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锌基合金轴瓦材质及成形工艺研究

作　者: 高存贞
导　师: 杨涤心
学　校: 河南科技大学
专　业: 冶金物理化学
关键词: 锌铝合金数值模拟组织性能冲击韧性
分类号: TG292
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

锌铝合金是近年来国内外应用日益广泛的价廉节能优质材料,原材料来源广,价格低,熔化耗能低,无污染,使用寿命长,是国内外发展较快的新型合金材料。锌铝系列合金的材质和成分对其性能及应用有着重要的影响。此外,该系列合金在液态成型冷却过程中会产生底缩,不仅对合金的性能带来严重的影响,甚至还会造成生产事故,降低企业的生产效益。因此,对锌铝合金的材质及其成型工艺的研究具有重要的意义。本文首先对以ZA30、ZA27合金为材质的大型锌铝合金轴瓦的浇注工艺进行了设计。根据轴瓦铸件的结构特点设计采用顶注开放式浇注系统,并采用雨淋式大冒口进行补缩,为了强化铸件自下而上的顺序凝固,减少底缩缺陷,在浇注合金的内模中使用水冷式金属内芯。随后,本文采用华铸CAE铸造凝固模拟软件对轴瓦铸造工艺进行了数值模拟分析及优化。结果表明,通过工艺上在内腔采用水冷金属芯同时在轴瓦底部安放一环形外冷铁,在水冷速度为0.1cm/s、水冷时间为2100s时,可以有效地改变热节部位的温度场分布,强化自下而上的顺序凝固,防止了孤立液相区的产生,从而防止了铸件底部缩孔缩松的形成。本文还对锌铝合金轴瓦的材质进行了研究,主要研究了合金中铜含量及镧稀土变质对合金组织和性能的影响。结果表明:富铜相析出的临界点为1.25%,适当的提高铜含量,有利于细化锌铝合金的基体组织,提高致密度,减少缩孔缩松倾向。对ZA27、ZA30等牌号的高铝锌合金,其铜含量的应控制在2.0~3.5%,此时合金在保持高的硬度下,仍具有较高的延伸率,抗拉强度和耐磨性都达到最好。采用稀土变质时,La稀土的最佳加入量为0.1%时,不仅能够细化合金的组织,改善合金的力学性能,还使合金的硬度提高到118HB,抗拉伸强度达到423MPa,延伸率提高近13%,耐磨性能比铸态提高近6%。最后,本文对锌铝合金在不同状态(铸态、均匀化处理及时效处理)的低温冲击韧性进行了研究。实验结果表明:锌铝合金的冲击韧性随着温度的降低而急剧降低;经过360℃均匀化处理后,合金低温冲击韧性升高,韧性-温度曲线上移;经过250℃时效处理后,锌铝合金冲击韧性比铸态的低,并且韧性-温度曲线下移。因此,在低温环境中使用时,对合金进行360℃保温3小时的均匀化处理,能够显著提高合金在低温下的冲击韧性。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-9
第1章绪论  9-18
  1.1 锌铝合金的历史及现状  9-11
    1.1.1 锌铝合金的研究历史  9
    1.1.2 研究现状  9-11
  1.2 锌铝合金的铸造特点及应用  11-13
    1.2.1 锌铝合金的底缩现象  11
    1.2.2 底缩现象的原因  11-13
  1.3 铸造凝固过程数值模拟技术及应用  13-16
    1.3.1 研究历史  13-14
    1.3.2 铸造CAE 技术  14
    1.3.3 铸造CAD 技术  14-15
    1.3.4 数值模拟技术在铸造中的应用  15
    1.3.5 “华铸CAE 铸造凝固模拟”软件  15-16
  1.4 本课题研究内容及意义  16-18
第2章实验研究内容及方法  18-25
  2.1 锌基合金轴瓦铸造工艺数值模拟及优化  18-21
    2.1.1 三维建模软件的选择及应用  18
    2.1.2 数值模拟软件  18-19
    2.1.3 温度场模拟  19-21
  2.2 合金的熔炼以及热处理  21-23
    2.2.1 合金的熔炼  21-23
    2.2.2 热处理及时效处理  23
  2.3 性能研究与组织分析  23-24
    2.3.1 拉伸实验  23
    2.3.2 断口形貌观察  23
    2.3.3 硬度试验  23-24
    2.3.4 冲击韧性实验  24
  2.4 显微组织分析  24-25
第3章高铝锌基合金轴瓦材质及成形工艺  25-32
  3.1 高铝锌合金的材质  25-28
    3.1.1 铝含量  25
    3.1.2 铜含量  25-26
    3.1.3 镁  26
    3.1.4 其它添加元素  26-27
    3.1.5 主要有害杂质  27-28
    3.1.6 锌合金的重熔性  28
  3.2 高铝锌合金力学性能  28-29
  3.3 高铝锌合金轴瓦的铸造工艺  29-32
    3.3.1 铸造工艺设计原则  29
    3.3.2 浇注零件外形的工艺  29
    3.3.3 工艺模型设计  29-31
    3.3.4 铸造工艺方案  31-32
第4章大型锌铝合金轴瓦铸造凝固过程的数值模拟  32-47
  4.1 数值模拟的研究内容与数值分析方法  32-34
    4.1.1 研究内容  32-33
    4.1.2 数值分析方法  33-34
  4.2 热传递的基本方式及数值分析方法  34-35
    4.2.1 热传递的基本方式  34-35
    4.2.2 热传递的数值分析方法  35
  4.3 初始工艺及三维实体造型  35
    4.3.1 轴瓦初始工艺  35
    4.3.2 三维实体造型  35
  4.4 温度场模拟  35-43
    4.4.1 网格剖分及温度场设置  35-36
    4.4.2 金属芯水流速的影响  36-40
    4.4.3 水冷金属芯水冷时间的影响  40-43
  4.5 采用纯冷铁工艺的模拟  43-46
  4.6 本章小结  46-47
第5章高铝锌合金材质的研究  47-56
  5.1 Cu 含量对高铝锌合金性能的影响  47-51
    5.1.1 力学性能  47-48
    5.1.2 金相组织  48-50
    5.1.3 合金拉伸断口分析  50-51
  5.2 稀土对高铝锌合金性能的影响  51-55
    5.2.1 合金力学性能  51-52
    5.2.2 合金金相组织  52-54
    5.2.3 断口分析  54-55
  5.3 本章小结  55-56
第6章锌铝合金低温冲击韧性研究  56-60
  6.1 冲击韧性  56-57
  6.2 冲击断口  57-58
  6.3 金相组织  58-59
  6.4 本章小结  59-60
第7章结论  60-61
参考文献  61-64
致谢  64-65
攻读硕士学位期间的研究成果  65

锌基合金轴瓦材质及成形工艺研究

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