RE对电锤用AM60B镁合金曲轴箱件组织和性能的影响

赵红亮，张 川，翁康荣，徐忠鑫，金陈跃

(1.郑州大学材料科学与工程学院，河南郑州450001;2.浙江恒友机电有限公司，浙江金华321200)

0 引言

电锤是一种常用的电动工具，在我国每年生产的电动工具中占了很大的比重.现如今，我国已成为世界上电动工具的出口和生产大国［1］，但由于企业自身设计和创新能力有限，较多的电动工具仍以仿造为主，与国外同行业之间还有较大的差距.

压铸镁合金具有密度小、吸振性好、导热和导电性良好等一系列的优点［2］.若将镁合金压铸件应用到电锤当中，不但可以减轻电锤的自重、减少能耗，而且可以减小振动和降低噪音.目前国内企业将AM60B镁合金压铸成曲轴箱件装机后发现，大部分电锤产品经台架试验约200 h，镁合金曲轴箱处的轴承即出现走外圆现象，镁合金压铸件的轴承挡磨损严重，甚至发生断裂.研究［3-5］发现:稀土可以提高镁合金室温及高温力学性能、摩擦磨损性能和耐腐蚀性能.本实验希望在AM60B合金中添加适量的稀土，提高镁合金的综合性能，从而延长电锤用镁合金曲轴箱压铸件的台架耐久时间.

1 实验过程

实验采用AM60B合金作为原材料，RE以混合稀土的形式加入，RE的化学成分为:50%为Ce、27%为 La、15% 为 Nb、6%为 Pr.在实验室重力铸造时，将 AM60B合金放入钢坩埚中，在760℃合金熔化后加入RE，采用CO2和SF6保护，保温5 min后进行搅拌，静置20 min后降温到700℃后进行浇铸.工厂压铸时，将AM60B合金放入钢坩埚中，在760℃合金熔化后加入RE，保温5 min后，用搅拌器具进行搅拌约3 min，然后静置保温20 min后再次进行搅拌，降温到700℃，在DM300卧式冷室压铸机上压铸成电锤用曲轴箱件.

利用Olympus H2-UMA型金相显微镜进行显微组织观察，合金相组成分析在Philips PW1700型X射线衍射仪上进行.用HBE-3000A型电子布氏硬度测试合金的布氏硬度，将试样加工成55 mm×10 mm×10 mm的长方体的标准试样用JBN-300B冲击试验机进行冲击韧性试验，在JSM-6490LV型扫描电镜上观察冲击断口形貌.最后，将曲轴箱装机后在台架上进行台架耐久试验.

2 试验结果与分析

2.1 重力铸造下RE对AM60B合金显微组织和力学性能的影响

图1为重力铸造下添加RE前后AM60B合金的 XRD图谱.从图中可以看出，重力铸造AM60B合金是由 α-Mg基体和 β-Mg17Al12相组成;添加质量分数为1.0%的RE之后，合金中除了含有α-Mg基体和β-Mg17Al12相外，还有Al4RE相(这里的RE主要指Ce、La元素).在添加RE之后，由于RE与Al之间的电负性差值(0.5)大于RE与Mg之间的电负性差值(0.2)，所以RE优先与 Al结合，生成Al-RE 相［6］.

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

图2为重力铸造条件下，添加不同量RE后AM60B合金的显微组织.从图2可以看出，加入RE之后，合金的显微组织得到明显细化.随RE添加量的增加，AM60B合金中原呈断续网状沿晶界分布的β相逐渐变为断续、弥散分布.当添加1.0%的RE时(如图2(d))，合金细化变质的效果最好，β相大部分以细小的骨骼状或颗粒状分布，并有针状的Al4RE相存在.另外在加入RE之后，一部分的Al与RE形成了针状的Al4RE相，β相减少.

表1为RE对重力铸造AM60B合金力学性能的影响.由表可知，不加RE时，AM60B的布氏硬度和抗拉强度分别为49.3 HB，128 MPa;而添加质量分数为1.0%的RE之后，合金的布氏硬度和抗拉强度达到最高，分别为55.3 HB，152 MPa，分别提高了12.2%和18.8%.由以上分析可以得出，重力铸造条件下，AM60B合金中RE的最佳添加量为1.0%.

图2 重力铸造AM60B+xRE合金的铸态显微组织Fig.2 Microstructures of gravity-casting AM60B+xRE alloys

表1 AM60B+xRE合金的力学性能Tab.1 Mechanical properties of AM60B+xRE alloys

RE加入之后，对熔体有净化作用，减少了熔体中的杂质，同时形成热稳定的Al4RE相弥散分布在晶界处，形成晶格畸变，使布氏硬度提高［7］;另外RE还起到了细化变质的作用，细化了合金晶粒，同时使β相从粗大断续的网状变为弥散分布的颗粒状，形成细晶强化和弥散强化［8］，最终使合金的抗拉强度提高.

2.2 RE对AM60B合金曲轴箱件显微组织和力学性能的影响

在工厂实际条件下，向AM60B合金中添加质量分数为1.0%RE压铸成曲轴箱，然后对其在同一部位取样，观察显微组织.图3为含稀土AM60B合金件与不含稀土AM60B合金件的显微组织.

图3 添加RE前后AM60B合金压铸件的显微组织Fig.3 Microstructures of AM60B die-castings before and after adding RE

由图3可以看出，AM60B压铸件显微组织中α-Mg树枝晶的组织比较粗大，β相几乎全部都以网状组织分布于晶界处;添加质量分数为1.0%RE之后合金中网状的β相断开呈颗粒状和骨骼状，且成弥散分布.

图4 AM60B合金压铸件固溶后的显微组织Fig.4 Microstructures of AM60B die-castings after solid solution

图4为固溶处理后的压铸件的显微组织.可以看出，添加质量分数为1.0%RE之后，合金的晶粒明显细化.运用截线法测量晶粒大小，发现未添加RE时，压铸态AM60B合金的平均晶粒尺寸为39 μm，添加1.0%的RE后，合金的平均晶粒尺寸减小到20 μm.这说明 RE能较好地细化AM60B压铸态合金.

表2 添加RE前后压铸件的力学性能Table 2 Mechanical properties of die-castings before and after adding RE

表2显示了RE对压铸态AM60B合金件力学性能的影响.由表可知，不加RE时，AM60B的布氏硬度和冲击韧性分别为55.6 HB、13.7 J·cm-2;而添加质量分数为1.0%的RE之后，合金件的布氏硬度和冲击韧性提高到62.1 HB，16.8 J·cm-2，分别提高了11.7%和22.6%.

图5 添加RE前后压铸件的冲击断口形貌Fig.5 Impact fracture morphology of die-castings before and after adding RE

图5显示了添加RE前后曲轴箱件室温下冲击断口的SEM形貌.从图5(a)中可以看出，没有添加RE时，断口形貌中有明显的解理台阶，合金的断裂特征为解理断裂;添加RE后的断口形貌如图5(b)，合金冲击断口形貌中出现了韧窝，同时也有撕裂棱的存在.因此冲击断口形貌表明合金经加入稀土细化变质处理之后塑性有所改善，减小了合金解理断裂的几率，而逐渐转变成为撕裂和韧窝的断裂形式.

2.3 RE对电锤中镁合金曲轴箱压铸件台架耐久性能的影响

将压铸出的电锤用镁合金曲轴箱件进行装机，然后在工厂进行了台架耐久试验，结果表明，不含稀土的AM60B镁合金曲轴箱件经装机后，电锤经耐久200 h左右后，曲轴箱上轴承挡走外圆严重;而添加质量分数为1.0%的RE之后的AM60B镁合金曲轴箱在电锤经耐久200 h左右后，曲轴箱上轴承挡未走外圆，达到了电锤用零部件服役时间的要求.

3 结论

(1)重力铸造下RE元素能够细化AM60B合金铸态组织中初生的 α-Mg相，同时也对 β-Mg17Al12相起到变质作用，使其由原断续分布的网状转变为细小弥散分布的骨骼状或颗粒状.随着RE添加量的增加，AM60B合金的布氏硬度和抗拉强度提高，重力铸造条件下，AM60B合金中RE的最佳添加量为1.0%(质量分数).

(2)电锤用压铸AM60B镁合金中添加质量分数为1.0%的RE时，曲轴箱的显微组织得到细后，β相变质良好，平均晶粒尺寸由39 μm细化到20 μm.

(3)AM60B合金中添加质量分数为1.0%RE后，压铸件的布氏硬度为62.1 HB，冲击韧度值为16.8 J·cm-2，台架耐久200 h左右后曲轴箱轴承挡未走外圆，满足了电锤用零部件服役时间的要求.

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