原標題：《新能源汽車電驅殼體用鎂合金與鋁合金組織性能對比研究》

作者：
谷立東 王杰 曾小勤
上海交通大學

曹福勇
廈門大學

摘要

本文以新能源汽車電驅殼體為研究對象，對比研究了壓鑄ADC12鋁合金與半固態注射成型AZ91D鎂合金的微觀組織、力學性能及耐蝕性能。結果表明：壓鑄鋁合金呈現樹枝晶組織，而半固態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狀Mg??Al??相組成，厚壁件組織致密無缺陷；本體取樣的力學性能上，半固態AZ91D鎂合金的屈服強度接近壓鑄ADC12鋁合金，延伸率較鋁合金有所提升；在耐腐蝕性能上，中性鹽霧下半固態鎂合金優于壓鑄鋁合金，本體取樣的壓鑄ADC12的腐蝕速率為0.546mm/y，半固態AZ91D的腐蝕速率為0.325mm/y。

1 前言

新能源汽車已成為全球經濟新引擎，但動力電池及電驅動系統的搭載使得整車質量普遍較同級燃油車增重200–500 kg，續航和操控隨之下降，輕量化需求迫切。電驅系統作為關鍵部件，其殼體減重對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，在燃油車領域已有應用先例，如通用、福特等已將鎂合金用于變速箱殼體，成功實現減重替代。在新能源電驅殼體領域，隨著鎂價下行且趨于穩定，鎂合金替代鋁合金已備受行業關注。

目前，汽車鑄件中鋁合金壓鑄件長期占據主導地位，其中ADC12合金因優異的鑄造性能和成本優勢，在電機殼體等部件中被廣泛使用。薄兵等系統表征了ADC12轉向器殼體的力學性能及壓鑄工藝-組織關聯。鎂合金雖可沿用鋁壓鑄流程，但為兼顧安全、環保、氧化燒損及高致密度需求，半固態注射成型（Thixomolding）正成為大型結構件的優選技術路線。Gu等指出半固態注射成型工藝中固相率對成形能力與缺陷影響顯著，適當的固相分布能夠促進鎂合金性能提高；Okayasu等在薄壁件上對比鎂合金冷室壓鑄、熱室壓鑄與半固態注射成型，證實后者組織性能最優。然而，已有研究多基于標準試樣或薄壁件，缺乏面向電驅殼體這類厚壁結構的本體取樣與系統對比。因此，本文以同結構電驅殼體為對象，分別采用鎂合金半固態注射成型與鋁合金高壓鑄造成型，系統比較兩者的微觀組織、力學及腐蝕性能，為鎂合金在電驅殼體中的實際應用提供參考。

2 試驗材料與方法

試驗材料為商業用鋁合金ADC12和鎂合金AZ91D，試驗用于分析的試樣取自某新能源汽車用電驅殼體鑄件，如圖1。鋁制殼體采用高壓鑄造工藝制備，實測質量為11.345 kg；鎂制殼體采用半固態注射成型工藝制備，實測質量為7.975 kg。在結構一致性條件下，鎂合金替代鋁合金實現29.7%的顯著減重。

圖1 壓鑄鋁合金與半固態注射成型鎂合金電驅殼體的照片

表1 鋁合金與鎂合金電驅殼體的重量對比

從電驅殼體上進行本體取樣分析研究的位置如圖2所示，該處壁厚為10mm。鋁合金金相試樣經機械拋光和5%HF溶液腐蝕，鎂合金金相試樣采用硝酸酒精溶液腐蝕，然后利用光學顯微鏡觀察。采用IPP（Imagine Pro Plus）圖像分析軟件對半固態組織中的固相率進行定量統計。室溫拉伸試驗采用符合GB/T 228.1-2021標準拉伸試樣，在MTS萬能材料試驗機上進行，拉伸速率為1mm/min。中性鹽霧測試采用5wt.% NaCl溶液連續噴霧，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，直接從電驅殼體本體截取試樣并進行顯微組織觀察。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，在壓鑄的高冷速影響下，雖然晶粒和第二相得到一定細化，不過針片狀共晶硅或AlFeSi相等沿枝晶間隨機分布, 割裂基體連續性，不利于強度和塑性。

圖3 壓鑄鋁合金電驅殼體組織（50x、200x、500x）

圖4是半固態注射成型AZ91D鎂合金的金相組織，呈現典型的半固態形貌，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，實測固相率為10.5%，而晶界處可見連續網狀分布的 Mg??Al?? 析出相。得益于半固態成型的層流充型特性，厚壁件內部組織致密，未見孔洞、縮松或熱裂缺陷。細小、均勻且缺陷極少的組織結構為合金提供了優異的耐蝕性能基礎。

圖4 半固態鎂合金電驅殼體組織（50x、200x、500x）

4 鎂合金與鋁合金電驅殼體的力學性能

圖5與表2分別給出了兩種電驅殼體本體取樣的拉伸測試曲線及相應力學性能。可見，不論壓鑄鋁合金還是半固態鎂合金，材料在厚壁狀態下的性能都有所衰減，主要是由于凝固速度降低后會導致組織粗化，從而晶粒細化和第二相強化作用下降。具體而言，本體取樣壓鑄ADC12鋁合金的屈服強度為147MPa，半固態AZ91D鎂合金與之接近；在抗拉強度方面，ADC12更優，其加工硬化效應明顯；而在延伸率上，半固態AZ91D則更優，厚壁取樣仍可達2.4%，表明半固態成型帶來的組織均勻性與缺陷抑制對塑性提升作用顯著。綜合屈服強度與延伸率兩項指標，半固態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性能

5 鎂合金與鋁合金電驅殼體的腐蝕性能

一般認為鎂合金耐蝕性劣于鋁合金，但腐蝕行為實質受合金成分與組織狀態共同控制。當鋁合金中 Cu、Fe 等含量較高時，其耐蝕性也會顯著降低。為客觀評價兩種殼體材料的服役耐蝕性能，對本體取樣試樣（無涂層、經統一砂紙打磨至裸材狀態）開展中性鹽霧（NSS）試驗，結果如圖 6 所示：經過鹽霧24h，壓鑄ADC12鋁合金的表面就觀察到了發生明顯腐蝕，完全失去了金屬光澤，而半固態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物覆蓋，而鎂合金僅表面顏色變暗，未見明顯腐蝕產物；到鹽霧168h后，壓鑄ADC12鋁合金受腐蝕程度持續加深，產物層增厚；而半固態AZ91D鎂合金僅有輕微局部腐蝕，宏觀完整性良好。對應失重法測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AZ91D鎂合金的腐蝕速率為0.325mm/y。結果表明，在厚壁電驅殼體下半固態 AZ91D 鎂合金的中性鹽霧耐蝕性能不僅未弱于 ADC12 鋁合金，反而表現出更低的腐蝕速率與更優的表面完整性。

圖6 電驅殼體上本體取樣的中性鹽霧測試外觀

表3 電驅殼體上本體取樣的7天中性鹽霧腐蝕速率

6 結論

本文基于同結構電驅殼體，對比研究了高壓鑄造成型ADC12 鋁合金與半固態注射成型 AZ91D 鎂合金在顯微組織、力學性能及耐蝕性能上的差異，主要結論如下：

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

（2）電驅殼體本體取樣的力學性能上，厚壁狀態下兩者相比材料標準值都有所衰減，整體上半固態AZ91D鎂合金的屈服強度非常接近壓鑄ADC12鋁合金，延伸率略優，不過抗拉強度上，ADC12更優。

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