趙紅亮，張 川，翁康榮，徐忠鑫，金陳躍

(1.鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州450001;2.浙江恒友機(jī)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(chǎn)的電動工具中占了很大的比重.現(xiàn)如今，我國已成為世界上電動工具的出口和生產(chǎn)大國［1］，但由于企業(yè)自身設(shè)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(dǎo)熱和導(dǎo)電性良好等一系列的優(yōu)點［2］.若將鎂合金壓鑄件應(yīng)用到電錘當(dāng)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(nèi)企業(yè)將AM60B鎂合金壓鑄成曲軸箱件裝機(jī)后發(fā)現(xiàn)，大部分電錘產(chǎn)品經(jīng)臺架試驗約200 h，鎂合金曲軸箱處的軸承即出現(xiàn)走外圓現(xiàn)象，鎂合金壓鑄件的軸承擋磨損嚴(yán)重，甚至發(fā)生斷裂.研究［3-5］發(fā)現(xiàn):稀土可以提高鎂合金室溫及高溫力學(xué)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(xué)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(hù)，保溫5 min后進(jìn)行攪拌，靜置20 min后降溫到700℃后進(jìn)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(jìn)行攪拌約3 min，然后靜置保溫20 min后再次進(jìn)行攪拌，降溫到700℃，在DM300臥式冷室壓鑄機(jī)上壓鑄成電錘用曲軸箱件.

利用Olympus H2-UMA型金相顯微鏡進(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)試樣用JBN-300B沖擊試驗機(jī)進(jìn)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(jī)后在臺架上進(jìn)行臺架耐久試驗.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 重力鑄造下RE對AM60B合金顯微組織和力學(xué)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(fù)性差值(0.5)大于RE與Mg之間的電負(fù)性差值(0.2)，所以RE優(yōu)先與 Al結(jié)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(xì)化.隨RE添加量的增加，AM60B合金中原呈斷續(xù)網(wǎng)狀沿晶界分布的β相逐漸變?yōu)閿嗬m(xù)、彌散分布.當(dāng)添加1.0%的RE時(如圖2(d))，合金細(xì)化變質(zhì)的效果最好，β相大部分以細(xì)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(xué)性能的影響.由表可知，不加RE時，AM60B的布氏硬度和抗拉強(qiáng)度分別為49.3 HB，128 MPa;而添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的RE之后，合金的布氏硬度和抗拉強(qiáng)度達(dá)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(xué)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(zhì)，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(xì)化變質(zhì)的作用，細(xì)化了合金晶粒，同時使β相從粗大斷續(xù)的網(wǎng)狀變?yōu)閺浬⒎植嫉念w粒狀，形成細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化［8］，最終使合金的抗拉強(qiáng)度提高.

2.2 RE對AM60B合金曲軸箱件顯微組織和力學(xué)性能的影響

在工廠實際條件下，向AM60B合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(wǎng)狀組織分布于晶界處;添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%RE之后合金中網(wǎng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%RE之后，合金的晶粒明顯細(xì)化.運用截線法測量晶粒大小，發(fā)現(xiàn)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(xì)化AM60B壓鑄態(tài)合金.

表2 添加RE前后壓鑄件的力學(xué)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(xué)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xiàn)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(jīng)加入稀土細(xì)化變質(zhì)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(zhuǎn)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(jìn)行裝機(jī)，然后在工廠進(jìn)行了臺架耐久試驗，結(jié)果表明，不含稀土的AM60B鎂合金曲軸箱件經(jīng)裝機(jī)后，電錘經(jīng)耐久200 h左右后，曲軸箱上軸承擋走外圓嚴(yán)重;而添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的RE之后的AM60B鎂合金曲軸箱在電錘經(jīng)耐久200 h左右后，曲軸箱上軸承擋未走外圓，達(dá)到了電錘用零部件服役時間的要求.

3 結(jié)論

(1)重力鑄造下RE元素能夠細(xì)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(zhì)作用，使其由原斷續(xù)分布的網(wǎng)狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小彌散分布的骨骼狀或顆粒狀.隨著RE添加量的增加，AM60B合金的布氏硬度和抗拉強(qiáng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)).

(2)電錘用壓鑄AM60B鎂合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的RE時，曲軸箱的顯微組織得到細(xì)后，β相變質(zhì)良好，平均晶粒尺寸由39 μm細(xì)化到20 μm.

(3)AM60B合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)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.

［1］湯偉.電動工具企業(yè)的市場導(dǎo)向與研發(fā)創(chuàng)新［J］.電動工具，2007(4):1-4.

［2］王先文，張金山，許并社.鎂合金材料的應(yīng)用及其加工成型技術(shù)［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報，2001(6):599-603.

［3］WANG Jian-li，LIAO Rui-li，WANG Li-dong，et al.In-vestigations of the properties of Mg-5Al-0.3Mn-xCe(x=0～3wt%)alloys［J］.Journal of Alloys and Compounds，2009，477:341-345.

［4］張俊遠(yuǎn)，王社斌，王帥，等.釹對AM60合金顯微組織和力學(xué)性能的影響［J］.機(jī)械工程材料，2009，33(2):28-31.

［5］田政，張德平，王鴻雁，等.富釔混合稀土對 AM60鎂合金顯微組織與力學(xué)性能的影響［J］.中國稀土學(xué)報，2008，26(6):729-733.

［6］王東軍.混合稀土、銻對AZ31鎂合金顯微組織及性能的影響［D］.鄭州:鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2006.

［7］宋波.AM60鎂合金的稀土改性及摩擦磨損行為研究［D］.長春:吉林大學(xué)材料學(xué)院，2006.

［8］張詩昌，魏伯康，林漢同，等.釔及鈰鑭混合稀土對AZ91鎂合金鑄態(tài)組織的影響［J］.中國有色金屬學(xué)報，2001，11(增 2):99-102.