（光学工程专业论文）钢铁材料挤压铸造专用涂料研究.pdf

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作恤妇唧 签字日期：加一年5 月归 导师躲扬韦、阅导师签名：抑伊n 签字日期：沙fo 年岁月l f 日 中图分类号：( x x u d c ：x x x x 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 博士学位论文 钢铁材料挤压铸造专用涂料研究 s t u d y o n s p e c i a lp u r p o s ec o a t i n go fs q u e e z ec a s t i n g o fi r o na n ds t e e l l r o na ne e l 作者姓名：姚淑卿 导师姓名：邢书明 学位类别：工学 学科专业：车辆工程 学号：0 5 1 1 6 2 7 0 职称：教授 学位级别：博士 研究方向：车辆先进制造技术 北京交通大学 致谢 本论文的工作是在我的导师邢书明教授的悉心指导下完成的，邢书明教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢多年来 邢书明教授对我的关心和指导。 邢书明教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向邢书明教授表示衷心的谢意! 谭建波教授、张励忠、鲍培玮、刘文老师对于我的科研工作和论文都提出了 许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，实验员邢文斌师傅在实验方案确定、设备调 试和实验过程中给予了大力协助，刘志民、张密兰、李楠、宋新丰、祝楷、刘毓、 宾仕博、吴夏玲、刘华斌等同学对我论文中的实验研究工作给予了热情帮助，在 此向他们表达我的感激之情。 另外也要特别感谢我的父母、公婆、爱人姚长飞以及其他亲人，他们的理解 和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 中文摘要 中文摘要 摘要：模具寿命一直是制约非固态加压成形技术在高熔点合金成形领域推 广应用的限制环节。采用在非固态加压成形模具表面喷涂涂料提高模具寿命是 一种既经济又有效的措施。目前尚无高熔点合金非固态加压成形专用涂料，因 此，本文对钢铁材料挤压铸造专用涂料性能测试方法、双层涂料体系工作原理、 涂料组分设计、涂料使用条件下的物理化学行为和力学行为进行了比较系统地 研究，并依据这些研究成果开发出了适用于高铬铸铁、高锰钢和碳素钢挤压铸 造专用涂料。 本文首先系统地研究了挤压铸造用涂料性能测试技术。根据钢铁材料挤压 铸造特点，定义了可喷涂指数、高温附着强度、抗熔焊系数等表征参量作为有 效反映涂料关键性能的重要参数。研究确定了这些表征参量的测试方法，实验 检验和误差分析均表明各测试方法可靠性高，能够满足实际应用需要。 通过对钢铁材料挤压铸造过程中模具工作环境的分析，提出了耐火隔热双 层涂料思想。该双层涂料体系包括作为隔热层的底层涂料和作为耐火层的表层 涂料。确定底层涂料的骨料为硅藻土，表层涂料的骨料根据合金材质不同分别 为铬铁矿粉或镁橄榄石粉或铝矾土。根据悬浮剂之间大的交互作用，确定了钠 基膨润土和羧甲基纤维素钠( c m c ) 组成的无机有机复合悬浮剂。使用这种复合 悬浮剂时涂料的可喷涂指数明显高于单独使用一种悬浮剂时的可喷涂指数，而 且复合悬浮剂中钠基膨润土的含量存在一个最佳值。该复合悬浮剂的悬浮机理 属于电吸附网络桥联机理。选择水玻璃和六偏磷酸钠作为底层硅藻土涂料的复 合粘结剂，其中随着水玻璃和六偏磷酸钠质量配比的增加，底层涂料的高温附 着强度呈现先增加后减小的趋势。选择磷酸铝和六偏磷酸钠作为表层涂料的复 合粘结剂，随着磷酸铝的增加三种表层涂料的高温附着强度明显增加；而随着 六偏磷酸钠的增加，三种表层涂料的高温附着强度先增加后减小。复合粘结剂 对涂料的抗熔焊系数影响较为复杂，铬铁矿粉硅藻土涂料的抗熔焊系数随着磷 酸铝的增加而增大、随着六偏磷酸钠的增加而减小；镁橄榄石粉硅藻土涂料的 抗熔焊系数随着磷酸铝、六偏磷酸钠的增加而减小，但是磷酸铝与六偏磷酸钠 的交互作用能增大涂料的抗熔焊系数：铝矾土硅藻土涂料的抗熔焊系数随着磷 酸铝的增加而减小，随着六偏磷酸钠的增加而增大。 应用热力学理论研究了涂料在使用条件下发生化学反应的可能性、相变发 北京交通大学博士学位论文 生的方向性以及产物的稳定性等问题。对铬铁矿粉涂料来说，为尽量避免生成 低熔点的铁尖晶石，要选择a 1 2 0 3 含量较少的铬铁矿粉作为涂料的骨料；在选 择镁橄榄石粉时，选择m g o s i 0 2 配比较高的镁橄榄石粉作为涂料的骨料，能减 少低熔点的顽火辉石的生成：在铝矾土涂料中，应选择a 1 2 0 3 百分含量很高的 铝矾土作为涂料的骨料，这样在高温下可以生成高熔点的莫来石，能够充分发 挥骨料的耐火性能。 从力学角度分析发现，钢铁材料挤压铸造专用涂料涂层破坏的主要原因是 热应力和浇注金属熔体的机械冲击应力。建立了涂层破坏时的动力学模型，即 当作用于材料上的热应力和熔体的机械冲击应力大于临界应力时，裂纹扩展， 涂层很快断裂发生剥落。由此得到涂层完整的力学判据，通过控制涂层热应力 和液流冲击应力的各影响因素使涂层强度符合要求。另外通过观察和测试涂层 使用前后的微观形貌和化学成分的变化，分析得到涂层的失效机理是在微裂纹 基础上引起的裂纹扩展产生的涂层剥落。 研制开发了高铬铸铁挤压铸造用铬铁矿粉硅藻土涂料、高锰钢挤压铸造用 镁橄榄石粉硅藻土涂料和碳素钢用挤压铸造用铝矾土硅藻土涂料。与其他商品 涂料相比，这三种专用涂料材料来源广泛，价格便宜，制造成本不高。性能测 试和现场使用结果均表明该涂料的可喷涂性、高温抗擦落能力、抗熔焊能力以 及制件质量均达到国内先进水平。 关键词：双层涂料；组分设计；挤压铸造；钢铁材料 分类号：t g 2 4 9 2 a b s t r a ( x a b s t r a c t a b s t r a c t ：d i el i f ew a sar e s t r i c t e dl i n ko fp o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no f s q u e e z ec a s t i n g o fh i g hm e l t i n gp o i n ta l l o y s u s i n gc o a t i n go nm o l ds u r f a c ei n s q u e e z ec a s t i n gt oe n h a n c et h em o l ds e r v i c el i f ei so n em e a s u r eb o t he c o n o m ya n d e f f e c t i v e a tp r e s e n tt h e r ei s s t i l ln os p e c i a l - p u r p o s ec o a t i n gf o rs q u e e z ec a s t i n go f l l i g hm e l t i n gp o i n ta l l o y s t h e r e f o r e ，i nt h i sp a p e r , as p e c i a l - p u r p o s ec o a t i n gs y s t e m a n dt h e i rc o m p o n e n td e s i g n , t h ep e r f o r m a n c et e s tm e t h o d ，t h ep h y s i c a lc h e m i s t r ya n d m e c h a n i c sb e h a v i o ro fs p e c i a l p u r p o s ec o a t i n go fn o n - s o l i ds t a t ep r e s s u r ef o r m i n go f i r o na n ds t e e lm a t e r i a l su n d e rt h ee x p l o i t a t i o nc o n d i t i o n sw e r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d b a s e do nt h e s er e s e a r c hr e s u l t s ，t h es p e c i a l - p u r p o s ec o a t i n g sw e r ed e v e l o p e df o rt h e h i g l lc h r o m i u mc a s ti r o n ，t h eh i g hm a n g a n e s es t e e la n dt h ep l a i ns t e e l a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fs q u e e z ec a s t i n go f i r o na n ds t e e l ，t h ed e f i n e d p e r f o r m a n c ea t t r i b u t ep a r a m e t e r s ，s p u r t a b l ei n d e x ，h i g ht e m p e r a t u r ea d h e s i o n a n d a n t i - f u s i o nw e l d i n gc o e f f i c i e n tc a l lr e s p o n de s s e n t i a lp e r f o r m a n c eo fc o a t i n g e a c h t e s tm e t h o do fa t t r i b u t e dp a r a m e t e rh a db e e nd e t e r m i n e db yt h er e s e a r c h t h e e x p e r i m e n t a le x a m i n a t i o n sa n dt h ee r r o ra n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h er e l i a b i l i t yo f e a c h t e s tm e t h o di sh i g h ，a n dw h i c hc a nm e e tt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nn e e d s t h r o u g ha n a l y s i so ft h em o l dw o r k i n gc o n d i t i o n si ns q u e e z ec a s t i n go f i r o na n d s t e e l ，t h ed o u b l e - d e c k e dc o a t i n gt h o u g h ti sp r o p o s e d t h i sd o u b l e - d e c k e dc o a t i n g s y s t e mi n c l u d e st h e r m a li n s u l a t i o nl a y e r - f i r s tf l o o rc o a t i n ga n dt h er e f r a c t o r yl a y e r - s u r f a c el a y e rc o a t i n g t h ef i r s tf l o o rc o a t i n ga g g r e g a t ei sd i a t o m i t e ；a c c o r d i n gt o d i f f e r e n ta l l o y st h es u r f a c el a y e rc o a t i n ga g g r e g a t er e s p e c t i v e l yi s f e r r o c h r o m e p o w d e r , f o r s t e r i t ep o w d e ra n db a u x i t ep o w d e r s o d i u m - b e n t o n i t ea n dc m ca r e d e t e r m i n e da st h ei n o r g a n i c o r g a n i cc o m p o u n dd e f l o c c u l a n to fc o a t i n g t h er e s e a r c h i n d i c a t e dt h a tt h es p u a a b l ei n d e xo ft h ec o a t i n gw h i c hu s i n gc o m p o u n dd e f l o c c u l a n t w a so b v i o u s l yh i g h e rt h a nw h i c hu s i n go n ek i n do fd e f l o c c u l a n ta l o n e ，m o r e o v e ri n t h ec o m p o u n dd e f l o c c u l a n tt h eb e n t o n i t ec o n t e n th a sab e s tv a l u e ，t h i sc o m p o u n d d e f l o c c u l a n ts u s p e n s i o nm e c h a n i s mb e l o n g st ot h ee l e c t r o - a d s o r p t i o nn e t w o r kb r i d g e j o i n tm e c h a n i s m s o d i u ms i l i c a t ea n ds o d i u mh e x a m e t a p h o s p h a t ea r ed e t e r m i n e da s t h ec o m p o u n dc e m e n t i n ga g e n to ft h ef i r s tf l o o rc o a t i n g ，a n dh i 曲t e m p e r a t u r e a d h e s i v es t r e n g t ho ff i r s tf l o o rc o a t i n gp r e s e n t sat e n d e n c yw h i c hi n c r e a s e sf i r s ta n d t h e nr e d u c ew i t l lt h e p e r c e n t a g e i n c r e a s eo fs o d i u ms i l i c a t ea n ds o d i u m v t h ei n c r e a s i n go fa l u m i n u m p h o s p h a t ea n dt h er e d u c i n go fs o d i u mh e x a m e t a p h o s p h a t e t h ea n t i - f u s i o nw e l d i n gc o e f f i c i e n to ft h ef e r r o c h r o m e - d i a t o m i t ec o a t i n gr e d u c e sw i t h t h e i n c r e a s i n g o fa l u m i n u m p h o s p h a t e a n ds o d i u m h e x a m e t a p h o s p h a t e ；t h e c o r r e l a t i o no fa l u m i n u mp h o s p h a t ea n ds o d i u mh e x a m e t a p h o s p h a t ec a l li n c r e a s et h e a n t i - f u s i o n w e l d i n g c o e f f i c i e n t t h ea n t i f u s i o n w e l d i n g c o e 佑e i e n to ft h e b a u x i t e - d i a t o m i t ec o a t i n gr e d u c e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fa l u m i n u mp h o s p h a t ea n d i n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n go fs o d i u mh e x a m e t a p h o s p h a t e p r o d u c tp r o b l e m sf o u n d u n d e rt h e e x p l o i t a t i o nc o n d i t i o n s ，s u c h a st h e p o s s i b i l i t yo ft h ec o m p l e xc h e m i c a lr e a c t i o na n dp h a s e - c h a n g eo c c u r r i n g , a n dt h e s t a b i l i t yo fp r o d u c t i o n w e r es t u d i e d b yu s i n ga p p l i e dt h e r m o d y n a m i c s t h e a p p l i c a t i o nt e m p e r a t u r eo ft h ea g g r e g a t ea n dt h ec e m e n t i n ga g e n ta r ec a r r i e do nt h e c o n t r 0 1 t oa v o i dt h ef o r m i n go ft h el o wm e l t i n gp o i n tf e r r o s p i n e l ，t h ec h r o m i t e s p o w d e ro fl e s sa 1 2 0 3c o n t e n ts h o u l db ec h o s e na st h ea g g r e g a t eo fc h r o m i t e sc o a t i n g t or e d u c et h ep r o d u c t i o no fl o wm e l t i n gp o i n tp r o t o b a s t i t e ，t h ef o r s t e r i t ew i t hh i g h s c a l eo f m g o s i 0 2s h o u l db ec h o s e nf o rt h ef o r s t e r i t ep o w d e r t op r o d u c eh i 9 1 1p o i n t m u l l i t ew h i c hc a l ld i s p l a yf u l l yf i r ep e r f o r m a n c eo ft h ea g g r e g a t e ，t h eb a u x i t ew h i c h c o n t a i n sh i g hp e r c e n t a g eo f a l 2 0 3s h o u l db ec h o s e n 硒a g g r e g a t eo ft h ec o a t i n g f r o ma n a l y s i so fm e c h a n i c s ，t h em a i nr e a s o n sw h i c hd e s t r o ys p e c i a lp u r p o s e c o a t i n gf o rs q u e e z ec a s t i n go fi r o na n ds t e e la l et h et h e r m a ll o a da n dt h ei m p a c ts t r e s s f r o ml i q u i df l o w t h ed y n a m i cm o d e lo ft h ec o a t i n g sd e s t r o y i n gw a sb u i l t ，w h i c h i n d i c a t e st h a tt h ec r a c kw i l le x p a n d ，a n dt h ec o a t i n gw i l lq u i c kb r e a ka n df l a k i n go f f w h e nt h es u mo ft h e r m a ll o a da n dl i q u i df l o wi m p a c ts t r e s si sh i g h e rt h a nt h ec r i t i c a l s t r e s so nt h ec o a t i n gm a t e r i a l t h ec o a t i n gi n t e g r i t ym e c h a n i c sc r i t e r i o nw a so b t a i n e d f r o mt h i sm o d e l t h es t r e n g t ho ft h ec o a t i n gc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t sb y c o n t r o l l i n g t h e r m a ll o a da n d l i q u i d f l o wi m p a c ts t r e s s b a s e do nt h e c o m p a r i s o no ft h e m i c r o s c o p i cm o r p h o l o g ya n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h ec o a t e da n du n c o a t e d s u r f a c e ，i ti sf o u n dt h a tt h ec o a t i n ge x p i r a t i o nm e c h a n i s mi sc o a t i n gf l a k i n gi nt h e a b s t r a c t m i c r oc r a c k t h e r ea r et h r e ek i n d so fs p e c i a l p u r p o s ec o a t i n gw e r ed e v e l o p e d ，i nt h ep r e s e n t w o r k t h e ya r ec h r o m i t e - d i a t o m i t ec o a t i n gf o rs q u e e z ec a s t i n gh i g hc h r o m i u mc a s t i r o n , f e r r o c h r o m e - d i a t o m i t e c o a t i n g f o r h i g hm a n g a n e s e s t e e l a n dt h e b a u x i t e - d i a t o m i t ec o a t i n gf o rp l a i ns t e e l c o m p a r e dw i t ho t h e rc o m m o d i t yc o a t i n g s ， t h es p e c i a l p u r p o s ec o a t i n g sh a v et h ea d v a n t a g e so fe a s ya v a i l a b i l i t y , l o wp r i c ea n d l o wp r o d u c t i o nc o s t p e r f o r m a n c et e s ti n d i c a t e st h a tt h e s ec o a t i n g sh a v et h eg o o d n a t u r eo fs p u r ts p r e a d s ，h i 曲a n t i w e a r i n gc a p a b i l i t ya th i g l lt e m p e r a t u r e , a n d e x c e l l e n ta n f i - m d tw e l d sc a p a b i l i t y n ea c h i e v e m e n t so ft h i sw o r kr a n k e da tt h e a d v a n c e dl e v e li nc h i n a k e y w o r d s ：d o u b l e - d e c k e dc o a t i n g ；c o m p o n e n td e s i g n ；s q u e e z ec a s t i n g ；i r o n a n ds t e e l c l a s s n 0 ：t g 2 4 9 2 北京交通大学博士学位论文 目录 1 绪论1 3 1 1非固态加压成形技术的产生和发展1 3 1 2高熔点合金挤压铸造的模具寿命。1 5 1 2 1挤压铸造模具服役特点及其失效形式1 5 1 2 2提高挤压铸造模具寿命的技术途径1 9 1 3非固态加压成形用涂料的研究现状与发展2 2 1 3 1涂料组分2 2 1 3 2涂料性能测试方法2 7 1 3 3应用效果及发展趋势。3 l 1 4本研究的目标、意义和内容3 5 1 4 1研究目标、意义3 5 1 4 2本论文的主要研究内容3 5 2钢铁材料挤压铸造专用涂料的性能表征与测试方法3 7 2 1钢铁材料挤压铸造专用涂料的关键性能参数3 7 2 2钢铁材料挤压铸造专用涂料关键性能的测试。3 8 2 2 1可喷涂性3 8 2 2 2高温抗擦落能力。4 l 2 2 3抗熔焊能力4 4 2 3本章小结4 7 3专用涂料的组分与配方设计4 9 3 1隔热耐火双层涂料原理。4 9 3 2耐火骨料。5 5 3 3无机有机复合悬浮剂5 9 3 3 1悬浮剂组成的实验研究6 0 3 3 2 无机有机复合悬浮机理研究6 3 3 4水玻璃磷酸盐复合粘结剂6 5 3 4 1粘结剂的作用6 5 3 4 2 底层涂料粘结剂组成的实验研究6 6 3 4 3表层涂料粘结剂的组成实验6 8 3 4 4复合粘结剂的粘结机理7 l 北京交通大学博士学位论文 3 5 本章小结 4 涂料在使用条件下的物理化学行为研究 4 1涂层在高温高压下反应过程的热力学分析方法 4 2 耐火骨料在使用条件下的物理化学行为 4 3 粘结剂在使用条件下的物理化学行为 4 3 1 水玻璃粘结剂高温下发生的物理化学变化 4 3 2磷酸铝粘结剂高温下发生的物理化学变化 4 4涂层工作条件下力学行为8 7 4 4 1 涂层失效的形式和原因8 7 4 4 2 涂层热应力仃执计算8 9 4 4 3 液流对涂层的冲击力仃冲击计算9 2 4 4 4 涂层的完好性判据9 3 4 5涂层失效机理9 5 4 6 本章小结10 0 5专用系列涂料的研制与应用1 0 3 5 1 涂料的制备、涂覆和干燥1 0 3 5 1 1 涂料制备10 3 5 1 2 涂料涂覆和干燥10 4 5 2高铬铸铁用铬铁矿粉涂料的研制与应用1 0 5 5 2 1涂料的组分设计10 5 5 2 2涂料的性能研究1 0 6 5 2 3 铬铁矿粉涂料应用116 5 3 高锰钢专用涂料的研制与应用1 18 5 3 1涂料的组分设计1 1 8 5 3 2涂料的性能研究1 1 9 5 3 3镁橄榄石粉涂料应用1 2 2 5 4碳素钢用铝矾土涂料的研制与应用1 2 3 5 4 1涂料的组分设计1 2 3 5 4 2涂料的性能研究1 2 4 5 4 3铝矾土涂料生产应用1 2 6 5 5 本章小结1 2 7 6 l ；论1 2 9 参考文献131 附录a 13 7 目录 索弓l 1 3 8 作者简历1 3 9 独创性声明1 4 0 学位论文数据集：1 4 1 北京交通大学博士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 非固态加压成形技术的产生和发展 非固态加压成形技术是指利用金属材料在非固态时良好的流变性能，在附加 压力作用下充满模具型腔并凝固成形的一大类材料成形技术的总称。使用这种成 形技术得到的零件毛坯仅需少量加工或不再加工就可以用作机械构件。挤压铸 造、压力铸造、液态挤压、液态复合、低压铸造、差压铸造以及各种半固态铸造 和半固态锻造技术都属于非固态加压成形技术。根据成形前金属材料的状态不 同，非固态成形技术可分为液态加压成形技术和半固态加压成形技术两大类。它 们的工艺过程一般是：将液态或半固态的金属熔体浇入模具型腔或压室内，然后 在一定的时间内、在外加成形压力或其他辅助手段或技术作用下，使金属熔体结 晶凝固成形、得到接近最终产品形状和质量的工件。非固态加压成形技术的共同 特征是：( 1 ) 材料状态为非固态( 液态或半固态) ，成形温度高于固相线温度；( 2 ) 一般都需要一定的压力来实现成形和补缩；( 3 ) 需要使用高强度的模具，模具费 用较高，希望模具寿命尽量长；( 4 ) 一般都需要使用隔热型耐火涂料来保护模具。 该类技术是在普通金属型铸造的基础上采取施加外加成形压力或其他辅助 技术( 例如半固态浆料处理技术) ，以克服普通铸造的缩松、缩孔、制件力学性 能不高、加工量大等缺点，达到提高制件质量、缩短加工工作量、提高生产率和 材料利用率的目的；使普通铸造毛坯由粗糙成形变为优质、高效、高精度、轻量 化和低成本成形。它得到的制件接近锻件质量，而生产成本明显低于固态锻造。 由该类成形技术制得的零件或毛坯具有精确的外形、高的尺寸精度和形位精度、 好的表面粗糙度以及优良的综合力学性能。 作为一类少、无后续加工的精确毛坯和零件成形技术，非固态加压成形技术 具有较长的发展历史。其中，压铸技术是在1 9 世纪2 0 年代世界印刷工业的迅速 发展下提出的，在1 9 4 9 年由s t u r g e s s 研制成功了第一台用于铸字模的压铸机， 此后这项技术被广泛应用于汽车零件的大批量生产【1 1 。为了提高压铸件的质量， 现代压铸技术正在向着高压、真空和实时控制的方向发展。挤压铸造技术于1 9 3 7 年在前苏联问世，比压铸工艺约晚1 0 0 年。自1 9 3 7 年前苏联改进压铸工艺开始 研究挤压铸造以来，经过7 0 余年的发展，挤压铸造技术已在世界范围内被广泛 应用和研究【2 1 2 ，取得迅速发展。在1 9 6 4 年，前苏联b m 普俩茨基发表专著液 态金属模锻，标志着这项技术在生产领域得到了确立和应用。该技术首先在高 质量有色合金铸件生产中获得了成功应用，近年来在钢铁材料中的应用也逐渐增 多， 省理 为在 提高 压成 车重 发达 技术 非常 体和 成功 极大 航天 得到 件、 左右 产品需经固溶热处理，要求在1 0 - 1 2 m p a 气压下无漏气现象、经2 4 5 - 2 8m p a 液压实验无渗漏、强度a 它2 7 5m p a 、塑性赴1 ，经t 6 处理后硬度h b 1 0 0 。 采用金属型重力铸造或低压铸造，废品率较高( 一般在2 0 以上) ，而且主缸孔 多为盲孔，加工余量大，浪费了大量有色金属和加工工时，增加了生产成本。采 用非固态加压成形技术，能提高制动器缸体的综合力学性能，使其达到安全运行 的强度要求，节约原料，降低生产成本，取得了满意的效果【7 1 。铜合金方面零件 有轴瓦和轴套零件、齿轮、套筒形零件、杯形零件、蜗轮、高压阀体、管接头、 卡箍和光学镜架等；如三门峡天元铝业集团有限公司的阴彦博、李朝阳等人采用 压铸技术得到了合格的铜合金z c u z n 3 5 a 1 2 m n 2 f e l 灯架【8 1 ，为铜合金压铸提供 了成功的案例；辽宁瓦房店轴承铸造有限责任公司等制得了性能优良的轴承铜保 持架的压铸件【9 】。在锌合金方面应用较多的为冲裁模具。 早在上世纪四十年代，国外就开始钢铁材料的非固态加压成形技术的研究， 五十年代末已有部分零件用于生产。由于该技术成形的钢质零件质量比砂型铸件 好的多，且内部组织致密，表面质量接近锻件水平，并取得较好的经济效果，因 而该技术在生产中得到一定的应用。目前用于生产的钢质零件有大型杯形件、军 械零件、导弹零件等。进入8 0 、9 0 年代，以钢平法兰为代表的黑色金属挤压铸 1 4 i 绪论 造技术进入生产应用【1 0 1 ，进一步拓展了非固态加压成形技术的应用范围。 上述研究与应用实例说明，非固态加压成形技术在提高车辆零件质量和可靠 性方面具有广阔的应用前景。根据非固态加压成形技术具有的独特优势和车辆工 程的发展前景与发展趋势，可以相信，非固态加压成形技术必将成为车辆工程零 部件的先进加工技术，并在未来的材料加工领域占有非常重要的地位。从目前的 发展趋势来看，该技术正在继续向深度和广度发展。它在钢铁材料上的大量应用， 进一步推动了该成形技术在钢铁材料加工领域的发展。 在世界范围内，随着钢铁产量的不断增长，为提高材料利用率和生产效率， 钢铁材料非固态加压成形成为世界钢铁业所追寻的目标之一。钢铁材料的成形温 度高、变形抗力大，这些因素导致钢铁材料非固态加压成形模具寿命大大低于低 熔点合金成形模具的寿命，模具寿命成了制约非固态加压成形技术在高熔点合金 成形领域推广应用的瓶颈问题。 1 2 高熔点合金挤压铸造的模具寿命 高熔点合金挤压铸造模具精度要求高、制造周期长、制造费用高、价格昂贵， 模具的使用寿命直接关系到生产过程的顺利进行和企业的经济效益。因此，模具 寿命的提高是挤压铸造技术领域值得关注的、关键的共性问题。 1 2 1挤压铸造模具服役特点及其失效形式 挤压铸造模具的主要作用首先是与合金熔体进行热交换，使合金熔体凝固成 形；同时它还要求在高温高压条件下不发生明显的变形或破坏，以保证工件质量。 在挤压铸造过程中，合金熔体注入模具型腔或压室中，在短时间内释放出大 量的热量，使模具温度迅速升高。同时，通过热传导、对流、辐射等方式、采用 冷却系统等措施以及涂料喷涂过程使模具温度下降。此外，模具还受到合金熔体 的高速冲刷、侵蚀、制件的挤压和成形压力的作用。这些复杂的工况要求模具材 料具有优良的热稳定性、抗热疲劳性、抗氧化性、导热性、高的淬透性、高塑性 流变抗力和低的线膨胀系数。 综合大量的研究成果可见，挤压铸造模具服役特点为：( 1 ) 受到高温合金熔 体长时间的直接作用，温度较高、每个服役周期高温作用时间较长；( 2 ) 受到通 过合金熔体和制件传递的压力、合模力和合金熔体自身重力的作用；( 3 ) 在金属 熔体浇入型腔的过程中，模具温度迅速升高；而在出件后涂料的喷涂过程中，模 具温度又要急速降低。这种急冷急热的热冲击作用，在模具内形成很大的应力； 北京交通大学博士学位论文 ( 4 ) 成形过程所用的型芯被合金熔体所包围，使用温度高，同时还受到制件 紧力和抽芯时的高温摩擦作用。 根据这些服役特点，挤压铸造对模具材料的具体要求可以归纳为：( 1 ) 下具有较高的强度、硬度、耐磨性、塑性流变抗力和适当的塑性；( 2 ) 在长 复的冷却、加热过程中，组织与性能保持稳定；( 3 ) 具有良好的抗热疲劳性 良好的抗裂纹扩展能力；( 4 ) 高温下不易氧化，具有较高的抵抗液态金属粘 熔蚀的能力；( 5 ) 导热性好，热膨胀系数小【l l 】。从生产的角度来说，该类模 必须具备操作方便、生产率高、寿命长和成本低的特点，以及能保证铸件的外形 尺寸、表面质量和内部组织等。 针对挤压铸造模具的服役特点和要求，要想提高挤压铸造模具的寿命，需要 从模具的选材、模具的服役条件等方面采取有效措施，进行模具的合理设计、模 具材料的正确选用、选择合理的制造工艺、热处理工艺以及正确的操作【1 2 】。围 绕这些方面，国内外都开展了大量研究，开发了不少挤压铸造模具用新钢铁材料， 并已经有了比较完善的热处理和表面处理工斟1 3 】。特别是在模具材料方面，国内 已经研制开发了多种强度高、韧性好和热稳定性高的新型热作模具钢，其中不少 钢种已日趋成熟并广泛使用。 第一代热作模具钢主要包括5 c r n i m o ，5 c r m n m o 和3 c r 2 w 8 v 钢，自2 0 世 纪3 0 年代初在工业中应用后至今仍广为应用。5 c r n i m o 是广泛使用的热锻模用 钢，但是在使用过程中发现5 c r n i m o 的淬透性不能满足大截面锻模的要求，当 截面尺寸大于3 0 0 r a m 时，心部硬度难以满足要求，且其使用温度不超过5 0 0 ： 3 c r 2 w 8 v 是国内常见挤压铸造的模具用钢，主要是因为该钢种价格便宜、比较 适合中国国情。但是3 c r 2 w 8 v 模具刚韧性低、脆性大，往往由于不注意热处理 环节而造成一副新模具在交付使用前就已存在微裂纹或硬度不合适。3 c r 2 w 8 v 钢主要用作锻模和有色金属的挤压铸造成形模具。 第二代热作模具钢则是以美国的a i s ih 1 0 ，h 1 1 ，h 1 2 ，h 1 3 钢系列为代表， 尤其以h 1 3 钢最受欢迎，h 1 3 钢与国产4 c r 5 m o s i v l 钢相当，属于铬钼类钢。 该钢种由于具有以下特点得以广泛使用：具有较高的高温强度和硬度；热膨胀系 数小，导热率高，具有很强的抗冷热疲劳能力；具有良好的高温塑性和韧性， 这是h 1 3 钢最突出的特点，虽然它的高温硬度不如3 c r 2 w 8 v ，但是优良的抗冲 击性能和良好的导热性能使h 1 3 钢在大多数热作条件下显得更为可取。但是当 使用温度超过6 0 0 后，如图1 1 所示，h 1 3 的口。和，急剧下