（载运工具运用工程专业论文）测速齿轮半固态挤压成型模具设计与工艺研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 随着现代铁路交通运输向着高速、重载方向发展，机车车辆普通碳钢铸钢零 件已明显不能满足使用要求，正在逐步被低合金钢和轻金属所取代。铸钢材质升 级后，传统的砂型铸造工艺在生产中暴露出了一系列问题。为了解决这些问题， 本文首次提出采用半固态流变挤压铸造成形工艺进行机车车辆关键件测速齿轮的 研究，并以材料7 0 7 5 ( l c 9 ) 铝合金作为研究材料，利用自制专用测速齿轮流变挤 压模具，从半固态浆料制备、成形质量的控制、铸件组织与性能等方面对该工艺 进行了实验与理论研究。 通过采用斜坡冷却法对7 0 7 5 铝合金进行半固态浆料制备，制备出了适宜于半 固态流变挤压铸造成形的细小的蔷薇形非枝晶组织浆料，并用平均等积圆直径定 量分析了非枝晶组织特征，得出了最佳的工艺参数值：斜坡的最佳长度为4 0 0 r a m 、 角度为6 0 。在此工艺参数条件下，7 0 7 5 铝合金非枝晶组织的平均等积圆直径为 4 0 5 9 m ，圆整度达到0 8 。在最佳工艺参数下制备出的半固态浆料，利用流变挤压 铸造成形方法研制机车车辆件测速齿轮，并且对7 0 7 5 铝合金半固态流变挤压铸造 成形质量进行了研究。结果表明：半固态流变挤压成形工艺优势的获得，需要正 确的工艺参数来保证。当工艺参数选择不合理时，铸件易出现表面冷隔、皮下气 孔、热裂纹等缺陷。在最佳工艺条件下，利用模拟软件p f o c a s t 和a n s y s 分别 对砂型铸造和流变挤压成形过程进行模拟，通过对计算结果分析与实验结果相比 较，得出最佳成形工艺参数：在模具预热温度为1 8 0 2 2 0 ，凸、凹模拔模斜度 为l 。，成形比压为6 9 1 m p a ，保压时间为5 s 时，挤压出了内、外质量良好的测 速齿轮挤压件，其抗拉强度0 6 为5 3 1 6 m p a ，硬度为船s 1 6 0 。 关键词：半固态；流变挤压；7 0 7 5 铝合金；斜坡冷却法；成形质量；组织 分类号：t g 2 4 9 9 北京交通人学硕士学位论文 a b g r r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nt o w a r d sh i g hs p e e da n do v e r l o a d i n g , t h es e r v i c e c o n d i t i o n so fe n g i n ev e h i c l e sw e r eb e c o m i n gm u c hw o r s e c o m m o nc a r b o ns t e e lc a s t i n g sw e r eu n a b l et os a t i s f yt h eh i g h e rr e q u i r e m e n t sa tp r e s e n t ， w h i c hw e r er e p l a c e db yl o wa l l o ym a t e r i a lp a r t sg r a d u a l l y w h e nc a r b o ns t e e lc a s t i n g s w e r er e p l a c e db yl o wa l l o ym a t e r i a l ，as e r i e so f q u e s t i o n sw e r ed i s c o v e r e di nt r a d i t i o n a l s a n dc a s t i n gp r o c e s s i no r d e rt os o l v et h eq u e s t i o n sd i s c o v e r e d ，s e m i s o l i dr h e o l o g i e a l s q u e e z ec a s t i n gt e c h n i q u ew a sp u tf o r w a r da st h ef o r m i n gm e t h o df o rm a n u f a c t u r i n g g e a ro f t a c h o m e t e ro fe n g i n ev e h i c l ei nt h i sp a p e rf i r s t l y i nt h es t u d y , 7 0 7 5a l l o yi n s t e a d o f c o m m o n c a r b o ns t e e l ，w h i c h i s t h e c o m m o n m a t e r i a l f o r g e a r o f t a c h o m e t e r o f e n g i n e v e h i c l e ，w a sa d o p t e da st h er e s e a r c h i n gm a t e r i a l g e a ro ft a c h o m e t e ra n dp r o p e r t y s a m p l e so b t a i n e dt h r o u g hs e m i s o l i dr b e o l o g i c a ls q u e e z ec a s t i n g w e r eu s e da s e x p e r i m e n te x a m p l e s t h et e c h n i q u ew a ss t u d i e ds y s t e m i c a l l yt h r o u g he x p e r i m e n t sa n d t h e o r i e si l lt h ef o l l o w i n ga s p e c t s w h e r ew e r ep r e p a r a t i o no ft h es e m i s o l i ds l u r r y , c o n t r o lo f t h eq u a l i t ya n ds t r u c t u r eo f t h ef o r m e dp a r t se t c n o n d e n d r i t i c s t r u c t u r es l u r r yt h a ts u i t a b l ef o rs e m i s o l i dr h e e l o g i c a ls q u e e z e c a s t i n g w a so b t a i n e d t h r o u g h i n c l i n e d s l o p ep r e - c r y s t a l l i z a t i o nm e t h o d ，a n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h en o n d e n d f i t i c - s t r u c t u r es l u r r yw e r ea n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l yb yt h e a v e r a g ee q u a l - a r e a - c i r c l ed i a m e t e r , a n dt h es u i t a b l ep r o c e s sp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d ： t h ei n c l i n e ds l o p el e n g t ha n da n g l ea r e4 0 0 m m ，6 0 。u n d e rt h e s ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ， t h ea v e r a g ee q u a l - a r e a - c i r c l ed i a m e t e ro ft h e7 0 7 5f l l o yn o n d e n d r i t i c s t r u c t u r ew a s 4 0 5 u m q u a l i t i e so ft h e7 0 7 5a l l o yc a s t sf o r m e db ys e m i s o l i dr h e o l o g i c a ls q u e e z e c a s t i n gp r o c e s sw e r es t u d i e dt h r o u g he x a m p l e so fg e a ro ft a c h o m e t e rc a s t s ，a n dt h e s t u d yw a sd o n eu n d e rt h em o s ts u i t a b l ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sm e n t i o n e da b o v e t h e r e s u l t sr e v e a l e dw e r ea s ：t h es u i t a b l ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw e r ec r i t i c a lf a c t o r st og a i n t h ea d v a n t a g e so fs e m i - s o f i d r h c o l o g i c a ls q u e e z ec a s t i n gp r o c e s s i fi m p r o p e r p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw e r ec h o s e ni na s e m i s o l i dr h e o l o g i c a ls q u e e z ec a s t i n gp r o c e s s ， c o l dl a p sw e r ee n g e n d e r e de a s i l yo nt h es u r f a c e so ft h ef o r m e dp a r t s ，g a sh o l e sw e r e f o r m e de a s i l y w h e np r e h e a t i n gt e m p e r a t u r eo f t h ed i ew a s1 8 0 - 2 2 0 c ，s t r i p p i n ga n g l e o ft h ep u n c hw a s1 。，t h ef o r m i n gp r e s s u r ew a s6 1 9 m p aa n dt h eh o l d i n gt i m ew a s5 s ， f a v o r a b l eg e a ro f t a c h o m e t e rw i t he x c e l l e n ti n n e ra n do u t e rq u a l i t yw e r eo b t a i n e d i nt h e o p t i m a lt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，t h es i m u l a t i o no fg e a ro ft a c h o m e t e rh a sb e e nd o n eb y 北京交通大学硕士学位论文 a b s t ra c t s o f t w a r ep r o c a s ta n da n s y s i tr e v e a l e dt h a tt h er e s u l to f s i m u l a t i o ni sc o n s i s t e n tw i t h t h ee x p e r i m e n t k e yw o r d s ：s o m i - s o l i d ；s q u e c z ec a s t i n g ；7 0 7 5a l l o y ；i n c l i n e ds l o p ep r e - c r y s t a l l i z a t i o n ； f o r m i n gq u a l i t y ；m i c r o s t r u c t u r e c l a s sn o ：t g 2 4 9 9 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， 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。 学位论文作者签名： 气务 么 导师签名：越砷窿， 签字日期：知p 年庐月，p 日签字日期：咖7 年7 。月伊日 | 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 独仓u 性声明 本人声明所争交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了澍意。 学位论文作者签名：彳夯备签字日期：j 州夕年工月? 北京交通大学硕士学位论文i 绪论 1 1 选题依据与研究意义 1 绪论 随着现代铁路交通运输向着高速、重载方向发展，机车零部件承受的载荷越 来越大，受载频率越来越高，工况也越来越恶劣，高速运行的车体对轨道造成严 重损耗，降低了使用寿命【”。这就对机车车辆关键件的内在质量与综合使用性能提 出了更高的要求。而传统的材料成形技术在机车关键零部件的制造中已经显得难 以满足要求。因此，世界各国都在积极研制新材料、开发材料成形新技术，以期 提高机车车辆的制造技术水平和减轻车体重量，实现车体轻量化，同时还减轻车 体对轨道的损耗、延长钢轨使用寿命【2 】。 据统计，我国铁路系统大多铸造厂在机车主要结构件的成形工艺方面仍以普 通砂型铸造为主；材质仍以普通碳素铸钢为主。这样的现状导致我国机车铸钢件 的更新换代步伐缓慢，产品使用性能与可靠性的提高幅度不大。因此，要从根本 上提高我国机车铸造件的质量水平，生产出满足高速列车运行要求的铸造件就必 须对现有的材质、成形工艺进行升级。 ( 1 ) 材质升级 长期以来，我国铁道机车铸钢件主要采用z g 2 3 0 - 4 5 0 材质，该材质具有熔炼 工艺简单、铸造工艺性能好，成本低廉等优点。但其强度偏低，疲劳强度、低温 冲击韧性和耐磨性能不理想。特别是铁路交通运输实施提速、重载后，z g 2 3 0 4 5 0 已明显不能满足提速、重载车辆对铸钢件的使用要求。因此，从2 0 世纪9 0 年代 开始，我国逐步采用其它低合金钢或者铝、镁合金取代z g 2 3 0 - 4 5 0 。其中以c 级 钢为代表的低合金钢在铁道行业内得到广泛推广，e 级钢也开始得到采用。但是低 合金钢强度级别高，其铸造工艺性能不及z g 2 3 0 - - 4 5 0 ，且对缺陷的敏感性高，一旦 存在铸造缺陷，其使用性能急剧下降【3 - 6 1 。 当前，汽车的轻量化发展，使铝合金材料的使用量以每年1 0 速度迅速增长。 而且铸造铝合金在发动机、变速箱、制动器、转向器等方面得到广泛应用。同时 铝合金车体轻量化可以节省能源、减少污染、降低运输成本、提高运载量和行驶 速度，而且铝及其合金加工材料由于密度小、比强度高、抗冲击性能好、耐腐蚀、 良好的加工成型性以及极高的再回收、再生性等一系列优良特性，义不容辞地担 负起这一历史使命。可是目前铝合金材料在铁路机车方面没有得到广泛应用1 7 1 。现 尝试利用铝合金材料代替钢铁材料进行半固态流变挤压成型，生产测速齿轮毛坯， 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 减轻车体重量。 ( 2 ) 成形工艺升级 机车车辆铸钢件失效的一个重要原因是内部存在各种缺陷( 缩松、缩孔、气 孔、裂纹，组织粗大等) 。这些缺陷的存在不仅减少了零部件的有效承载面积，更 严重的是缺陷本身就是裂纹源，且极易形成应力集中。因此，提高机车车辆铸钢 件可靠性的一条有效途径就是设法减少、消除铸件内部的铸造缺陷【1 1 。然而，普通 砂型铸造工艺却难以完全消除铸件内部的缺陷。尤其是铸钢件材质升级后，普通 砂型铸造工艺所暴露出来的问题就更加突出。迫于重载高速列车对铸钢件提出的 质量要求，不少厂家将一些铸钢件改为锻件。锻压加工虽可得到组织致密、性能 优良的零部件，但该工艺对材料的塑性及零部件的形状要求较高。因此，只能用 来加工某些塑性较好、形状较简单的零部件【6 】。所以，要真正解决机车铸钢件材质 升级所面临的一系列问题，就必须对现有的成形工艺进行升级。 半固态流变挤压铸造成形技术的提出，为上述问题的解决提供了可能。由于 该技术将普通铸造的易成形和固态塑性成形的高品质有效地结合在一起，既能弥 补普通铸造产品内部缺陷多的不足，又能克服锻造工艺对零部件形状适应性差的 缺点【8 】。因此，将这一技术应用于机车车辆件的生产，将可全面提高我国机车车辆 件的质量水平和参与国际竞争的能力。但是与普通铸造、锻压、轧制等液态和固 态成形加工技术比较，半固态流变挤压铸造在理论和技术还很不成熟和完善。正 因如此，需要众多科技工作者针对这一崭新的、具有广阔应用前景的材料成形新 方法从理论基础、应用技术到产品工艺开发给予高度关注，并进行大量的研究工 作以促进其发展与完善、并发挥其应有的潜能。 1 2 半固态流变挤压铸造原理与工艺特点 1 2 1 半固态流变挤压铸造原理 利用金属材料在固液共存状态下的半固态组织所特有的性能来进行成形加工 的技术称为金属半固态成形( s e m i s o l i dm e t a l l u r g y ，简称s s m ) 。该技术核心是在 液态金属的凝固过程中，对其施加外界控制作用( 如强化对流、控制凝固过程形 核、外加物理场、孕育变质处理等) ，以改变初生相的形核与长大过程，使其不 以树枝网络状生长，而以非枝晶形式存在，如退化枝晶、球状晶、近球形晶等， 从而得到一种液态会属母液中均匀地悬浮着一定非枝状初生固相的固一液混合浆 料( 半固念浆料) 【9 4 。众多试验表明，这种浆料在固相分数高达6 0 的情况下， 在外力作用下仍然具有良好的流变性能。根据成形过程中对半固念浆料处理方式 2 j b 京交通大学硕士学位论文 1 绪论 的不同，可将半固态成形工艺分为流变成形( r h e o f o r m i n g ) 与触变成形 ( t h i x o f o r m i n g ) ，如图1 - 1 所示”m 。 o m 。一一一一一。一一。一。 l触变成形i ； 流变成形 ； 图1 - l 金属半圆态成形工艺技术路线 f i g 1 1t h et e c h n i c a lr o u t eo f s e m i - s o l i dm e t a lp r o c e s s i n g 所谓半固态流变挤压铸造技术( s e m i s o l i dr h e o l o g i cs q u e e z ec a s t i n g ) 就是将 上述半固态成形技术思想与液态挤压铸造工艺相结合而产生的一种材料成形新技 术。其原理是：将制备好的具有特殊流变性的半固态浆料定量注入到敞开的模具 型腔内，随后在成形设备的高机械压力作用下使其强制充型、凝固、补缩并产生 少量塑性变形，从而获得轮廓清晰、表面光洁、尺寸精确、组织致密、晶粒细小、 力学性能优良的零件或毛坯。图l 一2 为半固态流变挤压铸造工艺流程图【1 8 捌l 。 图l - 2 半固态流变挤压铸造工艺流程图 f i g 1 - 2t h ef l o w $ c h c m eo fs e m i - s o l i dr h e o l o g i cs q u e e z ec a s tt e c h n i q u e 1 2 2 半固态流变挤压铸造工艺特点 半固态流变挤压铸造是在液态挤压铸造工艺的基础上结合半固态成形技术思 想而发展起来的一种新型成形技术。该技术采用的是具有特殊流变性的非枝晶半 固念组织浆料，而不是单一状态的液态金属或固念会属，在成形过程中既有液相 流动又有固相的塑性变形。因此，与液态铸造、固态锻造成形工艺相比，半固态 流变挤压铸造工艺特点主要体现在以下几方面眦1 】： 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 ( 1 ) 成形性能好，可实现短流程生产。半固态合金浆料的表观粘度比同种液 态合金的表观粘度约高3 个数量级。在相同的充型速度下，半固态合金熔体的流 动状态更为平稳，可大大减少湍流、喷溅现象的发生。与固态成形相比，半固态 合金浆料中由于存在起“润滑”作用的液相，金属流动阻力显著降低。因此，可 在小吨位设备下一次性加工出形状复杂的高性能嵩4 件。 ( 2 ) 模具寿命高。半固态合金浆料的温度比全液态合金的温度低，而且已释 放出部分结晶潜热，减轻了对模具的热冲击，使其使用寿命得到大幅度提高。 ( 3 ) 产品性能高。半固态合金浆料是在压力作用下凝固成形，可有效地减少、 消除铸件内部的气孔、缩孔、缩松等缺陷，并使铸件产生少量塑性变形。同时， 在压力作用下，浆料凝固深度加快，有细化晶粒的效果。所以，与普通铸件相比， 半固态流变挤压铸造的性能更高，成形件的质量接近锻件质量。 ( 4 ) 产品尺寸精度高。在机械压力作用下，半固态挤压铸件与模具型腔壁贴 合紧密。因此，铸件表面平整光洁、尺寸精度高，极大地减少了后续机械加工量， 做到少或无切削加工，提高了材料的利用率。 1 3 半固态流变挤压铸造工艺的分类 根据成形设备对半固态组织浆料作用方式的不同，可将半固态流变挤压铸造 工艺分为直接挤压和间接挤压两大类。 图1 - 3 为直接式半固态流变挤压铸造示意图。该方法是利用成形冲头，在合 模时插入半固态合金熔体中使部分半固态合金熔体发生流动，以充填由凹模和冲 头形成的封闭型腔，然后保压直至铸件完全凝固。直接式半固态挤压铸造没有浇 注系统，成形冲头直接加压于铸件上端面和内表面，加压效果好。由于浇入的半 固态浆料全部形成为铸件，若无溢流措施，铸件的高度尺寸精度将由浇入的浆料 量来决定。因此，定量浇注在直接式半固态流变挤压中具有重要的意义。 酗1 3 直接式、t - 吲态流变挤压铸造示意图 f i g 1 3t h es k e t c hc h a r to f d a r e c ts e m i s o l i dt h e o l o g i cs q u e e z ec a s t i n g 4 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 图1 - 4 为间接式半固态挤压铸造示意图。它是利用冲头将浇入到型腔内的半 固态浆料挤入已锁闭的模具型腔中，然后保压直至半固态浆科完全凝固。冲头的 作用除了将半固态挤入型腔外，还通过由冲头和型腔组成的内浇道，将压力传递 到铸件上。由于半固态浆料是在已合模的型腔中成形，它不受浆料浇注量的影响， 因而铸件尺寸精度高。但因冲头不直接或只部分加压于铸件上。因此，加压效果 较直接式挤压差。 图1 4 间接式半固态流变挤压铸造示意图 f i g i - 4t h es k e t c hc h a r to f i n d i r e c ts e m i - s o l i dt h e o l o g i cs q u e e z ec a s t i n g 1 4 半固态流变挤压铸造技术的关键 1 4 1 加压设备 加压设备的优劣直接影响到半固态流变挤压铸造工艺的生产效率与制件质 量。在半固态流变挤压铸造充型过程中，半固态浆料包含一定数量的非枝晶初生 固相，它是一种两相流体，其表观粘度比同种液态金属的粘度高3 个数量级。因 此，在挤压充型时的流动状态与纯液态金属的流动状态有明显的差异。半固态浆 料这种独特的充型特点，对成形设备的充型速度、充型能力、保压时间等参数提 出严格要求。而目前国内用于半固态挤压成形的设备多是通用的或稍加改进的液 压机，工艺参数不能满足要求。因此，为充分发挥半固态流变挤压铸造技术的优 势，加压设备应具备以下功能【2 2 - 2 5 ： ( 1 ) 加压设备能提供足够大的压力且具有保压功能。半固态流变挤压铸造不 仅要求半固态浆料在压力下充型，而且要实现压力下结晶。因此，加压设备能提 供足够大的压力，且可进行保压至铸件完全凝固。这个特点决定了半固态流变挤 压铸造的加压设备属于液压机类型，而不是曲柄压力机、螺旋压力机、摩擦压力 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 机等类型。 ( 2 ) 足够的空程速度和一定的加压速度。半固态流变挤压铸造要求尽量缩短 半固态浆料注入模具后的开始加压时间，因此，要求挤压设备有足够的空程速度 和一定的加压速度。 ( 3 成形设备除了具有合模、顶出等功能外，还应设有充型机构即充型缸， 以满足间接式半固态流变挤压成形的需要。 ( 4 ) 为提高生产效率，成形设备应具有一定的自动化程度，除了能进行手动 操纵外，还应有半自动操纵与自动工作能力。 1 4 2 半固态浆料的制备 流变成形工艺是利用外界条件和凝固动力学使正在凝固的液态金属形成具有 等轴非枝晶的半固态浆料，并用此浆料直接成形。因此，半固态浆料中初生固相 的形态、尺寸、固相率均需在浆料制各阶段控制。实验表明，浆料中固相尺寸、 形态和分布若达不到工艺要求，成形过程中易出现充型不完整、液相偏析、裂纹、 缩松、缩孔等缺陷。因此，制备出理想的半固态组织浆料是半固态流变挤压铸造 成形技术的前提。参考流变成形的有关研究成果，半固态流变成形要求半固态组 织浆料应满足以下要求 2 6 - 2 8 】： ( 1 ) 固相率在0 2 o 6 之间，此时浆料具有良好的流变性。 ( 2 ) 固相为非枝粒状晶，其形貌以短条状或近球形为主。若定义形状系数为 k = 4 ，r a ( 式中l 为颗粒周长，a 为颗粒面积) ，则要求浆料中的固相形状系数 k 1 。 ( 3 ) 半固态浆料的粘度随初生相尺寸的减少而降低。 为获得满足上述要求的半固态浆料，国内外先后开发出了多种制浆新技术。 根据制浆原理的不同，这些技术大致可分为两大类：外场作用下的枝晶破碎球化 技术与内部物理化学作用下的枝晶抑制生长技术。 1 4 2 1 外场作用下枝晶破碎球化技术 所谓外场是指通过外加作用引起的应力应变场、温度场、电磁场、超声场、 流场等。实验证明，凝固过程中的液念合金在外场作用下，其微观组织结构会发 生显著变化，其中一个共同特征就是树枝状初生固相发生破碎与球化。外场作用 下枝晶破碎球化技术的核心是通过外力场作用对凝固过程中的枝晶产生剪切作用 或“冲刷作用”，当枝晶臂的抗剪强度小于外力场所引起的应力强度时，枝晶臂将 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 从主干上断裂、脱落，并可能成为新的晶核。根据施加外力场的作用方式不同， 该技术又可分为以下几种： ( 1 ) 熔体搅拌技术 2 9 - 3 5 1 熔体搅拌法制备半固态浆料是基于合金熔体在液相线温度附近至半固态的温 度区问内( 固相率为0 2 0 6 ) 受到搅拌扰动对，会产生强烈的对流，从而破坏合 金熔体的凝固形核与长大过程，造成常规的树枝状结晶生长方式受到抑制或使正 在生长过程中的枝晶充分破碎，使得初生固相演变为近球形的结构组织。目前得 到应用的熔体搅拌法主要有机械搅拌、电磁搅拌。 机械搅拌法( m e c h a n i c a ls t i r r i n gp r o c e s s ) 一这是目前实验研究应用最为广 泛一种浆料制备方法。根据所用装置的不同，机械搅拌法可分为连续式和间歇式 两种。在搅拌过程中，合金熔体的组织演变可分为四个阶段：局部形核、有限生 长、形状非常化、局部凝固。为了得到比较理想的半固态合金组织，机械搅拌法 需要重点控制的工艺参数有搅拌温度、搅拌时间、搅拌速度和冷却速度等。研究 表明，采用机械搅拌法可以获得很高的剪切速率，破碎初生树枝晶、使初生固相 球化，同时改变初生固相凝固过程的冷却速度，可使半固态组织更加细小。但它 同时表现出来的不足( 生产效率低，存在搅拌死区，搅拌室和搅拌器的寿命不长， 搅拌器的腐蚀和溶解易于污染半固态浆料等) ，使得这种方法只适合实验室的研究 工作，无法制备出高质量的半固态浆料。 电磁搅拌法( m a g n e t o h y d r o d y n a m i cs t i r r i n gp r o c e s s ) 一这是为克服机械搅 拌法的缺点而发展起来的一种应用广泛且相对成熟的半固态浆料制备方法。该方 法是利用电磁感应在液态合金中产生感应电流，感应电流在外加磁场的作用下促 使合金液产生搅拌运动。在搅拌过程中，合金液形成许多小的热起伏和成份起伏， 使得初生相晶体生成许多不完全的短枝晶坯，随着搅拌的继续进行，短枝晶坯受 到合金液的冲刷、相互碰撞及温度和成分起伏的综合作用，使晶坯形状逐渐向蔷 薇状演变，并最终形成半固态非枝晶组织。由于该方法对合金液的污染少，气体 卷入量少，控制方便。因此，成为工业上制备半固态浆料最为通用的方法。然而， 电磁搅拌也存在设备投资大，工艺复杂；固相率很难达到0 3 o 4 以上；坩埚中 合金液的中心与边缘搅拌速度不同，易造成组织不均；漏磁严重，效率低。 ( 2 ) 剪切冷却一滚压技术( s h e a r i n g - c o o l i n gr o i l i n g ) t 3 “”j 剪切一冷却滚压法( s c r ) 是由同本的m i t r u o ，u c h i m u r a 等人开发的，于1 9 9 6 年申请了美国专利，图1 5 为该技术装置示意图。其原理是：将加热到一定温度的 液态合金注入到辊缝上方的导向槽中，轧辊与靴形座之b j 留有一定的| 丑j 隙，同时 轧辊表面具有一定的粗糙度，轧辊内通水冷却。由于轧辊和靴形座的冷却作用， 合金熔体发生凝固，转动的轧辊对部分凝固的合金产生剪切搅拌作用，使合会熔 7 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 体转化为半固态浆料，并通过轧辊施加的摩擦力将半固态浆料从轧辊与靴形座的 间隙中拖出，通过安装在出料口的清理器引导半固态浆料流出。 图1 - 5 剪切冷却滚压制浆装置 f i g 1 - 5t h ea p p a r a t u sf o rm a k i n gs e m i s o l i dm e t a lw i t hs h e a r i n g - c o o l i n gr o l l i n g i 一浆料出口；2 - 辊缝；3 一弧形冷却板调节机构；4 一弧形冷却板；5 一滑动水口； 6 一金属液；7 一中间包；8 一辊轮；9 一辊轮清理器；1 0 - 半同态浆料 利用这种方法制备半固态浆料，需要重点考虑的因素有两个：一是轧辊与靴 形座的闻隙。间隙过大合金熔体得不到轧辊的剪切作用，合金熔体将直接沿着靴 形座表面从出料口流出，此时合金的凝固过程与常规铸造无太大的差异。反之， 当间隙过小时，由于轧辊与靴形座容纳的合金熔体量较少，合金熔体层较薄，熔 体散热速度很快。当合金熔体进入间隙后，立即形成凝固壳，并紧紧地覆盖在轧 辊表面，即使浇注温度较高，合金熔体在出料口也会发生完全凝固，从而得不到 半固态浆料。而且凝固在轧辊表面的合金难以清除，容易造成“死机”。二是合金 浇注温度。研究表明，随浇注温度的降低，初生固相尺寸由大变小，在较高浇注 温度下，这种变化不明显。当浇注温度太低时，树枝晶开始生长，温度较低，树 枝晶较发达。只有在一定的温度范围内，才可得细小、均匀的半固态组织浆科。 ( 3 ) 超声振动技术( s u p e r s o n i cv i b r a t i n g ) i ”，3 9 j 超声振动法制备半固态合金浆料的装置如图1 - 6 所示，其原理是：利用超声机 械振动波扰动合金液的凝固过程，破碎、球化树枝状初生相，获得非枝晶半固态 合金浆料。该方法的优点是：工艺简单，易于实施，成本低廉；超声振动可以一 直施加在合盒熔体上，直至熔体完全凝固，不受固相分数的影响；超声振动不仅 能细化合金晶粒，获得球状初晶，还能清除熔体中的气体，减少合会熔体内的氧 化物夹杂。其缺点是：在合金熔体中，超声振动波的衰减厉害，不易到达较深或 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 较远的区域 图l _ 6 超声振动制浆装置 f i g 1 - 6t h ea p p a r a t u sf o rm a k i n gs e m i - s o l i dm e t a lw i t hs u p e r s o n i cv i b r a t i n g 1 绝热材料；2 - 支撑架：3 - 超声发生器：4 - t i i 声振头；5 铁模；6 金属液；7 _ 热电偶 ( 4 ) 倾斜式冷却剪切技术( c o o l i n gs l o p e ) t 1 4 , 4 0 1 图1 。7 为倾斜冷却板法制备半固态浆料装置示意图。其原理是：将略高于液相 线温度的合金熔体流经具有一定冷却能力的斜板，由于斜板的冷却作用，在斜板 表面上有许多细小的初生固相形成，在合金熔体的冲击和材料的自重作用下，这 些初生固相从冷却板上脱落并翻转，以达到搅拌剪切的效果。在倾斜冷却板法中， 影响合金熔体转变为半固态浆料的主要因素有三个：一是浇注条件，合金熔体倒 入冷却板上，逐步凝固形核，很多细小的初生固相颗粒随液相流入容器，只有在 浇注温度略高于液相线温度时，才可能在斜板上形成晶核。二是倾斜板长度，如 果斜板过长，会在斜板底部凝固形壳，阻碍合金熔体的流动，降低冷却效率，如 果斜板过短，合金熔体内没有产生大量细小晶粒，达不到半固态浆料组织要求； 三是斜板的倾斜角度，其大小直接影响合金熔体的流动速度。 图l - 7 倾斜冷却板制备半闶态浆科装置 f i g 1 7 t h ea p p a r a t u s f o r m a k i n gs e m i - s o l i d m e m l w i t hc o o l i n gs l o p 1 金属液；2 熔练坩瞒：3 倾斜冷却板；4 半嘲态浆辩；5 冲i 可包 ( 5 ) 紊流效益技术( t u r b u l e l l c ee f f e c t ) 1 1 4 ，4 1 】 9 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 紊流效益法也称被动搅拌法，其装置如图1 - 8 所示。这种方法是使过热的金 属液在压力作用下通过一个带有曲折通道的冷却流管，或是通过一个内部装满耐 火小球的冷却管道，合金液在流动过程中由于与管壁、球体发生作用，流体处于 紊流状态之中，流动方向的不断改变并不断受到剪切作用，利用合金液的紊流效 益抑制枝晶生长，从而使合金在凝固过程中析出的固相颗粒呈球状。 憨鬻熬 图卜8 紊流效应制浆装置 f i g 1 8t h ea p p a r a t u sf o rm a k i n gs e m i - s o i lm e t a l 埘t l lt u r b u l e n c ee f f e c t i - 金属液；2 ，耐火材料；3 - 半固态浆料 1 4 2 2 合金内部物理化学作用下的枝晶抑制生长技术 所谓合金内部物理化学作用下的枝晶抑制生长技术就是通过改变外界条件来 控制合金凝固时熔体内部的物理化学作用过程，提高合金熔体在结晶时的形核率 并抑制枝晶的生长，从而制备出组织性能良好的半固态浆料。目前利用这一原理 来制备半固态浆料主要有以下几种方法： ( 1 ) 近液相线法【4 2 删 该方法主要是通过控制合金保温温度、静置时问等因素，将合金熔体在液相 线温度以上或接近于液相线温度经保温静置后，并在定的冷却速度下浇注，从 而获得细小、近球形的半固态组织浆料。该方法完全不同于目前国内外普遍采用 的熔体搅拌法和其他的附加机械、物理预处理法。克服了剧烈的搅拌所带来的熔 体纯净度不易保证；附加工序造成的制造技术复杂；以及对制品生产的局限性， 既可获得高质量的半固态合金，又可大大节约能源，提高半固态成形效率，扩大 半固态成形技术的应用范围，应用前景相当广阔。 ( 2 ) 外加晶粒细化剂法m 4 钟 通过添加晶粒细化剂可以不用外力作用就能制备出非枝晶半固态浆料。其机 o 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 理是：在合金的凝固过程中添加某些元素，这些元素一方面提供大量的非均质形 核质点；另一方面作为晶核生长限制元素，抑制树枝晶的长大。试验表明，采用 外加晶粒细化剂能得到细小的晶粒，但晶粒的形貌一般为等轴菊花状，有时需要 通过适当的重熔处理才能得到成形工艺所需的球状组织。该技术的另一个不足是 外加元素有可能影响材料的最终性能。选择适当的晶粒细化帮是该方法的技术关 键，但从目前的研究进展来看，合适的晶粒细化剂很少，所以这种方法尚未进入 实际应用，仍有许多基础工作需要开展。 ( 3 ) 金属熔体混合铸造法 4 7 - 4 川 该方法是要将两种或多种液相线温度不同的合金熔体保持在液相线温度以 上，合金熔体内没有晶核或者晶核很少，然后在绝热的容器中进行混合。合金熔 体的混合将导致自发的热传导或热释放，此时混合得到的新合金温度在其液相线 上下，含有大量的晶核，迸一步热处理可以得到均匀、细小的半固态组织浆料。 这种制备方法具有很大的灵活性和低成本性以及较高的生产率。 1 4 3 半固态浆料定量浇注 半固态流变挤压属于一种精确成形技术，能满足零件的重量和尺寸精确的要 求，实现近净成形，因此，半固态浆料的定量浇注非常重要。在触变成形中，原 料是半固态坯料，可以通过精确下料来保证定量。而在流变成形中，原料是可以 流动的半固态浆料，定量误差较大。对于低熔点合金，采用电磁泵进行定量浇注 可以取得良好的效果【4 9 。5 1 】，但对于高熔点钢铁材料，目前还没有理想的办法，需 要研制专用设备和专用传感器。此外，在流变成形中，半固态熔体的流动性比纯 液态差。因此，一般需要附加压力进行浇注。如何附加这一压力目前还没有公认 的成熟方法，需要继续研究。 目前流变挤压成形的浇注方法主要有以下两种： ( 1 ) 先从半固态浆料制备机的出料口到浆科转移装置( 中转包) ，再通过转移 装置到模具型腔。 ( 2 ) 从半固态浆料制备机的出料口直接转移到模具型腔。 国内半固态浆料制备机出料口的控制机构有两种：塞杆和滑动水口。滑动水 口的制造精度要求高、成本高。因此，出料口的控制机构目前主要采用塞杆式。 但实验发现采用塞杆式出料口时，半固态浆料是通过自身的重力作用出料，流量 不稳定。因此，定量误差较大。如何解决这一问题目i j i 还没有公认可行的办法。 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 1 4 4 模具设计 对半固态流变挤压铸造模具的基本要求可概括为以下几个方面【2 2 , 5 2 , 5 3 】： ( 1 ) 生产的制件，应保证产品图纸所规定的尺寸要求和各项技术要求。 ( 2 ) 在保证制件质量和安全生产的前提下，应采用合理、先进、简单的结构， 动作准确可靠，易损件拆换方便。 ( 3 ) 在条件许可时，模具应尽可能实现通用化，以缩短设计与制造周期，降 低成本。 ( 4 ) 模具在与半固态浆料接触的过程中，由于受到周期性的加热与冷却作用， 易引起腐蚀、热疲劳、磨损、变形等。因此，要求模具材料具有优良的抗氧化性、 较高的高温强度、良好的耐磨性与抗腐蚀性、小的线膨胀系数。 为了保证制件的质量，在进行模具设计时，必须考虑半固态浆科的充型特性， 而目前对高熔点材料半固态浆料充型机制、充型理论、凝固过程、凝固方式以及 充型时浆料的热力学与动力学条件等的研究还较少，模具设计时可借鉴的资料与 数据相当有限。因此，在进行模具的浇注系统、溢流系统、排气系统等设计时， 一般是参考液态挤压模或压铸模的设计来进行。而液态合金的充型特性，与半固 态浆料相比存在明显的差异。因此，参考液态挤压模或压铸模来进行半固态流交 挤压模的设计难免存在不合理之处。如何建立半固态流变挤压模的设计原则与标 准还需要继续研究。 1 4 5 工艺过程的自动控制 半固态流变挤压铸造将浆料的制备、浇注和成形等工艺环节紧密地联系在一 起，其中任何一个环节失控，都将导致整个生产过程失控。所以，一般都需要自 动控制。特别是对浆料制备、浇注和成形等环节进行有效连锁控制是非常必要的。 其控制流程见图l _ 9 。 在整个控制系统中，半固态浆料组织与温度的实时在线检测是个新问题，超 声波和x 一射线技术为解决这个问题提供了可能。但需要针对不同的合金材料研究 其测试模型和具体的测定方法。 2 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 图1 - 9 半固态流变成形工艺控制流程图 f i g 1 9c o n t r o l l i n gf l o wo f t h es e m i s o l i dr h e o f o r m i n gp r o c e s s 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 1 5 论文研究目标和内容 1 5 1 研究目标 综上所述，合金材料半固态浆料制备与正确合理的成形工艺参数是进行半固 态流变挤压成形的关键。本论文将以此为出发点，选用铁路机车车辆关键件测速 齿轮为研究目标，以7 0 7 5 铝合金为研究材料，对其半固态流变挤压成形质量及制 件的组织性能进行研究，寻求一种简单合理的半固态浆料制备方法和正确的成形 工艺参数，为实际生产提供理论依据。通过采用新材料和先进的金属成型技术， 来达到提高零件性能，实现车体轻量化的目的。 1 5 2 研究内容 围绕上述目标，本论文主要展开如下研究工作： ( 1 ) 设计和加工测速齿轮半固态挤压成型模具 实验需要，设计出测速齿轮半固态流变挤压成形模具，并对其所有组成部分 进行工艺分析和计算校核，使加工出的模具尺寸和精度符合要求。 ( 2 ) 测速齿轮成型工艺实验 研究在不同长度和角度下的斜坡对7 0 7 5 铝合金半固态浆料组