镁合金3d超塑化处理方法以及超塑性精密成型方法

文档序号:9519601阅读:590来源:国知局
镁合金3d超塑化处理方法以及超塑性精密成型方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于新材料短流程快速成型技术领域,涉及一种镁合金3D超塑化处理方 法和装置,基于该处理方法的镁合金超塑性精密成型方法以及通过该成型方法加工的过渡 车钩。
【背景技术】
[0002] 过渡车钩是连接轨道列车的核心零部件,同时也是极为重要的安全结构,是地铁 列车、有轨电车(低地板列车)和普通客运列车、高速动车组在编组、救援、调车等过程中常 用的工具,在回送和救援时需要人工搬运到车端部车钩位置,进行人工安装,没有辅助借力 机构,因此需要对过渡车钩进行轻量化设计。对地铁而言,其编组频率高,过渡车钩使用频 繁;动车组列车在救援时时间要求紧,要求快速、精确安装。这些工作特性要求车钩能够搬 运方便,安装快捷,工作安全可靠,因此在不降低车钩性能的前提下,车钩的轻量化是必须 尽快解决的问题。UIC660-2002规定:过渡车钩应采用紧凑的轻型结构,以方便搬运,并在 lOmin内完成装备,过渡车钩的每个构件最大质量必须小于50Kg。
[0003] 以地铁列车的过渡车钩为例,当前使用的过渡车钩其重达74_84Kg,换装需要3-5 个工人协力安装,很不方便,稍一不慎就造成人员受伤或设备损坏。当前国产动车组车钩的 主流技术是采用钢结构,重量大、人工移动和对准十分困难,而且一些结构为焊接接头,可 靠性也难以保证。
[0004] 现有的车钩基本为铸钢(如C级钢ZG25MnCr)铸造而成,或钢板焊接而成,只有少 量的其他相关部件(如车钩舌坯料【CN200920127360. 2铁路车辆用车钩钩舌坯料】,钩尾框 框体【CN201310160816.6钩尾框框体的加工工艺】)采用了一般模锻成型技术。现有的钢 制铸造车钩,缩孔、缩松、夹杂、气孔等铸造缺陷将严重影响后续车钩的服役性能,如其强度 和塑性离散性大,钩体材料均质化程度较低,且车钩成品率较低,材料利用率不高。焊接过 渡车钩同样存在缺陷率高而且不易控制、尺寸精度较低,导致结构可靠性差,使用过程中的 钩体接触表面易于磨损,防脱性能下降,正常作业性能被破坏,出现纵向间距迅速增大等不 良状态。
[0005] 对于过渡车钩的轻量化制备方法,目前主要有选用低合金高强度钢等材料制备, 也有新近开发采用碳纤维复合材料、铝合金材料等轻量化材料制备。碳纤维材质的过渡车 钩已由英国铁路公司生产商试制出来,但造价过于昂贵,数百倍于现有钢结构车钩,在欧洲 也难以推广,同时由于构成碳纤维复合材料基体的树脂要发生老化,性能会不可避免地随 时间发生衰减,造成可靠性能逐渐降低。高强度低合金钢过渡车钩主要为铸造或焊接生产, 可靠性低,质量大,操作困难,属于淘汰技术和产品。
[0006]综上所述,当前使用的过渡车钩多为铸钢铸造而成,新开发的碳纤维制造的过渡 车钩的制造成本过于昂贵而无法投入实用。现阶段使用的钢制过渡车钩存在以下技术缺 陷:(1)重量大,人工移动和对准困难;(2)结构强度较低;(3)制造精度较低,难以成型复 杂微细结构,需要后续大量机械加工实现精密成型;(4)铸造成型产品表面质量较差。
[0007] 研发减重率达65%以上的轻量化高强度镁合金车钩,将具有极大的技术进步意 义。同时该技术的成功开发将打破国际技术垄断,从轻量化设计、材料、成型技术、后处理技 术等方面实现技术创新,形成中国创造的高速列车新产品。
[0008] 此外,目前具有实际意义的轻量化高强度材料成型加工工艺尚不成熟,尚未出现 高效率的成型方法,这也是本领域目前研究的重要问题。

【发明内容】

[0009] 本发明旨在针对上述现有技术中存在的问题,提供一种镁合金3D超塑化处理方 法,能够实现材料均质、晶粒细化和组织致密化,消除现有铸造成型带来的铸态粗大枝晶组 织及消除偏析,缩孔,缩松等铸造缺陷。
[0010] 本发明的另一目的在于提供一种实现上述镁合金3D超塑化处理方法的装置。
[0011] 本发明的再一目的在于提供一种基于上述镁合金3D超塑化处理方法的镁合金超 塑性精密成型方法,通过该成型方法能够获得轻量化高强度的构件。
[0012] 本发明的第四个目的在于提供一种通过上述金属坯件精密成型方法加工的过渡 车钩,相对于现有的钢结构的过渡车钩,其质量减轻了 75%,其强度却可以达到350MPa以 上。
[0013] 本发明采用以下技术方案来达到上述目的。
[0014] 本发明提供了一种镁合金3D超塑化处理方法,对经过锻前预处理后的非空心镁 合金铸件,在镁合金超塑性变形温度范围内,以依次经过Z轴,X轴,Y轴三个方向下压坯件 为一个循环,经过至少两个循环,得到设定尺寸的锻坯件,完成3D超塑化处理;Z轴方向为 镁合金原始铸锭的长轴方向,X轴、Y轴、Z轴满足笛卡尔坐标关系;坯件变形的应变速率控 制在 102s1 ~5X105s^
[0015] 镁合金3D超塑化处理实现了材料均质化和组织致密化,消除现有铸造成型带来 的铸态枝晶组织及偏析,缩孔、缩松等铸造缺陷。镁合金3D超塑化处理过程中需要严格控 制超塑化变形条件,包括(1)镁合金坯件的应变速率应在102s1~5X105s1之间;(2)温 度需要保持在超塑性变形温度范围内,当金属合金坯件温度低于超塑性变形温度的最低温 度时,应立即升温。否则会造成:(1)温度过低,材料的塑性流动性变差,继续大的塑性锻压 会造成坯件开裂、报废;(2)坯件温度较低时,变形抗力增加,锻压机器容易过载运行;(3) 变形温度降低,压下效率极其缓慢,超出超塑化设计变形速率下限,整体加工周期延长,综 合加工效率降低,最终导致难以成型。
[0016] 在上述镁合金3D超塑化处理方法中,镁合金铸件对于形状没有特殊的限定,可以 是圆柱状、方块状,也可以是长条状,但必须是非空心件。
[0017] 在上述镁合金3D超塑化处理方法中,以依次经过Z轴,X轴,Y轴三个方向下压 坯件为一个循环,经过至少两个循环,得到设定尺寸的锻坯件,完成3D超塑化处理;本发明 中,一般经过2次以上的3D超塑化循环过程,保证材料实现超塑化均匀细化,在此过程中同 时进行尺寸修正,使其达到设计尺寸。3D超塑化处理后,就可以彻底改变铸态枝晶组织,得 到致密细小的等轴晶组织。从第二循环开始,每次循环的锻造温度要比前一循环的锻造温 度低25~50°C,以控制晶粒的动态再结晶长大速度,避免二次再结晶晶粒粗化。
[0018] 在上述镁合金3D超塑化处理方法中,3D超塑化处理过程中的锻坯件长轴方向与 短轴方向的长度比值不宜太大,否则容易发生后续锻造弯曲失稳产生折叠,影响后续工序。 本发明中,锻坯件最长方向与最短方向的长度比值不大于2. 5,否则应加以修正后再进行超 塑化处理。
[0019] 在上述镁合金3D超塑化处理方法中,金属合金铸件在Z轴、X轴、Y轴三个方向的 下压量需要严格控制。下压量过小,可能需要多重复几个循环方可达到超塑化效果,甚至达 不到3D超塑化处理的目的;下压量过大,可能造成铸件出现裂纹甚至断裂。在本发明中,以 镁合金为例,发明人经过大量研究,得出镁合金较适用的第一循环下压量范围为:沿Z轴方 向的下压范围为坯件Z轴方向高度的40%~80%;沿X轴方向的下压范围为坯件X轴方向 宽度的50%~90%;沿Y轴方向的下压范围为坯件Y轴方向宽度的55%~90%;第二循环 以后(包含第二循环)的各个方向锻造下压量不超过50%。上述下压量范围会随着所选择 的金属合金坯件材料不同而不同,本领域技术人员可以根据经验做出相应的调整。需要注 意的是,3D超塑化处理过程中下压时,要结合锻坯件最长方向与最短方向的长度比值来考 虑下压量范围;在下压量范围内,同时要注意锻坯件最长方向与最短方向的长度比值不大 于 2. 5。
[0020] 在上述镁合金3D超塑化处理方法中,处理完成后,需将锻坯件置于低于超塑性变 形温度范围最低值的设定温度的恒温环境中中保温一段时间,以使锻坯件缓慢冷却,使锻 坯件表面和芯部达到均匀一致的状态;随后再在空气中冷却至室温。
[0021] 在上述镁合金3D超塑化处理方法中,为了使得3D超塑化处理效果更好,可以先 将金属合金原始铸锭进行锻前固溶处理,锻前固溶处理的具体实现形式为:去除镁合金原 始铸锭表面的毛刺和氧化皮,并将处理后的的坯件进行均匀化热处理实现铸件的元素均 匀化,形成等轴状晶体。均匀化热处理可以分为若干温度段进行,相邻的温度段的差值为 70~100°C,每个温度段的保温时间为1~7h。作为本领域的常规手段,对于均匀化热处 理,申请人不再详细阐述。此外,为了尽量减少坯件材料与锻砧板表面的横向延展摩擦力, 保证材料的自由延展,可以在金属合金原始铸锭进行均匀热处理前,在材料表面涂抹高温 润滑剂。本领域技术人员可以选择多种高温润滑剂,达到润滑效果、耐高温不易掉落即可。
[0022] 本发明进一步提供了一种镁合金3D超塑化处理装置,包括上砧板、下砧板;上砧 板与提供压力的
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