RE對電錘用AM60B鎂合金曲軸箱件組織和性能的影響

趙紅亮，張 川，翁康榮，徐忠鑫，金陳躍

(1.鄭州大學材料科學與工程學院，河南鄭州450001;2.浙江恒友機電有限公司，浙江金華321200)

0 引言

電錘是一種常用的電動工具，在我國每年生產的電動工具中占了很大的比重.現如今，我國已成為世界上電動工具的出口和生產大國［1］，但由于企業(yè)自身設計和創(chuàng)新能力有限，較多的電動工具仍以仿造為主，與國外同行業(yè)之間還有較大的差距.

壓鑄鎂合金具有密度小、吸振性好、導熱和導電性良好等一系列的優(yōu)點［2］.若將鎂合金壓鑄件應用到電錘當中，不但可以減輕電錘的自重、減少能耗，而且可以減小振動和降低噪音.目前國內企業(yè)將AM60B鎂合金壓鑄成曲軸箱件裝機后發(fā)現，大部分電錘產品經臺架試驗約200 h，鎂合金曲軸箱處的軸承即出現走外圓現象，鎂合金壓鑄件的軸承擋磨損嚴重，甚至發(fā)生斷裂.研究［3-5］發(fā)現:稀土可以提高鎂合金室溫及高溫力學性能、摩擦磨損性能和耐腐蝕性能.本實驗希望在AM60B合金中添加適量的稀土，提高鎂合金的綜合性能，從而延長電錘用鎂合金曲軸箱壓鑄件的臺架耐久時間.

1 實驗過程

實驗采用AM60B合金作為原材料，RE以混合稀土的形式加入，RE的化學成分為:50%為Ce、27%為 La、15% 為 Nb、6%為 Pr.在實驗室重力鑄造時，將 AM60B合金放入鋼坩堝中，在760℃合金熔化后加入RE，采用CO2和SF6保護，保溫5 min后進行攪拌，靜置20 min后降溫到700℃后進行澆鑄.工廠壓鑄時，將AM60B合金放入鋼坩堝中，在760℃合金熔化后加入RE，保溫5 min后，用攪拌器具進行攪拌約3 min，然后靜置保溫20 min后再次進行攪拌，降溫到700℃，在DM300臥式冷室壓鑄機上壓鑄成電錘用曲軸箱件.

利用Olympus H2-UMA型金相顯微鏡進行顯微組織觀察，合金相組成分析在Philips PW1700型X射線衍射儀上進行.用HBE-3000A型電子布氏硬度測試合金的布氏硬度，將試樣加工成55 mm×10 mm×10 mm的長方體的標準試樣用JBN-300B沖擊試驗機進行沖擊韌性試驗，在JSM-6490LV型掃描電鏡上觀察沖擊斷口形貌.最后，將曲軸箱裝機后在臺架上進行臺架耐久試驗.

2 試驗結果與分析

2.1 重力鑄造下RE對AM60B合金顯微組織和力學性能的影響

圖1為重力鑄造下添加RE前后AM60B合金的 XRD圖譜.從圖中可以看出，重力鑄造AM60B合金是由 α-Mg基體和 β-Mg17Al12相組成;添加質量分數為1.0%的RE之后，合金中除了含有α-Mg基體和β-Mg17Al12相外，還有Al4RE相(這里的RE主要指Ce、La元素).在添加RE之后，由于RE與Al之間的電負性差值(0.5)大于RE與Mg之間的電負性差值(0.2)，所以RE優(yōu)先與 Al結合，生成Al-RE 相［6］.

圖1 添加RE前后AM60B合金的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of AM60B alloy before and after adding RE

圖2為重力鑄造條件下，添加不同量RE后AM60B合金的顯微組織.從圖2可以看出，加入RE之后，合金的顯微組織得到明顯細化.隨RE添加量的增加，AM60B合金中原呈斷續(xù)網狀沿晶界分布的β相逐漸變?yōu)閿嗬m(xù)、彌散分布.當添加1.0%的RE時(如圖2(d))，合金細化變質的效果最好，β相大部分以細小的骨骼狀或顆粒狀分布，并有針狀的Al4RE相存在.另外在加入RE之后，一部分的Al與RE形成了針狀的Al4RE相，β相減少.

表1為RE對重力鑄造AM60B合金力學性能的影響.由表可知，不加RE時，AM60B的布氏硬度和抗拉強度分別為49.3 HB，128 MPa;而添加質量分數為1.0%的RE之后，合金的布氏硬度和抗拉強度達到最高，分別為55.3 HB，152 MPa，分別提高了12.2%和18.8%.由以上分析可以得出，重力鑄造條件下，AM60B合金中RE的最佳添加量為1.0%.

圖2 重力鑄造AM60B+xRE合金的鑄態(tài)顯微組織Fig.2 Microstructures of gravity-casting AM60B+xRE alloys

表1 AM60B+xRE合金的力學性能Tab.1 Mechanical properties of AM60B+xRE alloys

RE加入之后，對熔體有凈化作用，減少了熔體中的雜質，同時形成熱穩(wěn)定的Al4RE相彌散分布在晶界處，形成晶格畸變，使布氏硬度提高［7］;另外RE還起到了細化變質的作用，細化了合金晶粒，同時使β相從粗大斷續(xù)的網狀變?yōu)閺浬⒎植嫉念w粒狀，形成細晶強化和彌散強化［8］，最終使合金的抗拉強度提高.

2.2 RE對AM60B合金曲軸箱件顯微組織和力學性能的影響

在工廠實際條件下，向AM60B合金中添加質量分數為1.0%RE壓鑄成曲軸箱，然后對其在同一部位取樣，觀察顯微組織.圖3為含稀土AM60B合金件與不含稀土AM60B合金件的顯微組織.

圖3 添加RE前后AM60B合金壓鑄件的顯微組織Fig.3 Microstructures of AM60B die-castings before and after adding RE

由圖3可以看出，AM60B壓鑄件顯微組織中α-Mg樹枝晶的組織比較粗大，β相幾乎全部都以網狀組織分布于晶界處;添加質量分數為1.0%RE之后合金中網狀的β相斷開呈顆粒狀和骨骼狀，且成彌散分布.

圖4 AM60B合金壓鑄件固溶后的顯微組織Fig.4 Microstructures of AM60B die-castings after solid solution

圖4為固溶處理后的壓鑄件的顯微組織.可以看出，添加質量分數為1.0%RE之后，合金的晶粒明顯細化.運用截線法測量晶粒大小，發(fā)現未添加RE時，壓鑄態(tài)AM60B合金的平均晶粒尺寸為39 μm，添加1.0%的RE后，合金的平均晶粒尺寸減小到20 μm.這說明 RE能較好地細化AM60B壓鑄態(tài)合金.

表2 添加RE前后壓鑄件的力學性能Table 2 Mechanical properties of die-castings before and after adding RE

表2顯示了RE對壓鑄態(tài)AM60B合金件力學性能的影響.由表可知，不加RE時，AM60B的布氏硬度和沖擊韌性分別為55.6 HB、13.7 J·cm-2;而添加質量分數為1.0%的RE之后，合金件的布氏硬度和沖擊韌性提高到62.1 HB，16.8 J·cm-2，分別提高了11.7%和22.6%.

圖5 添加RE前后壓鑄件的沖擊斷口形貌Fig.5 Impact fracture morphology of die-castings before and after adding RE

圖5顯示了添加RE前后曲軸箱件室溫下沖擊斷口的SEM形貌.從圖5(a)中可以看出，沒有添加RE時，斷口形貌中有明顯的解理臺階，合金的斷裂特征為解理斷裂;添加RE后的斷口形貌如圖5(b)，合金沖擊斷口形貌中出現了韌窩，同時也有撕裂棱的存在.因此沖擊斷口形貌表明合金經加入稀土細化變質處理之后塑性有所改善，減小了合金解理斷裂的幾率，而逐漸轉變成為撕裂和韌窩的斷裂形式.

2.3 RE對電錘中鎂合金曲軸箱壓鑄件臺架耐久性能的影響

將壓鑄出的電錘用鎂合金曲軸箱件進行裝機，然后在工廠進行了臺架耐久試驗，結果表明，不含稀土的AM60B鎂合金曲軸箱件經裝機后，電錘經耐久200 h左右后，曲軸箱上軸承擋走外圓嚴重;而添加質量分數為1.0%的RE之后的AM60B鎂合金曲軸箱在電錘經耐久200 h左右后，曲軸箱上軸承擋未走外圓，達到了電錘用零部件服役時間的要求.

3 結論

(1)重力鑄造下RE元素能夠細化AM60B合金鑄態(tài)組織中初生的 α-Mg相，同時也對 β-Mg17Al12相起到變質作用，使其由原斷續(xù)分布的網狀轉變?yōu)榧毿浬⒎植嫉墓趋罓罨蝾w粒狀.隨著RE添加量的增加，AM60B合金的布氏硬度和抗拉強度提高，重力鑄造條件下，AM60B合金中RE的最佳添加量為1.0%(質量分數).

(2)電錘用壓鑄AM60B鎂合金中添加質量分數為1.0%的RE時，曲軸箱的顯微組織得到細后，β相變質良好，平均晶粒尺寸由39 μm細化到20 μm.

(3)AM60B合金中添加質量分數為1.0%RE后，壓鑄件的布氏硬度為62.1 HB，沖擊韌度值為16.8 J·cm-2，臺架耐久200 h左右后曲軸箱軸承擋未走外圓，滿足了電錘用零部件服役時間的要求.

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