制备复合材料－流变成形履带板工艺 |
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| 申请号 | CN201710312479.6 | 申请日 | 2017-05-05 | 公开(公告)号 | CN107214278A | 公开(公告)日 | 2017-09-29 |
| 申请人 | 中北大学; | 发明人 | 徐宏; 任霁萍; 张新; 毛红奎; 石阳; 张国伟; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种制备 复合材料 －流变成形 履带 板工艺，包括：包括：SiCp预处理；SiCp预热及模具预热， 铝 合金 熔炼除渣、加Mg；机械搅拌法制备复合材料，模具预热涂 润滑剂 ；复合材料定量浇注；液压机加压成形；充分冷却，顶出制件， 质量 检验； 热处理 及 机械加工 ；成品检验，性能测试。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种制备复合材料－流变成形履带板工艺，其特征在于，所述的履带板利用流变成型模锻系统加工而成，所述的流变成型模锻系统包括：铝基复合材料的制备装置，履带板成型模具，用于提供履带板成型模具冲头压力的液压机；其中，所述履带板成型模具至少包括：下模板，设置在所述下模板上的凹模，凹模之间设有型芯，型芯两侧设有顶杆，以及上模板，连接在所述上模板上的外凸模，所述外凸模中间设有内凸模，内凸模通过螺栓连接在上模板上，所述螺栓上述设有蝶形弹簧，所述蝶形弹簧设置在上模板和内凸模之间，凹模，外凸模、内凸模、外凸模、顶杆形成履带板成形腔； |
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| 说明书全文 | 制备复合材料－流变成形履带板工艺技术领域[0001] 本发明涉及一种制备复合材料－流变成形履带板工艺。 背景技术发明内容[0004] 为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种制备综合性能良好的制件的制备复合材料－流变成形履带板工艺。 [0005] 本发明制备复合材料－流变成形履带板工艺，所述的履带板利用流变成型模锻系统加工而成，所述的流变成型模锻系统包括：铝基复合材料的制备装置，履带板成型模具，用于提供履带板成型模具冲头压力的液压机；其中，所述履带板成型模具至少包括：下模板，设置在所述下模板上的凹模，凹模之间设有型芯，型芯两侧设有顶杆，以及上模板，连接在所述上模板上的外凸模，所述外凸模中间设有内凸模，内凸模通过螺栓连接在上模板上，所述螺栓上述设有蝶形弹簧，所述蝶形弹簧设置在上模板和内凸模之间，凹模，外凸模、内凸模、外凸模、顶杆形成履带板成形腔； [0006] 所述的履带板成型工艺包括： [0007] 制备铝基复合材料； [0008] 将机械搅拌法制备的铝基复合材料定量浇注于履带板成形腔内，采用复合加载方法进行模锻成型，所述复合加载模锻成型具体包括，在加压模锻前，调整碟簧的预紧量，使内、外凸模产生高度差，即补缩量S，液压机下行加压，加压时内凸模先接触铝基复合材料使其充满型腔，继续施加压力，内凸模趋于静止，外凸模有继续移动的距离S，对已趋于凝固的材料施以局部载荷和补缩，使其发生塑性变形，保压一段时间，开模，由顶出缸推动顶杆顶出制件，其中，所述补缩量S为6.5mm；成形工艺参数：模具预热温度200℃～300℃；比压 108MPa；加压速度15mm/s；保压时间30s～40s；润滑剂：石墨乳； [0009] 所述的铝基复合材料的制备方法包括： [0011] 对SiCp颗粒进行预处理，得到备用的增强体颗粒； [0013] 在铝合金液中加入1.5wt％～2wt％的纯Mg； [0014] SiCp颗粒预热：将SiCp颗粒用10g铝箔包裹起来，放入加热炉的坩埚中加热至600℃，并保温30min至60min； [0015] 先将预热后的SiCp颗粒加入搅拌坩埚内，然后加入铝合金液，进行加热，当温度加热至680℃以上时、保温30min以上后开始搅拌，搅拌时，依据坩埚内的材料含量调节搅拌棒的上下位置，每搅拌3至8分钟后改变搅拌棒旋转方向。 [0016] 进一步地，还包括将触变模锻履带板制件进行T6热处理，其热处理工艺为：在500℃固溶处理3小时，放入水中淬火20min，然后在160℃时效处理10小时，取出履带板空冷至室温。 [0017] 进一步地，对SiCp颗粒进行预处理具体包括： [0018] 酸洗：用10％的HF溶液浸泡SiCp颗粒24h进行酸洗； [0019] 清洗：对酸洗24h后的SiCp悬浊液用大量蒸馏水多次清洗，每1～2小时换一次蒸馏水，直至溶液达到中性； [0020] 烘干：把SiCp液体表面的清水除去，在烘干箱中140℃～160℃的条件下烘干24h～28h； [0022] 烧结：经过上述过程处理的SiCp需要在800℃±5℃高温下烧结2～3小时。 [0023] 进一步地，所述的烧结过程具体为：将坩埚放入加热炉中随炉预热到 100℃～150℃，将SiCp颗粒放入坩埚中随炉加热到300℃～400℃，保温30min 左右，并不断搅拌；加热到800℃进行烧结，烧结过程中需要不断搅拌；随炉冷却至室温。 [0024] 进一步地，所述铝基复合材料的制备系统包括：加热炉、对加热炉内物料进行搅拌的搅拌装置以及对加热炉进行温度控制的温控箱，所述搅拌装置包括搅拌棒、驱动所述搅拌棒圆周旋转的动力装置，其中，所述搅拌棒的一端部连接所述动力装置，所述搅拌棒的另一端部设有搅拌叶片，所述叶片为沿搅拌棒轴线上、下布置的两排，各排叶片沿搅拌棒的圆周方向布置，所述叶片呈矩形结构，所述叶片与水平面成15°夹角，搅拌棒上排的叶片和下排的叶片交错设置； [0029] 进一步地，搅拌温度680℃～700℃，搅拌时间：60min，搅拌速度：875r/min。 [0030] 借由上述方案，本发明至少具有以下优点： [0031] 采用机械搅拌法制备的SiCp2A50铝基复合材料成形履带板可获得综合性能良好的制件，经T6处理后，其抗拉强度σb＞352MPa，延伸率δ＞6.1(％)，硬度HV＞113。其优化的成形工艺参数：模具预热温度200℃～300℃；比压100～ 108MPa；加压速度15mm/s；保压时间30s～40s；润滑剂：石墨乳。 附图说明[0034] 图1是本发明制备复合材料－流变成形履带板工艺流程图； [0035] 图2是本发明拉伸试样尺寸； [0036] 图3是本发明拉伸试验的取样位置； [0037] 图4是履带板热处理曲线； [0038] 图5是销盘式滑动摩擦磨损试验机原理图； [0039] 图6是履带板成形模具； 具体实施方式[0041] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 [0042] 本发明制备复合材料－流变成形履带板工艺的最佳实施例：所述的履带板利用流变成型模锻系统加工而成，所述的流变成型模锻系统包括：铝基复合材料的制备装置，履带板成型模具，用于提供履带板成型模具冲头压力的液压机；其中，所述履带板成型模具至少包括：下模板，设置在所述下模板上的凹模，凹模之间设有型芯，型芯两侧设有顶杆，以及上模板，连接在所述上模板上的外凸模，所述外凸模中间设有内凸模，内凸模通过螺栓连接在上模板上，所述螺栓上述设有蝶形弹簧，所述蝶形弹簧设置在上模板和内凸模之间，凹模，外凸模、内凸模、外凸模、顶杆形成履带板成形腔； [0043] 所述的履带板成型工艺包括： [0044] 制备铝基复合材料； [0045] 将机械搅拌法制备的铝基复合材料定量浇注于履带板成形腔内，采用复合加载方法进行模锻成型，所述复合加载模锻成型具体包括，在加压模锻前，调整碟簧的预紧量，使内、外凸模产生高度差，即补缩量S，液压机下行加压，加压时内凸模先接触铝基复合材料使其充满型腔，继续施加压力，内凸模趋于静止，外凸模有继续移动的距离S，对已趋于凝固的材料施以局部载荷和补缩，使其发生塑性变形，保压一段时间，开模，由顶出缸推动顶杆顶出制件，其中，所述补缩量S为6.5mm；成形工艺参数：模具预热温度200℃～300℃；比压 108MPa；加压速度15mm/s；保压时间30s～40s；润滑剂：石墨乳； [0046] 所述的铝基复合材料的制备方法包括： [0047] 材料选择：基体材料为2A50锻铝合金，增强体材料为SiCp颗粒，SiCp颗粒颗粒度为7μm，体积分数10％； [0048] 对SiCp颗粒进行预处理，得到备用的增强体颗粒； [0049] 熔炼2A50铝合金：用坩埚熔炼铝合金到640℃～660℃，加入精炼剂，精炼 5分钟后除渣，除渣时对铝合金液进行搅拌，并上、下移动； [0050] 在铝合金液中加入1.5wt％～2wt％的纯Mg； [0051] SiCp颗粒预热：将SiCp颗粒用10g铝箔包裹起来，放入加热炉的坩埚中加热至600℃，并保温30min至60min； [0052] 先将预热后的SiCp颗粒加入搅拌坩埚内，然后加入铝合金液，进行加热，当温度加热至680℃以上时、保温30min以上后开始搅拌，搅拌时，依据坩埚内的材料含量调节搅拌棒的上下位置，每搅拌3至8分钟后改变搅拌棒旋转方向。进一步地，搅拌温度680℃～700℃，搅拌时间：60min，搅拌速度：875r/min。 [0053] 进一步地，还包括将触变模锻履带板制件进行T6热处理，其热处理工艺为：在500℃固溶处理3小时，放入水中淬火20min，然后在160℃时效处理10小时，取出履带板空冷至室温。 [0054] 进一步地，对SiCp颗粒进行预处理具体包括： [0055] 酸洗：用10％的HF溶液浸泡SiCp颗粒24h进行酸洗； [0056] 清洗：对酸洗24h后的SiCp悬浊液用大量蒸馏水多次清洗，每1～2小时换一次蒸馏水，直至溶液达到中性； [0057] 烘干：把SiCp液体表面的清水除去，在烘干箱中140℃～160℃的条件下烘干24h～28h； [0058] 研磨：烘干后的SiCp出现结块现象，用研钵进行研磨，使其成为粉末状，研磨之后密封保存； [0059] 烧结：经过上述过程处理的SiCp需要在800℃±5℃高温下烧结2～3小时。 [0060] 所述的烧结过程具体为：将坩埚放入加热炉中随炉预热到100℃～150℃，将SiCp颗粒放入坩埚中随炉加热到300℃～400℃，保温30min左右，并不断搅拌；加热到800℃进行烧结，烧结过程中需要不断搅拌；随炉冷却至室温。 [0061] 所述铝基复合材料的制备系统包括：加热炉、对加热炉内物料进行搅拌的搅拌装置以及对加热炉进行温度控制的温控箱，所述搅拌装置包括搅拌棒、驱动所述搅拌棒圆周旋转的动力装置，其中，所述搅拌棒的一端部连接所述动力装置，所述搅拌棒的另一端部设有搅拌叶片，所述叶片为沿搅拌棒轴线上、下布置的两排，各排叶片沿搅拌棒的圆周方向布置，所述叶片呈矩形结构，所述叶片与水平面成15°夹角，搅拌棒上排的叶片和下排的叶片交错设置； [0062] 所述动力装置包括摇臂钻床以及设置在所述摇臂钻床上的搅拌电机，所述搅拌电机的动力端与所述搅拌棒连接，所述搅拌棒表面涂有耐高温防腐陶瓷材料。 [0063] 所述温控箱通过热电偶获取加热炉的温度，所述加热炉侧壁中间位置下部的侧壁上设有热电偶测温孔，所述热电偶设置在所述热电偶测温孔上。 [0064] 所述加热炉包括外壳、加热炉密封盖以及设置在所述外壳内的坩埚，其中所述加热炉密封盖为两个相拼的半圆形外盖，外盖设有移动耳朵，中间开一用作搅拌棒通道的圆孔。 [0065] 所述坩埚为圆柱状，上部设有法兰外圈，在外法兰处焊接有两个长度不超过炉子外盖内径的短圆柱。 [0066] 履带板的显微组织观察 [0068] 履带板的力学性能测试 [0069] 根据零件尺寸及各个部位的工作要求，对履带板的四个不同部位进行取样加工成如图2所示的拉伸试样。取样部位如图3所示 [0070] 其中拉伸试样1取件的部位为图示相应位置处的履带板底部，试样2为履带板的外凸模成形部位，其所受的压力较位置3(内凸模成形位置)要小，试样 4取件的位置为履带板的导齿(70mm高)。 [0071] 首先进行硬度测试，取样位置同拉伸试样相同。测试仪器为MICRO-586HV 硬度测试仪，选取的载荷为200g，保压时间15s。硬度试样要保证被测面平整无痕，且与放置面平[50]行，为保证测量准确无误，多次测量求平均值进行计算 。由于SiCp颗粒增强铝基复合材料履带板中分布有SiCp颗粒，如果测试位置在增强体材料上则硬度会很高，在基体材料上则相对较低，因此本次实验中测试时选择SiCp颗粒均匀分布的点，每个试样测5～7个点进行计算，拉伸试验和硬度测试结果如表6-1所示。 [0072] 表6-1履带板的力学性能测试结果 [0073] Table 6-1Mechanical properties test results of creeper tread [0074] [0075] SiCp颗粒的硬度很高，与较软的铝合金混合后形成了较好的软硬配合，复合材料硬度很高，而且材料受力时SiCp颗粒阻碍基体材料的位错运动，晶粒滑移受阻，因而复合材料具有较高的比强度。实验结果表明，采用SiCp颗粒增强铝基复合材料制备的履带板的强度、硬度性能均较高，满足设计要求。 [0076] SiCp/2A50复合材料耐磨性研究 [0077] 履带板是车辆行走零部件，其抗磨损性能是主要性能指标之一，采用铝基复合材料的主要目的一是减重，二就是提高耐磨损性能。因此对SiCp/2A50复合材料耐磨性能及其影响因素的研究尤为重要。 [0078] 试验设备及原理 [0079] 摩擦磨损试验所用的机器为乌克兰低温物理研究所生产的YTN-TB-100摩擦磨损试验机，该试验机是销盘式滑动摩擦磨损试验机，试验在常温下进行，滑动速度可以调节。所用的对磨材料为GCr15，硬度为63HRC，试样与磨盘是平面接触滑动摩擦，试验在干摩擦条件下进行。 [0080] 图5为销盘式滑动摩擦原理图，它是将试样固定在上面，试样是静止的，磨盘旋转与试样之间产生相对滑动运动。试验时可对试样施加一定的压力使其与旋转圆盘产生摩擦力，摩擦力通过传感器输出，用来评定和计算各种摩擦副及试样材料的磨损性能。 [0081] 摩擦磨损试样做成6×6×18mm的长方体，表面平整无划痕。磨损试验时，每10s～15s记录一次摩擦力，以分析制件的摩擦系数变化规律；每5min将试样从试验机上取下称量质量，以分析试样的质损量随不同材料配比和制备工艺的变化规律。 [0082] 试验方案 [0083] 试验分为两组，第一组是在相同摩擦条件，压力40N，滑动速度：0.4m/s，滑动距离：500m，时间：1250s。 [0084] 材料制备参数对磨损量的影响，制备参数分为： [0085] (1)不同搅拌速度对制件耐磨性的影响。 [0086] (2)不同搅拌时间对制件耐磨性的影响。 [0087] (3)不同搅拌温度对制件耐磨性的影响。 [0088] (4)不同的SiCp体积分数对制件耐磨性的影响。 [0089] 第二组是选择第一组优化条件下制备的材料，在相同摩擦条件下与基体合金2A50和钢的耐磨性能对比试验。 [0090] 试验结果与分析 [0091] 由于材料的磨损是一种十分复杂的动态的物理和化学过程，材料的耐磨性是一个系统的性质，受多种因素影响，因此磨损量数据较为分散，磨损量与摩擦时间、负荷大小、润滑条件有关，这里采用单一变量试验进行分析，以研究不同的工艺参数对制件耐磨性的影响。 [0092] 不同搅拌速度对履带板耐磨性的影响 [0093] 不同搅拌速度下制备材料在磨损试验结果的对比。材料其它制备参数SiCp颗粒度7μm，体积分数7.5vol％，搅拌温度660℃，搅拌时间50min。可见搅拌速度越大，质损量越小，制件抗摩擦磨损的性能越好。这是因为搅拌速度越高，相同时间内搅拌的更均匀，SiCp颗粒在铝液中的弥散分布效果更好。但又要防止速度过大进行搅拌时铝液飞溅，把搅拌温度控制在1000r/min左右较为合适，本文的研究中，根据搅拌器的速度及合适的耐磨性要求，将速度控制在 875r/min。 [0094] 不同搅拌时间对履带板耐磨性的影响 [0095] 不同搅拌时间制备的复合材料履带板磨损量曲线。试样制备的其它参数： SiCp颗粒度7μm，体积分数7.5vol％，搅拌温度620℃(半固态)，搅拌速度 875r/min。搅拌时间分别为10min、30min、60min、100min。由试验结果可知：制件的磨损量先随着搅拌时间的增加而减少，但当搅拌时间超过60min之后其磨损量反而增加，耐磨性减弱。搅拌时间增加，SiCp颗粒在铝液中的分布更均匀，增强体材料将起到更好的支撑作用，制件耐磨性增强。搅拌时间过长，会有气体、水分等杂质卷入使基体材料氧化反而会使SiCp颗粒与铝液的结合减弱，制件耐磨性能下降。从试验结果来看，将搅拌时间控制在40min～60min较为合适。不同搅拌温度对履带板耐磨性的影响 [0096] 三组不同搅拌温度及时间制备的复合材料履带板。制备时的工艺参数见表 6-2。结果表明，磨损量的大小顺序是：△Ma2>△Ma3>△Ma4>△Ma5>△Ma1>△Ma6。结果表明：随着搅拌温度增大，搅拌时间增加，制件的磨损量减小，抗磨性能增强。制件a2的温度低，是在半固态温度下搅拌复合材料成形，其质损量最大，且其质量磨损速度呈现越来越快的现象，即磨损量随时间增加越来越大。制件 a3～a6温度依次升高，其磨损量越来越小。在温度为660℃和 680℃条件下搅拌所得的制件磨损量相差不大，即这个区间的温度改变 [0097] 表6-2不同搅拌温度试样的制备参数 [0098] Table 6-2Preparation parameters of different mixing temperature [0099] [0100] 对耐磨性影响不大。而当搅拌温度达到700℃搅拌60min时制件的磨损量明显远远低于其它制件的磨损量，耐磨性最好。这是因为温度升高，铝液流动性更好，随着搅拌时间的增加，搅拌温度的升高，液体粘度降低流动性的增强，SiCp颗粒的流动阻力减小在基体中就呈现均匀的弥散分布的状态，增强效果更好，因此制件的耐磨性最强。制件a1在温度600℃的半固态条件下进行搅拌，但其耐磨性能也较好。这是因为在制备制件a1的材料，利用了制备a6的一炉材料，在材料从液态温度降低到半固态温度的过程中不断搅拌，待其降低到半固态温度 600℃后再搅拌10分钟进行浇注成形，在温度降低的过程中搅拌棒叶片对材料产生了剪切力，打碎了液态下材料的枝晶，并且其搅拌时间较长，SiCp颗粒分布会更加均匀，因此其耐磨性也较好。此组实验结果表明在660℃～700℃液态条件下搅拌的复合材料耐磨性能最好。 [0101] SiCp颗粒体积分数对履带板耐磨性的影响 [0102] SiCp颗粒增强体积分数是影响制件耐磨性的重要因素之一，随着SiCp含量的增加，制件的磨损量明显降低，耐磨性显著增强。与基体合金相比，加入10％的SiCp后磨损量降低了57vol％～69vol％。 [0103] SiCp/2A50复合材料与基体合金、45号钢、38CrSi的磨损量比较。 [0104] 不同材料制备的履带板的磨损量比较。四组履带板分别为：基体铝合金液态模锻成形、基体铝合金在铸态下成形、含5vol％SiCp及含有10vol％SiCp颗粒的铝基复合材料液态模锻成形。明显地，磨损量大小顺序为：△M铸态>△M纯铝>△M5％SiCp> △M10％SiCp同样的摩擦条件下SiCp颗粒增强铝基复合材料制备的履带板磨损量远远低于其它材料制备的履带板，加入10vol％SiCp颗粒的复合材料对基体的增强效果好，单位时间的平均磨损量减小到7.5×10-7g/s，与未加入SiCp颗粒的纯铝合金制件相比，耐磨性提高了57％～69％。 [0105] SiCp/2A50履带板的摩擦系数 [0106] 测定SiCp颗粒增强铝基复合材料摩擦速度为0.4m/s时的摩擦系数，摩擦系数μ的计算公式： [0107] μ＝F/P (6-1) [0108] 式中F——摩擦力(N)； [0109] P——试样上所加的载荷为40N。 [0110] 在摩擦速度为0.4m/s时复合材料的摩擦系数在0.565～0.578之间，SiCp 的含量对复合材料的摩擦系数影响不大。 [0111] 摩擦磨损形貌及磨损机理 [0112] 为研究履带板磨损失效的机理，用扫描电子显微镜观察了搅拌温度为600℃、 700℃制备的10vol％SiCp复合材料在0.4m/s摩擦速度下摩擦试样的磨损形貌，从磨损形貌来看，材料的磨损以磨粒磨损为主，兼或有一定程度的粘着磨损发生，但是磨粒磨损的程度有较大差别，粘着磨损和磨粒磨损哪一种机制占主导与材料成分及制备工艺有关。 [0113] 制备温度为半固态条件下的600℃，有较严重的粘着磨损。制备温度为700℃，材料耐磨性能增强，耐磨性较好，从其磨损形貌来看，是典型的磨粒磨损，少数部分有一些粘着发生。 [0114] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。 |
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