减速器用高强镁合金力学及腐蚀行为研究
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摘 要：为了减轻减速器质量，改善车辆的噪音、震动现象，利用感应熔炼制备了Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金，利用DSC确定合金的相变温度，在热挤压变形对铸态合金进行强化处理，利用SEM、XRD、TEM分别对铸态、挤压态合金试样的组织形貌、相组成及尺寸进行表征；通过硬度测量、压缩及拉伸试验、失重比测试分别对合金的力学行为、降解行为进行研究。结果表明，Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金能满足制备减速器所需力学性能及耐蚀性。
中图分类号：U415.5 文献标志码：B
文章编号：1000-033X（2017）03-0107-05
Abstract： In order to reduce the weight of the gear reducer and alleviate the noise and vibration of the vehicle， Mg-Ca-Zn-Ni-Cu alloy was prepared by induction melting. The phase-transition temperature of the alloy was determined by differential scanning calorimetry （DSC）. The cast alloys were strengthened by hot extrusion deformation. The microstructures， phase compositions and sizes of the as-cast and extruded alloys were characterized by SEM， XRD and TEM. The mechanical behavior and degradation behavior of the alloy were studied by hardness， compression and tensile tests and weight loss ratio tests. The results show that Mg-Ca-Zn-Ni-Cu can meet the requirements of mechanical properties and corrosion resistance of the gear reducer.
Key words： degradable material； magnesium alloy； mechanical behavior； corrosion behavior
0 引 言
p速器是动力和传动系统的重要组成部分，是实现变速和动力传递的关键，而减速器箱体在整个减速器总成中起支撑和连接的作用，它把各个零件连接起来，支撑传动轴，保证各传动机构的正确运转。这类箱体须有一定的强度，满足抗拉强度不小于230 MPa、屈服强度不小于190 MPa、布氏硬度不小于75等要求，并具有良好的密封性。
镁合金因具备独特的性能，如密度低、比刚度和比强度高，成为了继钢铁、铝之后的第三大金属工程材料[1-6]。镁合金密度小、重量轻，是汽车工业中铝合金最好的替代品，能够显著减轻汽车自身的质量，提升车辆的装载能力，改善车辆的刹车、加速性能，降低燃油成本和废气排放，同时也可以极大程度地改善车辆的噪音、震动现象。镁及其合金因塑性低、化学性质活泼、耐蚀性差等原因不能广泛地应用于实际。目前，已应用沉淀、弥散、细晶、热处理等强化和复合强化处理方法来提高镁的综合性能[7-12]。
近年来，Mg-Ca系合金得到广泛研究。研究表明，浇铸前Ca的加入可与Mg形成高熔点的金属化合物Mg2Ca，提高合金的燃点，减轻溶体的氧化；微量钙元素的添加可细化合金晶粒，改善合金力学行为[13-16]。在Mg-Ca系合金的基础上，添加一定量Zn元素，能在很大程度提高Mg合金的力学性能，如强度及延展性，还可弱化杂质元素导致的腐蚀行为[17-19]。
本文在研究Mg-Ca-Zn合金的基础上，添加Cu、Ni元素制备Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金，并调控添加元素的比例获得可用于制备减速器的材料。利用DSC确定合金的相变温度，通过热挤压变形对铸态合金进行再强化处理。利用SEM、XRD分别对铸态、挤压态合金试样的组织形貌及尺寸进行表征；通过硬度测量、压缩及拉伸试验、失重比测试分别对合金的力学行为、降解行为进行研究。
1 合金的组成
采用电阻丝加热熔炼炉（ZG-25A），在气体保护（保护气体为0.5%SF6与99.5%CO2的混合气体）条件下制备Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金，其中设计合金元素含量（质量百分数）为：Ca 5%、Zn 6%，Cu 0.5%，Ni 0.5%，表1为实际合金元素的含量。
当加热速率为0.667 ℃・s-1时，Mg-Ca-Zn-Ni-Cu合金的连续加热DSC曲线如图1所示。可以看出，合金的相变起始温度约为400 ℃，因此热挤压温度确定为380 ℃；挤压铸态试样尺寸为Φ40 mm，挤压完尺寸为Φ7 mm，挤压比为32.65，挤压速率为2.5 mm・min-1。
利用X射线衍射（XRD，D/MAX 2400型X射线衍射仪，Cu Kα射线）对合金进行物相分析；利用金相（OM）观察合金的微观组织结构；在合金铸锭上通过线切割加工成符合ASTM标准的拉伸试样，利用HT-2420型万能试验机进行室温拉伸测试，其中每组相同试验条件试的样各4个，以确保试验数据的可靠性。利用HB-3000型显微硬度测量仪进行维氏硬度（HV）测量，保载载荷为250 kN，保载时间为15 s。腐蚀试样尺寸为 20 mm×20 mm×20 mm，试验前经金相砂纸打磨处理，然后用酒精清除表面油污，称量试样的初始质量。采用蒸馏水与3.0%KCl的混合溶液腐蚀介质，试验温度分别为室温及60 ℃。腐蚀试验后，试样在沸腾的铬酸（180 mg CrO3+1%AgNO3）中清洗5 min，然后再用丙酮、酒精进行清洗，最后烘干并称重；利用扫描电子显微镜（SEM，JEOL JSM-7000F型）观察试样的断口及腐蚀形貌。
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