鎂合金3d超塑化處理方法以及超塑性精密成型方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于新材料短流程快速成型技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鎂合金3D超塑化處理方 法和裝置，基于該處理方法的鎂合金超塑性精密成型方法以及通過該成型方法加工的過渡 車鉤。
【背景技術(shù)】
[0002] 過渡車鉤是連接軌道列車的核心零部件，同時(shí)也是極為重要的安全結(jié)構(gòu)，是地鐵 列車、有軌電車（低地板列車）和普通客運(yùn)列車、高速動(dòng)車組在編組、救援、調(diào)車等過程中常 用的工具，在回送和救援時(shí)需要人工搬運(yùn)到車端部車鉤位置，進(jìn)行人工安裝，沒有輔助借力 機(jī)構(gòu)，因此需要對(duì)過渡車鉤進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。對(duì)地鐵而言，其編組頻率高，過渡車鉤使用頻 繁；動(dòng)車組列車在救援時(shí)時(shí)間要求緊，要求快速、精確安裝。這些工作特性要求車鉤能夠搬 運(yùn)方便，安裝快捷，工作安全可靠，因此在不降低車鉤性能的前提下，車鉤的輕量化是必須 盡快解決的問題。UIC660-2002規(guī)定：過渡車鉤應(yīng)采用緊湊的輕型結(jié)構(gòu)，以方便搬運(yùn)，并在 lOmin內(nèi)完成裝備，過渡車鉤的每個(gè)構(gòu)件最大質(zhì)量必須小于50Kg。
[0003] 以地鐵列車的過渡車鉤為例，當(dāng)前使用的過渡車鉤其重達(dá)74_84Kg，換裝需要3-5 個(gè)工人協(xié)力安裝，很不方便，稍一不慎就造成人員受傷或設(shè)備損壞。當(dāng)前國產(chǎn)動(dòng)車組車鉤的 主流技術(shù)是采用鋼結(jié)構(gòu)，重量大、人工移動(dòng)和對(duì)準(zhǔn)十分困難，而且一些結(jié)構(gòu)為焊接接頭，可 靠性也難以保證。
[0004] 現(xiàn)有的車鉤基本為鑄鋼（如C級(jí)鋼ZG25MnCr)鑄造而成，或鋼板焊接而成，只有少 量的其他相關(guān)部件（如車鉤舌坯料【CN200920127360. 2鐵路車輛用車鉤鉤舌坯料】，鉤尾框 框體【CN201310160816.6鉤尾框框體的加工工藝】）采用了一般模鍛成型技術(shù)?，F(xiàn)有的鋼 制鑄造車鉤，縮孔、縮松、夾雜、氣孔等鑄造缺陷將嚴(yán)重影響后續(xù)車鉤的服役性能，如其強(qiáng)度 和塑性離散性大，鉤體材料均質(zhì)化程度較低，且車鉤成品率較低，材料利用率不高。焊接過 渡車鉤同樣存在缺陷率高而且不易控制、尺寸精度較低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)可靠性差，使用過程中的 鉤體接觸表面易于磨損，防脫性能下降，正常作業(yè)性能被破壞，出現(xiàn)縱向間距迅速增大等不 良狀態(tài)。
[0005] 對(duì)于過渡車鉤的輕量化制備方法，目前主要有選用低合金高強(qiáng)度鋼等材料制備， 也有新近開發(fā)采用碳纖維復(fù)合材料、鋁合金材料等輕量化材料制備。碳纖維材質(zhì)的過渡車 鉤已由英國鐵路公司生產(chǎn)商試制出來，但造價(jià)過于昂貴，數(shù)百倍于現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)車鉤，在歐洲 也難以推廣，同時(shí)由于構(gòu)成碳纖維復(fù)合材料基體的樹脂要發(fā)生老化，性能會(huì)不可避免地隨 時(shí)間發(fā)生衰減，造成可靠性能逐漸降低。高強(qiáng)度低合金鋼過渡車鉤主要為鑄造或焊接生產(chǎn)， 可靠性低，質(zhì)量大，操作困難，屬于淘汰技術(shù)和產(chǎn)品。
[0006]綜上所述，當(dāng)前使用的過渡車鉤多為鑄鋼鑄造而成，新開發(fā)的碳纖維制造的過渡 車鉤的制造成本過于昂貴而無法投入實(shí)用?，F(xiàn)階段使用的鋼制過渡車鉤存在以下技術(shù)缺 陷：（1)重量大，人工移動(dòng)和對(duì)準(zhǔn)困難；（2)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低；(3)制造精度較低，難以成型復(fù) 雜微細(xì)結(jié)構(gòu)，需要后續(xù)大量機(jī)械加工實(shí)現(xiàn)精密成型；(4)鑄造成型產(chǎn)品表面質(zhì)量較差。
[0007] 研發(fā)減重率達(dá)65%以上的輕量化高強(qiáng)度鎂合金車鉤，將具有極大的技術(shù)進(jìn)步意 義。同時(shí)該技術(shù)的成功開發(fā)將打破國際技術(shù)壟斷，從輕量化設(shè)計(jì)、材料、成型技術(shù)、后處理技 術(shù)等方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，形成中國創(chuàng)造的高速列車新產(chǎn)品。
[0008] 此外，目前具有實(shí)際意義的輕量化高強(qiáng)度材料成型加工工藝尚不成熟，尚未出現(xiàn) 高效率的成型方法，這也是本領(lǐng)域目前研究的重要問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明旨在針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種鎂合金3D超塑化處理方 法，能夠?qū)崿F(xiàn)材料均質(zhì)、晶粒細(xì)化和組織致密化，消除現(xiàn)有鑄造成型帶來的鑄態(tài)粗大枝晶組 織及消除偏析，縮孔，縮松等鑄造缺陷。
[0010] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)上述鎂合金3D超塑化處理方法的裝置。
[0011] 本發(fā)明的再一目的在于提供一種基于上述鎂合金3D超塑化處理方法的鎂合金超 塑性精密成型方法，通過該成型方法能夠獲得輕量化高強(qiáng)度的構(gòu)件。
[0012] 本發(fā)明的第四個(gè)目的在于提供一種通過上述金屬坯件精密成型方法加工的過渡 車鉤，相對(duì)于現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)的過渡車鉤，其質(zhì)量減輕了 75%，其強(qiáng)度卻可以達(dá)到350MPa以 上。
[0013] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來達(dá)到上述目的。
[0014] 本發(fā)明提供了一種鎂合金3D超塑化處理方法，對(duì)經(jīng)過鍛前預(yù)處理后的非空心鎂 合金鑄件，在鎂合金超塑性變形溫度范圍內(nèi)，以依次經(jīng)過Z軸，X軸，Y軸三個(gè)方向下壓坯件 為一個(gè)循環(huán)，經(jīng)過至少兩個(gè)循環(huán)，得到設(shè)定尺寸的鍛坯件，完成3D超塑化處理；Z軸方向?yàn)?鎂合金原始鑄錠的長(zhǎng)軸方向，X軸、Y軸、Z軸滿足笛卡爾坐標(biāo)關(guān)系；坯件變形的應(yīng)變速率控 制在 102s1 ~5X105s^
[0015] 鎂合金3D超塑化處理實(shí)現(xiàn)了材料均質(zhì)化和組織致密化，消除現(xiàn)有鑄造成型帶來 的鑄態(tài)枝晶組織及偏析，縮孔、縮松等鑄造缺陷。鎂合金3D超塑化處理過程中需要嚴(yán)格控 制超塑化變形條件，包括（1)鎂合金坯件的應(yīng)變速率應(yīng)在102s1~5X105s1之間；（2)溫 度需要保持在超塑性變形溫度范圍內(nèi)，當(dāng)金屬合金坯件溫度低于超塑性變形溫度的最低溫 度時(shí)，應(yīng)立即升溫。否則會(huì)造成：（1)溫度過低，材料的塑性流動(dòng)性變差，繼續(xù)大的塑性鍛壓 會(huì)造成坯件開裂、報(bào)廢；（2)坯件溫度較低時(shí)，變形抗力增加，鍛壓機(jī)器容易過載運(yùn)行；（3) 變形溫度降低，壓下效率極其緩慢，超出超塑化設(shè)計(jì)變形速率下限，整體加工周期延長(zhǎng)，綜 合加工效率降低，最終導(dǎo)致難以成型。
[0016] 在上述鎂合金3D超塑化處理方法中，鎂合金鑄件對(duì)于形狀沒有特殊的限定，可以 是圓柱狀、方塊狀，也可以是長(zhǎng)條狀，但必須是非空心件。
[0017] 在上述鎂合金3D超塑化處理方法中，以依次經(jīng)過Z軸，X軸，Y軸三個(gè)方向下壓 坯件為一個(gè)循環(huán)，經(jīng)過至少兩個(gè)循環(huán)，得到設(shè)定尺寸的鍛坯件，完成3D超塑化處理；本發(fā)明 中，一般經(jīng)過2次以上的3D超塑化循環(huán)過程，保證材料實(shí)現(xiàn)超塑化均勻細(xì)化，在此過程中同 時(shí)進(jìn)行尺寸修正，使其達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸。3D超塑化處理后，就可以徹底改變鑄態(tài)枝晶組織，得 到致密細(xì)小的等軸晶組織。從第二循環(huán)開始，每次循環(huán)的鍛造溫度要比前一循環(huán)的鍛造溫 度低25~50°C，以控制晶粒的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶長(zhǎng)大速度，避免二次再結(jié)晶晶粒粗化。
[0018] 在上述鎂合金3D超塑化處理方法中，3D超塑化處理過程中的鍛坯件長(zhǎng)軸方向與 短軸方向的長(zhǎng)度比值不宜太大，否則容易發(fā)生后續(xù)鍛造彎曲失穩(wěn)產(chǎn)生折疊，影響后續(xù)工序。 本發(fā)明中，鍛坯件最長(zhǎng)方向與最短方向的長(zhǎng)度比值不大于2. 5,否則應(yīng)加以修正后再進(jìn)行超 塑化處理。
[0019] 在上述鎂合金3D超塑化處理方法中，金屬合金鑄件在Z軸、X軸、Y軸三個(gè)方向的 下壓量需要嚴(yán)格控制。下壓量過小，可能需要多重復(fù)幾個(gè)循環(huán)方可達(dá)到超塑化效果，甚至達(dá) 不到3D超塑化處理的目的；下壓量過大，可能造成鑄件出現(xiàn)裂紋甚至斷裂。在本發(fā)明中，以 鎂合金為例，發(fā)明人經(jīng)過大量研究，得出鎂合金較適用的第一循環(huán)下壓量范圍為：沿Z軸方 向的下壓范圍為坯件Z軸方向高度的40%~80%;沿X軸方向的下壓范圍為坯件X軸方向 寬度的50%~90%;沿Y軸方向的下壓范圍為坯件Y軸方向?qū)挾鹊?5%~90%;第二循環(huán) 以后（包含第二循環(huán)）的各個(gè)方向鍛造下壓量不超過50%。上述下壓量范圍會(huì)隨著所選擇 的金屬合金坯件材料不同而不同，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)做出相應(yīng)的調(diào)整。需要注 意的是，3D超塑化處理過程中下壓時(shí)，要結(jié)合鍛坯件最長(zhǎng)方向與最短方向的長(zhǎng)度比值來考 慮下壓量范圍；在下壓量范圍內(nèi)，同時(shí)要注意鍛坯件最長(zhǎng)方向與最短方向的長(zhǎng)度比值不大 于 2. 5。
[0020] 在上述鎂合金3D超塑化處理方法中，處理完成后，需將鍛坯件置于低于超塑性變 形溫度范圍最低值的設(shè)定溫度的恒溫環(huán)境中中保溫一段時(shí)間，以使鍛坯件緩慢冷卻，使鍛 坯件表面和芯部達(dá)到均勻一致的狀態(tài)；隨后再在空氣中冷卻至室溫。
[0021] 在上述鎂合金3D超塑化處理方法中，為了使得3D超塑化處理效果更好，可以先 將金屬合金原始鑄錠進(jìn)行鍛前固溶處理，鍛前固溶處理的具體實(shí)現(xiàn)形式為：去除鎂合金原 始鑄錠表面的毛刺和氧化皮，并將處理后的的坯件進(jìn)行均勻化熱處理實(shí)現(xiàn)鑄件的元素均 勻化，形成等軸狀晶體。均勻化熱處理可以分為若干溫度段進(jìn)行，相鄰的溫度段的差值為 70~100°C，每個(gè)溫度段的保溫時(shí)間為1~7h。作為本領(lǐng)域的常規(guī)手段，對(duì)于均勻化熱處 理，申請(qǐng)人不再詳細(xì)闡述。此外，為了盡量減少坯件材料與鍛砧板表面的橫向延展摩擦力， 保證材料的自由延展，可以在金屬合金原始鑄錠進(jìn)行均勻熱處理前，在材料表面涂抹高溫 潤滑劑。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以選擇多種高溫潤滑劑，達(dá)到潤滑效果、耐高溫不易掉落即可。
[0022] 本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種鎂合金3D超塑化處理裝置，包括上砧板、下砧板；上砧 板與提供壓力的