離心鑄造制備梯度復合材料裝置設計

閆明濤 楊宏 李嘉芮

摘 要：離心鑄造制備梯度復合材料裝置將無級變速電機、新型澆注槽、電控顯示自由表面高度定量觸頭、雙層金屬型結構應用于梯度復合材料滑動軸承離心鑄造裝置設計中，實現(xiàn)不同離心鑄造工藝參數(shù)下制備梯度Mg2Si/ZA40鋅基復合材料滑動軸承。梯度鋅基復合材料滑動軸承能夠代替目前市場上銅合金滑動軸承。離心鑄造裝置機電結合，結構緊湊，操作簡單，性能穩(wěn)定，安全可靠，環(huán)保無污染。

關鍵詞：離心鑄造；梯度復合材料；裝置；設計

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)力學中的慣性，處于旋轉狀態(tài)下的金屬液質點相應的產(chǎn)生了離心力，金屬液在離心力的作用下充型和凝固，金屬補縮效果好，鑄件外層組織致密，非金屬夾雜物少，機械性能好。離心鑄造不用造型、制芯，節(jié)省了澆注系統(tǒng)的相關材料及鑄造設備投入。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鋅基復合材料中Mg2Si與ZA40合金界面結合好，成形性能好，Mg2Si顆粒在ZA40合金呈現(xiàn)梯度分布，有利于減小應力，提高耐磨損性能，提高滑動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合材料裝置設計思路

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

3 離心鑄造制備梯度復合材料裝置結構特點

離心鑄造裝置有機架、傳動系統(tǒng)、鑄型和澆注裝置等構成。選用71k400RA-CF-1400rpm型無極調速電機，應用US-52-400W型調速器，獲得不同的離心鑄造工藝的轉速參數(shù)。選用剛性凸緣式GY型聯(lián)軸器，許用扭矩 112N.m，許用轉速 9500 r/min，該凸緣式聯(lián)軸器構造簡單，成本低，可傳遞較大轉矩，聯(lián)軸器不允許兩軸有相對位移，無緩沖。本次設計選擇單列深溝球軸承，代號是61807，該深溝球軸承將運轉的軸與軸座之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，從而減少摩擦損失，應用選用UCP204-20型號軸承座。通過電動機與聯(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合材料裝置良好裝備一體。離心鑄造裝置采用可調節(jié)溫度雙層金屬型結構，制備多種外徑尺寸的梯度復合材料離心鑄造滑動軸承；設計底側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鋅基復合材料滑動軸承

離心鑄造制備梯度Mg2Si/ZA40鋅基復合材料滑動軸承，復合材料中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[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壁偏聚，筒狀滑動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，或者認為用冷卻水噴在模具的外壁，也會出現(xiàn)少量生成的Mg2Si顆粒在模具外壁首先急冷，由于尺寸小，質量小，不能在離心力場作用下在熔體中充分移動，就急冷凝固成為組織細小的固相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鋅基復合材料。在梯度Mg2Si/ZA40鋅基復合材料中，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合金熔點低、熔煉及澆注鑄工藝簡單、價格低廉、易于成型，應用的不斷深入擴大。

5 離心鑄造制備梯度復合材料裝置特點

將無級變速電機、雙層金屬型結構等用于離心鑄造裝置設計，制備Mg2Si/ZA40鋅基梯度復合材料滑動軸承。復合材料滑動軸承中Mg2Si與ZA40合金界面結合好，成形性能好，Mg2Si顆粒在ZA40合金呈現(xiàn)梯度分布，有利于減小應力，提高耐磨損性能，提高滑動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：

[1]閆承俊，王吉岱.鋅鋁合金的研究現(xiàn)狀及應用[J].中國鑄造設備與技術，2005（04）：4-7.

[2]陳體軍，袁承人，郝遠等.原位自生 Sip/ZA27復合材料的磨損性能[J].中國有色金屬學報，2008，18（07）：1231-1236.

[3]王香，張二林，曾嚴松等.XD法制備TiCp/Zn-Al復合材料TiCp均勻化過程[J].復合材料學報，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基復合材料[J].特種鑄造及有色合金，2009，29（04）：360-362.

基金項目：國家大學生創(chuàng)新訓練基金資助項目（項目編號：201710720001）

作者簡介： 閆明濤（1995-），男，陜西西安人，本科，主要從事機械設計制造及其自動化研究工作。