CN104046852B - 一种高寒动车组用铝型材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高寒动车组用铝型材，含有如下质量百分比的金属物质：Si0.4-0.7％、Fe≤0.20％、Mg0.5-0.75％、Mn0.01-0.2％、Cu≤0.05％、Cr≤0.1％、Zn≤0.08％、Ti0.02-0.04％、单个杂质的量≤0.05％、杂质总和≤0.15％、其余为Al。本发明还公开了一种所述高寒动车组用铝型材的制备方法，本发明高寒动车组用铝型材满足高寒地区动车组低温疲劳的标准要求，普通动车组使用环境零下25℃到零上40℃，使用本发明的铝型材零下40℃低温疲劳试验循环107次不断裂。

Description

一种高寒动车组用铝型材及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝型材，特别是涉及一种高寒动车组用铝型材及其制备方法。

背景技术

铝合金密度低、机械性能好，因而在高速动车组中得到广泛应用。普通动车组工作温度在零下25℃到零上40℃，远远不能适应北方寒冷地区环境。高寒车将在东北、内蒙古等北方地区运行，气温可达零下37℃。众所周知，高速动车组运行区域从非高寒地带一旦进入高寒地带，高速动车组通常采用的铝合金、非金属、橡胶等原材料会随着温度的降低变脆变硬，对作为动车组主要结构的铝合金型材性能产生重要影响，特别对低温疲劳强度是极大的挑战，必须保证零下40℃低温疲劳试验循环107次不断裂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高强度、高抗低温疲劳的高寒动车组用铝型材及其制备方法。

一种高寒动车组用铝型材，其含有如下质量百分比的金属物质：

Si0.4-0.7％、Fe≤0.20％、Mg0.5-0.75％、Mn0.01-0.2％、Cu≤0.05％、Cr≤0.1％、Zn≤0.08％、Ti0.02-0.04％、单个杂质的量≤0.05％、杂质总和≤0.15％、其余为Al。

本发明所述的高寒动车组用铝型材，其含有如下质量百分比的金属物质：

Si0.57％、Fe0.141％、Mg0.6％、Mn0.1％、Cu0.02％、Cr0.05％、Zn0.01％、Ti0.022％、单个杂质的量≤0.05％、杂质总和≤0.15％、其余为Al。

一种高寒动车组用铝型材的制备方法，包括如下步骤：

(1)炉体去杂：铸造前需将炉内高温800℃将炉墙、炉底的浮渣铲下并用铁耙连剩余铝液一并彻底清出炉外，去除不熔物杂质；

(2)熔炼：计算各金属原料用量并按配比准备金属原料，金属原料包括：一级废料，纯度99.70％以上的铝锭及中间合金，所述中间合金为铝硅合金、铝铜合金、铝铬合金、铝锰合金、镁锭、锌锭和铝钛合金，所述一级废料占所述金属原料的量不超过40％；

向熔炼炉中依次投入一级废料、铝锭及除所述镁锭、锌锭和铝钛外的中间合金，待其熔化后，在745±5℃条件下投入高熔点的铝钛，再依次投入锌锭和镁锭，温度到745℃时撒入10kg打渣剂，关闭炉门3分钟，打开炉门，将熔渣彻底扒出炉外；取样进行化学检测，调整各组份含量，使产品中的各组份含量满足要求；

(3)精炼和静置：熔炼结束后在熔炼炉中进行第一次精炼、第一次精炼后转移至静置炉中进行第二次精炼，再进行静置；

(4)在线除气、过滤、铸造；

(5)均质；

(6)挤压、时效热处理。

本发明所述的高寒动车组用铝型材的制备方法，其中，所述步骤(3)具体包括如下步骤：

熔炼结束后在熔炼炉中进行第一次精炼，在精炼容器中加入普通精炼剂用量1.5kg/T·Al，设定精炼时间15-20min，精炼温度740±5℃，并调整氩气压力，保证气泡高度不大于100mm；第一次精炼结束后熔体温度达到748℃±3℃时，进行转炉，即将熔体从熔炼炉转移到静置炉，从熔炼炉溶化结束温度达到710℃开始至转静置炉前的熔体停留时间不得超过3h；转炉后在所述静置炉内进行第二次精炼，精炼方法同第一次精炼。

本发明所述的高寒动车组用铝型材的制备方法，其中，步骤(4)铸造铸锭时，需在除气机与静止炉之间添加铝钛硼丝，添加量为31-36HZ，铝钛硼丝中钛和硼的质量百分数分别为5.0±0.5％和1.0±0.2％；在线除气时，除气机每个转子氩气工作流量控制在10-15L/min，转子设定大于400r/min；过滤为一级过滤，使用40ppi过滤板；铸造开始后在流槽熔体表面均匀撒上普通覆盖剂，要求完全覆盖熔体表面，铸造时流盘内熔体温度应＞700℃，铸造起始速度30mm/min，铸造爬升起始位置50mm，铸造正常速度40～45mm/min，铸造爬升结束位置80mm，铸造起始水流量2400L/min，铸造正常水流量3200L/min，水量爬升起始位置30mm，水量爬升结束位置60mm。

本发明所述的高寒动车组用铝型材的制备方法，其中，步骤(5)具体包括如下步骤：均质：铝棒的保温温度为560℃，保温时间为10小时，要求均质炉的升温速度≤80℃/h，冷却量≥150℃/h，冷却方式为风冷和水冷共同使用，风冷2～2.5h后进行水冷，冷却至室温；

步骤(6)具体包括如下步骤：挤压模具温度480-500℃、铸棒温度490-510℃、挤压速度1.5-3m/min、冷却方式为水冷，1～3min冷却至室温，拉直率0.8-1.5％，时效制度为165±5℃，8h。

本发明所述的高寒动车组用铝型材的制备方法，其中，步骤(2)中除镁锭、锌锭、铝钛外，中间合金均在第一次加入的铝锭的上部加入，然后再点火熔化；加入镁锭后，在镁锭投入处均匀撒入无钠覆盖剂将其彻底覆盖，待其完全熔化后，用铁耙轻轻均匀地推向各处液面，再进行搅拌。

本发明所述的高寒动车组用铝型材的制备方法，其中，第二次精炼完毕后在熔体表面均匀撒入普通覆盖剂6kg，全部覆盖炉内熔体表面，静置时间20min，测量熔体温度，放流，放流时的温度为750℃。

本发明高寒动车组用铝型材满足高寒地区动车组低温疲劳的标准要求，普通动车组使用环境零下25℃到零上40℃，使用本发明的铝型材零下40℃低温疲劳试验循环10⁷次不断裂。

本发明高寒动车组用铝型材的制备方法与现有技术不同之处在于：本发明制备方法对各原料的投入顺序进行了优化，保证了各合金元素充分、均匀熔解，经反复试验证明，本发明的投料顺序是最优方案；采用熔炼炉与静置炉二次精炼的熔铸方法，保证了除气、除渣充分性；采用低液位铸造，减少气泡、裂纹等缺陷，使内部组织细密、成分偏析减少；均质过程中采用本发明的方法均质过程充分，减少成分偏析，化合物聚集，降低铸棒内应力；挤压型材过程保证了型材急速冷却、充分固溶，本发明的时效过程使强化相充分沉淀析出，获得高强度、高抗低温疲劳的均匀组织。

具体实施方式

实施例1

一种高寒动车组用铝型材，含有如下质量百分比的金属物质：

Si0.4-0.7％、Fe≤0.20％、Mg0.5-0.75％、Mn0.01-0.2％、Cu≤0.05％、Cr≤0.1％、Zn≤0.08％、Ti0.02-0.04％、单个杂质的量≤0.05％、杂质总和≤0.15％、其余为Al。

说明：中间合金中虽然没有铁，但本发明使用的中间合金或多或少会有些杂质会引入铁元素，因此在型材组成上需控制铁元素的含量。

一种所述的高寒动车组用铝型材的制备方法，其包括如下步骤：

(1)炉体去杂：铸造前需将炉内高温800℃将炉墙、炉底的浮渣铲下并用铁耙连剩余铝液一并彻底清出炉外，去除不熔物杂质；

(2)熔炼：计算各金属原料用量并按配比准备金属原料，金属原料包括：一级废料，纯度99.70％以上的铝锭及中间合金，所述中间合金为铝硅合金、铝铜合金、铝铬合金、铝锰合金、镁锭、锌锭和铝钛合金，所述一级废料占所述金属原料的量不超过40％。

向熔炼炉中依次投入一级废料、铝锭及除所述镁锭、锌锭和铝钛外的中间合金，待其熔化后，在745±5℃条件下投入高熔点的铝钛，再依次投入锌锭和镁锭，温度到745℃时撒入10kg打渣剂，关闭炉门3分钟，打开炉门，将熔渣彻底扒出炉外，取样进行化学检测，调整各组份含量，使产品中的各组份含量满足要求；

除镁锭、锌锭、铝钛外，中间合金均在第一次加入的铝锭的上部加入，然后再点火熔化；加入镁锭后，在镁锭投入处均匀撒入无钠覆盖剂将其彻底覆盖，待其完全熔化后，用铁耙轻轻均匀地推向各处液面，再进行搅拌。

(3)精炼和静置：熔炼结束后在熔炼炉中进行第一次精炼，在精炼容器中加入普通精炼剂用量1.5kg/T·Al，设定精炼时间15-20min，精炼温度740±5℃，并调整氩气压力，保证气泡高度不大于100mm；第一次精炼结束后熔体温度达到748℃±3℃时，进行转炉，即将熔体从熔炼炉转移到静置炉，从熔炼炉溶化结束温度达到710℃开始至转静置炉前的熔体停留时间不得超过3h；转炉后在所述静置炉内进行第二次精炼，精炼方法同第一次精炼。第二次精炼完毕后在熔体表面均匀撒入普通覆盖剂6kg，全部覆盖炉内熔体表面，静置时间20min，测量熔体温度，放流，放流时的温度为750℃。

(4)在线除气、过滤、铸造：铸造铸锭时，需在除气机与静止炉之间添加铝钛硼丝，添加量为31-36HZ，铝钛硼丝中钛和硼的质量百分数分别为5.0±0.5％和1.0±0.2％；在线除气时，除气机每个转子氩气工作流量控制在10-15L/min，转子设定大于400r/min；过滤为一级过滤，使用40ppi过滤板；铸造开始后在流槽熔体表面均匀撒上普通覆盖剂，要求完全覆盖熔体表面，铸造时流盘内熔体温度应＞700℃，铸造起始速度30mm/min，铸造爬升起始位置50mm，铸造正常速度40～45mm/min，铸造爬升结束位置80mm，铸造起始水流量2400L/min，铸造正常水流量3200L/min，水量爬升起始位置30mm，水量爬升结束位置60mm。

(5)均质：铝棒的保温温度为560℃，保温时间为10小时，要求均质炉的升温速度≤80℃/h，冷却量≥150℃/h，冷却方式为风冷和水冷共同使用，风冷2～2.5h后进行水冷，冷却至室温；

(6)挤压、时效：挤压模具温度480-500℃、铸棒温度490-510℃、挤压速度1.5-3m/min、冷却方式为水冷，1～3min冷却至室温，拉直率0.8-1.5％，时效制度为165±5℃，8h。

本发明高寒动车组用铝型材满足高寒地区动车组低温疲劳的标准要求，普通动车组使用环境零下25℃到零上40℃，使用本发明的铝型材零下40℃低温疲劳试验循环10⁷次不断裂。

实施例2

一种所述的高寒动车组用铝型材的制备方法，其包括如下步骤：

1、投料前将炉内铝液彻底放干或铸干，再将炉内温度升至800℃后，撒入不少于15kg清渣剂、保温5分钟，再用大铲将渣线、炉墙、炉底的浮渣铲下并用铁耙连剩余铝液一并彻底请出炉外。

2、投料前铝锭必须清洁干燥，根据生产计划单，称取99.70％及以上纯度铝锭，在第一次加入废料上部加入，不允许使用电解铝液，对需要投入的中间合金进行称重，应使用铝硅合金、铝铜合金、铝铬合金、铝锰合金、镁锭、锌锭和铝钛合金的中间合金，除镁、锌、钛外，中间合金均在第一次加入的铝锭的上部加入，然后再点火熔化后，先加Al-Ti中间合金(Al-Ti加入温度745±5℃)，再加入Zn锭，最后加入Mg锭。人工加入Mg锭后，在Mg锭投入处均匀撒入无钠覆盖剂将其彻底覆盖，待其完全熔化后，用铁耙轻轻均匀地推向各处液面，再进行搅拌。温度到745℃时撒入10kg打渣剂，关闭炉门3分钟，打开炉门，将熔渣彻底扒出炉外。

3、根据废料、铝锭投入量，参照化学成分配料标准要求进行计算中间合金添加量，必须满足成分达到以下值：

4、在精炼容器中加入普通精炼剂用量1.5kg/T·Al，设定精炼时间15min，精炼温度743℃，

并调整氩气压力，保证气泡高度90mm。

5、熔炼炉溶化结束(温度达到710℃)开始至转静置炉前的熔体停留时间2.5h，熔炼炉精炼完毕后，铝液温度达到750℃时，铝液转到静止炉内。

6、在静止炉需要二次精炼，在精炼容器中加入普通精炼剂用量1.5kg/T·Al，设定精炼时间20min，精炼温度745℃，并调整氩气压力，高度90mm。在静置炉内由炉内至炉口横向精炼，要求精炼要彻底，不留死角。

7、精炼完毕后在熔体表面均匀撒入普通覆盖剂6kg，全部覆盖炉内熔体表面，精炼后静置时间20min，测量熔体温度，在放流时的温度750℃。

8、铸造铸锭时，需在除气机与静止炉之间添加铝钛硼丝[Al-(5.0±0.5％)Ti-(1.0±0.2％)B]添加量32HZ。

9、在线除气时，除气机每个转子氩气工作流量控制在5L/min，转子设定500r/min。

10、过滤为一级过滤，使用40ppi过滤板；

11、铸造开始后在流槽熔体表面均匀撒上普通覆盖剂，要求完全覆盖熔体表面，铸造时流盘内熔体温度应＞720℃。铸造起始速度30mm/min，铸造爬升起始位置50mm，铸造正常速度45mm/min，铸造爬升结束位置80mm，铸造起始水流量2400L/min，铸造正常水流量3200L/min，水量爬升起始位置30mm，水量爬升结束位置60mm。

12、均质时，铝棒的保温温度为560℃，保温时间为10小时，均质炉的升温速度75℃/h，冷却速度150℃/h，冷却方式：风冷+水冷。

13、挤压模具温度500℃、铸棒温度505℃、挤压速度3m/min、冷却方式：水冷，拉直率1％，时效制度：166℃×8h,型材生产完毕。

本发明高寒动车组用铝型材满足高寒地区动车组低温疲劳的标准要求，普通动车组使用环境零下25℃到零上40℃，使用本发明的铝型材零下40℃低温疲劳试验循环107次不断裂。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高寒动车组用铝型材的制备方法，其特征在于：

所述高寒动车组用铝型材含有如下质量百分比的物质：Si0.4-0.7％、Fe≤0.20％、Mg0.5-0.75％、Mn0.01-0.2％、Cu≤0.05％、Cr≤0.1％、Zn≤0.08％、Ti0.02-0.04％、、单个杂质的量≤0.05％、杂质总和≤0.15％、其余为Al；

所述高寒动车组用铝型材的制备方法包括如下步骤：

(1)炉体去杂：铸造前需将炉内高温800℃将炉墙、炉底的浮渣铲下并用铁耙连剩余铝液一并彻底清出炉外，去除不熔物杂质；

(2)熔炼：计算各金属原料用量并按配比准备金属原料，金属原料包括：一级废料，纯度99.70％以上的铝锭及合金，所述合金为铝硅合金、铝铜合金、铝铬合金、铝锰合金、镁锭、锌锭和铝钛合金，所述一级废料占所述金属原料的量不超过40％；

向熔炼炉中依次投入一级废料、铝锭及除所述镁锭、锌锭和铝钛外的中间合金，待其熔化后，在745±5℃条件下投入高熔点的铝钛合金，再依次投入锌锭和镁锭，温度到745℃时撒入10kg打渣剂，关闭炉门3分钟，打开炉门，将熔渣彻底扒出炉外；取样进行化学检测，调整各组份含量，使产品中的各组份含量满足要求；

(3)精炼和静置：熔炼结束后在熔炼炉中进行第一次精炼，在精炼容器中加入普通精炼剂用量1.5kg/T·Al，设定精炼时间15-20min，精炼温度740±5℃，并调整氩气压力，保证气泡高度不大于100mm；第一次精炼结束后熔体温度达到748℃±3℃时，进行转炉，即将熔体从熔炼炉转移到静置炉，从熔炼炉熔化结束温度达到710℃开始至转静置炉前的熔体停留时间不得超过3h；转炉后在所述静置炉内进行第二次精炼，精炼方法同第一次精炼；

(4)在线除气、过滤、铸造：铸造铸锭时，需在除气机与静止炉之间添加铝钛硼丝，添加量为31-36Hz，铝钛硼丝中钛和硼的质量百分数分别为5.0±0.5％和1.0±0.2％；在线除气时，除气机每个转子氩气工作流量控制在10-15L/min，转子设定大于400r/min；过滤为一级过滤，使用40ppi过滤板；铸造开始后在流槽熔体表面均匀撒上普通覆盖剂，要求完全覆盖熔体表面，铸造时流盘内熔体温度应＞700℃，铸造起始速度30mm/min，铸造爬升起始位置50mm，铸造正常速度40～45mm/min，铸造爬升结束位置80mm，铸造起始水流量2400L/min，铸造正常水流量3200L/min，水量爬升起始位置30mm，水量爬升结束位置60mm；

(5)均质：铝棒的保温温度为560℃，保温时间为10小时，要求均质炉的升温速度≤80℃/h，冷却量≥150℃/h，冷却方式为风冷和水冷共同使用，风冷2～2.5h后进行水冷，冷却至室温；

(6)挤压、时效：挤压模具温度480-500℃、铸棒温度490-510℃、挤压速度1.5-3m/min、冷却方式为水冷，1～3min冷却至室温，拉直率0.8-1.5％，时效制度为165±5℃，8h。

2.根据权利要求1所述的高寒动车组用铝型材的制备方法，其特征在于：步骤(2)中除镁锭、锌锭、铝钛外，中间合金均在第一次加入的铝锭的上部加入，然后再点火熔化；加入镁锭后，在镁锭投入处均匀撒入无钠覆盖剂将其彻底覆盖，待其完全熔化后，用铁耙轻轻均匀地推向各处液面，再进行搅拌。

3.根据权利要求2所述的高寒动车组用铝型材的制备方法，其特征在于：第二次精炼完毕后在熔体表面均匀撒入普通覆盖剂6kg，全部覆盖炉内熔体表面，静置时间20min，测量熔体温度，放流，放流时的温度为750℃。