（载运工具运用工程专业论文）铝合金测速齿轮的半固态成形工艺及性能研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 随着现代轨道车辆向着轻量、高速、重载方向发展，越来越多的机车普通铸 钢件己不能满足使用要求，正在逐步被低合金钢和轻金属所取代。然而，传统的 砂型铸造工艺又在生产中暴露出了一系列问题。为解决这些问题，本文首次提出 以7 0 7 5 ( l c 9 ) 铝合金作为材料，采用半固态流变挤压铸造成形工艺制造车辆关键 零部件测速齿轮。从半固态浆料制备、成型质量的控制、铸件的疲劳性能等方面 进行了系统的理论与试验研究。 采用斜坡冷却法制备7 0 7 5 铝合金半固态浆料，得出了最佳的工艺参数值：斜 坡长度为4 0 0 m m 、角度为6 0 。，并用平均等积圆直径定量分析得出在此工艺参数 下制备的非枝晶组织的平均等积圆直径为4 0 5 1 t m ，圆整度达到0 8 。利用流变挤压 铸造成形方法制造测速齿轮，并对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。通过对实验结果的分析，得出最佳成形工艺参数：模具预热温度为1 8 0 - - 2 2 0 、成形比压为6 9 1 m p a 、保压时间为5 s 。在以上最佳工艺参数的条件下，制造 出测速齿轮毛坯件并对其进行滚动接触疲劳试验，初步验证了7 0 7 5 铝合金代替4 5 钢生产测速齿轮的可行性；同时为了探究稀土对7 0 7 5 铝合金疲劳性能的影响，进 一步扩大7 0 7 5 铝合金在车辆零部件中的应用，尝试往7 0 7 5 铝合金中添加稀土c e 的方法提高其疲劳性能，结果表明，当添加0 3 的c e 时，7 0 7 5 铝合金具有最佳 的疲劳强度；当c e 含量达到0 5 时，合金的疲劳强度下降。 关键词：半固态；7 0 7 5 铝合金；流变挤压；成形工艺；稀土；疲劳强度 分类号：t g 2 4 9 9 i i l 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nr a i lv e h i c l e st o w a r d sl i g h ti nv o l u m e ，h i g h s p e e d ， h e a v yl o a d i n g ，t h es e r v i c ec 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 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 h w 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 yw h e ns t e e lc a s t i n g sw e r er e p l a c e d b yl o wa l l o ym a t e r i a l ，as e r i e so fq 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 ls a n dc a s t i n g p 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 ，7 0 7 5 ( l c 9 ) a l l o yw a si n t r o d u c e di n a sam a t e r i a l ，a n ds 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 gt e c h n i q u ew a sp u tf o r w a r da s t 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 gg e a ro ft a c h o m e t e ro fe n g i n ev e h i c l ei n t h i s p a p e rf i r s t l y 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 dt h e o r i e s i nt 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 ft h e q u a l i t ya n df a t i g u ep r o p e r t i e so 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 e s l u r r y 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 e p r e c r y s t a l l i z a t i o nm e t h o d ，a n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h en o n d e n d r i t i c s t r u c t u r es l u r r yw e r e a n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l yb yt 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 r , a n dt h es u i t a b l e p 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 5 a l l o yn o n d e n d f i t i c - s t r u c t u r ew a s4 0 5 “m ，r o u n d n e s sr e a c h e s0 8 q u a l i t i e so ft h e7 0 7 5 a 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 ec a s t i n gp r o c e s sw e r es t u d i e d t 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 es t u d yw a sd o n eu n d e rt h em o s t s 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 er e s u l t sr e v e a l e dw e r ea s - t h e s 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 nt h ea d v a n t a g e so fs e m i s o l i d r 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 i fi m p r o p e rp 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 e s 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 ef o r m e de a s i l y w h e np r e h e a t i n g t e m p e r a t u r eo ft h ed i ew a s 18 0 , - - 2 2 0 。c ，t h ef o r m i n gp r e s s u r ew a s61 9 m p aa n dt h e h o l d i n gt i m ew a s5 s i nt h eb e s tt e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h ea b o v ec o n d i t i o n s ，p r o d u c e d b l a n do fg e a ro ft a c h o m e t e ra n dm a d eo u ti t sr o l l i n gc o n t a c tf a t i g u et e s t i n i t i a l l y v e r i f i c a t e dt h ef e a s i b i l i t yo fp r o d u c i n gg e a ro ft a c h o m e t e rw i t ht h e7 0 7 5a l l o yi n s t e a d o fs t e e l4 5 i no r d e rt os t u d yt h ei n f e c t i o no fr a r e e a r t ho nt h e7 0 7 5a l l o yp e r f o r m a n c eo f f a t i g u e ，a n de x p a n d t h e a p p l i c a t i o n o ft h e7 0 7 5 a l l o y t ov e h i c l e p a r t s a n d c o m p o n e n t s ，w et r yt oi m p r o v et h e i rf a t i g u ep r o p e r t i e st h r o u g ha d d i n gc et ot h e7 0 7 5 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l l o y t h er e s u l t ss h o wt h a t ，w h e nt h ec e i s0 3 ，t h e7 0 7 5a l l o yh a v et h eb e s tf a t i g u e s t r e n g t h s w h e nc ee o n t e n c e r e a c h e s0 5 ，t h ef a t i g u eo ft h ea l l o yi sd r o p k e yw o r d s ：s e m i - s o l i d ；7 0 7 5f l l o y ；s q u e e z ec a s t i n g ；f o r m i n gt e c h n o l o g y ；r a r ee a r t h ； f a t i g u es t r e n g t h s c l a s sn o ：t g 2 4 9 9 v 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈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，论文中不包含其他入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片；| 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谢意。 学位论文作者躲名膏签字日期加彦年例，日 6 7 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： 签字1 3 期：加年 雍寺， i i| 明，6 日 导师签名： 签字日期：豳前年 2 月j 膨e l 致谢 本论文的研究工作是在我的导师张励忠副教授的悉心指导下完成的，张励忠 导师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我很大的影响和帮助。两年来，张励 忠导师在学习和生活上都给予了我关心和帮助，教我做人行事的道理，这些将成 为我以后学习、工作和生活中宝贵的经验。在此向恩师致以崇高的敬意和深深的 感谢! 邢书明教授、鲍培玮讲师也给予了很大的关心和帮助，对于我的科研工作提 出了许多宝贵的意见，在此致以衷心的感谢。 本课题的成形工艺部分的研究是与覃彦龙师兄共同完成的，他给予了我无私 的帮助，特此表示感谢! 感谢清华大学的同学黄佩庆对性能试验工作给予的帮助! 同时课题组的硕士勾军年、胡瑞生、苗莉莉、吴海军以及博士张密兰、姚淑卿等 在实验室工作及撰写论文期间也给予了热情的帮助。在此，向他们表示诚挚的感 谢! 最后要特别感谢我的班主任张宏兵老师，学院的领导、老师，还有我的家人 帮我度过难关，他们的支持和鼓励使我能够在学校专心完成我的学业。 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 工程背景与研究意义 1 1 1 课题来源 1 绪论 本课题来源于导师与长春客车厂联合的科研合作项目：“提速列车转向架关键 铸钢件半固态成型技术开发与应用 ，从实现列车轻量化、节能环保的理念出发， 考虑用铝合金材料代替钢材生产列车关键零部件“测速齿轮 ，并对其疲劳性能进 行分析研究。 1 1 2 国内外研究现状及现实意义 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【1 1 。列车轻量化已经成为现代铁道车辆发展的必然趋势， 轻量化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 的材料及成形技术在机车关键零部件的应用中已经难以满足要求。因此，国际上 都普遍重视研制新材料、开发材料成形新技术，以提高机车车辆的制造技术水平 和实现实现车体轻量化，同时减轻车体对轨道的损耗、延长钢轨使用寿命。 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。在这种条件下，铸件中经常有气 孔、夹渣、内部缩松、缩孔和砂眼等缺陷：在加工过程中，零件的加工余量大， 成品率不高：同时，材料密度大不能满足车辆轻量化的要求。这种现状导致我国 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， 对材质、成形工艺进行升级，生产出满足高速列车运行要求的铸件，并研究其力 学性能具有重要的现实意义。 ( 1 ) 材质升级 长期以来，我国铁道机车铸件主要采用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 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 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，其使用性能急剧下斛2 】。 近年来，铝合金在许多工业领域中的应用呈现良好的发展势头。以汽车工业 为例，为了节约能源、提高效率和减少污染，汽车制造商都设法减轻汽车自重， 利用铝合金是汽车轻量化的有效途径。目前，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【6 】。本课题研究尝试利 用7 0 7 5 铝合金代替4 5 钢生产测速齿轮。 ( 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吲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，但该工艺只能用来加工某些塑性较好、形状较简单的零部件【5 1 。因此， 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。 半固态成形工艺( 技术) 是2 0 世纪7 0 年代初期，由美国麻省理工学院的f l e m i n g s 教授提出的一种崭新的金属成形技术【7 1 。它是通过改变传统的加工模式来充分挖掘 材料性能潜力的一项新型成形工艺技术。自问世以来，逐渐得到国际上的普遍重 视，成为材料学科的研究热点。国内外已有众多专家学者对该技术开展了工艺试验 和理论研究，并相继取得了一系列成果。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。目前，半固态流变挤压铸造在理论和技术方 面还很不成熟和完善。需要众多科技工作者针对这一新成形技术从理论基础、应 用技术到产品工艺开发及性能研究给予高度关注，发挥其应有的潜能。 ( 3 ) 力学性能研究 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 从近年来整个世界范围来看，在半固态技术领域，以往的研究主要是理论基 础研究为主，其主要围绕着：半固态组织的形成原理、半固态浆料的制各工艺、 半固态成形过程的数值模拟等理论研究来进行的。对半固态成形铸件的实际应用 及性能研究甚少。因此，为了满足铁路高速化要求，从改变材质及其成形工艺方 面来减轻车体结构，同时有必要对材料的力学性能进行研究。本课题研究的对象 是测速齿轮，它是安装在高速客车转向架的两端轴上的重要零件，它与齿轮箱齿 轮连接，其转轴上的转速发生信号装置通过与速度传感器作用，测速齿轮只传递 运动和速度，其齿面受力小，密封式工作，与配对齿轮无润滑啮合，轮齿间的磨 损多表现为滚一滑动疲劳磨损( 接触疲劳) 。 铝合金普遍具有室温强度高、铸造性能优良、耐腐蚀的特性，是种常用的 耐磨基体材料。其中，7 0 7 5 铝合金是目前使用最广泛的铝合金之一，它是一种超 硬铝，在具有高强度的特性外，还具有良好的耐磨性能。大量研究证明，加入适 量单稀土元素对铝合金的力学性能有明显的强化作用，而且中国稀土资源丰富， 开发含稀土的高品质铝合金合金材料在中国有独特的优势。以前对稀土铝合金的 研究主要集中于讨论稀土对铝合金合金的显微组织、铸造质量和拉伸力学性能方 面的影响，而对其疲劳性能方面的研究较少。铝合金作为一种新型结构材料，应 用中其疲劳性能是一个重要的考虑因素一。1 3 1 。 1 2 半固态流变挤压铸造概述 1 2 1 挤压铸造技术的发展 挤压铸造技术发展一直受到产业界的重视，近年又有了长足的进步。它是1 9 3 7 年由前苏联发明的，2 0 世纪5 0 和6 0 年代，先后传入我国和世界各国。2 0 世纪8 0 年 代，日本宇部公司开发成功h v s c 和v s c 系列挤压铸造机，使挤压铸造工艺在日本 及欧美得到迅速的发展。截至目前，日本宇部公司已销售挤压铸造机3 0 7 台，设备 最大合模力达3 5 0 0 0 k n 。日本丰田公司的轮毂生产厂拥有1 4 台v s c l 5 0 0 v s c l 8 0 0 挤压铸造设备，已形成年产4 0 0 万只高档汽车铝轮和1 2 0 万只复合材料活塞的生产 能力，并已在2 3 种车辆上得到使用【1 4 06 1 。此外，日本的同产汽车、马自达、a r t 、 u m o l d 和t o s e i 等公司及美国s p x 、a m c a s t 等公司也拥有挤压铸造生产厂或车间。 在我国，挤压铸造是从2 0 世纪6 0 年代开始发展的。2 0 世纪9 0 年代，随摩托车行业 大发展，出现一次大飞跃，仅铝轮毂就形成了年产3 0 0 万只的能力。但由于市场、 利润和技术、品质等原因，挤压铸造的生产规模又很快下来了。近年来，我国挤 压铸造业稳步发展。当前，国内有1 0 0 多台挤压铸造设备在运行【i7 1 。 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 1 2 2 半固态流变挤压铸造原理 半固态金属加工技术( s e m i s o l i dm e t a lf o r m i n g ) ，简称s s m 。它是利用半固态 金属相当低的剪切应力以及很好流动性的特点，将这种既非完全液态，又非固态的 金属浆料加工成型的一种新型加工方法，根据成形过程中对半固态浆料处理方式 的不同，可将半固态成形工艺分为流变成形与触变成形( 1 引。而半固态流变挤压铸 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1 1 为半固态流变挤压铸造工艺流程副”训j 。 图1 1 半固态流变挤压铸造上艺流程图 f i g 1 - lt h ef l o ws c h e 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 3 半固态流变挤压铸造的工艺特点及分类 ( 1 ) 特点 半固态流变挤压铸造采用的是具有特殊流变性的非枝晶半固态组织浆料，而 不是单一状态的液态金属或固态金属，在成形过程中既有液相流动又有固相的塑 性变行。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 具有许多明显的特剧2 2 1 ： 1 铸件的凝固收缩减小，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。铸件尺寸精度高、外观质量好，减少了机械加工量，甚至可以得到无机 械加工余量的铸件。 2 消除了常规铸件中的柱状晶和粗大树枝晶，铸件组织细小、致密，分布均匀， 不存在宏观偏析。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。 3 金属充型平稳、无湍流、无飞溅，而且充型温度低，延长模具寿命。 4 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 4 简化铸造工序，降低能耗，改善劳动条件，由于凝固速度快，生产率也得到提 高。 5 提高铸件力学性能，与固态成形相比，半固态台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制件。 ( 2 ) 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： 1 直接式半固态流变挤压铸造。如图卜2 所示，该方法利用成形冲头，在合 模时插入半固态合金熔体中使部分半固态舍金熔体发生流动，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。 图1 0 直接式半固态流变挤压铸造示意图 h g i - 2 b es k e t c hd l a r to f d i r e c t s m i - s o l i d r h e 。l o 辨s q u e e z e c “t 岵 2 间接式半固态挤压铸造。如图卜3 所示，它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，然后保压直至半固悉浆料完全凝固。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。 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 图1 - 3 间接式半固态漉变挤压铸造示意酗 f i g 1 - 3 t h es k e t c h d 衄o f l n d l r e c t s e m i - s o l i d f & e o l o g i cs q u e 咄c a s t i n g 13 半固态流变挤压铸造技术 131 加压设备 半固态浆料包含一定数量的非枝晶初生同相，它是一种两相流体，其表观粘 度比同种液态金属的枯度高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。加压设各的优劣直接影 响到半固态流变挤压铸造工艺的生产效率与铸件质量。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，工艺参数很难满足要求。因此， 为充分发挥半固态流变挤压铸造技术的优势，选用的加压设备应具各以下功能 0 6 1 ： 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，加压设各能提供 足够大的压力，且可进行保压至铸件完全凝固。 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问，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 成形设备除了县有台模、项出等功能外，还应设有充型机构即克型缸，以 满足问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。 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 2 制备半固态浆料的关键技术 半固态流变挤压成型工艺要求其半固态浆料之固相的大小、形态和分布、固 相率均需在浆料制备阶段控制。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，半固态金属流变成型的关键技术为如何快速获得理想的等轴非枝晶半 固态浆料。参考触变成形的有关研究成果，流变成型要求半固态浆料满足以下4 个 指标【2 7 之8 】： 1 固相率指标：固相率在0 2 0 6 2 _ 间，此时浆料具有良好的触变性。除此 之外，固相的形态和尺寸亦严重影响着半固态浆料的质量。 2 晶粒形状指标：固相为非枝粒状晶，其形貌以短条状或椭球状为主。若定 义形状因子为，一= 哆彳石彳( 式中p 为颗粒周长，a 为颗粒面积) ，则要求浆料中 的固相形状因子f 叫2 。 3 晶粒尺寸指标：半固态浆料的粘度随晶粒尺寸的减小而降低。虽然对晶粒 尺寸尚无决定性的上限要求，一般地，流变成型要求平均晶粒尺寸小于1 0 0 l u n 。 4 粘合度指标：在任何浆料制备工艺中，尤其制备后期都会发生晶粒熟化， 进而发生晶粒的粗化和晶粒问的粘合。如果体积粘合度超过0 3 ，浆料表现出完全 固态的特性，其触变特性消失；若体积粘合度小于0 1 ，固相率过低，浆料的央持 移动性很差。 为获得满足上述指标的半固态浆料，目前，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：外场作用下枝晶破碎 球化技术与内部物理化学作用下枝晶抑制生长技术。 1 3 2 1 外场作用下的枝晶破碎球化 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，枝晶臂将从主干上断裂、脱落，并可能成为新的晶核。凝固过程中的液态 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。根据施加外力场的作用方式不同，该技术主要可 分为以下几种 2 9 - 3 9 】： ( 1 ) 熔体搅拌技术 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 7 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 度区间内( 固相率为0 2 - - - 0 6 ) 受到搅拌扰动时，产生强烈的对流，从而使树枝状 结晶生长受到抑制或使正在生长过程中的枝晶充分破碎，使得初生固相近似球形 的结构组织。目前得到应用的熔体搅拌法主要有机械搅拌和电磁搅拌。 机械搅拌法：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。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，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：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，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o 3 0 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 ) 超声振动技术 超声振动法制备半固态合金浆料的装置如图1 - 4 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 直施加在合金熔体上，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，减少合金熔体内的氧 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 较远的区域。 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 图1 4 超卢振动制浆装置 f i g 1 - 4t 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 _ 超声振头；5 - 铁模；6 - 金属液；7 热电偶 ( 3 ) 剪切一冷却一滚压技术 剪切一冷却一滚压法( s c r ) 是由同本的m i t m o ，u c h i m u r a 等人开发的，于19 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，轧辊与靴形座之间留有一定的间隙，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，使合金熔 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 f i n g c o o l i n gr o l l i n g 1 一浆料出u ；2 一辊缝；3 一弧形冷却板调节机构；4 一弧形冷却板：5 一滑动水u ； 6 一金属液；7 一中问包；8 一辊轮：9 - - 辊轮清理器；1 0 - - 半州态浆料 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 9 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 形座的间隙。间隙过大合金熔体得不到轧辊的剪切作用。反之，当间隙过小时， 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，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 织浆料。 ( 4 ) 倾斜式冷却剪切技术 图1 6 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1 - 6 倾斜冷却板制备半固态浆料装置 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 hc o o l i n gs l o p l - 金属液；2 - 熔炼坩埚；3 倾斜冷却板；4 - 半同态浆料；5 - 中间包 ( 5 ) 紊流效益技术 紊流效益法也称被动搅拌法，其装置如图卜7 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 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 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。 图1 - 7 紊流效应制浆装置 f i g 1 7t 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 ht u r b u l e n c ee f f e c t 1 金属液；2 耐火材料：3 半固态浆料 1 3 2 2 合金内部物理化学作用下的枝晶抑制生长 该技术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【4 0 4 5 1 ： ( 1 ) 外加晶粒细化剂法 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 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剂是该方法的技术关 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丌展。 ( 2 ) 金属熔体混合铸造法 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，进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。 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 ( 3 ) 近液相线法 该方法主要是通过控制合金保温温度、静置时间等因素，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，并在一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。 1 3 3 半固态浆料浇注及工艺过程的控制 ( 1 ) 半固态浆料浇注 流变挤压工艺是一种精确度高的成形技术，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是关键。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。但在流变成形中，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，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。如何附加这一压力尚处进一步的研究。 目前比较成熟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 到浆料转移装置( 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【4 6 舶1 。 ( 2 ) 工艺过程的控制 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。 其控制流程如图卜8 所示。 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。 1 2 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 图1 - 8 半同态流变成形工艺控制流程图 f i g 1 - 8c o n t r o l l i n gf l o wo ft 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 1 3 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 1 4 半固态成形铸件的疲劳性能研究 1 4 1 疲劳概述 ( 1 ) 定义 疲劳是材料、零件和构件在交变循环应力或应变作用下，在某点或某些点产 生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、并使裂纹进一步扩展直到 完全断裂的现象。它是齿轮等零部件的重要失效形式。 ( 2 ) 研究简史 有记载的最早进行疲劳试验是德国的w a 艾伯特。法国的j 一v 彭赛列首先 论述了疲劳问题并提出“疲劳”这一术语。但疲劳研究的奠基人则是德国的a 沃 勒，他在1 9 世纪5 0 6 0 年代最早得到表征疲劳性能的s - n 曲线并提出疲劳极限 的概念。2 0 世纪5 0 年代p j e 福赛思首先观察到疲劳过程中在滑移带内有金属 薄片挤出的现象。随后n 汤普孙等人发现这种滑移带不易用电解抛光去掉，