低合金钢半固态挤压铸造工艺与组织性能分析

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1、北京交通大学硕士学位论文绪论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。这就对机车关键铸钢件(摇枕、侧架和车钩等)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市场竞争力【11。据统计，我国铁路系统大多铸钢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i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

2、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钢件的质量水平，生产出满足高速列车运行要求的铸钢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ZG230-450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旋提速，重载后，ZG230．450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20世纪90年代开始，我国逐步采用符合美国AAR-M一201标准体系的低合金钢取代ZG23

3、0-450。其中以C级钢为代表的低合金钢在铁道行业内得到广泛接广，E级钢也开始得到采用。低合金钢强度级别高(表1-1)，但其铸造工艺性能不及ZG230--450，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。因此，如何有效避免铸造缺陷是机车铸钢件材质升级为低合金钢后所面临的一个突出问题。但到目前为止，这一问题仍未得到根本性的解决[2-51。(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。

4、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【11。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为低合金钢后，普通砂型铸造工艺所暴露出来的问题更加突出。追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北京交通大学硕士学位论文绪论致密、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、形状简单的零部件【5l。所以，要真正解决机车铸钢件材质升级为低合金钢后所面临的一系列问题，就必须对现有的成形工艺进行升级。表

5、卜1机车车辆用低合金铸钢主要钢种的力学性能f2】Table1-1Mechanicalpropertiesoflowalloycaststeelforlocomotiveandvehicle钢种级别Ub／MPaos／MPa8／％廿，％冲击韧性(Ah)／J硬度HBZG230-450菖50兰30：02常温下AKv翌5一B级钢苫S2兰62：04荨6’7℃下AKV；金I137～208正火C级钢苫20苫15>72蓦5．18"C下Axv：01179～241淬火C级钢苗20菩15：02苫5-40"C下Arv：07179～241D缓钢等24苫拍苫7葛5．40℃下AKV：

6、0721l～285E级铜錾27苗帅>14甚O-40"(2下Axv翌7241～311注：ZG230-450采用标距为5d的试样·其余按AAR-M-20l标准采用标距为4d的试样．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性和固态塑性成形的高品质性有效地结合在一起，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【6l。因此，将这一技术应用于机车车辆铸钢件的生产，将可全面提高我国机车车辆铸钢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、轧制等液态和周态成形加工技术比较

7、，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(Semi—SolidMetallurgy，简称SSM)。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

8、质处理等)，以改变初生固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