離心鑄造制備梯度復(fù)合材料裝置設(shè)計(jì)

閆明濤 楊宏 李嘉芮

摘 要：離心鑄造制備梯度復(fù)合材料裝置將無級變速電機(jī)、新型澆注槽、電控顯示自由表面高度定量觸頭、雙層金屬型結(jié)構(gòu)應(yīng)用于梯度復(fù)合材料滑動(dòng)軸承離心鑄造裝置設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)不同離心鑄造工藝參數(shù)下制備梯度Mg2Si/ZA40鋅基復(fù)合材料滑動(dòng)軸承。梯度鋅基復(fù)合材料滑動(dòng)軸承能夠代替目前市場上銅合金滑動(dòng)軸承。離心鑄造裝置機(jī)電結(jié)合，結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單，性能穩(wěn)定，安全可靠，環(huán)保無污染。

關(guān)鍵詞：離心鑄造；梯度復(fù)合材料；裝置；設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.042

1 前言

離心鑄造是將金屬液澆入旋轉(zhuǎn)的鑄型里，在離心力的作用下充型并凝固成鑄件的一種鑄造方法。根據(jù)力學(xué)中的慣性，處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的金屬液質(zhì)點(diǎn)相應(yīng)的產(chǎn)生了離心力，金屬液在離心力的作用下充型和凝固，金屬補(bǔ)縮效果好，鑄件外層組織致密，非金屬夾雜物少，機(jī)械性能好。離心鑄造不用造型、制芯，節(jié)省了澆注系統(tǒng)的相關(guān)材料及鑄造設(shè)備投入。特別是鑄造空心鑄件不需澆冒口，金屬利用率可大大提高。因此對某些特定形狀的鑄件來說，離心鑄造是一種節(jié)省材料、節(jié)省能耗、高效益的工藝。Mg2Si/ZA40鋅基復(fù)合材料中Mg2Si與ZA40合金界面結(jié)合好，成形性能好，Mg2Si顆粒在ZA40合金呈現(xiàn)梯度分布，有利于減小應(yīng)力，提高耐磨損性能，提高滑動(dòng)軸承的工作精確性及使用壽命，在材料上有利于節(jié)約資源和能源[1]。

2 離心鑄造制備梯度復(fù)合材料裝置設(shè)計(jì)思路

離心鑄造制備梯度復(fù)合材料裝置設(shè)計(jì)思路主要為以下幾個(gè)方面。一是該裝置能夠?qū)o級變速電機(jī)、新型澆注槽、電控顯示自由表面高度定量觸頭、雙層金屬型結(jié)構(gòu)應(yīng)用于梯度復(fù)合材料滑動(dòng)軸承離心鑄造裝置設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)不同離心鑄造工藝參數(shù)下制備梯度Mg2Si/ZA40鋅基復(fù)合材料滑動(dòng)軸承。二是利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、環(huán)形試樣壓縮試驗(yàn)、硬度測試以及摩擦磨損試驗(yàn)等分析和檢測方法，研究增強(qiáng)相Mg2Si含量對梯度Mg2Si/ZA40鋅基復(fù)合材料顯微組織及力學(xué)性能的影響。三是測試在潤滑條件下和在干摩擦條件下，Mg2Si/ZA40鋅基復(fù)合材料滑動(dòng)軸承鑄件的耐磨性能，以便將梯度復(fù)合材料的設(shè)計(jì)思想和制備工藝應(yīng)用于梯度復(fù)合材料滑動(dòng)軸承開發(fā)之中，提高滑動(dòng)軸承的精確性及使用壽命。四是應(yīng)用離心鑄造制備梯度復(fù)合材料，以便用梯度Mg2Si/ZA40鋅基復(fù)合材料滑動(dòng)軸承代替目前市場上銅基滑動(dòng)軸承合金，節(jié)約我國緊缺的銅資源，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展[2]。

3 離心鑄造制備梯度復(fù)合材料裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

離心鑄造裝置有機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、鑄型和澆注裝置等構(gòu)成。選用71k400RA-CF-1400rpm型無極調(diào)速電機(jī)，應(yīng)用US-52-400W型調(diào)速器，獲得不同的離心鑄造工藝的轉(zhuǎn)速參數(shù)。選用剛性凸緣式GY型聯(lián)軸器，許用扭矩 112N.m，許用轉(zhuǎn)速 9500 r/min，該凸緣式聯(lián)軸器構(gòu)造簡單，成本低，可傳遞較大轉(zhuǎn)矩，聯(lián)軸器不允許兩軸有相對位移，無緩沖。本次設(shè)計(jì)選擇單列深溝球軸承，代號是61807，該深溝球軸承將運(yùn)轉(zhuǎn)的軸與軸座之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，從而減少摩擦損失，應(yīng)用選用UCP204-20型號軸承座。通過電動(dòng)機(jī)與聯(lián)軸器的聯(lián)接，聯(lián)軸器與軸的聯(lián)接，軸與支座的聯(lián)接，離心鑄造制備梯度復(fù)合材料裝置良好裝備一體。離心鑄造裝置采用可調(diào)節(jié)溫度雙層金屬型結(jié)構(gòu)，制備多種外徑尺寸的梯度復(fù)合材料離心鑄造滑動(dòng)軸承；設(shè)計(jì)底側(cè)有縫隙的新型化澆注槽，采用電控顯示自由表面高度定量觸頭確定離心鑄造澆注金屬量的多少。

4 離心鑄造制備梯度Mg2Si/ZA4鋅基復(fù)合材料滑動(dòng)軸承

離心鑄造制備梯度Mg2Si/ZA40鋅基復(fù)合材料滑動(dòng)軸承，復(fù)合材料中Mg2Si顆粒是原位自生形成，Mg2Si的分布與離心力和凝固過程有關(guān)[3]。由于Mg2Si的密度僅為1.88g/cm3，小于基體合金的熔體密度，Mg2Si顆粒懸浮于合金熔體中，在離心力場的作用下，Mg2Si顆粒由于密度小開始向筒內(nèi)壁偏聚，筒狀滑動(dòng)軸承零件的中部成分基本為基體合金成分。在凝固過程中，由于金屬模具吸熱量大，或者認(rèn)為用冷卻水噴在模具的外壁，也會(huì)出現(xiàn)少量生成的Mg2Si顆粒在模具外壁首先急冷，由于尺寸小，質(zhì)量小，不能在離心力場作用下在熔體中充分移動(dòng)，就急冷凝固成為組織細(xì)小的固相Mg2Si顆粒，在以后的凝固過程中，隨著冷卻速度降低，凝固后形成非常明顯的梯度Mg2Si/ZA40鋅基復(fù)合材料。在梯度Mg2Si/ZA40鋅基復(fù)合材料中，Mg2Si顆粒有高的硬度及耐磨性，ZA40合金有具有良好的機(jī)械性能，切削加工后表面光潔度好，對刀具磨損少，良好的減摩性能，而且ZA40合金熔點(diǎn)低、熔煉及澆注鑄工藝簡單、價(jià)格低廉、易于成型，應(yīng)用的不斷深入擴(kuò)大。

5 離心鑄造制備梯度復(fù)合材料裝置特點(diǎn)

將無級變速電機(jī)、雙層金屬型結(jié)構(gòu)等用于離心鑄造裝置設(shè)計(jì)，制備Mg2Si/ZA40鋅基梯度復(fù)合材料滑動(dòng)軸承。復(fù)合材料滑動(dòng)軸承中Mg2Si與ZA40合金界面結(jié)合好，成形性能好，Mg2Si顆粒在ZA40合金呈現(xiàn)梯度分布，有利于減小應(yīng)力，提高耐磨損性能，提高滑動(dòng)軸承的工作精確性及使用壽命，在材料上有利于節(jié)約資源和能源[4]。

參考文獻(xiàn)：

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[2]陳體軍，袁承人，郝遠(yuǎn)等.原位自生 Sip/ZA27復(fù)合材料的磨損性能[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2008，18（07）：1231-1236.

[3]王香，張二林，曾嚴(yán)松等.XD法制備TiCp/Zn-Al復(fù)合材料TiCp均勻化過程[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2003，20（03）：118-121.

[4]姚宏博，陳剛，趙玉濤等.液態(tài)混熔工藝制備原位Sip/ZA27基復(fù)合材料[J].特種鑄造及有色合金，2009，29（04）：360-362.

基金項(xiàng)目：國家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：201710720001）

作者簡介： 閆明濤（1995-），男，陜西西安人，本科，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化研究工作。