（材料加工工程专业论文）半固态za27齿轮类零件精密成形及耐磨性能的研究.pdf

江苏大学硕士学住论文 摘要 本文将半固态成形技术应用于z a 2 7 合金，采用电磁搅拌装置制备z a 2 7 合 金半固态浆料，研究不同搅拌参数对非枝晶组织的影响及其形成机理；通过帽形 件、直齿圆柱齿轮件成形模具分别对z a 2 7 合金进行液态模锻、电磁搅拌后半固 态流变模锻等成形试验，研究成形工艺参数对其组织性能的影响，探讨了影响半 固态金属浆料模锻成形质量的工艺因素及其在成形过程中的变形机制：分别对常 规铸造、电磁搅拌后铸造、液态模锻、电磁搅拌后半固态模锻、二次搅拌后半固 态模锻等不同成形工艺制备的z a 2 7 合金进行硬度测试和摩擦磨损试验，研究其 耐磨性能、磨损机理与成形工艺方法的关系 结果表明：z a 2 7 合金在电磁搅拌试验中，搅拌电流越大，晶粒越细小致密， 搅拌时间短不足以打碎、圆整z a 2 7 凝固时的先结晶组织，搅拌时间长，先结晶 相易发生聚集长大，导致力学性能下降搅拌时间1 0 r a i n 左右，z a 2 7 合金的综 合力学性能达到最佳。二次重熔搅拌的组织更为细化圆整，硬度以及耐磨性能最 为优异。磨损表面形貌分析表明，z a 2 7 合金在干摩擦条件下的磨损形式主要是 犁削和粘着磨损。 同时为了提高锻件的成形质量，对搅拌温度、搅拌时间、浇注温度、比压等 工艺参数的选择进行了讨论试验结果显示：液态模锻z a 2 7 的机械性能优于常 规铸造以及电磁搅拌后铸造工艺的z a 2 7 ，半固态流变模锻使铸态晶粒细化，硬质 点相分布均匀，减小了应力集中程度，使裂纹钝化，从而进一步提高了z a 2 7 合金的 耐磨性能。 上述研究结果可为采用半固态模锻成形的工艺方法制造高内在质量、较高耐 磨性、一定尺寸精度的齿轮类零件提供理论上的依据。 关键词：z a 2 7 合金，电磁搅拌，半固态模锻，耐磨性 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，s e m i s o l i df o r m i n gt e c h n o l o g yw a sa p p l i e di nz a 2 7a l l o y z a 2 7 s e n t i s o l i ds l u r r i e sw a sp r e p a r e db ye l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gs e t t i n g ，t h ee f f e c to f d i f f e r e n ts t i r r i n gp a r a m e t e r so nn o n - d e n d r i t i cs t r u c t u r ea n di t sm e c h a n i s mh a v eb e e n s t u d i e d u s i n gh a t - s h a p e d 、o r t h o p t e r o u sc o l u m ng e a rw h e e lw o r k p i e c ef o r m i n g m o u l d ，z a 2 7a l l o yw e r es h a p e di nl i q u i ds t a t ef o r g i n g 、s e m i s o l i df o r g i n ga f t e r e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g t h e e f f e c to f f o r m i n g p r o c e s sp a r a m e t e r so nm i c r o s t r u c t u r e a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 、p r o c e s sp a r a m e t e r so nf o r m i n gq u a l i t i e so fs e m i s o l i d ： s l u r r i e sb yf o r g i n g 、s h a p e dm e c h a n i s mo fs e m i s o l i dm e t a lh a v eb e e nd i s c u s s e d h a r d n e s st e s t sa n dw e a rt e s t sw e r eu s e do nc o n v e n t i o n a lc a s t i n g 、c a s t i n ga f t e r e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g 、l i q u i ds t a t ef o r g i n g 、s e m i - s o l i df o r g i n ga f t e re l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g 、s e m i s o l i df o r g i n ga f t e rt w i c es t i r r i n gz a 2 7a l l o y ，t os t u d yt h er e l a t i o no f w e a rr e s i s t a n c ep r o p e a i e s 、a b r a s i o nm e c h a n i c , sa n dd i f f e r e n tf o r m i n gp r o c e s s r e s u l t so fe x p e r i m e n t sa sf o l l o w s ：i ne l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n ge x p e r i m e n t ， c r y s t a l sa r em i n u t e n e s sa l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fe l e c t r i cc u r r e n t w h e nt h es t i r r i n g t i m ei ss h o r t ，i ti sd i f f i c u rt ob r e a ku p 、r o u n dt h em i c r o s t m c t u r eo fe a r l i e rc r y s t a l s w h e nt h es t i r r i n gt i m ei sl o n g ，e a r l i e rc r y s t a l sp h a s ei se a s yt oc o n g l o m e r a t i o na n d g r o wu p ，i tw e a k e n st h em e c h a n i c sp r o p e r t i e so f z a 2 7a l l o y w h e n t h es t i r r i n gt i m ei s a b o u t1 0 m i n ，m e c h a n i c sp r o p e r t i e so fz a 2 7a l l o yi st h eb e s t i ns e m i s o l i df o r g i n g a f t e rt w i c es t i r r i n go fz a 2 7a l l o ye x p e r i m e n t ，m i c r o s t r u c t u r eo ff o r m i n gp a r t si st h e m o s tt e e n y ， a c c o r d i n g l yi t sh a r d n e s sa n d w e a rr e s i s t a n c ep r o p e r t i e si sa l s ot h eb e s t a n a l y s i so ft h ea b r a s i o ns u r f a c ei n d i c a t e dt h a tt h ew e a rf o r m so fz a 2 7a l l o yu n d e r d r yf r i c t i o nc o n d i t i o nm o s t l y i n c l u d e df u r r o wa n ds t i c k i n ga b r a s i o n i no r d e rt oe n h a n c ef o r m i n gq u a l i t i e so f f o r g i n gw o r k p i e c e ，t h ec h o i c eo f p r o e e s s p a r a m e t e r ss u c ha ss t i r r i n gt e m p e r a t u r e 、s t i r r i n gt i m e 、m o u l d i n gt e m p e r a t u r e 、r a t i o p r e s s u r ea n d s oo nh a v e b e e nd i s c u s s e d r e s u l t so fe x p e r i m e n t sa sf o l l o w s ： m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fl i q u i ds t a t ef o r g i n gz a 2 7a r eb e t t e rt h a nc o n v e n t i o n a l c a s t i n ga n dc a s t i n ga f t e re l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g b y s e m i s o l i df o r g i n ga f t e r n 江苏大学硕士学位论文 e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ，t h ec a s t i n gc r y s t a l so f z a 2 7a r em i n i a t u r ea n dr i g i dp a r t i c l e s a r ed i s t r i b u t e ds y m m e t r i c a l a c c o r d i n g l y ，s t r e s sc o n c e n n a wi sd e c r e a s e da n df l a w i s p a s s i v a t i o n t h u sw e a l r e s i s t a n c ep r o p e r t i e so f z a 2 7a l l o yi se n h a n c e d a b o v e 。m e n t i o n e dr e s e a r c hr e s u l t sc a l la f f o r dt h e o r yb a s i sf o rs e m i s o l i df o r g i n g p r o c e s st om a n u f a c t u r eg e a rw h e e lg e n e r i cp a r t s s u c hp a r t sw i l lh a v et h ef o l l o w i n g m e r i t s ：i m e r i o rq u a l i t y 、w e a rr e s i s t a n c ep r o p e r t i e sa n dd i m e n s i o np r e c i s i o na r ea i i e x c e l l e n t k e yw o r d s ：z a 2 7a l l o y ，e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ( e m s ) ，s e m i s o l i d f o r g i n g ， w e a rr e s i s t a n c ep r o p e r t i e s i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：菡功日目 谚，缸年 ，月f g 日 指导教师签名：；川辱趔 妒垆年上，孑目 y 1 0 1 6 1 霉6 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工彳乍所取缛的成果。除文中遵注明弓 用熬内容以乡 ，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成栗。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识蓟本声翳的法律结果离本人承担。 学位论文作者签名：丧n8 最 豳期：缈驴年占月f 孚e 江苏大学硕士学位论文 第一章本课题研究的目的和意义 1 1 国内外研究概况 1 1 1 半固态金属成形技术研究概况 自1 9 7 1 年美国麻省理工学院( m i t ) 的d bs p e n c e r 和m cf l e m i n g s 提出了 半固态金属成形概念以来，半固态金属( s e m i s o l i dm e t a l 简称s s m ) 0 a 1 成形技术 作为一种新型加工技术得到了国际上的普遍重视，已逐步成为各发达国家竞相发 展的一个领域，被称为2 1 世纪新兴的金属制造先进技术之一。 半固态金属加工是在金属的固液两相区内成形的一种工艺方法，是集铸造、 塑性加工等多种技术于一体的新型成形工艺，由于半固态金属具有特殊属性，为高 效率、低能耗实现金属热精密成形提供了一种现实可能，因而半固态金属成形技 术与传统的金属成形技术相比有其鲜明的特点，半固态金属成形的优点【3 州可概 括为以下几点： 1 材料在半固态变形抗力显著降低； 2 材料在半固态流动性，变形性好； 3 半固态金属合金的温度较液态金属低；成形模具工作温度较普通模具低； 4 半固态成形制品结构细微，贴模性好，内部质量好； 5 利用半固态浆体的高粘性，容易均一的渗入非金属材料和比重差大的金 属，制造新的复合材料和新成分的合金，为新材料的研制提供一条新路。 为了控制半固态合金成形的最佳工艺条件，首先应研究半固态合金非枝晶组 织形成及其流变性能。其中包括对半固态非枝晶组织特征以及在温度和剪切速率 等外在变量影响下半固态浆液的粘度变化规律，特别是研究瞬态过程其流变行为 和控制因素。半固态合金流变学作为成形的重要理论基础倍受关注 1 1 2 锌铝合金的研究现状及应用 高铝锌基合金是从上个世纪九十年代开始金属材料研究的热点之一。高铝锌 基合金具有强度高、硬度高、耐磨性好、抗阻尼性好、摩擦系数低、摩擦温升低、 江苏大学硕士学位论文 和制造成本低的优点，因而作为铜锡的代用材料目前已大量地应用在机械、冶金、 造船等工业上，主要用来制造轴瓦、轴套、蜗轮、滑块、压下螺母等耐磨件且 前，用高铝锌基合金制造零件的使用寿命已达到铜合金的1 0 倍，而制造成本仅 为铜合金的4 0 6 0 。锌铝合金以其优良的性能，较低的原材料成本和低的熔化 能耗受到了人们的重视，其研究和应用也日益深入。近年来，锌基合金的应用范 围已大量地覆盖到家用电器、计算机及电子工业，并且取得了十分显著的经济效 益。 1 2 半固态成形锌铝合金存在的问题 目前，半固态成形技术仅在国外少数发达国家实现了产业化规模生产、但发 展速度非常迅猛。其主要原因是这种技术能够实现节能节材与复杂工件的少无切 削加工的先进性。我国对半固态成形技术的研究起步较晚，但随着企业对这项技 术的了解与认识的不断加深，目前正处于由实验室向产业化生产的过渡阶段。 为了改善和调整锌铝合金的使用性能，拓宽其应用领域，人们采用诸如合金 化、变质、热处理、塑性变形等措施和技术对锌铝合金进行处理，并取得了一定 成效。但是目前国内锌铝合金半固态成形工艺并没有真正开展起来。 在耐磨件领域，目前以锌基合金取代铜合金已是大势所趋。作为典型的耐磨 件之一，可以说蜗轮的近净成形水平代表了一个国家精密成形技术的发展水平。 这是因为蜗轮锻件的精密成形不仅对外形与尺寸精度提出很高的要求，而且在内 在质量上也需要进行严格的控制，同时锻件加工的生产率应符合经济性要求。 目前，美国、意大利等国家已将半固态近净成形技术应用在蜗轮的制造上， 实现了产业化生产或仅需极少量后续加工的蜗轮。但我国该行业仅局限于用铸造 成形的方法来生产锌基合金蜗轮的毛坯。铸造过程中难以消除的铸造缺陷会使零 件的机械性能大大降低。在后续加工中，大量的金属被切削掉，不仅浪费加工工 时，材料与能源的浪费也是非常突出的问题。 2 江苏大学硕士学位论文 1 3 本课题研究的目的、意义及内容 1 3 1 本课题研究的目的、意义 在锌铝合金系列中，z a 2 7 以其优良的综合性能而成为锌基合金的研究热 点本课题旨在通过用半固态近净成形的方法开展高铝锌基合金z a 2 7 齿轮类零 件精密成形工艺的研究，以期获得批量生产条件的合理工艺参数，为今后开发半 固态精密成形蜗轮产品铺平道路。这样不仅会大大提高我国同类产品的档次，也 彻底改变我国耐磨件行业产品傻、大、黑、粗的落后局面。 本课题研究的目的具体有以下几点： 1 实现z a 2 7 半固态齿轮类零件的精密成形( 近净成形) 2 用节能节材的精密成形技术取代传统的铸坯与切削加工工艺 3 节约材料消耗、能源与加工工时消耗 1 3 2 本课题研究的内容 1 利用半固态电磁搅拌技术的优点，制备出比较理想的z a 2 7 半固态铸锭 2 对搅拌情况下制得的半固态浆料进行流变成形，研究半固态成形中金属 的流动规律。 3 研究工艺参数对成形质量的影响。 4 分析不同成形方法对半固态z a 2 7 耐磨性能的影响。 3 江苏大学硕士学位论文 第二章半固态z a 2 7 坯料的制备工艺 制备具有非枝晶组织的半固态浆料是实现半固态成形的首要环节。这个问题 的关键就在于打碎液态金属正在凝固时的树枝状晶，使其初晶球状化、细晶化 半固态金属坯料的制备方法很多，常用的有机械搅拌法、电磁搅拌法、应变 诱发熔体激活法、液相线铸造法、剪切冷却一滚动法等。目前仅仅搅拌法和应变 激活法运用到了工业生产中，其它方法还处于实验室研究阶段。 其中电磁搅拌法因为具有不会污染金属浆料，也不会卷入气体，电磁参数控制 方便灵活等优点而在实际生产中得到最为广泛的应用。美国、加拿大、日本、法 国都有电磁搅拌连铸法制备非枝晶锭料的专业工厂。我国的北京有色金属研究总 院、北京科技大学、清华大学等单位也在进行这方面的研究【l o 】，并已取得很大 进展，但仍未投入实际生产。制备方法的选择原则应根据现有条件、应用需要、 简便、可靠和经济原则来选择。 本研究根据现有的实验条件，采用在感应线圈内通交变电流的电磁搅拌器对 z a 2 7 合金在液固两相区进行电磁搅拌以制备z a 2 7 半固态坯料。 2 1 电磁搅拌实验原理及装置 2 1 1 电磁搅拌的基本原理 电磁搅拌( e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g 简称e m s ) 是借助电磁力强化铸坯内未凝 固金属熔液的运动，从而改变凝固过程的流动、传热和介质，达到晶粒细化、改 善铸坯质量的目的。根据电磁感应定律，闭合回路内的磁通量发生变化时，闭合 回路将产生感应电动势。第一种情况是，导电回路不动，穿过回路的磁通量随时 间变化。第二种情况时，导电回路与磁场之间有相对运动，即导体切割磁力线。 旋转电磁场对金属熔液的搅拌就属于第二种情况。工作原理和普通异步电机 类似，金属熔液相当于电机的转子，搅拌器的感应器相当于电机的通电线圈。金 属熔液可以被看作有无数的导电回路组成。当磁场围绕金属熔液旋转的时候，磁 场和金属熔液之间的相对运动就可以被看作是磁场与导电回路的相对运动，也就 4 江苏大学硕士学位论文 是导电回路内的磁通量发生了变化它们遵循两个基本规律：电磁感应和载流导 体与磁场的相互作用，即当金属熔液处于交变磁场中，由于磁场以一定的速度切 割金属熔液，就在其中感应出电流： i - - p = ( r x b )( 2 1 ) 式中二一电流密度： 金属熔液的电导率， 乎一感应电动势： 删场运动速度，实际应理解为磁场运动速度与金属熔液流动速度之差； 伊磁感应强度； 该电流与磁场相互作用产生电磁力：阿) 佃( 2 - 2 ) 式中，_ 一电磁力； k 电流密度； 8 磁感应强度； 电磁力是体积力，作用在金属熔液每个体积单元上，从而驱动金属熔液运动 2 1 2 电磁搅拌实验装置 目前。电磁搅拌法主要有两种方式：一种是在感应线圈内通交变电流的传统电 磁方法，北京有色金属研究总院与北京科技大学1 2 ，”】采用自制的电磁搅拌流变装 置。已经制备出一定规格的a i - s i 7 m g 和6 0 s i 2 m n 半固态坯料；另一种是1 9 9 3 年 由法国的c h a r l e sv i v e s1 1 4 推出的旋转永磁体法，由于电磁感应器由高性能的永磁 材料组成，其内部产生的磁场强度高，通过改变永磁体的排列方式，可使金属液产 生明显的三维流动。 本文所采用的电磁搅拌装置是在感应线圈内通交变电流的d n v i r - 1 6 1 6 w 型 外装式直接水冷电磁搅拌器。如图2 1 所示，本装置中可通过改变定子线圈电流 ，来改变磁感应强度口，从而达到不同的搅拌效果。 江苏大学硕士学位论文 | 上 ，i 、 矿 ， 兰r l l 。之心u f 掣螂醇、v r 1 u a l f u 世l心7 y 。能 臣虱l 因；1 l 图|贰 1 _|。 詹； i 霪- - 。，。阌；，。嚣七 f ；i ； 薹 、 ； 西 os 后，式( 3 - 1 ) 才能成立。 半固态浆料才能发生塑性流动 对于半固态浆料，目前比较典型的说法是把它看作是多孔性的金属材料，即 固相颗粒部分互相接触而且液相充满晶间空间。可用多孔介质的毛细管模型来解 释半固态浆料在发生塑性变形时，固液两相的分离现象【2 6 】。在多孔介质中，流 过一个孔道的流量为 q ：z r d 4 a p( 3 2 ) 1 2 8 7 、7 式中r 粘度 尸压力差 三孔道长度 d 孔道直径 q 单孔道流量 从上式可以看出，只要半固态浆料中存在液相可以自由流动的通道和压力 差，液相一定会从压力大的区域流向压力小的区域，即在变形过程中应力梯度的 存在，使液相发生流动，液固两相发生分离。应力梯度越大，液固两相分离现象 越明显。因此在半固态浆料的成形过程中，要改善其应力状态，使其尽可能处于 三向压应力状态【2 7 1 。 3 3 2 半固态金属的变形过程及变形方式分析 图3 7 演示了半固态模锻z a 2 7 帽形件的变形过程。即首先将搅拌好的半固 态浆料平稳浇入模腔内( 图3 7 ( a ) ) 。然后上模冲头向下运动加压成形。当上模接 江苏大学硕士学位论文 触半固态浆料时，一方面引起半固态浆料的温度降低，其间伴随着固相分数的增 多、浆料塑性的下降：另一方面浆料在上模的挤压作用下克服模壁的摩擦阻力完 成充型过程，其间伴随着多余液相被挤出到自由表面、液固两相的分离( 图3 7 ( b ) 、 ( c ) ) 。在零件凝固过程中，让上模冲头保压，使半固态金属在压力的作用下不断 被压入模腔内，以补偿零件凝固产生的缩孔，多余的浆料则溢出模外形成飞边( 图 3 7 ( d ) ) 。 【j l j 励嘲 扇。扇膨参阵 ( a )( b )( c )( d ) 图3 7 半固态模锻z a 2 7 成型工件的变形过程 f i 9 3 7s h a p e dp r o c e s so f z a 2 7m o l d i n gw o r k p i e e eb ys e m i - s o l i df o r g i n g 半固态金属的变形方式可分为液相流动、固液相混合流动、固相滑动和固相 塑性变形等几种【2 扪。在压缩变形的任何阶段，高固相体积分数的半固态合金的流 动阻力可解释为以下四种机理： ( 1 ) 晶粒接触处的弹塑性变形； ( 2 ) 固相晶粒间粘合约束的破坏9 ( 3 ) 相对于固相的液相流动阻力； ( 4 ) 晶粒重新排列的阻力 在变形的早期阶段，前两种机理是主要的，表明初始流动阻力取决于固相晶粒 间的粘合力，而不是固相的屈服应力；后两种机理在变形的第二阶段是主要的，它 们对总体流动阻力的相对贡献取决于固相体积分数【2 9 】对于压缩变形，由于液相 在很短的时间内经历压缩应力被挤出边界，靠压缩实验很难研究与液体流动有关 变形可以认为由于液相起润滑剂的作用，使固相元素更容易相互滑移。 通过对半固态z a 2 7 帽形件的半固态模锻试验可以看出，半固态浆料在塑性 变形动过程中，固相与液相本身的塑性流动方式是不同的。固相颗粒的变形以发 生塑性变形以及固相间的滑移为主，液相则以流动为主。随着变形的进行，固液 江苏大学硕士学位论文 两相发生分离，液相从固相颗粒的间隙挤出液相主要流向无约束的自由表面， 而固相颗粒主要集中在中心不可避免的产生固液两相的宏观偏析偏析程度与 固相率、变形程度、变形速率都有关系【3 0 】。例如在4 6 0 0 半固态模锻成形z a 2 7 帽形件时，由于成形温度低，固相率高，在大的变形力作用下，帽形件凸缘部分 呈菜花状放射开裂( 图3 4 ( a ) ) 。这是由于固相颗粒是包裹在液相中随液相移动的， 而液体几乎没有什么抗拉强度，因此试样的边缘在表面拉应力的作用下彼此分 开，造成工件凸缘部分开裂为了避免这种情况的发生，一方面要求半固态金属 成形温度不要过低，另一方面可以采取在完全封闭的模腔中成形工件，使工件在 成型过程中始终受到三向压应力的作用。例如下章我们在成形齿轮时所采用的 成型凸模就可以保证这_ 点。 固相率的大小直接影响到变形过程中的固液两相的塑性流动情况。当固相率 较低时，半固态浆料的塑性变形以液相的流动和固液两相的混合流动为主；随着 固相率的提高，变形机制主要以固相颗粒的滑动和固相颗粒的塑性变形为主( 见 图3 5 ) 。 随着变形的进行，半固态浆料中固液两相分布在试样不同区域的比例也是不 均匀的。那么试样不同区域固液两相参与变形的变形程度也是不同的。从图3 5 可以看出，试样中心的固相颗粒发生了塑性变形，试样边部的自由表面上固相颗 粒并没有发生塑性变形，试样转角处可看出晶粒被挤压并拉长的痕迹。 总之，半固态浆料在半固态区间塑性变形时，不同的固相率下其固液两相的 塑性流动机制是不同的。在变形过程中，基本上都要发生液相流动，固液相混合 流动、固相滑动和固相塑性变形等这几个变形方式，并且在试样各区域上述几个 方式参与塑性变形的程度是不同的。 3 4 本章小结 本章对帽形件z a 2 7 试样进行半圆态模锻成形试验，对比分析了不同成形工 艺参数对成形零件表面质量以及内部组织的影响，以及成形条件对成形质量的影 响，探讨了半固态金属的变形机理。结论如下； ( 1 ) 锌基合金经过电磁搅拌后半固态模锻成形的组织比常规金属型铸造组织更加 江苏大学硕士学位论文 细小致密，使常规金属型铸造的枝晶得到了有效破碎，分离成棒状、颗粒状 近球晶组织 ( 2 ) 为避免锻件主体内混入夹杂，浇注前应严格进行去气去渣处理；对于长程流 动成形的锻件，为保证其良好的填充性，半固态浆料搅拌时间与温度应严格 控制，同时模具的预热温度也应稍高，以避免充不满、造成固液分离，冷隔 等缺陷的产生。 ( 3 ) 对于锻件斜度的处理，外斜度因锻件成形后冷却时收缩方向脱离模壁，可取 小些，一般为0 。- - 3 。左右对于内斜度因其收缩时极易夹紧模具凸出部分 从而导致脱模困难。需取大些。同时模具表面的粗糙度应尽量的低。 ( 4 ) 成形温度对半固态z a 2 7 成形效果的影响为：成形温度过低，固相分数增多， 易导致塑性下降；成形温度过高，液相比例增多，易导致流汤现象。成形温 度在4 7 5 左右较为适宜，此时成形的制件表面平整光滑，内部组织致密。 ( 5 ) 变形速率对半固态z a 2 7 组织的影响为：交形速率低时，变形试样的边部有 许多微晶粒聚集在一起形成所谓的“大结构”微粒簇，而变形速率高时， 试样内部液相分布均匀，基本无“大结构”微粒簇现象，各晶粒尺寸差别 也不是很明显。 ( 6 ) 半固态浆料在半固态区间塑性变形时，不同的固相率下其固液两相的塑性流 动机制是不同的。在变形过程中，基本上都要发生液相流动、固液相混合流 动、固相滑动和固相塑性交形等这几个变形方式，并且在试样各区域上述几 个方式参与塑性变形的程度是不同的。 ( 7 ) 半固态z a 2 7 合金在半固态温度区间的低温区( 4 6 5 - - 4 7 0 c 左右) 变形时的变 形机理是心部固相塑性变形占绝对优势，边部以固液相混合流动机理为主； 在半固态温度区间的高温区变形时的机理是心部以固液相混合流动为主，边 部以液相流动为主；而在半固态温度区间的中温区( 4 7 5 - - 4 8 5 左右) 变形 对，变形温度适宜，整个变形始终以固液相混合流动与固相粒子滑动机理为 主，直到变形后期固相颗粒相互接触而发生塑性变形，使变形相对均匀。 江苏大学硕士学位论文 第四章z a 2 7 合金半固态模锻成形齿轮类零件初探 蜗轮是机电行业大量使用的耐磨件之一，从上个世纪末起，以锌基合金取代 铜合金制造蜗轮已是大势所趋。目前，美国、意大利等国家已将半固态近净成形 技术应用在蜗轮的制造上，制造出精度符合要求、齿形准确饱满的蜗轮。 该零件齿形部不需加工，其它部分仅需少量的切削加工但我国目前锌基合 金蜗轮的生产仍处于用铸造毛坯进行切削加工的传统工艺状态。在后续加工中， 大量的金属被切削掉，不仅浪费材料和加工工时，能源的浪费也是不可忽视的问 题，而且内部缺陷也较多。我们用两种不同形状的凸模进行成形试验，旨在通过 半固态模锻的方法开展z a 2 7 直齿圆柱齿轮零件精密成形工艺的研究，为今后开 发半圆态精密成形蜗轮产品创造条件 4 1 实验装置 试验模具结构见图4 1 。下模为内齿轮模，顶杆为与之相配的外齿轮顶杆。 图4 1 成形齿轮模具装置示意图 f 吨4 1 m o u l dd e v i c eo f g e a rw h e e lf o r m i n g 江苏大学硕士学位论文 上模结构有两种：其中一种为圆柱形凸模冲头，成形时由冲头仅对非齿部分进行 端面的挤压，迫使半固态金属浆料向模腔齿部流动。另一种为成型凸模，即小间 隙配合的齿形凸模。成形时凸模的端面将整个模腔端面覆盖。 4 2 实验参数的选择 下： 结合第四章半固态模锻z a 2 7 成形帽形件的经验，制定本试验的试验参数如 表4 1 半固态模锻z a 2 7 成形齿轮件的工艺参数 t a b l e 4 1p r o c e s s p a r a m e t e r so f f o r m i n g z a 2 7g e a r w h e e l b y s e m i - s o l i d f o r g i n g l 模具预热浇注温度 成形比压加压速度保压时间冷却方式 2 5 0 c 4 7 5 5 2 m p a 3 0 m m s2 0 s水冷 首先用第二章制备z a 2 7 半固态浆料的优化工艺参数制备出具有优良流变性 能的z a 2 7 半固态浆料，然后在本试验参数下分别将半固态浆料浇注到上述两种 模具中进行半固态模锻成形。 4 3 实验结果及分析 用圆柱形凸模、成型凸模两种齿轮模具制得的直齿圆柱齿轮零件的宏观照片 分别如图4 2 ( a ) 、c o ) 所示两种齿轮模具成形方法对应的z a 2 7 微观组织照片如 图4 3 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示。 从图4 2 ( a ) 可以看出，采用圆柱形凸模成形的齿轮齿部出现了较大飞刺，齿部 表面粗糙，齿形欠饱满，这是因为成形时由于冲头端面的挤压作用，迫使半固态 金属浆料向模腔齿部流动。而在齿部的半固态浆料只受到径向的挤压应力作用， 而在轴向因不受凸模的阻碍作用，故可以沿模壁自由向上流动，从而形成纵向飞 剌。而且圆柱形凸模成形齿轮零件的齿部会有游离的玫瑰状晶出现( 图4 3 ( a ) ) ， 这是因为在采用圆柱形凸模成形齿轮零件时，圆柱冲头凸模只压向齿轮中部，而 齿轮齿部并没有压到，所以齿轮中部属于高压区，齿部属于低压区。半固态浆料 中的液态金属会从高压区流向低压区，从而在齿部聚集大量的液态金属，最后冷 却为游离的玫瑰状晶粒组织。 江苏大学硕士学位论文 ( a ) 圆柱形凸模成形齿轮( ”成型凸模成形齿轮 ( c ) 成型凸模成形齿轮齿部局部放大图 图4 2 两种凸模半固态横锻成形z a 2 7 直齿圆柱齿轮的宏观照片 f i 9 4 2m a c r o s c o p i c a lp h o t o o f o r t h o p t e r o u sc o l u m n g e a r w h e e l b y t w os t y l e s m o u l d 而采用成型凸模成形的齿轮，因为凸模为与内齿轮凹模小间隙配合的齿形凸 模，成形时凸模的端面可以将整个模腔端面覆盖。从而成形时可以使模腔中的半 固态浆料始终处于三向压应力状态，因而成形的齿轮件齿形饱满、表面平整光滑 ( 图4 2 ( b ) 、( c ) ) 、内部组织致密圆整、无缩孔缩松缺陷( 见图4 3 ( b ) ) 。在齿根拐 角处可以看到明显的晶粒变形拉长及流动的痕迹( 图4 3 ( c ) ) ，在沿变形方向上各 相有被拉长的趋势。 这两种凸模的成形效果暗示了在以后蜗轮模具的设计以及成形中，凸模没覆 盖部分应加以保护，以保证模腔中的半固态浆料在成型时始终处于三向压应力状 态。 江苏大学硕士学位论文 ( a ) 圆柱形凸模成形齿项处组织( 2 0 0 x ) ( b ) 成型凸模成形齿轮组织( 2 0 0 x ) ( c ) 齿轮齿根拐角处锻造流线( 2 0 0 x ) 圈4 3 两种凸模半固态模锻成形z a o 7 齿轮的微观组织 f i g4 3m i e r o s t r u c t u r e o f z a 2 7 9 e a r w h e d b y t w os t y l e s m o u l da f t e r s e m i - s o l i d f o r g i n g 4 4 本章小结 本章利用两种凸模成形齿轮模具对z a 2 7 进行了半固态模锻成形，成功制得 了直齿圆柱齿轮零件，为以后蜗轮类齿形零件的近净成形积累了经验。 ( 1 ) 采用圆柱形凸模成形的齿轮齿部出现了飞边，齿部表面粗糙，齿形欠饱满， 而且齿顶处会看到游离的玫瑰状晶粒组织。这是因为在采用圆柱形凸模成形 齿轮零件时，由于齿部金属轴向处于自由状态，齿轮中部和齿部存在高低压 区的差异，造成固液金属分离而使部分液态金属流向齿顶处难于成形部分， 最后冷凝为游离的玫瑰状晶粒组织，从而对使用性能带来不良影响。 ( 2 ) 采用成型凸模成形的齿轮，即小间隙配合的齿形凸模，成形时可以使模腔中 的半固态浆料始终处于三向压应力状态，成形的齿轮件齿形饱满、表面平整 光滑、内部组织致密圆整、成形质量好 江 苏大学硕士学位论文 第五章不同成形条件下齿轮类零件耐磨性的研究 为了比较半固态模锻z a 2 7 合金成形齿轮类零件工艺的成形特性，本章分别 采用常规铸造、电磁搅拌后铸造、液态模锻、二次重熔搅拌后半固态模锻工艺对 z a 2 7 进行直齿圆柱齿轮成形，并与第四章采用的两种凸模( 圆柱形凸模、成型 凸模) 对z a 2 7 半固态模锻成形齿轮的工艺进行了比较。分析比较各成形工艺对 应成形齿轮的组织特征，并分别对其进行性能测试以验证试验效果。因为z a 2 7 最突出的特点和用途是其优良的耐磨性能，而硬度是反映材料局部抵抗塑性变形 的物理量，材料变形抗力的增加，在宏观上表现为硬度的提高。材料的硬度与其 耐磨性能息息相关，为此本部分性能试验主要从测试材料硬度与耐磨性能入手进 行比较分析，以期得到比较理想的改善z a 2 7 合金硬度并提高其耐磨性能的工艺 方法。 5 1 不同工艺制得的z a 2 7 齿轮零件的微观组织特征 图5 1 为常规铸造、电磁搅拌后铸造、液态模锻、二次重熔搅拌后半固态模 锻工艺对z a 2 7 进行直齿圆柱齿轮成形的组织照片。其中： 图5 1f a ) 为常规铸造普通凝固条件下成形z a 2 7 齿轮的微观组织，可以看出 其初晶为细密发达的树枝状； 图5 1 ( b ) 为在搅拌电流i = 3 0 0 a 、磁场强度b = 0 0 5 2 3 t 、等温搅拌温度为4 7 5 条件下电磁搅拌1 0 r a i n 后铸造成形z a 2 7 齿轮的组织。很明显z a 2 7 经过电磁 搅拌后已经打碎了树枝状初晶，其初生相由粗大的颗粒状近球形晶粒组成。晶粒 尺寸为2 5 - 4 0 u m 。 图5 1 ( c ) 为用成型凸模对z a 2 7 液态模锻成形齿轮的组织。其试验参数见表5 1 ： 表5 1 液态模锻z a 2 7 成形齿轮件的工艺参数 t a b l e 5 1p r o c e s s p a r a m e t e r so f f o r m i n g z a 2 7 9 e a r w h e e l b y l i q u i d f o r g i n g l 模具预热浇注温度成形比压加压速度保压时间冷却方式i 2 5 0 6 3 0 5 2 m p a 6 0 n i n 以 2 5 s 水冷i 江苏大学硕士学位论文 ( a ) z a 2 7 台金常规铸造组织( 5 0 x )( b ) z a 2 7 台金电磁搅拌后铸造组织( 2 0 0 ) ( c ) z a 2 7 合金液态模锻组织( 2 0 0 x )( d ) 二次重熔搅拌后半固态模锻组织( 2 0 0 x ) 图5 i 不同成形工艺对应的z a 2 7 合金微观组织照片 f i g5 1 m i c r o s t r u c t u r eo f z a 2 7a l l o yb yd i f f e r e n tf o r m i n gp r o c e s s 比较照片可以看出，经过液态模锻成形后的组织比常规铸造以及电磁搅拌后铸 造的组织更加细小致密，液态模锻后的z a 2 7 合金组织树枝状晶有一定程度的破碎， 初晶被拉长变形且相互交缠在一起。这是因为液态模锻后，由于压力的作用，促进 晶核生长，使初品变小，且在较高的冷却速度下也使结晶凝固的均匀化程度增加， 使晶内偏析程度降低。就其组织而言，虽没有发达的柱状晶组织，但也与塑性变形 流变组织相差甚远，充其量是稍变态的铸造组织。因此液态模锻在改善性能方面很 有限。 图4 3 ( a ) 、( b ) ( 见第四章) 分别为采用圆柱形凸模、成型凸模半固态模锻 z a 2 7 合金成形齿轮的组织。试验参数见第四章表4 1 。可以看出，经过电磁搅拌 后半固态模锻成形齿轮的组织其枝品得到了有效破碎和细化，初生相晶粒圆整致 密，基本为球品组织，晶粒尺寸为l o - - 1 5 u m 。 图5 1 ( d ) 为经过二次重熔搅拌然后用成型凸模半固态模锻成形z a 2 7 齿轮的 江苏大学硕 士学位论文 组织。即将z a 2 7 在搅拌电流i = 3 0 0 a ，磁场强度b = 0 0 5 2 3 t 、等温搅拌温度为 4 7 5 c 条件下搅拌1 0 r a i n 后用冷水冷却凝固制件，然后再将制件重新加热到半固 态温度，在同样的搅拌参数下重新搅拌一次，然后将搅拌好的半固态浆料用成形 凸模半固态模锻成形。成形时的工艺参数见表4 1 。可以发现成形后其组织最为 细小致密，晶粒大小均匀一致，更趋于球状晶，晶粒平均尺寸为5 u m 左右。这 是因为z a 2 7 在进行二次重熔搅拌时，熔化的只是熔点较低的共晶相，而球形的 初生相仍然保持为固相颗粒，因存在液固表面张力，初生相微粒的边缘会变得比 以前更圆滑一些，在再次受到搅拌力的作用时，造成晶粒之间更剧烈的互相磨损、 剪切以及液体对晶粒的冲刷，伴随着枝晶臂的熔断破碎，形核率提高，形成了更 多的细小晶粒，因而内部组织更加细小致密圆整。 5 2 不同工艺制得的z a 2 7 齿轮零件硬度试验 将1 群常规铸造、2 # 电磁搅拌后铸造、3 撑液态模锻、4 # 电磁搅拌后圆柱形凸 模半固态模锻、5 样电磁搅拌后成型凸模半固态模锻、6 # - - 次搅拌后半固态模锻六 种成形工艺方法制得的直齿圆柱齿轮零件用线切割切制成一定尺寸的试样，然后 用砂纸打磨后抛光制成硬度试样，分别在h b 3 0 0 0 型布氏硬度计上测定其布氏 硬度，每组试样各测三点取其平均值。实验结果如表5 2 所示。 表5 2 不同工艺制得的z a 2 7 台金硬度比较 t a b l e5 2h a r d n e s so f z a 2 7a l l o yi nd i f f e r e n tp r o c e s s 错5 佯 工艺l 群 2 撑 电磁搅拌电磁搅拌 6 群 电磁搅拌 3 群 = 次搅拌 类型常规铸造液态模锻 后圆柱形后成形凸 后半固态 后铸造凸模半固 模半固态 态模锻 模锻 模锻 硬度 1 0 3 6 71 2 7 1 71 4 0 6 71 4 3 - 3 3 1 4 81 5 0 h b 通过表5 2 硬度数值比较可以