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轮毂作为汽车行驶的运动部件,在支撑全部重量的同时还起着转向、驱动和制动等关键作用,其轻量化尤其重要。镁合金汽车轮毂因质轻节能,可提高汽车加速和制动性能,同时因阻尼减振性能而使车辆行驶过程更加平稳舒适,因而受到广大汽车产业的青睐。然而,受耐蚀性差等因素的制约,镁合金至今仍未能成为轿车轮毂的主流材料。本文结合镁合金轮毂开发及路试中的问题,开展了轮毂用镁合金耐腐蚀性及提高镁轮毂表面处理层防护能力等研究。通过金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热分析(DSC)、X射线衍射(XRD)、拉伸试验机、动态装置以及电化学工作站等检测设备,研究了不同含量Ca元素添加以及热塑性变形条件等对典型轮毂用镁合金的组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响规律和相关作用机制;并分析比较了氟碳漆、聚酯漆和微弧氧化三种表面处理方式对合金耐腐蚀性能、结合力、延展性和动态弯曲性能的影响。通过研究得到以下主要结论:(1)轮毂用铸态Mg-5Al-0.4Mn-xCa合金随着Ca添加量从1wt%,2wt%到4wt%增加,合金中分别依次生成了Al2Ca,(Mg,Al)2Ca和Mg2Ca相。随Ca含量的改变,合金的腐蚀方式发生变化,Mg-5Al-0.4Mn合金不添加Ca或者Ca添加量很少时,合金的电偶腐蚀主要是镁基体被腐蚀,而当Ca添加量较大生成了含Ca相后,含Ca相代替镁合金基体优先受到腐蚀。Mg-5Al-Mn-2Ca合金具有最佳的耐腐蚀性能,腐蚀电流密度为37.82μA/cm2,生成相(Mg,Al)2Ca作为牺牲的阳极可保护镁基体,合金表面生成的含Ca化合物膜层有阻碍腐蚀介质深入基体的作用。(2)通过轮毂用Mg-2Zn-1Mn-xCa(ZM21-xCa)变形态镁的研究发现:ZM21合金具有较低的腐蚀电流密度,耐蚀性在各种常用镁合金中有优势。当不同含量Ca(0.1,0.3,0.7 wt%)添加到ZM21合金后,晶粒细化和Ca2Mg6Zn3相的生成使合金强度和耐腐蚀性能升高。当Ca的添加量过量为1.6wt%时,Mg2Ca相生成,合金强度和耐蚀性均急剧下降。添加0.7 wt%Ca到ZM21合金中,合金由于细晶强化、固溶强化和第二相强化作用具有最高的强度和较优的延伸率,同时合金中生成的大量离散分布的Ca2Mg6Zn3相颗粒作为电偶腐蚀的阳极受到腐蚀从而保护了基体,导致合金耐腐蚀性能提高。ZM21-0.7Ca合金综合性能最佳,拉伸强度为260 MPa,延伸率为21.5%,腐蚀电流密度和失重为39.74μA/cm2和0.77 mg/cm2·d。(3)热变形过程对轮毂镁合金的组织和耐蚀性的影响研究表明,Mg-5Al-0.4Mn-2Ca合金经过热变形后,强度从铸态的201.44 MPa升高到挤压态的281.01 MPa。合金不同工艺状态的腐蚀电流密度大小关系为铸态最低(37.82μA/cm2),挤压态稍低(56.08μA/cm2),均匀化态最差(215.15μA/cm2),合金耐腐蚀性能随热变形过程而降低。(4)经不同温度变形的(300°C、350°C和400°C)Mg-5Al-0.4Mn-1Ca合金的耐腐蚀性有显著差异,350℃温度比300℃更有利于提高合金耐蚀性,但当温度继续升高至400℃,合金基体的腐蚀电流密度升高,耐蚀性降低。合金的腐蚀方式随着变形温度的改变而发生变化,300℃和400℃变形的合金在腐蚀过程中有点蚀发生;350℃变形的合金无点蚀发生,表面有抗腐蚀层。(5)随着变形程度的增加,Mg-5Al-0.4Mn-1Ca合金耐腐蚀性能降低,当挤压比为9的合金腐蚀电流密度和腐蚀失重分别为11.26μA/cm2和19.01 mg/cm2·d,显示了最佳的耐腐蚀性能。挤压过程中AZ31耐腐蚀性能随组织演变而发生改变,再结晶程度高的区域晶粒细化,且形成的再结晶晶粒区域具有更高的腐蚀电位,可以阻碍腐蚀过程深入,导致合金耐腐蚀性能提高。(6)不同表面处理方式的对比研究表明,氟碳漆涂层腐蚀电流密度和结合力分别为6.53×10-6μA/cm2和33.73N,具有最佳的耐腐蚀性能和结合力;涂层延展性较差,在模拟轮毂服役状态的动态弯曲试验中,反复弯曲氟碳漆材料4258次后表面可见微小裂纹。聚酯漆材料腐蚀电流密度和结合力分别为0.11μA/cm2和24.05N,具有较优的耐腐蚀性能和结合力;涂层延展程度达到了静态弯曲试验设置的最大位移,反复弯曲聚酯漆材料5055次后表面可见微小裂纹。微弧氧化材料腐蚀电流密度和结合力分别为3.82μA/cm2和1.88N,耐腐蚀能力最差,涂层延展性好,反复弯曲材料3637次可见微小裂纹。(7)聚酯漆喷涂工艺研究结果表明,刻蚀处理后的材料具有比未刻蚀材料更高的结合力和延展性,同时具有与未刻蚀漆层稍低的耐腐蚀能力。聚酯漆随着喷涂厚度的增加,材料耐蚀性和延展性先升高后有所降低,喷涂两层漆具有最小的腐蚀电流密度0.11μA/cm2。经过不同组分漆层耐腐蚀性能差异不大,但无色漆配方的材料具有最佳的延展性。综合考虑聚酯漆的耐腐蚀性能和延展性等使用性能,聚酯漆喷涂方式为:打磨—清洗—刻蚀—喷涂两层无色漆—喷涂面漆。