锻造温度对Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In镁合金力学和耐磨损性能的影响

　　摘要：研究了不同温度下等温锻造对Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In汽车用镁合金力学性能和耐磨损性能的影响。结果表明：适当提高锻造温度有助于提高力学性能和耐磨损性能。与380℃锻造相比，420℃锻造时试样的抗拉强度和屈服强度分别提高了27、32MPa，断后伸长率降低了0.2%，磨损体积减小了36.94%。汽车用Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In镁合金等温锻造温度优选为420℃。

　　游晓畅; 李东科， 热加工工艺 发表时间：2021-08-05

　　关键词：Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In镁合金;锻造温度;力学性能;耐磨损性能

　　近年来我国的汽车产业发展迅猛，汽车已经成为了人们生活中不可或缺的代步工具，但汽车作为消耗品，会耗费大量的燃油和合金，且加重环境负荷。因此，寻找一种轻质、绿色金属对于实现节能减排、轻量化发展具有积极重大的意义[1-2]。镁合金由于密度低、强度高、易加工成型、减震性强、易导热、可回收等优点，应用范围不断扩大，在汽车行业应用愈加普及。它能够极大地减轻车身重量，降低油耗、减少污染，且安全、耐用[3-5]。镁合金为密排六方结构，室温下不易变形，从而其具有较佳的铸造性能，因此汽车用镁合金大部分为铸件，但镁合金铸件存在缩孔、裂缝等不足，而有关高质量镁合金锻件的研究并不是很多[6-7]。通过锻造加工的汽车用镁合金件，强度更高、塑性增强。虽然我国的锻造镁合金技术取得了较大的进步，但是现在汽车用镁合金锻造存在着锻件质量不稳定、工艺繁杂等问题[8-9]。此外，合金化也是改善合金性能的有效方法。除了常见的Gd和Y外，Ti和In也可作为镁合金的合金化元素。但是在镁合金中复合添加Gd、Y、Ti和In的研究还鲜有报道。为了进一步优化汽车用镁合金的锻造性能，扩展其发展前景，本文研究了Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In镁合金的力学性能和耐磨损性能。

　　1试验材料及方法

　　研究对象为Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In汽车用镁合金。以纯镁、金属钛以及Mg-10Gd、Mg-10Y、Mg-5In中间合金为原料。为了避免水分带入镁液中发生爆炸，熔炼前将所有原料烘干。熔炼时，先将纯镁置于中频感应熔炼炉内，加热到720℃待纯镁完全熔融后，打渣完毕后将金属钛以及Mg-10Gd、Mg-10Y、Mg-5In中间合金快速压入液面以下，升温到740℃保温1h，熔炼过程的保护气氛为含0.2%六氟化硫的空气;然后静置15min，浇注到自制的金属模具腔内，冷却后获得尺寸为准75mm×120mm的圆棒状坯料;最后采用5MN液压机及自制模具对坯料进行等温锻造试验，得到所需的汽车用镁合金锻件，尺寸外径准250mm、内径准170mm、厚度20mm。所有锻造试件进行了相同工艺230℃×50h的时效处理。为了研究锻造温度对Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In汽车用新型镁合金性能的影响，等温锻造试验时，保持锻造速度15mm/min等不变，改变锻造温度。锻造温度分别为：380、400、420、440℃。

　　在不同等温锻造温度下获得的Mg-9Gd-2Y0.2Ti-0.1In镁合金试件上沿切向随机切取3个拉伸平行试样、3个磨损平行试块和1个金相试块，拉伸试样尺寸为准10mm×55mm，磨损试块尺寸为准5mm×15mm。以3个平行试块测试值的算术平均值作为试样测试值。镁合金锻件的力学性能测试在ZWICK-Z150型拉伸试验机上进行，拉伸速率为1mm/min，测试温度为室温，记录拉伸试验结果。磨损试验仪器选用MMU-10G摩擦磨损试验机，对磨材料为45钢，硬度45HRC，载荷80N，摩擦速度3m/min，磨损时间10min，记录磨损体积。镁合金锻件表面的拉伸断口和磨损情形用SSX-500型扫描电镜观察。

　　2试验结果及讨论

　　2.1力学性能检测

　　锻造温度对Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In镁合金试样的力学性能影响如图1所示。锻造温度为380℃时，合金试样的抗拉强度和屈服强度均最小，分别为319、250MPa，断后伸长率最大，为5.9%，此时合金试样的强度最差;随锻造温度升高至400℃，试样的抗拉强度和屈服强度分别增至328、261MPa，断后伸长率略有降低，为5.8%;锻造温度为420℃时，试样的抗拉强度和屈服强度分别达到峰值346、282MPa，较380℃时分别减小了27、32MPa，伸长率则相对降至最低值5.7%，伸长率减幅仅为0.2%。但锻造温度并非越高越好，锻造温度达到440℃后，试样的强度不增反减，较420℃时的差。

　　图2为经380、400、420、440℃等温锻造的Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In镁合金试样的拉伸断口照片。据该图可看出，380℃等温锻造时，试样的韧窝尺寸最大、形状不规则，韧性最差;而420℃等温锻造时韧窝最圆润、细小，规则分布，呈现出较好的韧性。

　　2.2磨损性能检测

　　不同温度等温锻造Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In合金试样的耐磨损性能检测结果如图3所示。等温锻造温度为380℃时，合金试样的磨损体积最大，为31.4×10-3mm3，此时的耐磨损性能最差;随锻造温度升高至420℃时，试样的磨损体积最小，为19.8×10-3mm3，较380℃时减小了36.94%，耐磨损性能表现最佳。但锻造温度并非越高越好，当锻造温度达到440℃，试样的磨损体积增大，磨损程度加重，磨损体积不减反增。

　　图4为380、400、420、440℃等温锻造的Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In镁合金试样的表面磨损形貌照片。从该图可见，380℃温度锻造时，试样表面出现了较多的犁沟，磨痕粗大，耐磨损性能最差;而420℃锻造时磨痕浅显、细小，无犁沟和皮屑，磨损程度最轻微。综合不同锻造温度下Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In镁合金的磨损体积，耐磨损性能为：380℃<400℃<420℃<440℃。

　　2.3讨论与分析

　　综合上面的试验数据和结果可知，在等温锻造过程中，Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In镁合金的力学性能、磨损性能和显微组织受锻造温度的影响较大。等温锻造工艺的原理其实就是通过锻造时的动态再结晶令合金内部的晶粒得到细化。380℃较低锻造温度下，Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In合金内部热量不充分，所以发生动态再结晶就不是很显著，晶粒无法得到充分细化，此时晶粒更为粗大、组织内部疏松、散乱，强度和硬度低，力学性能和耐磨损性能略差;当锻造温度升高到420℃，温度足以支持Mg-9Gd-2Y0.2Ti-0.1In合金进行充分的动态再结晶，变形充分，晶粒得到充分细化，晶粒与晶粒之间变致密，组织状态最佳，强度得到最大幅度提高，力学性能和耐磨损性能达到最佳。但过高的锻造温度并不利于Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In合金强度和耐磨损性能的提高。当锻造温度达到440℃，合金内部的晶粒粗化，强度降低、磨损体积增大，耐磨损性能下降。

　　3结论

　　(1)锻造后的Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In镁合金的强度随锻造温度的升高而先增大后减小，断后伸长率变化不大。

　　(2)与380℃锻造相比，420℃锻造使Mg-9Gd2Y-0.2Ti-0.1In的抗拉强度和屈服强度分别提高了27、32MPa，断后伸长率降低了0.2%，磨损体积减小了36.94%。

　　(3)从提高汽车用Mg-9Gd-2Y-0.2Ti-0.1In镁合金的强度和耐磨损性能出发，锻造温度优选为420℃。