等問題[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。但是在鎂合金中復合添加Gd、Y、Ti和In的研究還鮮有報道。為了進一步優化汽車用鎂合金的鍛造性能，擴展其發展前景，本文研究了Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In鎂合金的力學性能和耐磨損性能。

　　1試驗材料及方法

　　研究對象為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生爆炸，熔煉前將所有原料烘干。熔煉時，先將純鎂置于中頻感應熔煉爐內，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，熔煉過程的保護氣氛為含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，冷卻后獲得尺寸為準75mm×120mm的圓棒狀坯料;最后采用5MN液壓機及自制模具對坯料進行等溫鍛造試驗，得到所需的汽車用鎂合金鍛件，尺寸外徑準250mm、內徑準170mm、厚度20mm。所有鍛造試件進行了相同工藝230℃×50h的時效處理。為了研究鍛造溫度對Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In汽車用新型鎂合金性能的影響，等溫鍛造試驗時，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切取3個拉伸平行試樣、3個磨損平行試塊和1個金相試塊，拉伸試樣尺寸為準10mm×55mm，磨損試塊尺寸為準5mm×15mm。以3個平行試塊測試值的算術平均值作為試樣測試值。鎂合金鍛件的力學性能測試在ZWICK-Z150型拉伸試驗機上進行，拉伸速率為1mm/min，測試溫度為室溫，記錄拉伸試驗結果。磨損試驗儀器選用MMU-10G摩擦磨損試驗機，對磨材料為45鋼，硬度45HRC，載荷80N，摩擦速度3m/min，磨損時間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試驗結果及討論

　　2.1力學性能檢測

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

　　圖2為經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。據該圖可看出，380℃等溫鍛造時，試樣的韌窩尺寸最大、形狀不規則，韌性最差;而420℃等溫鍛造時韌窩最圓潤、細小，規則分布，呈現出較好的韌性。

　　2.2磨損性能檢測

　　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結果如圖3所示。等溫鍛造溫度為380℃時，合金試樣的磨損體積最大，為31.4×10-3mm3，此時的耐磨損性能最差;隨鍛造溫度升高至420℃時，試樣的磨損體積最小，為19.8×10-3mm3，較380℃時減小了36.94%，耐磨損性能表現最佳。但鍛造溫度并非越高越好，當鍛造溫度達到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，380℃溫度鍛造時，試樣表面出現了較多的犁溝，磨痕粗大，耐磨損性能最差;而420℃鍛造時磨痕淺顯、細小，無犁溝和皮屑，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

　　綜合上面的試驗數據和結果可知，在等溫鍛造過程中，Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In鎂合金的力學性能、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就是通過鍛造時的動態再結晶令合金內部的晶粒得到細化。380℃較低鍛造溫度下，Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In合金內部熱量不充分，所以發生動態再結晶就不是很顯著，晶粒無法得到充分細化，此時晶粒更為粗大、組織內部疏松、散亂，強度和硬度低，力學性能和耐磨損性能略差;當鍛造溫度升高到420℃，溫度足以支持Mg-9Gd-2Y0.2Ti-0.1In合金進行充分的動態再結晶，變形充分，晶粒得到充分細化，晶粒與晶粒之間變致密，組織狀態最佳，強度得到最大幅度提高，力學性能和耐磨損性能達到最佳。但過高的鍛造溫度并不利于Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In合金強度和耐磨損性能的提高。當鍛造溫度達到440℃，合金內部的晶粒粗化，強度降低、磨損體積增大，耐磨損性能下降。

　　3結論

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

　　(2)與380℃鍛造相比，420℃鍛造使Mg-9Gd2Y-0.2Ti-0.1In的抗拉強度和屈服強度分別提高了27、32MPa，斷后伸長率降低了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鎂合金的強度和耐磨損性能出發，鍛造溫度優選為420℃。