CN103243250A - 一种Al-Zn-Mg-Cu合金的配方、熔炼工艺及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Al-Zn-Mg-Cu合金的配方、熔炼工艺及其应用，它包括一种Al-Zn-Mg-Cu合金的配方及其熔炼工艺以及一种用于高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴的挤压铸造工艺。其配方中Zn为5.6%-5.9%、Mg为2.2%-2.4%、Cu为1.6%-1.8%、Mn为0.25%-0.35%、Cr为0.18%-0.22%、余量为Al。其熔炼工艺包括三个步骤，即工艺原材料前处理、初步熔炼、精炼。该合金应用在采用挤压铸造工艺制造高速机车用传动空心轴上，得到的铸件产品组织致密均匀，力学性能良好，符合汽车零部件的高品质、高性能的要求；便于实现机械化、制动化，提高了生产效率。

Description

一种Al-Zn-Mg-Cu合金的配方、熔炼工艺及其应用

技术领域

本发明涉及合金材料领域，特别涉及一种Al-Zn-Mg-Cu合金的配方、熔炼工艺及其应用。

背景技术

我国人口众多、内陆深广，解决大规模人口流动问题，最安全、最快捷、最经济、最环保、最可靠的交通方式是高速铁路。近年来，随着京津城际铁路、武广高速铁路、郑西高速铁路、沪宁城际高速铁路等相继开通运营，中国高铁已进入世界前沿，并创造了运营速度、运量、节能环保、舒适度四个世界第一，正引领着世界高铁的发展。

随着机车运行速度的加快，列车运行当中所必须克服的气动阻力和机械摩擦阻力大幅度增加，导致能耗急剧上升；经测算，高速列车要克服的阻力是普通列车的10-30倍，所需的动能是普通列车的4倍以上。同时，机车运行速度越快，车辆对轨道的冲击力越大，导致钢轨过度磨耗和损伤，增加线路的维修工作量，严重时还会毁坏线路，酿成重大事故。再者，要保证高速列车在短距离内精确制动停车，并及时地消散制动时的巨大动能也是一个很困难的问题。为解决上述问题，采用减轻车体重量，尤其是减轻转向架部分的簧下质量是最直接、最行之有效的方法。

为降低簧下质量，已有学者进行了高速机车铝合金轴箱体和齿轮箱等部件的相关研究，起到了一定的减重效果，并在一些车辆上得到了应用。同时值得一提的是，采用六连杆空心轴传动方式的机车，传动空心轴一半质量属于簧下质量，因此通过减小传动空心轴的质量可明显降低簧下质量，改善轮轨动作用力，提高机车的动力学性能。现有机车的传动空心轴通常采用钢质材料铸造而成，钢质传动空心轴优点是具有较高的强度和良好的塑性，经热处理后具有优异的机械性能；缺点是质量大，增加了机车车辆的簧下质量，因此机车在高速运行时，钢质空心轴增大了轮轨间的相互作用力，加快了车轮与轨道之间的磨损，这已成为制约高速机车进一步提高运行速度的瓶颈之一。

与钢质材料相比较，铝合金具有密度小、比强度高等的优点，同时也具有较好的物理性能、力学性能和切削加工性能，这是钢质材料很难具备的；现在机车常用的钢质空心轴的质量一般为220kg，经计算，具有相同体积和几何形状的铝合金空心轴约为75kg，其质量只有钢质空心轴的三分之一；因此，每个轮对可减少质量约150kg，每台机车可减小质量约900kg，减重效果非常可观。这样不仅可以大大降低簧下质量，较好地改善轮轨动作用力，而且能显著改善机车运行的平稳性和安全性，从而为进一步提高机车高速运行速度提供了保证。

其中，Al-Zn-Mg-Cu系合金由于具有高的比强度、高的比刚度、以及低的密度等一系列优良的综合性能，已广泛应用于航空航天工业，如飞机的机身、蒙皮、大梁、机翼梁、桁条、火箭中高强度结构零件等，因此Al-Zn-Mg-Cu系合金已成为世界航空航天工业中不可缺少的重要材料。近年来，随着高铁的快速发展，越来越多的高强铝合金材料被应用到机车车辆上来，世界各国的发展经验证明铝合金型材是车辆轻量化结构材料的最佳选择，这是因为：

（1）高强铝合金的强度、刚度不仅能满足高速机车运行的安全需要，而且能大大减轻机车车辆本身的重量。

（2）由于机车自身重量的减轻，不仅减少了能耗，而且有效地提高了机车的高速运行性能和改善了机车的制动性能。

（3）铝合金材料广泛使用大大降低了机车维护费用，提高了机车的美观度。

（4）铝合金具有比重小、比强度高等优点，使其成为取代传统钢质材料的理想选择。

综上所述，以Al-Zn-Mg-Cu合金为基体，通过添加其它的合金元素来制备高速机车传动空心轴，来替代传统的铁基空心轴是可行的。

众所周知，变形铝合金由于铸造性能较差、流动性能不好、铸件易开裂等问题，一般情况下是无法用普通铸造工艺进行生产的。因此，工艺上大多采用压力加工工艺制作板、棒、管、锻件和型材等产品。挤压铸造又称液态模锻，是一种介于铸造和锻造之间的成形工艺，兼有铸造和锻造的优点。挤压铸造工艺的基本原理是，将一定量的液态金属直接浇入模具型腔内，并施加较高的机械压力在密闭型腔内的液态金属上，使液态金属在压力下结晶、凝固、成形和少量塑性变形，以获得内部组织致密，晶粒细小，表面光洁的优质挤压铸造件。因此变形铝合金材料（如7A04、2A01、6061等铝合金）均可以采用直接或间接的挤压铸造工艺进行生产，并可获得接近或达到同种锻件力学性能水平的标准。

挤压铸造的变形铝合金铸件具有内部组织致密，表面光洁，毛坯加工余量少，并可像变形铝合金一样通过热处理提高其力学性能的优点，因此生产上采用挤压铸造工艺制备各种形状较复杂、综合性能要求高的产品，不失为一种节能、降耗、省钱、省工的好办法。

综上所述，挤压铸造技术具有工艺简单、铸件力学性能良好、生产效率高、成本相对较低等优点，因此采用挤压铸造工艺制备高速机车铝合金传动空心轴在工艺上也是可行的。

以下针对合金熔炼及挤压铸造工艺的相关理论知识做出简要介绍。

1、合金熔炼方面

挤压铸造过程首先是铸造，然后加压直至金属凝固。铸造质量的好坏，除了受铸造工艺参数、模具结构等因素的影响之处，熔体质量也是一个非常重要的影响因素。由于铝合金的组织具有遗传性，而熔体的质量又主要决定于合金的熔炼过程，熔炼环节无疑将很大程度影响铸件的质量，因此熔炼质量的好坏直接影响到挤压铸造件质量的优劣。

铝合金在熔炼过程中易与空气中的O₂和水蒸汽接触发生化学反应，即

4Al+3O₂→2Al₂O₃                     （1）

2Al+3H₂O→Al₂O₃+3H₂                 （2）

由于氧化铝的密度与铝接近，且颗粒细，混入铝合金液中不易与铝液分离而在铸件中形成夹杂；氢气则以原子态等形式熔入铝合金熔体，而后析出造成铸件产生气孔、缩松等缺陷，严重影响铸件的外观形貌及力学性能。

因此本发明采用高纯氮气+六氯乙烷粉末的喷粉法对Al-Zn-Mg-Cu合金熔液进行精炼，以去除铝合金液中的氢气和各种夹杂物，达到净化铝合金熔液的目的。高温熔融铝合金精炼装置示意图如图1所示。

该高温熔融铝合金精炼装置的基本原理是：高纯氮气从氮气罐1中出来，经过干燥器2干燥后，再经过压力调节阀3进入混合室4，压力调节阀3用来调节进入混合室4中氮气的流量和压力，以保证适量的C2Cl6干燥粉末5被氮气带入铝液中，氮气与混合室4中的C2Cl6干燥粉末5混合之前，需要经多孔隔板9上的细孔，可以使混合室中的C2Cl6干燥粉末5成悬浮状，多孔隔板9的细孔孔径选择以确保粉末不漏为准，氮气和C2Cl6干燥粉末5的混合气体经过喷射陶瓷管6进入到铝液8中，喷射陶瓷管6的下端开有细孔，以确保C2Cl6干燥粉末5均匀地喷洒在铝合金液8中。

C₂Cl₆在铝合金液中发生反应主要有：

Al+C₂Cl₆→Al+C₂Cl₄+Cl₂                    （3）

2Al₂O₃+6Cl₂→4AlCl₃+3O₂                   （4）

3Cl₂+2Al→2AlCl₃                          （5）

Cl₂+2[H] →2HCl                           （6）

铝合金液8中的气体以H₂为主，通过以上物理、化学反应，能够有效的消除有害气体H₂。

2、挤压铸造工艺参数介绍

（1）模具预热温度：即模具的初始温度。

（2）浇注温度：浇注温度是指合金液在充型时的温度。

（3）加压开始时间：加压开始时间是指液态金属浇注完毕到压头开始对液态金属施加压力之间的时间间隔，计量单位为秒（s）。加压开始时间的确定主要考虑金属液在何种状态下加压效果最佳。

（4）加压速度是指压头接触到金属液面以后的运动速度。加压速度的大小不仅关系到挤压铸造件的质量好坏，而且关系到挤压铸造过程的安全性。速度过慢，液态金属自由结晶的硬壳太厚而严重消耗作用在金属液上的垂直压力，导致铸造件“压不透”；速度过快，不仅使液态金属形成涡流而卷进气体，同时高温高压下的液态金属还可能会从压头与模壁、模垫与凹模之间的间隙飞溅出来，导致人员伤亡或设备损坏。

（5）比压：比压是指挤压铸造时，压力作用在合金液上所形成的压强，即P=F/A，式中，P为比压（MPa）；A为压力（kN）；A为压力垂直铸件的投影面积（cm²）。

（6）保压时间：保压时间是指压头进给速度趋于零开始至压头卸压结束铸件受压的时间。根据本发明要解决的技术问题和本发明采用的技术方案进行专利检索，其检索结果如下。

专利1：

专利权人为苏州有色金属研究院有限公司，申请号为200910213237.7。发明公开了一种高强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金，其特征在于成分的重量百分比为：Zn：8.5-10.0wt%，Mg：1.5-2.5wt%，Cu：1.0-2.0wt%，(Cu+0.5)≥Mg，Zr：0.05-0.20wt%，Ti：0.01-0.05wt%，Fe：≤0.l0wt%，Si：≤0.08wt%，且(Si+0.02)≤Fe，其余组分为Al和不可避免的杂质。该合金具有较高的强度，较高的断裂韧性，且综合性能优异，适合应用于航空航天领域。

专利2：

专利权人为爱尔康轧制品一雷文斯伍德有限公司，申请号为200680004380.X。发明公开了一种厚度为2至10英寸的轧制或煅造的Al-Zn-Cu-Mg铝基合金锻造产品，其特征在于，所述产品已经过固溶热处理、淬火和时效处理，并且所述产品主要由下列组成（以重量%表示）：Zn：6.2-7.2，Mg：l.5-2.4，Cu：l.7-2.1，Fe：0-0.13，Si：0-0.10，Ti：0-0.06，Zr：0.06-0.13，Cr：0-0.04，Mn：0-0.04，杂质以及其它附带元素各自≤0. 05。本发明的一个目的是提供一种具有特定组成范围的Al-Zn-Cu-Mg合金，该特定组成范围能够赋予锻造产品以在适当水平断裂韧度的机械强度和抗应力腐蚀性能之间的改进折衷。本发明的另一个目的是提供一种制造锻造铝合金产品的方法，该方法能够赋予适当水平断裂韧度的机械强度和抗应力腐蚀之间的改进折衷。

专利3：

专利权人为上海交通大学，申请号为00115299.8。发明公开了一种耐热阻燃压铸镁合金及其熔炼铸造工艺。一种耐热阻燃压铸镁合金，组分包括Al、Zn、Mn，其特征在于还包括Be、Ca、Sr，成份配方为：7.5-9.5%Al，0.3-1.0%Zn，0.05-0.5%Mn，0.0l-0.15%Be，0.1-1.5%Ca，0.01-0.5%Sr，杂质元素Si≤0.02%，Fe≤0.005%，Cu≤0.015%，Ni≤0.002%，其余为Mg。一种耐热阻燃压铸镁合金的熔炼铸造工艺，其特征在于可以直接暴露在大气中熔炼，工艺过程为：将工业纯镁加入到刷过涂料的干燥的坩埚当中，在炉底撤少许覆盖剂，镁完全熔化之后，650℃左右加入阻燃合金和强化元素Al、Zn、Mn、Be、Ca、Sr，待合金元素全部溶解之后搅拌混合均匀，继续升高温度至730-760℃，对合金液进行精炼10-20分钟，然后静置20分钟，捞去表面浮渣后进行压铸。通过在镁溶液中加入Zn、Mn，Be、Ca、Sr等阻燃合金和强化元素，对合金液进行精炼、静置去浮渣后进行压铸，使镁合金表面生成一种致密的氧化保护膜，阻止镁在熔炼过程中的燃烧，可不需要阻燃保护措施而在大气中直接进行熔炼，直接在压铸机上进行压铸。本发明产生的镁合金具有优异的阻燃性、耐热性和压铸性能。

专利4：

专利权人为陈伟军，申请号为201110306153.5。发明公开了一种铝合金汽车变速箱壳体的挤压铸造方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）配料：铝合金材料组分的重量百分比为：5.0-6.0% Si，1.5-2.5% Ti，0.25-0.35%Cu，0.5-1. 2% Zn，1.25-1.45% Mg，Fe<0.1%，Ni<0.05%，Pb<0.05%，Sn<0.05%，其余为Al；

（2）熔炼：将熔化炉升温，待温度上升到300-320℃时，将铝锭和中间合金加入集中熔化炉中，继续升温到750-760℃时，先在吊包底部加入用量为铝液量的2.5-3.0%的精炼剂，铝合金全部溶解后转入吊包，搅拌10-15分钟；加入用量为铝液量的1.5-2%的晶粒细化剂；对合金进行细化20-30分钟，直到液面无气泡冒出，静置10-40分钟后，加入用量为铝液量的0.1-0.3%的除渣剂，捞取表面浮渣后，降温至700-710℃即可准备浇注；

（3）准备模具：汽车变速箱壳体铸件模具采用一模两腔对称分布形式，将一模两腔模具固定在350T卧式间接挤压铸造机上，将模具预热至200-220℃，然后在模具型腔内均匀喷上一层具有隔热、保温作用的脱模剂，涂层厚度18-22微米，继续加热模具至350-400℃；

（4）挤压铸造：采用机械手料勺从吊包向挤压铸造机料桶输送合金液，挤压铸造机冲头向模具型腔平稳推进合金液、快速增压凝固结晶，这时调节挤压铸造工艺参数为：挤压压力115-120MPa，保压时间35-40s，充型速度0.6-0.8m/s，充型时间3-5s，充型完毕，动定模分开，取出铸件，得汽车用铝合金变速箱壳体毛坯；

（5）热处理：将挤压铸造成型的毛坯进行T6热处理，把毛坯置于热处理炉中，随炉加温2小时至525-530℃，保温6-8小时出炉，在水温约20℃中进行淬火；再进行155-160℃×6小时的时效处理，得到汽车用铝合金变速箱壳体。

本发明采用挤压铸造工艺，通过优化铝合金成分设计，优化熔炼和挤压铸造的工艺参数以及热处理制度，使得制造而成的汽车用铝合金变速箱壳体具有更高的抗拉强度，更高的屈服强度和硬度。该方法能提高毛坯精度，减少加工余量，实现资源和能源的低消耗，促使经济效益的提高。

专利5：

专利权人为上海交通大学，申请号为200610029407.2。发明公开了、一种镁合金汽车发动机支架的挤压铸造制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1）镁合金材料组分的重量百分比为：6-8%Al，0.17-0.4%Mn，0.45-0.9%Zn，0-0.5%RE，Si<0.05%，Cu<0.025，Ni<0.001%，Fe<0.004%，其余为Mg；

2）将配制好的镁合金材料在烘箱中预热至200-250℃，同时将坩埚熔化炉升温，在坩埚底部撒上一层覆盖剂，将经预热的镁合金材料加入熔化炉内，继续加热升温，待炉内温度上升到400℃时，开始通入保护气体防止镁合金燃烧，保护气体流量为坩埚封闭容积的l-l0%/min；待镁合金完全熔化后，继续升温到720-740℃，加入镁合金液总量的0.l-lwt%变质剂进行变质细化处理，处理时间5-l0min，然后升温至730-750℃，加入占镁合金液总量的1.5-2.5wt%的精炼剂进行精炼处理，精炼时间为5-l0min，精炼完成后，去除渣，合金液静置并降温至浇注温度680-710℃；

3）发动机支架铸件模具采用一模两腔对称分布形式设计，浇注系统采用开放式，将一模两腔式模具固定在350T卧式间接挤压铸造机的左右模架上，棋具采用油路加热方式，首先预热至150-200℃，然后在模具型腔内均匀喷上一层保温涂料和脱模剂，涂层厚度为20-50微米，继续烘烤模具，使涂料粘附牢固，并使模具预热温度提高至250-350℃；

4）采用定量浇注泵从熔化炉向挤压铸造机加料室输送合金液，挤压铸造机冲头向模具型腔平稳推进合金液、快速增压凝固结晶，调节挤压铸造工艺参数为：挤压压力为60-120MPa，保压时间20-40s，冲头挤压速度10-200mm/s，完成汽车用镁合金发动机支架的铸造过程，获得铸件毛坯；

5）将挤压铸造制成的发动机支架铸件毛坯进行固溶时效T6热处理，先在370 ℃预溶解1-3小时，然后升温至400-420℃保温6-12小时，出炉空冷；再进行150-200℃×5-15小时的单级时效处理，或者进行200℃×2-10小时+150℃×10-20小时的双级时效，得到镁合金汽车发动机支架。

本发明采用镁合金作为发动机支架的材料以获得较好的减重效果，采用挤压铸造工艺可以细化材料组织，提高产品综合性能，符合了汽车零部件的高品质、高性能的要求。

通过专利文件的检索，没有发现能够破坏本发明专利新颖性的现有技术，也不存在相互结合能破坏本发明创造性的文件。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种具有特定组成范围的Al-Zn-Mg-Cu合金，该特定组成范围可以使合金具有高的比强度、高的比刚度、以及低的密度等一系列优良的综合性能，不仅能满足高速机车运行的安全需要，而且用于制造高速机车用传动空心轴能大大减轻机车车辆本身的重量。

本发明的第二个目的是提供一种Al-Zn-Mg-Cu合金的熔炼工艺。熔体质量是影响铸造质量的重要因素，熔体质量又主要决定于合金的熔炼过程，所以本发明旨在通过控制熔炼工艺参数提出一种铸造工艺性能好，合金铸件力学性能好的熔炼工艺。

本发明的第三个目的是提供一种用于高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴的挤压铸造工艺。在资源和能源消耗较低的条件下，该工艺工艺简单；铸件产品组织致密均匀，力学性能良好，符合汽车零部件的高品质、高性能的要求；便于实现机械化、制动化，提高了生产效率。

为实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：一种Al-Zn-Mg-Cu合金的配方，其特征在于：它是由Al、Zn、Mg、Cu、Mn、Cr组成；以上各成分所占总质量分数为：Zn为5.6%-5.9%、Mg为2.2%-2.4%、Cu为1.6%-1.8%、Mn为0.25%-0.35%、Cr为0.18%-0.22%、余量为Al。

一种Al-Zn-Mg-Cu合金的熔炼工艺，工艺所采用原材料为纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭以及中间合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al-5%Cr，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、工艺原材料前处理：首先去除纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭及中间合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al-5%Cr表面的油污、霉斑和氧化皮，然后在300-350℃的温度下烘烤3-4h；

步骤2、初步熔炼：在熔炼炉中首先加入纯铝锭后升温熔化，加入覆盖剂，扒渣后依次加入Al-20%Cu中间合金、Al-10%Mn中间合金、Al-5%Cr中间合金，再依次加入纯锌锭和纯镁锭，搅拌10-15min后再继续加入覆盖剂，整个初步熔炼过程中熔炼温度控制在730-750℃范围内；

步骤3、精炼：采用高纯氮气+六氯乙烷粉末的喷粉法对步骤2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液进行精炼，将步骤2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液降温到720-730℃的精炼温度范围内后，进行第一次喷粉，喷粉结束后静置10-15min，扒渣后加入变质剂进行变质处理，然后再进行第二次喷粉，喷粉结束后静置10-15min，扒渣后得到精炼后的Al-Zn-Mg-Cu合金溶液。

所述的熔炼炉为石墨坩埚熔炼炉。

所述的覆盖剂为60%MgCl2+40%KCl的组成物，加入量为炉料质量的1.5-2.5%。

所述的六氯乙烷的用量占合金液总质量的0.5-0.8%。

所述的变质剂为中间合金A1-5Ti-B，加入量为炉料质量的0.8-1.2%、或中间合金A1-10%RE，加入量为炉料质量的2.8-3.0%、或两种中间合金A1-5Ti-B，加入量为炉料质量的0.8-1.2%与A1-10%RE，加入量为炉料质量的2.8-3.0%的组成物中的一种。

一种用于高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴的挤压铸造工艺，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、合金熔炼：按照权利要求2-5之一所述的步骤完成Al-Zn-Mg-Cu合金的熔炼；

步骤2、挤压铸造过程：将模具预热，将步骤1所得Al-Zn-Mg-Cu合金溶液浇入模具型腔内；挤压铸造机冲头向模具型腔平稳推进合金液、快速增压凝固结晶，保压定形；待铸件冷却后脱模，得到高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴挤压铸造毛坯；整个挤压铸造过程中，控制工艺参数为：模具预热温度为200-300℃，浇注温度为680-720℃，加压开始时间为3-5s，加压速度为10mm/s，比压为120-200MPa，保压时间为30-90s；

步骤3、热处理：将步骤2得到的高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴挤压铸造毛坯经过固溶处理及时效处理后得到高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴挤压铸造件，其中固溶处理工艺参数控制在400-500℃保温10-14h；时效处理工艺工艺参数控制在110-130℃保温16-26h。

综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明涉及一种Al-Zn-Mg-Cu合金的配方、熔炼工艺及其应用。本发明提供的一种具有特定组成范围的Al-Zn-Mg-Cu合金，该特定组成范围可以使合金具有高的比强度、高的比刚度、以及低的密度等一系列优良的综合性能，不仅能满足高速机车运行的安全需要，而且用于制造高速机车用传动空心轴能大大减轻机车车辆本身的重量。

本发明提供的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的熔炼工艺，该熔炼工艺通过控制熔炼工艺参数提出得到的高温熔炼合金溶液的铸造工艺性能好，因而合金铸件力学性能好。采用石墨坩埚熔炼炉熔炼，防止了采用铸铁或铸钢坩埚导致铝液中Fe含量超标。采用高纯氮气+六氯乙烷粉末的喷粉法对Al-Zn-Mg-Cu合金溶液进行精炼，有效去除铝合金溶液中的氢气和各种夹杂物，达到了净化铝合金熔液的目的，且精炼过程中加入变质剂进行变质处理，细化晶粒，同时采用多次间断静置的方法，每次静置的时间为10-15min，使气体有足够的时间排出液面，更有效去除夹杂物。

本发明提供的一种用于高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴的挤压铸造工艺，在资源和能源消耗较低的条件下，该工艺工艺简单；铸件产品组织致密均匀，力学性能良好，符合汽车零部件的高品质、高性能的要求；便于实现机械化、制动化，提高了生产效率。

附图说明

图1为一种高温熔融铝合金精炼装置示意图。

在图1中所述的数字标注表示为：1、高纯氮气；2、干燥器；3、压力调节阀；4、混合室；5、C2Cl6干燥粉末；6、喷射陶瓷管；7、坩埚；8、铝合金液；9、多孔隔板。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

实施例1

一种Al-Zn-Mg-Cu合金的配方，它是由Al、Zn、Mg、Cu、Mn、Cr组成，以上各成分所占总质量分数为：Zn为5.9%、Mg为2.4%、Cu为1.8%、Mn为0.35%、Cr为0.22%、余量为Al。

一种Al-Zn-Mg-Cu合金的熔炼工艺，工艺所采用原材料为纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭以及中间合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al-5%Cr，熔炼工艺步骤如下：

步骤1、工艺原材料前处理：首先称取纯铝锭195kg、纯锌锭15.5kg、纯镁锭6.8kg以及中间合金Al-20%Cu23.5kg、Al-10%Mn9.5kg和Al-5%Cr11.5kg，去除纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭及中间合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al-5%Cr表面的油污、霉斑和氧化皮，然后在350℃的温度下烘烤4h。

步骤2、初步熔炼：在石墨坩埚熔炼炉中首先加入纯铝锭后升温熔化，加入60%MgCl2+40%KCl的组成物作为覆盖剂，加入量为炉料质量的2.5%，扒渣后依次加入Al-20%Cu中间合金、Al-10%Mn中间合金、Al-5%Cr中间合金，再依次加入纯锌锭和纯镁锭，搅拌15min后再继续加入60%MgCl2+40%KCl的组成物作为覆盖剂，加入量为炉料质量的2.5%，整个初步熔炼过程中熔炼温度控制在730-750℃范围内。

步骤3、精炼：采用高纯氮气+六氯乙烷粉末的喷粉法对步骤2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液进行精炼，将步骤2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液降温到730℃的精炼温度后，进行第一次喷粉，喷粉结束后静置15min，扒渣后加入两种中间合金A1-5Ti-B和A1-10%RE的组成物作为变质剂进行变质处理，两种中间合金的加入量分别为炉料质量的1.2%和3.0%；然后再进行第二次喷粉，喷粉结束后静置15min，扒渣后得到精炼后的Al-Zn-Mg-Cu合金溶液；所述的六氯乙烷两次的喷粉用量占合金液总质量的0.8%。

一种用于高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴的挤压铸造工艺，其具体步骤如下：

步骤1、合金熔炼：按照以上所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的熔炼工艺的步骤完成Al-Zn-Mg-Cu合金的熔炼。

步骤2、挤压铸造过程：将模具预热至300℃，将步骤1所得Al-Zn-Mg-Cu合金溶液浇入模具型腔内，浇注温度为720℃；加压开始时间为5s，挤压铸造机冲头开始以10mm/s加压速度向模具型腔平稳推进合金液，该过程中比压为200MPa，使合金溶液在快速快速增压情况下凝固结晶，保压90s；待铸件冷却后脱模，得到高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴挤压铸造毛坯。

步骤3、热处理：将步骤2得到的高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴挤压铸造毛坯经过固溶处理及时效处理后得到高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴挤压铸造件，其中固溶处理工艺参数为500℃保温10h；时效处理工艺工艺参数为130℃保温16h。

通过该工艺制造的高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴挤压铸造件经过实体取样测试，铸件产品组织致密均匀，力学性能良好，室温拉伸强度和延伸率分别为555MPa和9.0%。

实施例2

一种Al-Zn-Mg-Cu合金的配方，它是由Al、Zn、Mg、Cu、Mn、Cr组成，以上各成分所占总质量分数为：Zn为5.6%、Mg为2.2%、Cu为1.6%、Mn为0.25%、Cr为0.18%、余量为Al。

一种Al-Zn-Mg-Cu合金的熔炼工艺，工艺所采用原材料为纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭以及中间合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al-5%Cr，熔炼工艺步骤如下：

步骤1、工艺原材料前处理：首先称取纯铝锭205kg、纯锌锭14.8kg、纯镁锭6kg以及中间合金Al-20%Cu21kg、Al-10%Mn7kg和Al-5%Cr9.5kg，去除纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭及中间合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al-5%Cr表面的油污、霉斑和氧化皮，然后在300℃的温度下烘烤3h。

步骤2、初步熔炼：在石墨坩埚熔炼炉中首先加入纯铝锭后升温熔化，加入60%MgCl2+40%KCl的组成物作为覆盖剂，加入量为炉料质量的1.5%，扒渣后依次加入Al-20%Cu中间合金、Al-10%Mn中间合金、Al-5%Cr中间合金，再依次加入纯锌锭和纯镁锭，搅拌10min后再继续加入60%MgCl2+40%KCl的组成物作为覆盖剂，加入量为炉料质量的1.5%，整个初步熔炼过程中熔炼温度控制在730-750℃范围内。

步骤3、精炼：采用高纯氮气+六氯乙烷粉末的喷粉法对步骤2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液进行精炼，将步骤2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液降温到720℃的精炼温度后，进行第一次喷粉，喷粉结束后静置10min，扒渣后加入中间合金A1-5Ti-B作为变质剂进行变质处理，加入量为炉料质量的1%；然后再进行第二次喷粉，喷粉结束后静置10min，扒渣后得到精炼后的Al-Zn-Mg-Cu合金溶液；所述的六氯乙烷两次的喷粉用量占合金液总质量的0.5%。

一种用于高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴的挤压铸造工艺，其具体步骤如下：

步骤1、合金熔炼：按照以上所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的熔炼工艺的步骤完成Al-Zn-Mg-Cu合金的熔炼。

步骤2、挤压铸造过程：将模具预热至200℃，将步骤1所得Al-Zn-Mg-Cu合金溶液浇入模具型腔内，浇注温度为680℃；加压开始时间为3s，挤压铸造机冲头开始以10mm/s加压速度向模具型腔平稳推进合金液，该过程中比压为120MPa，使合金溶液在快速快速增压情况下凝固结晶，保压30s；待铸件冷却后脱模，得到高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴挤压铸造毛坯。

步骤3、热处理：将步骤2得到的高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴挤压铸造毛坯经过固溶处理及时效处理后得到高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴挤压铸造件，其中固溶处理工艺参数为400℃保温14h；时效处理工艺工艺参数为110℃保温26h。

通过该工艺制造的高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴挤压铸造件经过实体取样测试，铸件产品组织致密均匀，力学性能良好，室温拉伸强度和延伸率分别为545MPa和8.8%。

实施例3

一种Al-Zn-Mg-Cu合金的配方，它是由Al、Zn、Mg、Cu、Mn、Cr组成，以上各成分所占总质量分数为：Zn为5.8%、Mg为2.3%、Cu为1.7%、Mn为0.30%、Cr为0.20%、余量为Al。

一种Al-Zn-Mg-Cu合金的熔炼工艺，工艺所采用原材料为纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭以及中间合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al-5%Cr，熔炼工艺步骤如下：

步骤1、工艺原材料前处理：首先称取纯铝锭200kg、纯锌锭15.5kg、纯镁锭6.3kg以及中间合金Al-20%Cu22.5kg、Al-10%Mn8kg和Al-5%Cr10.8kg，去除纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭及中间合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al-5%Cr表面的油污、霉斑和氧化皮，然后在325℃的温度下烘烤3.5h。

步骤2、初步熔炼：在石墨坩埚熔炼炉中首先加入纯铝锭后升温熔化，加入60%MgCl2+40%KCl的组成物作为覆盖剂，加入量为炉料质量的2%，扒渣后依次加入Al-20%Cu中间合金、Al-10%Mn中间合金、Al-5%Cr中间合金，再依次加入纯锌锭和纯镁锭，搅拌12min后再继续加入60%MgCl2+40%KCl的组成物作为覆盖剂，加入量为炉料质量的2%，整个初步熔炼过程中熔炼温度控制在730-750℃范围内。

步骤3、精炼：采用高纯氮气+六氯乙烷粉末的喷粉法对步骤2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液进行精炼，将步骤2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液降温到725℃的精炼温度后，进行第一次喷粉，喷粉结束后静置13min，扒渣后加入中间合金A1-10%RE作为变质剂进行变质处理，加入量为炉料质量的2.9%；然后再进行第二次喷粉，喷粉结束后静置13min，扒渣后得到精炼后的Al-Zn-Mg-Cu合金溶液；所述的六氯乙烷两次的喷粉用量占合金液总质量的0.7%。

一种用于高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴的挤压铸造工艺，其具体步骤如下：

步骤1、合金熔炼：按照以上所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的熔炼工艺的步骤完成Al-Zn-Mg-Cu合金的熔炼。

步骤2、挤压铸造过程：将模具预热至250℃，将步骤1所得Al-Zn-Mg-Cu合金溶液浇入模具型腔内，浇注温度为700℃；加压开始时间为4s，挤压铸造机冲头开始以10mm/s加压速度向模具型腔平稳推进合金液，该过程中比压为160MPa，使合金溶液在快速快速增压情况下凝固结晶，保压60s；待铸件冷却后脱模，得到高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴挤压铸造毛坯。

步骤3、热处理：将步骤2得到的高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴挤压铸造毛坯经过固溶处理及时效处理后得到高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴挤压铸造件，其中固溶处理工艺参数为450℃保温12h；时效处理工艺工艺参数为120℃保温22h。

通过该工艺制造的高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴挤压铸造件经过实体取样测试，铸件产品组织致密均匀，力学性能良好，室温拉伸强度和延伸率分别为575MPa和10.1%。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括哪些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种Al-Zn-Mg-Cu合金的配方，其特征在于：它是由Al、Zn、Mg、Cu、Mn、Cr组成；以上各成分所占总质量分数为：Zn为5.6%-5.9%、Mg为2.2%-2.4%、Cu为1.6%-1.8%、Mn为0.25%-0.35%、Cr为0.18%-0.22%、余量为Al。

2.一种Al-Zn-Mg-Cu合金的熔炼工艺，工艺所采用原材料为纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭以及中间合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al-5%Cr，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、工艺原材料前处理：首先去除纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭及中间合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al-5%Cr表面的油污、霉斑和氧化皮，然后在300-350℃的温度下烘烤3-4h；

步骤2、初步熔炼：在熔炼炉中首先加入纯铝锭后升温熔化，加入覆盖剂，扒渣后依次加入Al-20%Cu中间合金、Al-10%Mn中间合金、Al-5%Cr中间合金，再依次加入纯锌锭和纯镁锭，搅拌10-15min后再继续加入覆盖剂，整个初步熔炼过程中熔炼温度控制在730-750℃范围内；

步骤3、精炼：采用高纯氮气+六氯乙烷粉末的喷粉法对步骤2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液进行精炼，将步骤2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液降温到720-730℃的精炼温度范围内后，进行第一次喷粉，喷粉结束后静置10-15min，扒渣后加入变质剂进行变质处理，然后再进行第二次喷粉，喷粉结束后静置10-15min，扒渣后得到精炼后的Al-Zn-Mg-Cu合金溶液。

3.根据权利要求2所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的熔炼工艺，其特征在于，所述的熔炼炉为石墨坩埚熔炼炉。

4.根据权利要求2所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的熔炼工艺，其特征在于，所述的覆盖剂为60%MgCl2+40%KCl的组成物，加入量为炉料质量的1.5-2.5%。

5.根据权利要求2所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的熔炼工艺，其特征在于，所述的六氯乙烷的用量占合金液总质量的0.5-0.8%。

6.根据权利要求2所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的熔炼工艺，其特征在于，所述的变质剂为中间合金A1-5Ti-B，加入量为炉料质量的0.8-1.2%、或中间合金A1-10%RE，加入量为炉料质量的2.8-3.0%、或两种中间合金A1-5Ti-B，加入量为炉料质量的0.8-1.2%与A1-10%RE，加入量为炉料质量的2.8-3.0%的组成物中的一种。

7.一种用于高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴的挤压铸造工艺，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、合金熔炼：按照权利要求2-5之一所述的步骤完成Al-Zn-Mg-Cu合金的熔炼；

步骤2、挤压铸造过程：将模具预热，将步骤1所得Al-Zn-Mg-Cu合金溶液浇入模具型腔内；挤压铸造机冲头向模具型腔平稳推进合金液、快速增压凝固结晶，保压定形；待铸件冷却后脱模，得到高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴挤压铸造毛坯；整个挤压铸造过程中，控制工艺参数为：模具预热温度为200-300℃，浇注温度为680-720℃，加压开始时间为3-5s，加压速度为10mm/s，比压为120-200MPa，保压时间为30-90s；

步骤3、热处理：将步骤2得到的高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴挤压铸造毛坯经过固溶处理及时效处理后得到高速机车用Al-Zn-Mg-Cu合金传动空心轴挤压铸造件，其中固溶处理工艺参数控制在400-500℃保温10-14h；时效处理工艺工艺参数控制在110-130℃保温16-26h。

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