新能源汽车电驱壳体用镁合金与铝合金组织性能对比研究

本文以新能源汽车电驱壳体为研究对象，对比研究了压铸ADC12铝合金与半固态注射成型AZ91D镁合金的微观组织、力学性能及耐蚀性能。结果表明：压铸铝合金呈现树枝晶组织，而半固态镁合金组织由近球形α-Mg初生固相晶粒、后凝固液相晶粒和网状Mg₁₇Al₁₂相组成，厚壁件组织致密无缺陷；本体取样的力学性能上，半固态AZ91D镁合金的屈服强度接近压铸ADC12铝合金，延伸率较铝合金有所提升；在耐腐蚀性能上，中性盐雾下半固态镁合金优于压铸铝合金，本体取样的压铸ADC12的腐蚀速率为0.546mm/y，半固态AZ91D的腐蚀速率为0.325mm/y。

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前言

新能源汽车已成为全球经济新引擎，但动力电池及电驱动系统的搭载使得整车质量普遍较同级燃油车增重200–500 kg，续航和操控随之下降，轻量化需求迫切。电驱系统作为关键部件，其壳体减重对整车轻量化具有重要意义。镁合金密度较铝合金降低约三分之一，在燃油车领域已有应用先例，如通用、福特等已将镁合金用于变速箱壳体，成功实现减重替代。在新能源电驱壳体领域，随着镁价下行且趋于稳定，镁合金替代铝合金已备受行业关注。

目前，汽车铸件中铝合金压铸件长期占据主导地位，其中ADC12合金因优异的铸造性能和成本优势，在电机壳体等部件中被广泛使用。薄兵等系统表征了ADC12转向器壳体的力学性能及压铸工艺-组织关联。镁合金虽可沿用铝压铸流程，但为兼顾安全、环保、氧化烧损及高致密度需求，半固态注射成型（Thixomolding）正成为大型结构件的优选技术路线。Gu等指出半固态注射成型工艺中固相率对成形能力与缺陷影响显著，适当的固相分布能够促进镁合金性能提高；Okayasu等在薄壁件上对比镁合金冷室压铸、热室压铸与半固态注射成型，证实后者组织性能最优。然而，已有研究多基于标准试样或薄壁件，缺乏面向电驱壳体这类厚壁结构的本体取样与系统对比。因此，本文以同结构电驱壳体为对象，分别采用镁合金半固态注射成型与铝合金高压铸造成型，系统比较两者的微观组织、力学及腐蚀性能，为镁合金在电驱壳体中的实际应用提供参考。

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试验材料与方法

试验材料为商业用铝合金ADC12和镁合金AZ91D，试验用于分析的试样取自某新能源汽车用电驱壳体铸件，如图1。铝制壳体采用高压铸造工艺制备，实测质量为11.345 kg；镁制壳体采用半固态注射成型工艺制备，实测质量为7.975 kg。在结构一致性条件下，镁合金替代铝合金实现29.7%的显著减重。

从电驱壳体上进行本体取样分析研究的位置如图2所示，该处壁厚为10mm。铝合金金相试样经机械抛光和5%HF溶液腐蚀，镁合金金相试样采用硝酸酒精溶液腐蚀，然后利用光学显微镜观察。采用IPP（Imagine Pro Plus）图像分析软件对半固态组织中的固相率进行定量统计。室温拉伸试验采用符合GB/T 228.1-2021标准拉伸试样，在MTS万能材料试验机上进行，拉伸速率为1mm/min。中性盐雾测试采用5wt.% NaCl溶液连续喷雾，盐雾浓度为50g/L，PH值6.8，盐雾室温度35℃。

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镁合金与铝合金电驱壳体的微观组织

为了明确两种材料在厚壁壳体中的组织差异，直接从电驱壳体本体截取试样并进行显微组织观察。图3是高压铸造ADC12铝合金的金相组织，可见组织中有少量微孔缺陷。ADC12铝合金主要由α-Al、Si、Al2Cu相组成，其中铝晶粒具有树枝晶形态，在压铸的高冷速影响下，虽然晶粒和第二相得到一定细化，不过针片状共晶硅或AlFeSi相等沿枝晶间随机分布, 割裂基体连续性，不利于强度和塑性。

图4是半固态注射成型AZ91D镁合金的金相组织，呈现典型的半固态形貌，组织中含有近球形初生固相，均匀地分布于残余液相凝固组织中，实测固相率为10.5%，而晶界处可见连续网状分布的 Mg₁₇Al₁₂ 析出相。得益于半固态成型的层流充型特性，厚壁件内部组织致密，未见孔洞、缩松或热裂缺陷。细小、均匀且缺陷极少的组织结构为合金提供了优异的耐蚀性能基础。

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镁合金与铝合金电驱壳体的力学性能

图5与表2分别给出了两种电驱壳体本体取样的拉伸测试曲线及相应力学性能。可见，不论压铸铝合金还是半固态镁合金，材料在厚壁状态下的性能都有所衰减，主要是由于凝固速度降低后会导致组织粗化，从而晶粒细化和第二相强化作用下降。具体而言，本体取样压铸ADC12铝合金的屈服强度为147MPa，半固态AZ91D镁合金与之接近；在抗拉强度方面，ADC12更优，其加工硬化效应明显；而在延伸率上，半固态AZ91D则更优，厚壁取样仍可达2.4%，表明半固态成型带来的组织均匀性与缺陷抑制对塑性提升作用显著。综合屈服强度与延伸率两项指标，半固态AZ91D具备替代ADC12的可行性。

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镁合金与铝合金电驱壳体的腐蚀性能

一般认为镁合金耐蚀性劣于铝合金，但腐蚀行为实质受合金成分与组织状态共同控制。当铝合金中 Cu、Fe 等含量较高时，其耐蚀性也会显著降低。为客观评价两种壳体材料的服役耐蚀性能，对本体取样试样（无涂层、经统一砂纸打磨至裸材状态）开展中性盐雾（NSS）试验，结果如图 6 所示：经过盐雾24h，压铸ADC12铝合金的表面就观察到了发生明显腐蚀，完全失去了金属光泽，而半固态AZ91D样块保持完好，仍具有金属光泽；在盐雾72h后，铝合金大面积腐蚀产物覆盖，而镁合金仅表面颜色变暗，未见明显腐蚀产物；到盐雾168h后，压铸ADC12铝合金受腐蚀程度持续加深，产物层增厚；而半固态AZ91D镁合金仅有轻微局部腐蚀，宏观完整性良好。对应失重法测得的平均腐蚀速率列于表 3，压铸ADC12铝合金的腐蚀速率为0.546mm/y，半固态AZ91D镁合金的腐蚀速率为0.325mm/y。结果表明，在厚壁电驱壳体下半固态 AZ91D 镁合金的中性盐雾耐蚀性能不仅未弱于 ADC12 铝合金，反而表现出更低的腐蚀速率与更优的表面完整性。

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结论

本文基于同结构电驱壳体，对比研究了高压铸造成型ADC12 铝合金与半固态注射成型 AZ91D 镁合金在显微组织、力学性能及耐蚀性能上的差异，主要结论如下：

（1）压铸铝合金和半固态镁合金的组织明显不同，压铸ADC12呈现树枝晶形貌，含有较多针片状硅等第二相分布；而半固态AZ91D镁合金的组织中含有近球形初生固相，晶界处可见连续网状分布的 Mg₁₇Al₁₂析出相，厚壁件下的组织致密，未见明显缺陷。

（2）电驱壳体本体取样的力学性能上，厚壁状态下两者相比材料标准值都有所衰减，整体上半固态AZ91D镁合金的屈服强度非常接近压铸ADC12铝合金，延伸率略优，不过抗拉强度上，ADC12更优。

（3）电驱壳体本体取样的耐腐蚀性能上，中性盐雾下半固态AZ91D镁合金优于压铸ADC12铝合金，压铸ADC12铝合金裸材在盐雾24h下即表面产生明显腐蚀产物，而半固态AZ91D镁合金的裸材样块在盐雾168h后仍未出现大面积腐蚀，表面状态良好。

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