（光学工程专业论文）车辆用低合金钢半固态形成工艺研究.pdf

北京交道犬学硕士学位论文 车辆用低台金钢半固态成形工艺研究 摘要 随着轨道车辆向高速和重栽方向发展，车辆用铸钢件的工作状况 更翔恶劣。在楗料幽碳钢舞级为低台金镧詹，重力铸造譬 的内都缺陷 率高，仍将不能满足使用要求。在众多材料成形方法中，钢铁材料的 半固态成形技术有其w 行性，锻有希望全褥提升轨道车辆铸镧件质量 水平。值低合金稍的半固态成形研究尚属空白，登须首先掌糖低合金 钢半固态熔体的制备方法、充烈能力和成形性等半固态成形的工艺基 确才可使这颈技术程车辆焉低合金锈领域褥跌应餍。 本文对车辆用低合金钢半固态成形工艺进行了较系统的探索性 磷究，提密了感应妒逶滚穰缓镶滏法鞠备低合金钢拳闺态臻镩豹藜方 法，研究了挤压铸造工艺下近液相线低合会钢熔体的充型能力和成形 性，搽讨了戏鼯工艺参数怼铸拳屡量夔影瞧援律。力学毽懿测试表臻 近液相线挤压铸造工蔑的确可获得性能优异的铸件，验证了半固态成 形工艺的优越性，为该技零在辈辅霸低合金钢领域嬲应用羹定了一定 的基础。主要成果如下： 使用中频感应炉研究了j 魇液相线保濑制备低食金钢半圈态熔体 的方法。慕王艺参数为：保温派度1 5 0 8 ，傈溢时间5m i n 。其视理 是；在小过冷( 近液棚线) 温度保温时，熔体内易形成大量准闽相原子 溪簇并发藏为游离蘸瀚匀分奄穗熔僖蠢，并在铸件凝簪霄显鬻细纯、 匀化晶粒，得到良好的铸态组织。由于感应炉的电磁搅拌作用，短时 塑蒌 保温即可获得理想教果，并且熔体状态不会随着保温时间增长而改 变。 使用2 0 0 0k n 挤压铸造机和螺旋线试样模具，研究了近液相线低 合金钢熔体的充型能力。结果表明：充型压力越大，充型速度越快， 模具预热温度越高，充型能力越好。在1 5 4 0 删训s 充型速度下，近 液相线熔体的最大充填长度为3 9 3m m ，平均充填长度为3 0 0 4 衄， 高于同类铸钢砂型铸造时的上限2 0 0m m 。近液相线挤压铸造适用于 那些结构上符合挤压铸造工艺，形状复杂程度大于或等于砂型铸造的 铸钢件。 一 使用轴箱体和钩舌挤压铸造用模具，配合挤压铸造机及中频感应 炉，进行了近液相线挤压铸造成形研究。结果表明，在压力损失较大， 模具预热温度低和充型速度慢的情况下，该工艺易产生表面皱皮和浇 不足缺陷。对形状复杂零件，为提高充型能力和铸件质量，模具预热 温度应高于4 0 0 ，挤压铸造所需充型压力应大于1 0 0m p a ，充型速 度应大于4 0 l m s ，挤压方式的选择及浇注系统设计应以流程短、压 力损失小为原则。 使用箱式热处理炉、材料试验机和金相分析设备，研究了近液相 线挤压铸造z g 2 5 m n c r n i m o 件的组织与力学性能。近液相线挤压铸 造件的铸态组织比液态金属型和液态挤压铸造件显著细小，该铸态组 织经f 火+ 回火后的力学性能优良。分析表明，近液相线挤压铸造具 有细化晶粒，抑制气孔、缩孔和缩松缺陷的产生，提高铸件的致密度， 减少铸件内非金属夹杂，消除宏观偏析等优点。 关键词：半固态，低合金钢，挤压铸造，近液相线 j k 豪交遴文学矮士学谴论文 s t u d yo ns e l 娃i s o l i 娃f o r m i 珏g1 隐c h n i 镬珏e 如r v b h i c l el o w a n o y e ds t e e l a b s t r 矗c t 獭蠡l 沁蘸e v 。l o 瓣e 嗽。强i 痨一s 弦挺鞠dh e a v y _ d n 锣f 越lv e 艇e l e ，也e q u a l i t yo fs t e e lc a s t m gm u s tb eu p g r a d e dt oa d a p tt h ew o r k i n gc o n d “i o no f v e 毯e l es 瞄e 缀i n gw 氧i 馥i si l m 酷i 滗l yf b 疆蛀囊癜k 。融避。羲p 鼯糙i 豳g t e c l l i l o l o g yi ss e m i s o i i df o r n l i l l gf o rs t e e l r h e 0 1 晒c a ls e m i s o l i df b r m i n g 童so f 热礤p r o c e s s 鑫o w 黼疰l o w 鼢o f p 艳d u c t i o n ，b 硅攮ep f e p 馘鑫t i 锄醴 s e i n i s o l i dm e l t ，i t sf i l l i n ga b i l i 廿o s 如df b h n i n gp r i n c i p l e sa r ed i 麟c u l t i e s 骶l es 黜i s 越撼如 m i 噩g 稔馥l o g y 妇v 豳i e l es t e e le a s | 至罐w a s s y s t e m i c 咖d i 谢，a i l dt l l ed i 韵c u l t i e sw e r eo v e r c o m e an e wm e t h o d h o l d 遗辩m e t 越瓣鑫fl i 鹰u i 硅璐谢掇i 稚疆e t i o n 班l 毪c ot 。p f e p a 建s e 羟疼s o 鞋蠢 s l u l l yw a sd e v e l o p e d a n dt h ef i l l i n ga b i l i t i e sa n df o r m i n gp r i n c i p l e so f 瞧es l 淑yw e r es 趣螽撼，琵盘si 羲d i e 鑫| e dt h a t 凌e 黜e o 酝撼e 鑫l o p e r 螽e so f s e m i s o l i df b “n i n gc a s t i n gw e r ee x c e l l e n t r e s e a r c ha p p r 0 8 c h e sa n dm a i n 援电珏强s 珏f 罄i 建谶越至b l l o w s f 沁s e a r c ho ns e l i l i s o l i ds l u r r yp r e p 觚a t i o no fl o wa l l o ys t e e lb yn e a r l i 鼋蠢蠢淞聂o l d 堍g 碍a se 始盎l 戏醋b y 氆e a 箍s 。f f 辩鑫i 粥一& u e 矬e y 遮d 驻e 矗o n f 址n a c e ，a n dr o s u l 招s h o w e dn l i sm e t h o di ss i m n l ea n df e a s i b l e a 盘e r 酌臻麓珏e 叠r | i 嘶d 璐( 1 5 0 s ) aq u 黥娃移r o f 蠹。e 矾e l 戡王sw o 瓣岛凇越 a n d 矗n eg r a i n sw e r eo b s e n ，e d 1 bf o h n i n g 行e en u c l e u sa n dk e e p i n gt h e m a 虫哦钉h 。l 藤n gt 主m e ( 5m i n ) w a sn e e d 磁b e c 鑫u ；eo fe l e c 台o m a g n 商e s t i 玎i n gb r o u 醵tb ym e d i u m - f r e q u e n c yi n d u c t i o n ，a n dt h ew e r en o t s i g n 遗锨缸d i 魏r e n c e 勰e rh o 硬猎5 协5 0m r nn e a rl i 哪i d u s 一3 一 摘要 “i n gm ea i d so f2 0 0 0 k nh y 妇埘i cp r e s sa n ds p i 喇s a r n p l em o l d ， s t 娃d yo n 蛀l e 蠡l l i n g 酶i 至i 童i e so fn e 戤娃q 畦摭趣e l t 蠡) rs q 毡e e z cc 躐主珏gw 曩s c o n d u c t e d i tw a st od 搿wt h a tt 1 1 en l l i n gl e n g mh a dd i r e c tm t i ot of l l l i n g p r e s s t 辩，最i i 洫gv e l o c i t ya n dp r e h e a tt e n l p e f a 扛l 托o fm o i d t h el o n g e s t s 粕p l ew a s3 9 3m m ，a n da v e r a g el e n 壮w a s2 9 2 1 3m m t h em 锄o do f s q u e e z ec a s t i n ga tn e a r1 i q u i d u sw a sa p p l i c a b l ef o ft h o s ec a s t i n g sw h i c h h 删e 鞭i t e ds t m e 糖穗铅s q u e e z ee 鑫照i 珏g 秘de o 糙i r 幽l ec 0 璐p l e x i t y 科e a t e rm a i lo re q u a lt os a l l dc a s t i n g u s i i l gm o i d so f 矗x i eb o x b o d y 最n dc o u p l e r 毓u c k l e ，s q u 瓣c a s t i n g m a c k n ea l l dm e d i 啦一f b q u e n c yi n d l l c t i o nm m a c e ，r e s e a r c ho i l 吐l eb a s 主c s e m i s o l i df o 蝴i n gp r m c i p l e s f o r 啪e lw a sd o n e w h e nh i 馥p r e s s u r e1 0 s s ， l o wp r e h o 鑫t 凇p 程a 粕瑶o fl o w 蠡l l i n gv e l o e 玲w e 羚o e c 疆猕矗，s 疆甄 e o c k l e sa n dm i 8 m n 、r ee a s yt oh a p p e n s op r e h e a tt e m p e r a t u r ea b o v e 4 0 0 ， i l l i n gv e l o c i 锣痨o v c4 0 黼耐s ，a n d 矗i l i n gp r e s s u r ea b o v e1 m p aw e r en e e d e dt oo b t a i ng d 最l l i n ga b i l “i e s 鞠dc a s t i n g 驰a l i t i e sf o r c o m p l e xc a s t i n g s u l i l i z i n gb o xb o a 曩e 越珏g 穗r n 叠e e ，耗至l s i l 0 圭e 鞋i n g 氆a e h i 珏e 鑫聪 m e t a l l o g r a p h i ca i l a l y s i se q u i p m e n t ，s t u d yo nm e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r eo f s q u e e z ec a s 虹n ga tn e a fi i q u i d u sf o rz g 2 5 m n e r n i m oc a s t 洫g sw a sc a 捎c d o u t a m o n gn e a rl i q 啦d u ss 驴e e 勰c a s l i n m g 攮lm o l de a 娥驾a n d e x t m s i o nc a s t i n g ，也eg r a i l ls i z eo fn l ef i r s tm e t h o dw a st 1 1 es m a l l e s t ，a n d l e 鞋s i l e 钯s 圭蠡o v 赡d 舔话fh 搿娃程e a 主糙髓建i 拈m e c h a 正e 舔p p e 癔e s 魏l 了 r e a c h e da n de x c e e d e dt l l ecg r a d es t e e ls t 甜姒a r d so f a m e r i c a na s s o c i a t i o n o fr a i l 唧s q u e e z ec a s t i n 移a tn e 甜l i q u i d u si so fr e 螽n e dg r a i n ，h i 曲 如n s i t 弘h i 曲t 至g h t n e 8 s ，l o wn o n * 撒e t 翘i ei n c l u s i 黝ds e a r l yg s s s e g r e g a t i o ne t c k e yw o r d ：s e m i - s 0 1 j df o m l - n 舀l o wa l i o y e ds t e e l ，s q u e e z ec a s t j n 函n e a ri i q i d u ，4 北京交通大学攒士学位论文 第1 章绪论 l 。l 铁道车辆翔铸镳佟酶蒺量舞缀 铸钢件在铁道车辆部件中占宥很大比重，如车铃、辘籍、摇槐、 侧架簿。这些部件在性能上一般要求其有一定的强度以承受车辆上部 的荷熬，并具搿相当的塑性及韧性以防止脆蚀断裂，确保行车安全。 随着枫车车辆辩离速窥羹载方囱发袋，铸钢件的工作状况更加恶劣， 对铸钢俘的力举性能提出了更高的隳求。 瓣前采弱秒鍪铸造袋精密铸造方法生产铸钢 串，产品内部缺陷率 高、质量稳定性蒺，安全可靠性低，严重威胁列车运行安全。采用树 蓍移铸造哥爵瓣决隶浴瀵移带来懿灞题，劳羧善表瑟鬟爨，毽鬟重铸 孛 内部缺陷并没肖明显的改瞢。以锻撩代替铸造虽然可以提高产品的质 量楼次秘稳定热，毽生产成本大蠛嶷提裹，霹器显仅疆予形竣篾擎懿零 件。如何从根本上提高铁道车辆铸镧件的质激水平，制造出可以用于 高速列车的铸钢传是一个必须解决豹润题。 1 1 1 材料升级岛工艺升级 1 1 1 1 材料升级 瓣蓊铁遥车辆铸镄 串静麓籽主聚有嚣类：铸造碳镄( 见表1 1 ) 謦委低 合金铸钢( 见袭1 - 2 ) 。铸造碳钢多年来广泛地虚用于机车车辆用铸钢 磐，_ 荛要是霞淹宅其毒中等强凄帮较磐黪鳖羧及、尊壹嵇缝；冀褥造往 j t 豪交运大学硕士学位论文 能好，细热裂倾向小，流麓往爵，气体及菲金属夹杂物易浮出，牧缩 性也小；焊接性e 好，碳巍量较低，焊毒 兹不嚣要预热。毽是，冀强 度级别低，在重载高速的形势下难以满足要求，所以，正磁被低合金 铸钢所取代。 表l l 搬枣车辆鼹铸造碳钢蟋力势疆毙 口，戚4 “2 ( m 如)札 m p 8 ) r砖( ) 廿( ) 矗州( j 1 熊号 最 小德 a 蔗i o 阳2 。o4 2 54 03 。 z g o 一4 5 02 3 0 4 5 0 2 23 22 5 z 7 0 卯02 7 0锄1 b2 52 2 0 g 3 1 e _ 渤3 主。5 7 0i 52 l1 5 z g 3 4 0 6 4 03 4 06 4 01 01 81 0 - a 群舞塞毒下辩睁蠹鹱投稿 v 鼙靛# 斌择) 。 表1 2 机车车辆用t 融夸金铸铜的力举性能 热赴疆 口乱乱4 中 矗甜 牌坶 f m h ) ( m h jf ) ( ) 试t 巍魔( j )h b 艘蓖 鼙枣蓬 器 或 b 擞悄 4 8 2 “ 一2 0 1 3 7 2 0 8 粼+ h z m + h 。 一1 8 c 艘锕4 1 4椒02 24 51 7 9 2 4 l c + h一柚 ld 域瓣 e 鞋括6 一4 e打2 t l 一撼5 e 收精 c + h8 2 71 43 04 02 7 2 4 l 3 1 l - a * 一正戒：o 一瞅l l 一硼必 目前，我国正在实现铸钢产品的更新换代，逐步完成由碳素铸钢 囱低合金铸锱靛过渡，并肉国际铸镶标准靠拢，参照执行美国铁邋协 会( a a r ) 铸锻标准。低食垒铸镪、c 、d 、e 级钢) 强度级别毫，但 工艺性能不及铸造碳钢，所以生产中经常出现工艺缺陷，特别是其缺 貉敏感往大，量存在铸造缺陷，使埔髋能急蒯下降。如柯游免铸造、 焊接、热处理废品是铁道车城铸镪 牛耪利嚣缴为低台金铸钢压嚣蠛懿 一个重簧问题。要解决这一问题，有必疆进行生产工艺的升级。 第l 章绪论 1 1 1 2 工艺升级 铁道车辆铸钢件的工艺升级步伐缓慢。用树脂砂代替水玻璃砂的 工作对于提高铸件表面质量和取消水浴清砂具有重要意义。但是，材 料升级后如何提高铸件内部质量，充分发挥材料潜力是一个更加重要 的问题。这一点，仅靠采用树脂砂是难以做到的。迫于重载高速对铸 钢件提出的质量要求，不少厂家将一些铸钢件改为锻件。但这并不是 上策，因为锻件的成本高，而且锻造工艺对零件的形状适应性较差， 只能在某些零件上有效，推广应用空间不大【l l 。 国外长期以来铁道车辆铸钢件也普遍采用普通铸造方法生产，但 其工艺装备水平先进，质量控制系统完善，问题并不十分突出。尽管 如此，面对日益激烈的市场竞争，德国、美国、日本等国家都已经开 始探索采用新技术提升铁道车辆铸钢件的质量水平。很有希望全面提 升铁道车辆铸钢件质量水平的一个新技术就是半固态成形技术口 。汽 车行业采用半固态成形技术进行铸件质量升级，已经取得了满意的效 果。 1 1 2 钢铁材料半固态成形的可行眭 1 1 2 1 技术可行性 2 0 世纪7 0 年代，美国麻省理工学院学者m c f 1 e m i n g s 等人1 首次提出了一种新的金属成形方法，即半固态成形技术( s e m i - s o l i d m e t a lf o r m i n g ) ，简称s s m 。半固态金属成形技术是指在金属的凝固 过程中，对其施以剧烈搅拌，或控制固液态温度，或采用某些特殊的 工艺使其枝状初生固相破碎、球化，得到一种金属浆料，母液中均匀 北京交通大学硕士学位论文 地悬浮着一定球状初生固相的固- 液混合浆料( 即半固态浆料) ，利用这 种浆料直接进行成形加工( 如压铸、轧制、挤压等) 就称为流变成形 ( f h e o f o r r n i n g ) ，又称浆料成形；将这种浆料凝固成坯料，然后重新加 热到半固态温度进行成形加工就称为触变成形( t l l i x o f o r i n i n g ) ，又称坯 料成形( 见图1 1 ) 。 图l 一1 半固态浆料成形与坯料成形p 1 半固态成形技术是利用金属从液态向固态转变或从固态向液态 转变( 即液固共存) 过程中所具有的特性进行成形的方法。这一成形方 法综合了液态成形( 铸造) 和固态成形( 锻造) 的长处，即加工温度比液态 低、变形抗力比固态小，是一种生产效率高、近无余量成形技术。 作为种新技术，半固态成形技术已成为材料学科研究热点之 第l 章镶论 一，被豢为2 l 世鳃爨毒发展翦豢豹现代擞王耨技术。始将这耱戏形按 本艨用雾锯铁树料，裂巽寄籀下忍个特点扣q 珥： ( 1 ) 胃成形复杂零稀。浆料在舔力下流动往好，充蓬平稳，无湍 流和喷溅，可成形锻造无法成形或成形函难的复杂铸钢零件。 ( 2 ) 可实现近净成形。其成形温度介于围相线与液相线之间，体 收缩中基本没有液态收缩，只有部分凝阉收缩，成形件尺寸精泼高。 ( 3 ) 成形件力学性能赢。浆料在压力作用下充型翻凝固，制暴内 鄄组织数密，凝固遵循强对凝爨愿嬲，鼹敬纫，j 、，瞧帮气孔、糖援筹 缺赡少，鼓力学蛙畿鹰，霹接_ l 葭葳达到锻释酶力学褴毹。 ( 4 ) 节约能源和资澈。相对铸遗等液态洳工技术而畜，加工温度 较低，对稹舆的热冲击较小，加工阁模其寿命延长。与锻造和挤压等 同态加工技零赠姆，变形抗力筑小，节能3 0 左右。 ( 5 ) 提蓠鬻澎欺瘵j 淇生产过程鱼动化程度离，a 巍操作大 崾瘴减 少，使劳动密集型生产变成了披= j | 之镦集型生产，生声效率裹。 钢铁材料的拳遐态成形技本在爨黪蕊国内逐是个藩溜技术，其 理谂基辎臼趋戏熬，若艇用于铰遂车辆铸钢传生产，将带采一次革命 牲豹霞羹升级。 1 1 2 。2 经潞毒纾性 半固态成形铸锻搏与罄避铸造锩镳 孛榛逝，零样毛坯熬生产残本 较嵩，键最终产晶髂残奉提嵩并不鞠显。由装1 ，3 可冤，半溷态成形 铸锱件袋零升裔静函素主要是模县消耗、半固态浆料镧备、压力成形 过程的龟耗和设备折韬加大。成本降低的园索主要怒省去了清砂、废 品率降低、工艺出晶率提高、利用余热进行热处理、切削加工工时髓 l 寰交避大学颈学位论文 刃兵瘩损的减，j 、等。 表l o 半爨态或彤铸钢孛 与普遵铸造成泰比较f 1 墨；凝盛查掳照壅燃彗塑蓬盛毽量骥鲣童出燃 培蟪邀妒嫱炼琶势嬉炼籀瓣 鉴、慧、攘瓣 一敬擞攮熙 不需濂辩 护麟理黼删耗 穗涟 拦 成形 蓊 蒲理 建 痿酪雄， 工艺窭茹率， 工赘辐季l 设箍辑l 霹 小计 辩裂暇力枫 甥割巍冒 口、打麝 静 瓣饕婚障作 工a 少 设备投资约 赛黧麓 竞耥耗 唇0 7 5 蒜要麴撩弗 工a 多 s 蛰矗篱l 耱手繁 s 端蜒糕磺期 1 蒜f t 麴 1 0 。元“ 其鲍鞘糕j oi 酗t 相辅 s 蹦鬻i j o 元。t 酱遴铸造鞴 元? ： 酱避鳞逢蔫l 瑚 ，“t 喾遘鳞造寿搏 觅；t 磐滔转逵离 如元，f 避瓣投辩较小3 戳蔫5 0 嚣， s 氮f 约辩i 5 0 张! t 刍隅与傈疆 可瑶剥痢寐热 蘸群加热警嚣鬻爹， 蛰玲却 摺趟樱髑 棚秘 莛 藤雒步鞘多柑当 竺矍 甥潮蹙小 刀其揽耗小 小计 艘瓣猫秽造戒 7 典l m 耗太 酱遴诲建蔫 5 0 一1 0 0 元j 昔趟麟造篱 5 0 l 。o 觉，t 繁避鳞造 离约1 0 0 元f t 想戚奉 警遘姆造 高妁1 5 0 元f t 由于成本与零件大小、工艺方法、批羹等因素直接相关，表l 。3 中 煞鼗据哭是裁一簸情况逶行静比较，其体零 牛豹生产成本还可能出现 _m”h”_，_-一 爹嘶f擀舳 切辫糯工 第l 章绪论 与表1 3 中数据相反的情况。但总体来看，半固态成形铸钢件与瞥通 铸钢 牛成本相当，比精密铸造铸钢l 牛成本低。 1 1 2 3 钢铁材料半固态成开蓦的难点 劐目前( 2 0 0 5 年) 为止，国际上强召开了8 次半固态成形方面的专 题学术会议，共发表关于高熔点钢铁材料半圈态成形的研究论文3 0 余篇。所涉及瀚材料有m 2 ： 具镧、h 1 1 钢、 s 6 5 2 高速钢、l c r 6 轴承钢、6 0 s i 2 m n 弹簧钢、3 0 4 不锈钢、c 8 0 工具钢、普碳钢、商铬 铸俘、胃锻铸铁、茭铸铁蒋。长鹚以袈，割终钢铁耪籽半固态藏形发 展的主要难点是： ( 1 ) 惠湛半辫态嬉髂黢良连续穗定熬裁备； ( 2 ) 高温半闽态熔体的输送和保持困难； ( 3 ) 裹渥半鼹态熔钵敬滚囊交澎媲律渡交蠖) 积其残形性溺来充 分掌掇： ( 4 ) 成形遗赓裹，工爨孝辛料的离滠性能赡以保证： 1 2 半固态熔体的制备方法 半固态成形的一个关键问题和主要难点就是如何制奄半固卷浆 料或燧辩。国蠹外学者已经研究开发癌了十余琴孛半固态浆粒剑备方 法。目前，电磁搅拌法制浆仍在实际半固态龛属成形应用中占据主导 地位。 飘理论上讲，低熔点盒属的浆料翻备方法均可以确予高熔点金属 的浆料制备。但商熔点会属的浆料制备对制浆设备的要求很高，并不 是辑肖铡浆方法均能在实繇中应用。霹前，曾采用过的钢铁材料的稍 北京交通大学硕士学位论文 浆方法有机械搅拌法【1 4 1 ”、电磁搅拌法、应变激活法、近液相线 铸造法 i 8 j 、喷射沉积法、单辊旋转法、粉末冶金法、熔体冷却法 1 1 等，胃将这些方法努为臻徉法f 梳械搅箨法、电磁搅徉法、单辊旋转 法) 、控制凝固法( 迓滚蝴线法、熔髂冷却法) 载其它方法( 皮变激活法、 喷射沉积法、粉朱冶会法) 。 l 。2 1 搅拌法 1 ，2 1 1 机械搅拌法 机械搅拌法1 2 2 j 是制备半阎态金属最早使用的方法。泼冉法利用机 械旋转的叶片或搅拌棒改变凝固中金属初生晶粒的生长，获得球状或 类球状髂初生晶羧静半匿态余属浆科。在搅捧过程中，通过控潮搅拌 塞的滋度来控铡半霪态金瘸豹强耀分数，逶遭改变时片或揽拌终浆转 速来控制剪切速率，并可以保证搅拌过程中的剪切邋率不变。f l e m 虹域s 等用连续机械搅拌法成功制备了3 0 4 及4 4 0 c 不锈钢、m 2 高速钢和4 3 4 0 低合余钢的半固态坯料。但从实验结果肴，其生产效率不高，实验室 键备锶铁半霆态浆料静产量达到2 4 彰戚n 。 孝几械搂上半法设备镯单、造挽低、操作方矮、 剪切速率易于控制，非常适合实验室的研究工 作。但是，该方法生产效率低、搅拌室和搅拌 棒静寿命短、搅拌棒和揽箨室荔污染半离态会 瘸浆粒，无法裁餐衰震蓬戆半零态众属浆精或 坯料，也无法满足工业生产的需要。 零1 2 透绥辊械撬# 制簪半固态裳辩 第l 章绪论 1 2 1 2 电磁搅拌法 电磁搅拌法是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，金属液 在洛伦兹力的作用下产生运动，从而达到对金属液搅拌的目的。电磁 搅拌按磁场方向分为水平式与垂直式；按磁场发生方式又可分为交流 法与旋转永磁体法。一般影响电磁搅拌效果的因素有搅拌功率、冷却 速率、余属液温度等。 b l a z e k 等人利用图1 3 所示流变器对不锈钢( 3 0 4 、3 1 6 、4 4 0 c ) 、高 速钢( m 7 、m 4 、m 2 ) 等进行了制备研究。毛卫民等也用电磁搅拌法成 功制备了6 0 s i 2 m n 、lc r l 8 n i 9 t i 等高熔点钢铁材料半固态浆料。 1 一输送小车 2 一钢包 3 一 ：搅拌室 4 一中间浇【| 5 一j ：搅拌器 6 一下搅拌室 7 下搅拌器 8 连铸平台 9 一牵引机构 图l - 3i s c 型流变器 结构示意图 电磁搅拌的突出优点是不用搅拌器，不会污染金属浆料，也不会 卷入气体。但设备投资大，工艺复杂，成本较高，由于“积肤”效应， 该技术只运用于直径小于1 5 0m m 的锭坯。若用该方法制备浆料进行流 变成形，则浆料的输送和浇注困难。 。i n 旷 北京交通大学硕士学位论文 i j 2 1 3 单辊旋转法 单辊旋转法是机械搅拌法的变种，其工艺原理是：利用一个机械 旋转的辊轮把静止的弧状结晶壁上生长的初晶不断碾下、破碎，并与 剩余的液体一起混合，形成流变金属浆料( 见图1 4 ) 。单辊旋转方法可 以制备半固态金属浆料，也可以制备半固态金属薄带。日本学者利用 单辊旋转法成功制备过f c 2 0 和f c 3 0 灰口铸铁及f c d 4 0 旧本牌号1 球 墨铸铁的半固态浆料。 该方法所用设备结构简单，设计、制造、运转及操作比较容易。 但制备钢的半固态浆料困难较大，主要是因为钢的制浆温度很高，容 易和辊轮、冷却板等粘连、粘焊，浆料也不容易从结晶壁和轧辊阳j 隙 中顺利流出。 ： 。7 、6 、9 、1 1 纯热板2 一冷却水3 、1 2 一驱动装置4 冷却水辅 5 一弧状冷却板7 一液态盒属8 一辊轮l o 一半同态金属浆料 图1 4 单辊旋转法示意图 1 2 2 控制凝固法 1 2 21 近液相线法 近液相线法是将合金熔体在液相线温度附近保温一定时间后，进 第l 章绪论 行浇铸，获得适合半固态成形的金属浆料。液相线铸造合金熔体温度 低，温度场均匀，在浇铸过程中大量晶核在熔体中均匀产生，获得组 织细小、均匀、等轴的半固态浆料。 该方法简单可行，成本低廉，但其浆利质量受保温时间影响较大， 制浆过程需要很长的保温时间刁可获得理想的半固态浆料，故其突出 缺点就是生产率低。如能缩短制浆时的保温时间，则该方法的工业应 用潜力巨大。 1 2 2 2 熔体冷却法 熔体冷却法是冷却斜槽 法和斜管法的统称，是指让 低过热的会属熔体流经具 有一定冷去i j 能力的斜管或 斜槽，从而获得具有一定球 状初生固相的半固态浆料 的方法。一般影响该方法的 主要因素有浇注温度、斜坡 长度和倾角。 该方法的浆料制备装 图1 - 5 熔体冷却法示意图 置简单、占地面积小，可方 便地安装在挤压、轧制等一些成形设备上，但冷却体的温度控制较难 实现。目前该方法也仅限于制备铸铁浆料的实验研究。 北京交通大学硕士学位论文 l 。2 ，3 鬻麓攀法 1 2 3 1 应蛮激活法 应变激活法虢跫预先连铸菇粒细小酌金属锭，再将萁熟挤压达到 一定交澎，在缀缓中拣存部分交形裁量，最焉按嚣簧将变形嚣静金_ | j 嚣 锭分切成一定大小，趣热到半露态遗度。在鸯曩热过程中，蓄先发生再 结晶，然后郑分熔化，使豳相鼓粒分数在渡相基俸咚l ，褥到半固态坯 料。该法制罄的盒属坯料纯净，生产效率较赢，对镱4 备较高熔点哟非 枝晶组织台金具有其独特的优越性。但这种方法需要很大的挤压变形 螫，因此只能制备小赢径的金属半固态坯料，成本商，髓不邋用于流 变成形。 1 2 3 2 粉来冶金法 图】6 应变激活法工艺原理示意厨 赣末冶鑫蘧锎备半禽态金满坯料的工艺路线蹩：首先翩备金满粉 末，然蓐进行不阉释炎金瓣粉束翡藏合，荐遂行粉末预疵形，并将预 第1 章绪论 战形坯奉尊重新加热到半固态嚣，进行适当保渝。卵可获得半固态金藕 坯料。该工艺制备半固态金属坏料酌的晶粒非常小，尺寸稳定性高， 佩成本昂贵，很难得到大规模的实际应用。另外，该方法不适用于流 变成形。 1 2 3 3 喷射沉积法 喷射沉积法邂金属熔化成液态金属簏，雾化为熔滴颗粒，在喷射 气体作用下部分凝固的微滴崽接沉积在收集蒺板上，快速凝固成一定 几何形状的坯料，将这种坯拳嘻加热到局部熔化时，可碍到具有球形颞 粒固楣的半固态金属浆料( 嘲1 7 ) 。k 即f a n o s 等磐用浚方法制备过 m 2 惑速铡、s t e l l i t e 毫湿会会熊半围态坯崧，魏转合金熬鼓粒尺寸分掰 为1 9 3 6 ，l 豇黻、碡0 8 芦m 。谈方法制备静半固态繇料疆量很好，也便 予半阉态重络加热和触变成形，但坯料制备价格鞲= 较罱资，灵适合制 备高级或难熔合鑫坯料和成形高级零件毛坯，不能大规模应用。另外， 该方法只适用于触变成形。 l * 沉教室 2 - 基板； 3 帧射粒子流； 4 - 气体嚣化禚； 5 - 台金披； 6 。主苕塥； 嚣纯气嚣； 秘淡联体； 9 趣动帆构： l0 _ 排气及取料室 图l 一7 喷射沉积原理示意图 北京交通大学硕士学位论文 1 2 4 制浆方法小结 半固态触变成形不存在浆料的状态保持及输送等方面的困难，长 期以来，半固态成形技术的研究和应用主要集中在触变成形。但是， 触变成形技术逐渐暴露出很多问题2 3 】：传统制坯方法( 主要是电磁搅拌) 的效率低、能耗高，导致半固态坯料成本较高( 坯料成本占零件成本约 4 0 ) ；重熔能耗高，坯料表面氧化严重( 流失高达1 0 ) ；坯料的成分、 晶粒形状和晶粒分布的不均匀性直接影响浆料质量；生产废料无法及 时回收利用，必须返回到坯料制备车间或坯料生产厂，增加了生产成 本。 流变成形因其工艺流程短、成本低，日益受到国内外研究者的重 视，将成为金属半固态成形的主流发展方向。铁道车辆用铸钢件的半 固态成形应该采用流变成形工艺，其工艺基础是流变成形用半固态浆 料的制各、输送与保持。 应变激活法、喷射沉积法、粉末冶金法制得的半固态坯料经重熔 后均可以获得良好的半固态浆料，但这些方法只能用于半固态触变成 形，突出缺点是制坯成本高，很难大规模应用。而搅拌法和控制凝固 法都可以制备流变成形用浆料。 搅拌法依靠很大的剪切力使枝晶破碎、熔断、熟化等来获得球状 晶粒，越来越表现出不足：机械搅拌法由于生产效率低、污染金属、 浆料质量低等缺点，只适用于实验室研究；单辊旋转法制各钢的流变 浆料难以克服浆料与设备粘连、粘焊等困难；电磁搅拌的效率低、能 耗高、成本高等缺点同益暴露。 控制凝固法通过控制晶核形成和晶粒球状长大的凝固条件出发 来制备半固态浆料，简单可行、成本低，将成为流变浆料制备方向的 篱l 章绪论 主流，并且有希望替代搅拌法。其中，近液相线法工装过程简单，不 需要专用的制浆设备，着能减短保温时间，提离制浆效率，将是理想 的钢铁零葶料的拳固态浆辩专l 备方法。 l1 3 充型能力和成形工艺 如靛文赝述，国内终学者曩经磺究开发出了+ 余秘钢铁糖糙半固 态浆料制备方法，但是针对半圆态熔体的成形研究缺乏。目前，高熔 点拳囊态熔钵的滚动交澎翘撵( 流交毪) 还未充分掌撵，各秘袋形方法 的成形性尚未认知，制约了钢铁材料半固态成形研究的丌展。 1 3 1 究型能力 研究钢铁材料半围态熔体的充型能力，用以指导钢铁材料半固态 或形生产工艺鞠模其羧诗，疆海产蠢壤藿，掇渤半蠢态残形鼓本在我 国的应用都具肖重要学术和实践意义。目前i 国内外在该领域的研究 都集串在融交袋形上。宥代表魏静是谂助热，力穰叛梳进行的压缩实验 和触变压铸充型能力研究。 圈1 8 半固态和铸态t 1 0 钢在两相区变形的应力一般变曲线 北京交通丈学硕士学位论文 李激光等偌劲熬功模 耋l 梳，对电磁搅搀法髑备麴高谈工貘钢、弹 簧镪嚣不锈甥等半曩态坯辩进行压缎实验，磷究了这些檬料在不灏变 形温度、不阉变影速攀下的应力盛变关系【2 4 煳涠1 8 ) 。健们懿实验 得出了一些有剥予半固态成形的结论，即在同温度下半固态熔传螅 变形抗力显著小于铸恣熔体。假是，他们的研究没有考虑成形工艺过 程中其他因素如模具温度、铸件结构、模具涂料等的影响。 b r a l l l a n n 等则使用了触变压铸设备研究了冷作模具钢x 2 1 0 c r w l 2 的在触变压铸工艺下充填薄壁的能力阳( 围1 9 ) 。此研究综合分析了充 型压力、充填速度、模具温度等成形工艺参数对半固态熔体的充型能 力的彩响巍律，对半萄态触交蕊铸生产其有较大的指导意义。 图1 9 触变铸造x 2 1 0 c r w l 2 钢的充填薄壁的能力 与触变成形不同，钢铁材料的流变充型能力的硬究尚未彳辱出可喜 成果。 1 3 2 袋彩王艺 半固态成形方法涉及触变锻压、挤压、压铸和直接流变轧制等。 静种成形方法所加工零件的力学性能接近或超过锻件，好于普通铸 件。裉掘已有的文献和研究结果来餐，钢铁材料半阑态成形的基础理 第l 章绪论 论不断完善，应用研究也有了一些进展( 图l - 1 0 ，1 1 1 ) ，其前燎将十 分广阀。 黼 + 0e 7 0 s 6 钢融变葳移连轩。目 蹲l 。ll 钢铁树幸之间鲢串鬻态连接1 2 舛 襄1 4 一整钢虚摹露或影条箨下的力学淫巍【”1 台金及状态 脯服强度，m p a抗拉强皮，m p a伸长率脚 不锈钢a l s l 3 0 4 触变铸造 2 7 66 6 01 9 蜡模铸造2 7 45 1 6 3 0 不锈钢a i s l 3 0 4 l， 应变滋活 5 擘6 3 0 镶蒋 毒8 35 m 2 j ：其钢( 圈爽) 触变铸造2 3 7 0弯曲实验 锻件( 轴向) 2 4 4 0 弯曲实骏 ( 横向) 1 2 3 0 裘1 4 列举了一些镪在不同成形条件下的力学性能，半固杰触变成 北京交通大学硕士学位论文 形件的性能优异。与充型能力的研究现状类似，钢铁材料半固态流变 成形工艺的研究也缺少相应成果，其流变成形性尚未认知，影响了此 项技术在钢铁材料方面的应用和发展。 1 4 研究内容 车辆用铸钢件的半固态成形必需首先解决两个基本问题：一是流 变成形用半固态熔体的制备，二是这种熔体的充型能力和成形性。结 合前文分析本文的研究内容为： 1 ) 低合金钢半固态熔体的近液相线保温制备研究 将近液相线法运用到低合金钢的半固态熔体制各中来，探究保温 温度、。保温时间对浆料组织的影响规律，掌握近液相法制备高熔点合 金半固态熔体的工艺及其机理。 2 k 近液相线熔体挤压铸造的充型能力研究 近液相线低合金钢熔体的挤压铸造成形能否获得具有一定复杂 程度的优质零件，取决于该熔体在挤压铸造工艺下的充型能力。研究 外界因素主要是挤压铸造工艺中的充型压力、充型速度、模具温度、 涂料及模具材料的热物理性质等对近液相线熔体充型能力的影响规 律。 3 ) 近液相线熔体的挤压铸造成形研究 以车辆用铸钢件的挤压铸造成形来进一步探究近液相线熔体的 成形性，并找出成形工艺参数如充型压力、充型速度、模具温度、涂 料及模具材料的热物理性质、模具结构等对成形性的基本影响规律。 4 ) 近液相线挤压铸造件的组织与性能研究 测试近液相线挤压铸造件的力学性能，评价近液相线挤压铸造的 第l 章缝 套 效果。分析近液相线挤压铸造件的组织特征。找出影响力学性能的主 要因素。 1 ) 随着机车车辆向商速和重载方向发展，必需进行铸钢件的质量 升级。很商希望全面提升铁道车辆铸钢件质擞水平的新技术就是钢铁 稀科的半阐态藏形技术。 2 ) 钢铁材瓣的率蓠态成形有萁技术可行往和经济酉行饿，但仍有 滏未尧驻浆难煮。锈铁寿尊料静流变浆瓣涮备、流变充蝥能力及戒形往 掇是茭难患。 3 ) 在众多铡浆方法中，运过改变金壤熬竣露袈 牛采制备浆精豹控 制凝围法戏本低、操作越单、效率离，是刳冬滚燮残形浆鞑麴最佳方 法。 4 ) 高熔点忿属的半固态熔体的流变充型自力还未充分掌握，成形 性尚未认知，影响了成形研究的开展。 5 ) 本文的主要研究内容魑低合金钢半固态熔体的近液相线制各、 近液相线熔体的充型能力、近液相线熔体的挤压铸造、近液相线挤压 铸造件的缀织与力学性能。 北京交通大学硕士学位论文 第2 章近液相线保温制浆研究 半固态成形的一个关键问题和主要难点就是如何制备半固态浆 料或坯料。长期以来，电磁搅拌法制浆在实际半固态金属成形应用中 占据主导地位，同时也罔益暴露出其缺点，即，工艺复杂，设备投资 大、成本商。而近液相线法是一种简单可行、成本低廉的方法。崔建 忠等对该方法的研究较多，并暇得了可喜的研究成果。他们的实验表 明，铝合金在液相线附近保温3 0m i n 后进行铸造才可获得理想的半固 态坯料卧。”。该方法的突出缺点是保温时间长，生产效率不高。 作者首次将近液相线保温法应用于低合金钢的半固态熔体制备， 研究了中频感应炉内不同保温温度和不同保温时间下的低合金钢 f z g 2 5 m n c r n i m o ) 熔体的水淬组织与空冷组织。结果表明，保温温度 对水淬组织的影响规律与崔建忠等人的研究结果一致，近液相线保温 的效果显著。但保湿时闯的影响规律不同，短时( sm j n ) 保温即可获得 较好效果，生产效率低的问题得以解决。 2 1 实验 21l 实验材料 实验材料为z g 2 5 m n c r n i m o ，是目前机车车辆用低合金铸钢的主 型钢种。该材料经正火+ 回火热处理后的力学性能可达到美国a a r 铸钢标准中c 级钢力学性能指标：而经淬火+ 回火热处理后的力学性 能可达到美国a a r 铸钢标准中的e 级钢力学性能指标。其化学成分 能可达到美国a a r 铸钢标准中的e 级钢力学性能指标。其化学成分 北京交通大学硕士学位论文 见表2 1 。由羞热分析( d t a ) 确定该材料的液相线为1 5 1 0 。 表2 0z g 2 5 酗n c 斛；m 的化学蔑务 l 成份cs im ns p c uc rm on i f e l 质量 o 2 20 2 01 2 00 4 0o 2o 3 5 s 三o _ 3 一 余鬣 1 分数 0 。o 毒0 。泓o i 聪 o 。2 8孬。4 01 5 00 6 06 3o 。5 5 2 1 2 实验方法 本实验用碱性中频感应炉不氧化法熔炼炉料。用裸头铂铑3 0 一铂 铑6 热电偶直接述续测瀵。测湿方式如图2 j 历示，用定长度热偶 丝作为传热体，一端连接离温熔体，另一端逡接热电偶的测温节点， 通过传热，使节点温度与赢温熔体致，根据热电偶回路中产生的热 电势，测如高溢熔体的滠艘。这种方法的热平衡误差为o 3 6 ，渝度 响应时6 i | 小于o 1s p 。自行研制的羧温柜可按设定温度控制加热、冷 却弱保温，控潺精度圭l 。蠲勺式敬样器取样，取祥菊涮涂料并激干， 可重复使用。 ( a ) 热b 偶安装廊部俯视翻( h ) 测温节点放火髑 l 、钡4 温扎2 、测激端传热段3 、坩蜗4 、填充料5 、掀艘硅示仪表6 、热i 毡 l _ l 照 7 、戆农绞黼s 、热 l 秘溺溢苇悫 瘸2 1 裸鬻热电偶直接连续测温法原理强 z g 2 5 m n c 削i m o 熔炼好压，将其依次冷却至1 4 9 5 、1 5 0 8 、l s 2 0 、 1 5 3 5 分别保澡，改交保温温度时，为清除上次僳温产生的效聚，均 。：。一墨罩i 熏 第2 章近液相线保温制各半固态熔体 先把钢液加热至1 6 0 0 之后再冷却至下一保温温度。在保温时间为 1 、5 、1 5 、3 0 、5 0m i n 时依次取样，每次取两个试样，一个水淬，另 一个空冷。另外，在普通铸造浇注温度下1 5 8 0 保温3 0m i n 后，也 取样水淬和空冷。 所有试样( 共4 2 个) 经粗磨、精磨、抛光后，用2 硝酸酒精溶液 浸蚀，在x i i i 型光学显微镜上观察，并拍摄金相照片。 2 2 组织特征 z g 2 5 m n c r l q i m o 的含碳量很低，其凝固时发生包晶反应，液相中 首先析出6 f e 高温铁索体，进一步冷却，熔体到达包晶反应温度时， 6 一f e 与一部分残余液相发生包晶反应转变成奥氏体。继续冷却，其余 液相也转变为奥氏体。水淬样和空冷样都经历上述过程，只是冷却强 度