原标题：哈理工吉泽升教授团队：挤压铸造汽车差速器AZ91D镁合金组织及性能研究

挤压铸造具有产品品质好、生产效率高等特点，近年来成为研究的热点，特别是在汽车零部件方面，开发出了铝合金支架、转向节等承力件，并成功应用到高端品牌汽车上。AZ91D镁合金具备铸造性能好、易成形、阻尼减震好等特性，被广泛应用在汽车行业。CZERWINSKI F对AZ91D和AM60B两种镁合金进行了高温压铸和近液相线温度注射成形，证实了近液相线温度注射成形的可行性。然而，由于镁合金成形时烧损较大，限制了其应用。将近液相线铸造技术应用到AZ91D镁合金半固态铸造中，研究了不同冷却速率下的微观组织变化，发现凝固速度对合金中枝晶的尺寸影响很大，模具边部枝晶的尺寸出现了从小到大再由大变小的趋势。采用低过热度铸造工艺，发现在595℃附近温度浇注时，获得了晶粒较细、非枝晶结构的AZ91D镁合金。受上述研究的启发，试图在实施挤压铸造时将镁合金的浇注温度设定在接近液相线，从而产生近液相线挤压铸造（NLSC）的新思路，最大限度地发挥挤压铸造工艺可以在凝固过程中持续加压的优点，以得到性能优异的铸件。综合近液相线和挤压铸造的优点，以汽车差速器为研究对象，针对AZ91D镁合金材料开展了NLSC研究，探究NLSC温度对AZ91D镁合金挤压铸造微观组织及力学性能的影响，旨在为其应用提供参考。

图文结果

某车型差速器支架材质为AZ91D镁合金，其化学成分见表1。根据试验要求，确定浇排结构方案，镶嵌块及热电偶，见图2。经过零件投影面积计算和所用材料质量估算，采用SCH-350卧式挤压铸造机进行试验。利用OlympusGX71-6230A型金相显微镜对铸造AZ91D镁合金显微组织进行观察，采用Apreo C型扫描电镜对其晶粒和晶界第二相的形貌特征及元素含量进行研究。基于数值模拟结果，使用自制超声在线测试技术实时测试铸件的固相率。使用WDW-200万能试验机测试了其室温力学性能拉伸速率为1.0mm/min。

表1  AZ91D镁合金的化学成分(%)

图1  微观组织观察、拉伸试样取样位置及尺寸

图2  浇排结构与模具测温点的确定

图3  AZ91D镁合金的DTA曲线

不同浇注温度下生产的挤压件见图4。可以看出，随着浇注温度升高，差速器支架越来越完整。这主要是因为NLSC成形时熔体的入射速度较低，此时熔体黏性高且降温快，不利于充型；而温度越高，熔体的黏度越低，流动性越好，因此充型性越好。图5为NLSC制备的铸态AZ91D镁合金汽车差速器支架的微观组织。可以看出，当浇注温度为595℃时，铸件的晶粒细小且均匀，但仍然存在一些粗大的玫瑰状颗粒；当浇注温度升至605℃时，铸件的晶粒更加细小且分布更均匀，形状更圆整，晶粒呈现出球状等轴晶的特征；当浇注温度升高到615℃时，合金内玫瑰状晶明显增多，晶粒圆整度明显降低；当浇注温度提升至625℃时，晶粒主要由孪生的玫瑰晶与破碎的球状晶组成；当浇注温度为645℃时，组织中以细小枝晶为主，且多数枝晶破碎成小的球状晶，呈现出破碎的枝晶与球状晶并存的现象；当浇注温度为665℃时，铸件内多数枝晶发生破碎。总的来说，当合金浇注温度达到645和665℃时，合金熔体的固相率显著降低，晶粒形貌以树枝晶为主。

图4 不同浇注温度下的差速器支架实物图

图5  浇注温度对AZ91D 镁合金微观组织演变的影响

图6 不同浇注温度下AZ91D镁合金固相率

图7 浇注温度对AZ91合金差速器支架平均晶粒尺寸和平均球化系数的影响

不同浇注温度制备的合金内第二相形貌见图8。随着浇注温度升高，合金内β-Mg17Al12相的均匀性逐渐降低，部分β-Mg17Al12相趋于形成大面积聚集，这与晶界润湿相变有关。同其他液体一样，在一定的温度范围内液态金属的界面能随温度的升高而线性地减少，因此润湿角随温度的升高而变小。在非均匀形核条件下，润湿角越小，晶核生长所需的形核功越少，单位体积形核数就会越多，即形核率越高。随着浇注温度升高，剩余液相与固相基体之间的润湿角就会逐渐变小，单位面积的形核数就会增加，最终导致β-Mg17Al12相的尺寸和数量增加，形成大面积的聚集。

图8 浇注温度对镁合金第二相组织形貌的影响

图9 浇注温度对第二相β-Mg17Al12体积分数的影响

图10  不同浇注温度下NLSC成形AZ91D镁合金的力学性能

图11 浇注温度对 NLSC 成形 AZ91D 镁合金拉伸断口形貌的影响

结论

（1）采用NLSC技术制备的AZ91D镁合金由α-Mg固溶体和金属间化合物β-Mg17Al12组成，铸态组织细小均匀，球化系数高，半固态特征明显。

（2）随着浇注温度由605℃升高到625℃，球状晶逐渐长大成蔷薇状晶，其平均晶粒尺寸由21.02μm 增大到58.13μm。第二相β-Mg17Al12的含量从18.55%提高到49.72%，且分布均匀性降低，并形成大面积聚集。

（3）当浇注温度为595℃和605℃时，室温拉伸断口存在大量韧窝和小面积的解理平面及短而弯曲撕裂棱。随着浇注温度提高，断口韧窝数量、解理台阶和撕裂棱都逐渐减少，而解理平面的面积逐渐增大，当浇注温度为665℃时，合金断口部位的解理平面的面积明显增大，其断裂形式转变为脆性断裂。

（4）随着浇注温度升高，抗拉强度和伸长率均先升高后降低。当浇注温度为 605℃时，抗拉强度和伸长率均达到了最大值，为229.2MPa和3.16%。

本文作者：

赵春芳1,2 马光全1 颜泽华3
胡茂良2 吉泽升1,2

1.丽水职业技术学院机械工程学院；2.哈尔滨理工大学材料科学与化学工程学院；3.哈尔滨理工大学荣成学院

本文转载自：《特种铸造及有色合金》