本發明涉及一種制備復合材料－流變成形履帶板工藝。
背景技術：
：：履帶板是履帶式工程機械的關鍵件,又是易損件。過去采用調質加中頻淬火再加低溫回火的熱處理工藝,曾出現圓角處開裂硬度偏高和易折斷等弊病。有鑒于上述的缺陷，本設計人積極加以研究創新，以期創設一種制備復合材料－流變成形履帶板工藝，使其更具有產業上的利用價值。技術實現要素：為解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種制備綜合性能良好的制件的制備復合材料－流變成形履帶板工藝。本發明制備復合材料－流變成形履帶板工藝，所述的履帶板利用流變成型模鍛系統加工而成，所述的流變成型模鍛系統包括：鋁基復合材料的制備裝置，履帶板成型模具，用于提供履帶板成型模具沖頭壓力的液壓機；其中，所述履帶板成型模具至少包括：下模板，設置在所述下模板上的凹模，凹模之間設有型芯，型芯兩側設有頂桿，以及上模板，連接在所述上模板上的外凸模，所述外凸模中間設有內凸模，內凸模通過螺栓連接在上模板上，所述螺栓上述設有蝶形彈簧，所述蝶形彈簧設置在上模板和內凸模之間，凹模，外凸模、內凸模、外凸模、頂桿形成履帶板成形腔；所述的履帶板成型工藝包括：制備鋁基復合材料；將機械攪拌法制備的鋁基復合材料定量澆注于履帶板成形腔內，采用復合加載方法進行模鍛成型，所述復合加載模鍛成型具體包括，在加壓模鍛前，調整碟簧的預緊量，使內、外凸模產生高度差，即補縮量s，液壓機下行加壓，加壓時內凸模先接觸鋁基復合材料使其充滿型腔，繼續施加壓力，內凸模趨于靜止，外凸模有繼續移動的距離s，對已趨于凝固的材料施以局部載荷和補縮，使其發生塑性變形，保壓一段時間，開模，由頂出缸推動頂桿頂出制件，其中，所述補縮量s為6.5mm；成形工藝參數：模具預熱溫度200℃～300℃；比壓108mpa；加壓速度15mm/s；保壓時間30s～40s；潤滑劑：石墨乳；所述的鋁基復合材料的制備方法包括：材料選擇：基體材料為2a50鍛鋁合金，增強體材料為sicp顆粒，sicp顆粒顆粒度為7μm，體積分數10％；對sicp顆粒進行預處理，得到備用的增強體顆粒；熔煉2a50鋁合金：用坩堝熔煉鋁合金到640℃～660℃，加入精煉劑，精煉5分鐘后除渣，除渣時對鋁合金液進行攪拌，并上、下移動；在鋁合金液中加入1.5wt％～2wt％的純mg；sicp顆粒預熱：將sicp顆粒用10g鋁箔包裹起來，放入加熱爐的坩堝中加熱至600℃，并保溫30min至60min；先將預熱后的sicp顆粒加入攪拌坩堝內，然后加入鋁合金液，進行加熱，當溫度加熱至680℃以上時、保溫30min以上后開始攪拌，攪拌時，依據坩堝內的材料含量調節攪拌棒的上下位置，每攪拌3至8分鐘后改變攪拌棒旋轉方向。進一步地，還包括將觸變模鍛履帶板制件進行t6熱處理，其熱處理工藝為：在500℃固溶處理3小時，放入水中淬火20min，然后在160℃時效處理10小時，取出履帶板空冷至室溫。進一步地，對sicp顆粒進行預處理具體包括：酸洗：用10％的hf溶液浸泡sicp顆粒24h進行酸洗；清洗：對酸洗24h后的sicp懸濁液用大量蒸餾水多次清洗，每1～2小時換一次蒸餾水，直至溶液達到中性；烘干：把sicp液體表面的清水除去，在烘干箱中140℃～160℃的條件下烘干24h～28h；研磨：烘干后的sicp出現結塊現象，用研缽進行研磨，使其成為粉末狀，研磨之后密封保存；燒結：經過上述過程處理的sicp需要在800℃±5℃高溫下燒結2～3小時。進一步地，所述的燒結過程具體為：將坩堝放入加熱爐中隨爐預熱到100℃～150℃，將sicp顆粒放入坩堝中隨爐加熱到300℃～400℃，保溫30min左右，并不斷攪拌；加熱到800℃進行燒結，燒結過程中需要不斷攪拌；隨爐冷卻至室溫。進一步地，所述鋁基復合材料的制備系統包括：加熱爐、對加熱爐內物料進行攪拌的攪拌裝置以及對加熱爐進行溫度控制的溫控箱，所述攪拌裝置包括攪拌棒、驅動所述攪拌棒圓周旋轉的動力裝置，其中，所述攪拌棒的一端部連接所述動力裝置，所述攪拌棒的另一端部設有攪拌葉片，所述葉片為沿攪拌棒軸線上、下布置的兩排，各排葉片沿攪拌棒的圓周方向布置，所述葉片呈矩形結構，所述葉片與水平面成15°夾角，攪拌棒上排的葉片和下排的葉片交錯設置；所述動力裝置包括搖臂鉆床以及設置在所述搖臂鉆床上的攪拌電機，所述攪拌電機的動力端與所述攪拌棒連接，所述攪拌棒表面涂有耐高溫防腐陶瓷材料。進一步地，所述溫控箱通過熱電偶獲取加熱爐的溫度，所述加熱爐側壁中間位置下部的側壁上設有熱電偶測溫孔，所述熱電偶設置在所述熱電偶測溫孔上。進一步地，所述加熱爐包括外殼、加熱爐密封蓋以及設置在所述外殼內的坩堝，其中所述加熱爐密封蓋為兩個相拼的半圓形外蓋，外蓋設有移動耳朵，中間開一用作攪拌棒通道的圓孔。進一步地，所述坩堝為圓柱狀，上部設有法蘭外圈，在外法蘭處焊接有兩個長度不超過爐子外蓋內徑的短圓柱。進一步地，攪拌溫度680℃～700℃，攪拌時間：60min，攪拌速度：875r/min。借由上述方案，本發明至少具有以下優點：采用機械攪拌法制備的sicp2a50鋁基復合材料成形履帶板可獲得綜合性能良好的制件，經t6處理后，其抗拉強度σb＞352mpa，延伸率δ＞6.1(％)，硬度hv＞113。其優化的成形工藝參數：模具預熱溫度200℃～300℃；比壓100～108mpa；加壓速度15mm/s；保壓時間30s～40s；潤滑劑：石墨乳。在相同摩擦條件下，10vol％sicp/2a50復合材料的較基體材料磨損量減小了57％～69％，亦低于鋼質材料38crsi的磨損量。上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。附圖說明圖1是本發明制備復合材料－流變成形履帶板工藝流程圖；圖2是本發明拉伸試樣尺寸；圖3是本發明拉伸試驗的取樣位置；圖4是履帶板熱處理曲線；圖5是銷盤式滑動摩擦磨損試驗機原理圖；圖6是履帶板成形模具；1-螺栓2-上模板3-外凸模4-內凸模5-液鍛件6-凹模7-模套8-頂桿9-下模板10-型芯11-加熱孔12-定位銷13-碟形彈簧14-定位銷15-螺栓。具體實施方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。本發明制備復合材料－流變成形履帶板工藝的最佳實施例：所述的履帶板利用流變成型模鍛系統加工而成，所述的流變成型模鍛系統包括：鋁基復合材料的制備裝置，履帶板成型模具，用于提供履帶板成型模具沖頭壓力的液壓機；其中，所述履帶板成型模具至少包括：下模板，設置在所述下模板上的凹模，凹模之間設有型芯，型芯兩側設有頂桿，以及上模板，連接在所述上模板上的外凸模，所述外凸模中間設有內凸模，內凸模通過螺栓連接在上模板上，所述螺栓上述設有蝶形彈簧，所述蝶形彈簧設置在上模板和內凸模之間，凹模，外凸模、內凸模、外凸模、頂桿形成履帶板成形腔；所述的履帶板成型工藝包括：制備鋁基復合材料；將機械攪拌法制備的鋁基復合材料定量澆注于履帶板成形腔內，采用復合加載方法進行模鍛成型，所述復合加載模鍛成型具體包括，在加壓模鍛前，調整碟簧的預緊量，使內、外凸模產生高度差，即補縮量s，液壓機下行加壓，加壓時內凸模先接觸鋁基復合材料使其充滿型腔，繼續施加壓力，內凸模趨于靜止，外凸模有繼續移動的距離s，對已趨于凝固的材料施以局部載荷和補縮，使其發生塑性變形，保壓一段時間，開模，由頂出缸推動頂桿頂出制件，其中，所述補縮量s為6.5mm；成形工藝參數：模具預熱溫度200℃～300℃；比壓108mpa；加壓速度15mm/s；保壓時間30s～40s；潤滑劑：石墨乳；所述的鋁基復合材料的制備方法包括：材料選擇：基體材料為2a50鍛鋁合金，增強體材料為sicp顆粒，sicp顆粒顆粒度為7μm，體積分數10％；對sicp顆粒進行預處理，得到備用的增強體顆粒；熔煉2a50鋁合金：用坩堝熔煉鋁合金到640℃～660℃，加入精煉劑，精煉5分鐘后除渣，除渣時對鋁合金液進行攪拌，并上、下移動；在鋁合金液中加入1.5wt％～2wt％的純mg；sicp顆粒預熱：將sicp顆粒用10g鋁箔包裹起來，放入加熱爐的坩堝中加熱至600℃，并保溫30min至60min；先將預熱后的sicp顆粒加入攪拌坩堝內，然后加入鋁合金液，進行加熱，當溫度加熱至680℃以上時、保溫30min以上后開始攪拌，攪拌時，依據坩堝內的材料含量調節攪拌棒的上下位置，每攪拌3至8分鐘后改變攪拌棒旋轉方向。進一步地，攪拌溫度680℃～700℃，攪拌時間：60min，攪拌速度：875r/min。進一步地，還包括將觸變模鍛履帶板制件進行t6熱處理，其熱處理工藝為：在500℃固溶處理3小時，放入水中淬火20min，然后在160℃時效處理10小時，取出履帶板空冷至室溫。進一步地，對sicp顆粒進行預處理具體包括：酸洗：用10％的hf溶液浸泡sicp顆粒24h進行酸洗；清洗：對酸洗24h后的sicp懸濁液用大量蒸餾水多次清洗，每1～2小時換一次蒸餾水，直至溶液達到中性；烘干：把sicp液體表面的清水除去，在烘干箱中140℃～160℃的條件下烘干24h～28h；研磨：烘干后的sicp出現結塊現象，用研缽進行研磨，使其成為粉末狀，研磨之后密封保存；燒結：經過上述過程處理的sicp需要在800℃±5℃高溫下燒結2～3小時。所述的燒結過程具體為：將坩堝放入加熱爐中隨爐預熱到100℃～150℃，將sicp顆粒放入坩堝中隨爐加熱到300℃～400℃，保溫30min左右，并不斷攪拌；加熱到800℃進行燒結，燒結過程中需要不斷攪拌；隨爐冷卻至室溫。所述鋁基復合材料的制備系統包括：加熱爐、對加熱爐內物料進行攪拌的攪拌裝置以及對加熱爐進行溫度控制的溫控箱，所述攪拌裝置包括攪拌棒、驅動所述攪拌棒圓周旋轉的動力裝置，其中，所述攪拌棒的一端部連接所述動力裝置，所述攪拌棒的另一端部設有攪拌葉片，所述葉片為沿攪拌棒軸線上、下布置的兩排，各排葉片沿攪拌棒的圓周方向布置，所述葉片呈矩形結構，所述葉片與水平面成15°夾角，攪拌棒上排的葉片和下排的葉片交錯設置；所述動力裝置包括搖臂鉆床以及設置在所述搖臂鉆床上的攪拌電機，所述攪拌電機的動力端與所述攪拌棒連接，所述攪拌棒表面涂有耐高溫防腐陶瓷材料。所述溫控箱通過熱電偶獲取加熱爐的溫度，所述加熱爐側壁中間位置下部的側壁上設有熱電偶測溫孔，所述熱電偶設置在所述熱電偶測溫孔上。所述加熱爐包括外殼、加熱爐密封蓋以及設置在所述外殼內的坩堝，其中所述加熱爐密封蓋為兩個相拼的半圓形外蓋，外蓋設有移動耳朵，中間開一用作攪拌棒通道的圓孔。所述坩堝為圓柱狀，上部設有法蘭外圈，在外法蘭處焊接有兩個長度不超過爐子外蓋內徑的短圓柱。履帶板的顯微組織觀察履帶板的微觀組織：復合材料履帶板的組織均勻細小，其中的sicp顆粒分布均勻，無偏聚現象，無明顯氣孔、夾雜、氧化等缺陷，晶界結合良好，無sicp顆粒的堆聚現象。履帶板的力學性能測試根據零件尺寸及各個部位的工作要求，對履帶板的四個不同部位進行取樣加工成如圖2所示的拉伸試樣。取樣部位如圖3所示其中拉伸試樣1取件的部位為圖示相應位置處的履帶板底部，試樣2為履帶板的外凸模成形部位，其所受的壓力較位置3(內凸模成形位置)要小，試樣4取件的位置為履帶板的導齒(70mm高)。首先進行硬度測試，取樣位置同拉伸試樣相同。測試儀器為micro-586hv硬度測試儀，選取的載荷為200g，保壓時間15s。硬度試樣要保證被測面平整無痕，且與放置面平行，為保證測量準確無誤，多次測量求平均值進行計算[50]。由于sicp顆粒增強鋁基復合材料履帶板中分布有sicp顆粒，如果測試位置在增強體材料上則硬度會很高，在基體材料上則相對較低，因此本次實驗中測試時選擇sicp顆粒均勻分布的點，每個試樣測5～7個點進行計算，拉伸試驗和硬度測試結果如表6-1所示。表6-1履帶板的力學性能測試結果table6-1mechanicalpropertiestestresultsofcreepertreadsicp顆粒的硬度很高，與較軟的鋁合金混合后形成了較好的軟硬配合，復合材料硬度很高，而且材料受力時sicp顆粒阻礙基體材料的位錯運動，晶粒滑移受阻，因而復合材料具有較高的比強度。實驗結果表明，采用sicp顆粒增強鋁基復合材料制備的履帶板的強度、硬度性能均較高，滿足設計要求。sicp/2a50復合材料耐磨性研究履帶板是車輛行走零部件，其抗磨損性能是主要性能指標之一，采用鋁基復合材料的主要目的一是減重，二就是提高耐磨損性能。因此對sicp/2a50復合材料耐磨性能及其影響因素的研究尤為重要。試驗設備及原理摩擦磨損試驗所用的機器為烏克蘭低溫物理研究所生產的ytn-tb-100摩擦磨損試驗機，該試驗機是銷盤式滑動摩擦磨損試驗機，試驗在常溫下進行，滑動速度可以調節。所用的對磨材料為gcr15，硬度為63hrc，試樣與磨盤是平面接觸滑動摩擦，試驗在干摩擦條件下進行。圖5為銷盤式滑動摩擦原理圖，它是將試樣固定在上面，試樣是靜止的，磨盤旋轉與試樣之間產生相對滑動運動。試驗時可對試樣施加一定的壓力使其與旋轉圓盤產生摩擦力，摩擦力通過傳感器輸出，用來評定和計算各種摩擦副及試樣材料的磨損性能。摩擦磨損試樣做成6×6×18mm的長方體，表面平整無劃痕。磨損試驗時，每10s～15s記錄一次摩擦力，以分析制件的摩擦系數變化規律；每5min將試樣從試驗機上取下稱量質量，以分析試樣的質損量隨不同材料配比和制備工藝的變化規律。試驗方案試驗分為兩組，第一組是在相同摩擦條件，壓力40n，滑動速度：0.4m/s，滑動距離：500m，時間：1250s。材料制備參數對磨損量的影響，制備參數分為：(1)不同攪拌速度對制件耐磨性的影響。(2)不同攪拌時間對制件耐磨性的影響。(3)不同攪拌溫度對制件耐磨性的影響。(4)不同的sicp體積分數對制件耐磨性的影響。第二組是選擇第一組優化條件下制備的材料，在相同摩擦條件下與基體合金2a50和鋼的耐磨性能對比試驗。試驗結果與分析由于材料的磨損是一種十分復雜的動態的物理和化學過程，材料的耐磨性是一個系統的性質，受多種因素影響，因此磨損量數據較為分散，磨損量與摩擦時間、負荷大小、潤滑條件有關，這里采用單一變量試驗進行分析，以研究不同的工藝參數對制件耐磨性的影響。不同攪拌速度對履帶板耐磨性的影響不同攪拌速度下制備材料在磨損試驗結果的對比。材料其它制備參數sicp顆粒度7μm，體積分數7.5vol％，攪拌溫度660℃，攪拌時間50min。可見攪拌速度越大，質損量越小，制件抗摩擦磨損的性能越好。這是因為攪拌速度越高，相同時間內攪拌的更均勻，sicp顆粒在鋁液中的彌散分布效果更好。但又要防止速度過大進行攪拌時鋁液飛濺，把攪拌溫度控制在1000r/min左右較為合適，本文的研究中，根據攪拌器的速度及合適的耐磨性要求，將速度控制在875r/min。不同攪拌時間對履帶板耐磨性的影響不同攪拌時間制備的復合材料履帶板磨損量曲線。試樣制備的其它參數：sicp顆粒度7μm，體積分數7.5vol％，攪拌溫度620℃(半固態)，攪拌速度875r/min。攪拌時間分別為10min、30min、60min、100min。由試驗結果可知：制件的磨損量先隨著攪拌時間的增加而減少，但當攪拌時間超過60min之后其磨損量反而增加，耐磨性減弱。攪拌時間增加，sicp顆粒在鋁液中的分布更均勻，增強體材料將起到更好的支撐作用，制件耐磨性增強。攪拌時間過長，會有氣體、水分等雜質卷入使基體材料氧化反而會使sicp顆粒與鋁液的結合減弱，制件耐磨性能下降。從試驗結果來看，將攪拌時間控制在40min～60min較為合適。不同攪拌溫度對履帶板耐磨性的影響三組不同攪拌溫度及時間制備的復合材料履帶板。制備時的工藝參數見表6-2。結果表明，磨損量的大小順序是：△ma2>△ma3>△ma4>△ma5>△ma1>△ma6。結果表明：隨著攪拌溫度增大，攪拌時間增加，制件的磨損量減小，抗磨性能增強。制件a2的溫度低，是在半固態溫度下攪拌復合材料成形，其質損量最大，且其質量磨損速度呈現越來越快的現象，即磨損量隨時間增加越來越大。制件a3～a6溫度依次升高，其磨損量越來越小。在溫度為660℃和680℃條件下攪拌所得的制件磨損量相差不大，即這個區間的溫度改變表6-2不同攪拌溫度試樣的制備參數table6-2preparationparametersofdifferentmixingtemperature對耐磨性影響不大。而當攪拌溫度達到700℃攪拌60min時制件的磨損量明顯遠遠低于其它制件的磨損量，耐磨性最好。這是因為溫度升高，鋁液流動性更好，隨著攪拌時間的增加，攪拌溫度的升高，液體粘度降低流動性的增強，sicp顆粒的流動阻力減小在基體中就呈現均勻的彌散分布的狀態，增強效果更好，因此制件的耐磨性最強。制件a1在溫度600℃的半固態條件下進行攪拌，但其耐磨性能也較好。這是因為在制備制件a1的材料，利用了制備a6的一爐材料，在材料從液態溫度降低到半固態溫度的過程中不斷攪拌，待其降低到半固態溫度600℃后再攪拌10分鐘進行澆注成形，在溫度降低的過程中攪拌棒葉片對材料產生了剪切力，打碎了液態下材料的枝晶，并且其攪拌時間較長，sicp顆粒分布會更加均勻，因此其耐磨性也較好。此組實驗結果表明在660℃～700℃液態條件下攪拌的復合材料耐磨性能最好。sicp顆粒體積分數對履帶板耐磨性的影響sicp顆粒增強體積分數是影響制件耐磨性的重要因素之一，隨著sicp含量的增加，制件的磨損量明顯降低，耐磨性顯著增強。與基體合金相比，加入10％的sicp后磨損量降低了57vol％～69vol％。sicp/2a50復合材料與基體合金、45號鋼、38crsi的磨損量比較。不同材料制備的履帶板的磨損量比較。四組履帶板分別為：基體鋁合金液態模鍛成形、基體鋁合金在鑄態下成形、含5vol％sicp及含有10vol％sicp顆粒的鋁基復合材料液態模鍛成形。明顯地，磨損量大小順序為：△m鑄態>△m純鋁>△m5％sicp>△m10％sicp同樣的摩擦條件下sicp顆粒增強鋁基復合材料制備的履帶板磨損量遠遠低于其它材料制備的履帶板，加入10vol％sicp顆粒的復合材料對基體的增強效果好，單位時間的平均磨損量減小到7.5×10-7g/s，與未加入sicp顆粒的純鋁合金制件相比，耐磨性提高了57％～69％。sicp/2a50履帶板的摩擦系數測定sicp顆粒增強鋁基復合材料摩擦速度為0.4m/s時的摩擦系數，摩擦系數μ的計算公式：μ＝f/p(6-1)式中f——摩擦力(n)；p——試樣上所加的載荷為40n。在摩擦速度為0.4m/s時復合材料的摩擦系數在0.565～0.578之間，sicp的含量對復合材料的摩擦系數影響不大。摩擦磨損形貌及磨損機理為研究履帶板磨損失效的機理，用掃描電子顯微鏡觀察了攪拌溫度為600℃、700℃制備的10vol％sicp復合材料在0.4m/s摩擦速度下摩擦試樣的磨損形貌，從磨損形貌來看，材料的磨損以磨粒磨損為主，兼或有一定程度的粘著磨損發生，但是磨粒磨損的程度有較大差別，粘著磨損和磨粒磨損哪一種機制占主導與材料成分及制備工藝有關。制備溫度為半固態條件下的600℃，有較嚴重的粘著磨損。制備溫度為700℃，材料耐磨性能增強，耐磨性較好，從其磨損形貌來看，是典型的磨粒磨損，少數部分有一些粘著發生。以上所述僅是本發明的優選實施方式，并不用于限制本發明，應當指出，對于本
技術領域：
：的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發明的保護范圍。當前第1頁12當前第1頁12