原標(biāo)題：《新能源汽車電驅(qū)殼體用鎂合金與鋁合金組織性能對(duì)比研究》

作者：
谷立東 王杰 曾小勤
上海交通大學(xué)

曹福勇
廈門大學(xué)

摘要

本文以新能源汽車電驅(qū)殼體為研究對(duì)象，對(duì)比研究了壓鑄ADC12鋁合金與半固態(tài)注射成型AZ91D鎂合金的微觀組織、力學(xué)性能及耐蝕性能。結(jié)果表明：壓鑄鋁合金呈現(xiàn)樹枝晶組織，而半固態(tài)鎂合金組織由近球形α-Mg初生固相晶粒、后凝固液相晶粒和網(wǎng)狀Mg??Al??相組成，厚壁件組織致密無(wú)缺陷；本體取樣的力學(xué)性能上，半固態(tài)AZ91D鎂合金的屈服強(qiáng)度接近壓鑄ADC12鋁合金，延伸率較鋁合金有所提升；在耐腐蝕性能上，中性鹽霧下半固態(tài)鎂合金優(yōu)于壓鑄鋁合金，本體取樣的壓鑄ADC12的腐蝕速率為0.546mm/y，半固態(tài)AZ91D的腐蝕速率為0.325mm/y。

1 前言

新能源汽車已成為全球經(jīng)濟(jì)新引擎，但動(dòng)力電池及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的搭載使得整車質(zhì)量普遍較同級(jí)燃油車增重200–500 kg，續(xù)航和操控隨之下降，輕量化需求迫切。電驅(qū)系統(tǒng)作為關(guān)鍵部件，其殼體減重對(duì)整車輕量化具有重要意義。鎂合金密度較鋁合金降低約三分之一，在燃油車領(lǐng)域已有應(yīng)用先例，如通用、福特等已將鎂合金用于變速箱殼體，成功實(shí)現(xiàn)減重替代。在新能源電驅(qū)殼體領(lǐng)域，隨著鎂價(jià)下行且趨于穩(wěn)定，鎂合金替代鋁合金已備受行業(yè)關(guān)注。

目前，汽車鑄件中鋁合金壓鑄件長(zhǎng)期占據(jù)主導(dǎo)地位，其中ADC12合金因優(yōu)異的鑄造性能和成本優(yōu)勢(shì)，在電機(jī)殼體等部件中被廣泛使用。薄兵等系統(tǒng)表征了ADC12轉(zhuǎn)向器殼體的力學(xué)性能及壓鑄工藝-組織關(guān)聯(lián)。鎂合金雖可沿用鋁壓鑄流程，但為兼顧安全、環(huán)保、氧化燒損及高致密度需求，半固態(tài)注射成型（Thixomolding）正成為大型結(jié)構(gòu)件的優(yōu)選技術(shù)路線。Gu等指出半固態(tài)注射成型工藝中固相率對(duì)成形能力與缺陷影響顯著，適當(dāng)?shù)墓滔喾植寄軌虼龠M(jìn)鎂合金性能提高；Okayasu等在薄壁件上對(duì)比鎂合金冷室壓鑄、熱室壓鑄與半固態(tài)注射成型，證實(shí)后者組織性能最優(yōu)。然而，已有研究多基于標(biāo)準(zhǔn)試樣或薄壁件，缺乏面向電驅(qū)殼體這類厚壁結(jié)構(gòu)的本體取樣與系統(tǒng)對(duì)比。因此，本文以同結(jié)構(gòu)電驅(qū)殼體為對(duì)象，分別采用鎂合金半固態(tài)注射成型與鋁合金高壓鑄造成型，系統(tǒng)比較兩者的微觀組織、力學(xué)及腐蝕性能，為鎂合金在電驅(qū)殼體中的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為商業(yè)用鋁合金ADC12和鎂合金AZ91D，試驗(yàn)用于分析的試樣取自某新能源汽車用電驅(qū)殼體鑄件，如圖1。鋁制殼體采用高壓鑄造工藝制備，實(shí)測(cè)質(zhì)量為11.345 kg；鎂制殼體采用半固態(tài)注射成型工藝制備，實(shí)測(cè)質(zhì)量為7.975 kg。在結(jié)構(gòu)一致性條件下，鎂合金替代鋁合金實(shí)現(xiàn)29.7%的顯著減重。

圖1 壓鑄鋁合金與半固態(tài)注射成型鎂合金電驅(qū)殼體的照片

表1 鋁合金與鎂合金電驅(qū)殼體的重量對(duì)比

從電驅(qū)殼體上進(jìn)行本體取樣分析研究的位置如圖2所示，該處壁厚為10mm。鋁合金金相試樣經(jīng)機(jī)械拋光和5%HF溶液腐蝕，鎂合金金相試樣采用硝酸酒精溶液腐蝕，然后利用光學(xué)顯微鏡觀察。采用IPP（Imagine Pro Plus）圖像分析軟件對(duì)半固態(tài)組織中的固相率進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)。室溫拉伸試驗(yàn)采用符合GB/T 228.1-2021標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在MTS萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為1mm/min。中性鹽霧測(cè)試采用5wt.% NaCl溶液連續(xù)噴霧，鹽霧濃度為50g/L，PH值6.8，鹽霧室溫度35℃。

圖2 鑄件取樣位置與拉伸試樣

3 鎂合金與鋁合金電驅(qū)殼體的微觀組織

為了明確兩種材料在厚壁殼體中的組織差異，直接從電驅(qū)殼體本體截取試樣并進(jìn)行顯微組織觀察。圖3是高壓鑄造ADC12鋁合金的金相組織，可見組織中有少量微孔缺陷。ADC12鋁合金主要由α-Al、Si、Al2Cu相組成，其中鋁晶粒具有樹枝晶形態(tài)，在壓鑄的高冷速影響下，雖然晶粒和第二相得到一定細(xì)化，不過(guò)針片狀共晶硅或AlFeSi相等沿枝晶間隨機(jī)分布, 割裂基體連續(xù)性，不利于強(qiáng)度和塑性。

圖3 壓鑄鋁合金電驅(qū)殼體組織（50x、200x、500x）

圖4是半固態(tài)注射成型AZ91D鎂合金的金相組織，呈現(xiàn)典型的半固態(tài)形貌，組織中含有近球形初生固相，均勻地分布于殘余液相凝固組織中，實(shí)測(cè)固相率為10.5%，而晶界處可見連續(xù)網(wǎng)狀分布的 Mg??Al?? 析出相。得益于半固態(tài)成型的層流充型特性，厚壁件內(nèi)部組織致密，未見孔洞、縮松或熱裂缺陷。細(xì)小、均勻且缺陷極少的組織結(jié)構(gòu)為合金提供了優(yōu)異的耐蝕性能基礎(chǔ)。

圖4 半固態(tài)鎂合金電驅(qū)殼體組織（50x、200x、500x）

4 鎂合金與鋁合金電驅(qū)殼體的力學(xué)性能

圖5與表2分別給出了兩種電驅(qū)殼體本體取樣的拉伸測(cè)試曲線及相應(yīng)力學(xué)性能。可見，不論壓鑄鋁合金還是半固態(tài)鎂合金，材料在厚壁狀態(tài)下的性能都有所衰減，主要是由于凝固速度降低后會(huì)導(dǎo)致組織粗化，從而晶粒細(xì)化和第二相強(qiáng)化作用下降。具體而言，本體取樣壓鑄ADC12鋁合金的屈服強(qiáng)度為147MPa，半固態(tài)AZ91D鎂合金與之接近；在抗拉強(qiáng)度方面，ADC12更優(yōu)，其加工硬化效應(yīng)明顯；而在延伸率上，半固態(tài)AZ91D則更優(yōu)，厚壁取樣仍可達(dá)2.4%，表明半固態(tài)成型帶來(lái)的組織均勻性與缺陷抑制對(duì)塑性提升作用顯著。綜合屈服強(qiáng)度與延伸率兩項(xiàng)指標(biāo)，半固態(tài)AZ91D具備替代ADC12的可行性。

圖5 本體取樣的拉伸曲線

表2 本體取樣的拉伸力學(xué)性能

5 鎂合金與鋁合金電驅(qū)殼體的腐蝕性能

一般認(rèn)為鎂合金耐蝕性劣于鋁合金，但腐蝕行為實(shí)質(zhì)受合金成分與組織狀態(tài)共同控制。當(dāng)鋁合金中 Cu、Fe 等含量較高時(shí)，其耐蝕性也會(huì)顯著降低。為客觀評(píng)價(jià)兩種殼體材料的服役耐蝕性能，對(duì)本體取樣試樣（無(wú)涂層、經(jīng)統(tǒng)一砂紙打磨至裸材狀態(tài)）開展中性鹽霧（NSS）試驗(yàn)，結(jié)果如圖 6 所示：經(jīng)過(guò)鹽霧24h，壓鑄ADC12鋁合金的表面就觀察到了發(fā)生明顯腐蝕，完全失去了金屬光澤，而半固態(tài)AZ91D樣塊保持完好，仍具有金屬光澤；在鹽霧72h后，鋁合金大面積腐蝕產(chǎn)物覆蓋，而鎂合金僅表面顏色變暗，未見明顯腐蝕產(chǎn)物；到鹽霧168h后，壓鑄ADC12鋁合金受腐蝕程度持續(xù)加深，產(chǎn)物層增厚；而半固態(tài)AZ91D鎂合金僅有輕微局部腐蝕，宏觀完整性良好。對(duì)應(yīng)失重法測(cè)得的平均腐蝕速率列于表 3，壓鑄ADC12鋁合金的腐蝕速率為0.546mm/y，半固態(tài)AZ91D鎂合金的腐蝕速率為0.325mm/y。結(jié)果表明，在厚壁電驅(qū)殼體下半固態(tài) AZ91D 鎂合金的中性鹽霧耐蝕性能不僅未弱于 ADC12 鋁合金，反而表現(xiàn)出更低的腐蝕速率與更優(yōu)的表面完整性。

圖6 電驅(qū)殼體上本體取樣的中性鹽霧測(cè)試外觀

表3 電驅(qū)殼體上本體取樣的7天中性鹽霧腐蝕速率

6 結(jié)論

本文基于同結(jié)構(gòu)電驅(qū)殼體，對(duì)比研究了高壓鑄造成型ADC12 鋁合金與半固態(tài)注射成型 AZ91D 鎂合金在顯微組織、力學(xué)性能及耐蝕性能上的差異，主要結(jié)論如下：

（1）壓鑄鋁合金和半固態(tài)鎂合金的組織明顯不同，壓鑄ADC12呈現(xiàn)樹枝晶形貌，含有較多針片狀硅等第二相分布；而半固態(tài)AZ91D鎂合金的組織中含有近球形初生固相，晶界處可見連續(xù)網(wǎng)狀分布的 Mg??Al??析出相，厚壁件下的組織致密，未見明顯缺陷。

（2）電驅(qū)殼體本體取樣的力學(xué)性能上，厚壁狀態(tài)下兩者相比材料標(biāo)準(zhǔn)值都有所衰減，整體上半固態(tài)AZ91D鎂合金的屈服強(qiáng)度非常接近壓鑄ADC12鋁合金，延伸率略優(yōu)，不過(guò)抗拉強(qiáng)度上，ADC12更優(yōu)。

（3）電驅(qū)殼體本體取樣的耐腐蝕性能上，中性鹽霧下半固態(tài)AZ91D鎂合金優(yōu)于壓鑄ADC12鋁合金，壓鑄ADC12鋁合金裸材在鹽霧24h下即表面產(chǎn)生明顯腐蝕產(chǎn)物，而半固態(tài)AZ91D鎂合金的裸材樣塊在鹽霧168h后仍未出現(xiàn)大面積腐蝕，表面狀態(tài)良好。