浅析AM60镁合金作为车身材料的可行性

浅析 AM60 镁合金作为车身材料的可行性

王艺涵

麦吉尔大学采矿与材料工程学院（ McGill University）

摘要：如今我们驾驶的汽车主要由铝和钢构成。为了寻求更高性能的材料，AM60以较高的极限抗拉强度和弯曲抗拉强度，具有较低的密度和足够的伸长率的性能被作为考虑首选。该文章通过对AM60合金材料的金属性能和微观结构的层面，分析了AM60作为汽车车身的合理性，介绍了AM60的制作工艺和制作时金属微观结构的变化。

1. AM60合金

如今我们驾驶的汽车主要由铝和钢构成。汽车结构零件有一些理想的物质属性。低密度材料可减轻汽车重量，从而提高燃油效率并减少温室气体排放。除了重量减轻外，高强度、足够的延展性和耐腐蚀性也是首选。实际上，除了铝和钢之外，还有许多其他合适的元素。镁比铝轻36%，比铁轻78%。当合金化时，镁具有非常高的强度重量比。这与镁的六边形晶格结构有关，它可以抵抗塑性变形。就供应而言，按质量计，镁是地壳中第八大丰富的元素。虽然镁缺乏耐腐蚀性，但这可以通过合金化和外部涂层来改善。镁通常与铝、锌、锰、硅、铜和其他稀土元素形成合金。

AM60含有6.0%铝和0.15%锰，其余成分都是镁。该合金不仅具有较高的极限抗拉强度和弯曲抗拉强度，而且具有较低的密度和足够的伸长率。铝增加了合金的强度和硬度，但高铝含量也会使材料变脆，因此我们不建议使用AZ91。专家建议汽车结构零件的伸长率至少为10%。另一方面，合金中的锰有助于提高铝的耐腐蚀性。AM60镁合金中的锰元素可以形成第二相AlMnFe，从而降低镁合金基体中的铁含量[1]。

2.平衡微观结构

该合金的主要成分是铝和镁。室温下的AM60合金（未经任何处理）由两相组成。随着温度降至液相线以下，α-Mg开始沉淀，铝的溶解度随着温度的降低而增加。达到固相线后，液相全部转变为α-Mg相。随着温度持续降低至共晶温度以下，铝在α-Mg中的溶解度开始降低，铝原子开始从α-Mg迁移到ß-Mg17Al12（一种金属间相）。当温度降低至室温时，ß-Mg17Al12在晶界附近的比例增加。尤其在室温下，不存在共晶二元相；其原因是共晶温度下不存在液相。最终微观结构由α-Mg、ß-Mg17Al12和AlMn沉淀组成。

3.非平衡微观结构

高压压铸（HPDC）

包括高压压铸的诸多工艺中，微观结构往往没有足够的时间来达到平衡。首先，快速冷却会导致α-Mg的枝晶沉淀。然而，与液态AM60完全转化为α-Mg的平衡条件不同，非平衡条件下的共晶温度下存在液态AM60。该情况下，铝外加剂被迫进入枝晶间隙，从而形成α+β二元共晶相（因为这是最节能的分布）。

因此，快速冷却AM60的微观结构包括大型枝晶α-Mg晶粒、来自未转化为α-Mg液体量的α+β共晶相和不受冷却速度变化影响的AlMn沉淀。

3.1 冷却速度和微观结构

冷却速度通过改变合金的微观结构来影响其性能。高压压铸合金中，根据与铸造表面的距离，β-Mg17Al12沉淀的分布是不均匀的。通常而言，表面附近β-Mg17Al12的含量有所增加。这与温度降低时溶解度的降低有关，并且凝固度越高，基体中捕获的间隙原子也越多[1]。在表面（从0μm到240μm）上，由于冷却速度较快，因此Mg17Al12的面积分数显著降低。随着冷却速度的增加，β-Mg17Al12沉淀物变少，进而通常导致合金变硬[2]。

3.2 T4热处理

正如我们基于演讲的回忆，T4处理包括溶液处理和自然老化。溶液处理中，将温度升高至接近共晶温度（437°C），以溶解所有ß-Mg17Al12。然后对合金进行淬火，以保持微观结构，不产生ß-Mg17Al12沉淀物。然后，随着自然时效，ß-Mg17Al12沉淀物重新分布成均匀分布的细颗粒。[3]

4. 制造工艺

AM60合金可通过直接冷铸或双辊铸造进行制造，然后通过热轧工艺获得高强度合金板材。

就直接冷铸而言，通过无底水冷模具，熔融液态金属可通过进料进行有效凝固。当铸块从模具中取出时，冲击水直接冷却铸块，当冲击水从铸块表面排干时，凝固完成。

4.1 双辊铸造AM60板材的微观结构

TRC条的不均匀微观结构可分为上下辊侧和中间部分。在凝固粗柱状晶体中，由于接触到轧辊的快速冷却速度，上下部分会形成严重变形的枝晶。枝晶的生长方向与熔体的热流方向相反，基本垂直于轧辊表面[4]。枝晶间成分类似于第二部分所示的高压压铸微观结构，其中也采用了快速冷却速度。在中心等轴区内，由于相对较低的冷却速率和热变形（轧制过程）期间动态再结晶的存在，因此会出现细晶粒。中心等轴结构的晶粒尺寸也随着轧制速度的增加而减小[5]。

4.2 热轧和颗粒细化

我们采用进一步热轧工艺AM60铸造板材，从而均匀化上述中心和表面附近微观结构之间的差异，并进一步提高板材在冲压工艺中的可成形性。该工艺包括在两个相对旋转辊之间对金属进行压缩，以减小其厚度。当再结晶继续时，晶粒在轧制方向拉长。通过热轧工艺，未变形晶粒结构变成变形晶粒结构。

晶粒细化通过减小晶粒尺寸来提高弯曲应力，从而显著改善AM60的力学性能。在较高温度下，精细再结晶晶粒尺寸的均匀存在有助于强化晶界滑动（GBS），从而改善AM60板材的成形性。当厚度减少20%时，就会开始发生显著的微观结构变化：孪晶非常明显，晶界呈波浪状，小型再结晶晶粒主要出现在晶界区域和孪晶区域。再结晶晶粒的体积分数随着厚度削薄量的增加而逐渐增加，该影响在厚度减薄68%后减弱。[6]

4.3 热冲压工艺

铸造工艺复杂的零件并不十分具有经济效益，尤其是在大规模生产方面。因此，冲压镁板材通常是首选。AM60板材按照落料&冲孔、绘制、弯曲和紧压修边的顺序进行加工。

值得注意的是， 由于其HCP晶格结构，AM60合金的成形性相对较低，因此常规冷冲压方法不适用于AM60合金。然而，研究表明，因为当温度升高到再结晶温度以上时，其成形性显著提高，所以镁合金冲压是可行的[9]。高温会释放早期变形产生的内部残余应力，此时晶粒恢复。随着晶粒增大，晶界密度降低，从而提高材料的延展性和成形性。如果在热轧工艺之后同时进行冲压工艺，则可以补偿热冲压残余的缺点。热冲压也可以帮助减少回弹的影响。

另一种降低复杂零件制造成本的方法是将不太复杂的零件焊接在一起。该情况下，需要一种用于结构应用的AM60连接和组装方法。然而，对于AM60合金（以及一般的镁合金）而言，由于焊接区域中会形成孔隙，因此基于熔合的传统焊接可能不实用。

除了孔隙率外，镁还具有高度灵活性，膨胀系数较大（20至100°C时为25.6μm/m.K）。这可能会导致扭曲。鉴于此类限制，普通金属也不会熔化的固态焊接技术是首选。搅拌摩擦焊是连接难焊金属的一种有效方法。在搅拌摩擦焊中，通过调节刀具转速和刀具横向速度，可以控制最终的焊接质量。

图1：铸造AM60合金的微观结构[7]

本项目所述的铸造AM60合金的微观结构如图1所示。其中存在初生α-Mg晶粒和α+β共晶网络，其中β为Mg17Al12金属间化合物、Al8Mn5金属间化合物和孪晶[7]。如上所述，根据铸造后的制造工艺，微观结构可能有所不同。进行搅拌摩擦焊操作时，通过刀具的旋转，施加严重的塑性变形，且微观结构发生显著变化。焊接结构由一个清晰的搅拌区（具有精细等轴晶粒）、一个热机械影响区（具有细长和倾斜晶粒）和一个具有与普通金属相似晶粒的热影响区组成。

由于旋转刀具和α镁基体之间的摩擦，SZ区通常处于高温下。因此，会发生动态再结晶和晶粒细化。根据旋转速度和横向速度，施加在基体上的塑性应变发生在短时间内，因此不够晶粒生长的发生；因此，保持了良好的等轴晶粒结构。当枝晶晶粒断裂时，它会提供更加各向同性的响应，从而增强了板材的延展性[8]。

图2：热机械影响区（a）和搅拌区（b）的微观结构[10]

远离SZ区时，热机械影响区（TMAZ）也容易发生塑性变形，但因为旋转刀具引起的应变和温度均不足，所以TMAZ不会经历完全动态再结晶，该区域的特征是围绕SZ区向上流动的拉长（伸长）晶粒。远离TMAZ区，热影响区（HAZ）仅经历轻微的热循环，但不一定发生任何塑性变形。因此，除非因温度升高而热影响区的晶粒的尺寸更大，否则热影响区和普通金属的微观结构非常相似。

结语

本文对AM60合金进行了宏观和微观角度的介绍。AM60的制作工艺分为直接冷铸或双辊铸造进行制造，不同的制造方法微观结构变化不同，对制作成本和材料性能有直接影响。通过分析平衡微观结构和非平衡微观结构，我们发现AM60成为未来的汽车车身材料非常有希望。

参考文献：

1. Rapiejko C, Pisarek B and Pacyniak T. Effect of intensive cooling of alloy AM60 with chromium and vanadium additions on cast microstructure and mechanical properties. Archives of Metallurgy and Materials 2017; 62: 319-324.

2. Elen L, Cicek B, Koc E, et al. Effects of alloying element and cooling rate on properties of AM60 Mg alloy. Materials Research Express 2019; 6: 096511.

3. Zhang Y, Zheng J, Shou H, et al. The gradient microstructure and deformation heterogeneity in HPDC AM60 alloy. Materials Science and Engineering: A 2020; 792: 139647

4. Kittner K, Ullmann M, Henseler T, et al. Microstructure and Hot Deformation Behavior of Twin Roll Cast Mg-2Zn-1Al-0.3Ca Alloy. Materials 2019; 12: 1020.

5. Watari H, Hato R, Haga T, et al. Development of Manufacturing Process of Wrought Magnesium Alloy Sheets by Twin Roll Casting. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 2007.

6. Pérez-Prado MT, del Valle JA, Contreras JM, et al. Microstructural evolution during large strain hot rolling of an AM60 Mg alloy. Scripta Materialia 2004; 50: 661-665.

7. Ahmadi S, Faraji G, Alimirzaloo V, et al. Microstructure and Mechanical Properties of AM60 Magnesium Alloy Processed by a New Severe Plastic Deformation Technique. Metals and Materials International 2020.

8. Zhang J, Chen X, Xia D, et al. Improving performance of friction stir welded AZ31/AM60 dissimilar joint by adjusting texture distribution and microstructure. Materials Science and Engineering: A 2020; 778: 139088.

9. Huang G, Wang L, Pan F-S, et al. The Formability and Hot Stamping of Magnesium Alloy Sheets. 2014.

10. Richmire S, Sharifi P and Haghshenas M. On microstructure, hardness, and fatigue properties of friction stir-welded AM60 cast magnesium alloy. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2018; 98: 2157-2172.

作者简介：王艺涵（2000.02.09），女，汉族，河南郑州人，麦吉尔大学采矿与材料工程学院2022级学士，材料工程专业