CN104988346B - 一种轨道车辆车体用铝合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道车辆车体用铝合金的制备方法，依次包括以下步骤：清炉、熔炼、一次精炼、二次精炼、静置、铸造和均质，所述铝合金制备方法还包括过热处理和激冷两道工序，所述铝合金熔体在一次精炼后先进行过热处理和激冷，再进行二次精炼；本发明通过对铝合金熔体进行过热处理，使熔体结构由与固相类似的短程有序转变为无序状态，然后快速激冷，使铝合金熔炼液快速冷却到浇注温度后仍不易失效，使铝合金熔炼液产生非自发结晶的活性晶核减少，而自发晶核尽管小一些，但能使铸锭的组织更好的细化，能够得到更加致密的铸锭组织，由此方法铸锭生产的铝型材，性能优于常规方法铸锭产出的铝型材。

Description

一种轨道车辆车体用铝合金的制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金材料加工技术领域，具体涉及一种轨道车辆车体用铝合金的高温制备方法。

背景技术

随着我国高铁车辆制造技术的日渐成熟和国际化推广的不断深入，对高铁车辆车体铝型材的要求也越来越高，目前国内的高速轨道列车大多使用大断面、复杂截面的6000系、7000系铝合金结构型材，但6000系车体铝型材易出现抗疲劳性能不稳定的问题，而7000系车体铝型材易出现抗腐蚀性能差的问题。产生上述问题的原因主要是在铝合金熔铸阶段，6N01铝合金熔炼温度高于760℃，7N01铝合金熔炼温度高于750℃，高温熔炼会出现严重的烧损问题，并使铸锭出现偏析，铸锭表面及内部容易出现粗晶、羽毛状晶等，恶化了铸锭内部组织。

此外，现有的7000系铝合金属于硬质合金，挤压产品成品率普遍较低，遂产生了较多废料，要想实现废料的循环利用，就要在原料中增加废料比重，但是，少量添加废料可对铝合金铸锭性能起到正面作用，但大量添加废料却会严重影响铸锭性能。因此，如何增加废料比例，实现废料的循环利用率，也是铝加工行业亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种轨道车辆车体用铝合金型材的制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种轨道车辆车体用铝合金的制备方法，依次包括以下步骤：清炉、熔炼、一次精炼、二次精炼、静置、铸造和均质，所述铝合金制备方法还包括过热处理和激冷两道工序，所述铝合金在一次精炼后先进行过热处理和激冷，再进行二次精炼；

所述过热处理过程为：将经过一次精炼的铝合金熔体继续留置在熔炼炉中，待熔炼炉内熔体温度升至780℃-860℃时，保温12min-26min；

所述激冷过程为：向经过所述过热处理的铝合金熔体中加入常温的一级铝合金废料，一级铝合金废料为与铝合金熔体成分相同的成品下脚料，一级铝合金废料的加入量为铝合金熔体质量的4％-8％；加入一级铝合金废料后，电磁搅拌熔体8min-12min，使铝合金充分熔化，达到浇注温度740℃-750℃后转炉进行二次精炼。

本发明的有益效果是：本发明通过对铝合金熔体进行过热处理，使熔体结构由与固相类似的短程有序转变为无序状态，然后快速激冷，使铝合金熔体快速冷却到浇注温度后仍不易失效，使铝合金熔炼液产生非自发结晶的活性晶核减少，而自发晶核尽管小一些，但能使铸锭的组织更好的细化，能够得到更加致密的铸锭组织，由此方法铸锭生产的铝型材，性能优于常规方法铸锭产出的铝型材。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述熔炼为：将熔炼炉炉膛温度升高到600℃时，加入熔炼金属；待熔炼炉内温度达到705℃-720℃时，撒入10kg-15kg打渣剂，关闭炉门焖至少3min后，打开炉门，将炉渣扒出后取样分析，根据分析结果判断是否进行调整或进行精炼。

进一步，所述一次精炼为：将经过熔炼的铝合金熔体在熔炼炉中，将精炼剂在170℃-200℃温度下烘烤至少3h后加入熔炼炉中，精炼时间15min-20min，精炼温度720℃-735℃，调节氩气压力以保证熔炼炉中的气泡高度不大于150mm，一次精炼完成后将熔炼炉中浮渣扒出，撒入6kg-10kg覆盖剂；

将经过过热处理和激冷过程处理的铝合金熔体转入静置炉内进行二次精炼，所述二次精炼过程与一次精炼过程相同，将经过二次精炼的铝合金熔体进行取样分析。

进一步，所述静置为：将二次精炼后的铝合金熔体在静置炉内静置15min-20min。

进一步，所述均质过程为：将经过铸造得到的铝合金铸锭在540℃-580℃均匀化处理6h-14h，均质后的铸锭风冷110min，水冷至室温。

进一步，所述取样分析过程为：取样前，开启永磁搅拌器搅拌至少10min，用取样勺在熔炼炉/静置炉内取三个试样，第一个试样预热试样模，不做分析用，然后选择熔炼炉膛/静置炉膛的中部和边部各取一个试样，取样深度大于30cm，取样位置与熔炼炉/静置炉内壁之间的距离大于50cm；对取得的试样进行分析，根据分析结果进行调整或转入下道工序。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用预热样模、深度取样的方式进行取样分析，可保证采样的均匀性和分析结果的准确性。

附图说明

图1为采用传统工艺生产的铝型材的10倍放大低倍组织图；

图2为采用本发明方法生产的铝型材的10倍放大低倍组织图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一种轨道车辆车体用铝合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)清炉熔炼：先对熔炼炉进行清炉，使熔炼炉内清洁，当熔炼炉炉膛温度升至600℃以上时，将已称量的一级铝合金废料(一级铝合金废料为与铝合金产品成分相同的、切割铝合金产品时产生的下脚料)清洁干燥，先在熔炼炉中装入小块或薄块废料，其次加入棒头等大块废料，称取纯度为99.7％以上的铝锭投放在废料上部；

当熔炼温度达到705℃-720℃时，撒入10kg-15kg打渣剂，关闭炉门焖至少3min，打开炉门，轻轻搅拌渣面，使溶剂充分反应，炉渣分离，再将熔渣彻底扒出炉外。铝是比较活泼的金属，它在大气下熔炼时容易形成氧化物的夹渣和吸收气体，如果这些氧化物和气体随溶体进入铸锭，将会形成夹渣、氧化膜、气孔、疏松、或者其他缺陷，降低产品的物理性能、抗腐蚀性能，也会恶化合金的加工工艺性能。常用的打渣剂的成分包括氯化钠、氯化钾、氟化钙、三氯化铝、Na3AIF，打渣剂能够在铝及铝合金熔炼铸造时使用的减少渣中铝含量，使得渣与合金容易分离。

步骤2)取样分析：取样分析前，必须开启永磁搅拌器，搅拌至少10min，人工搅拌不低于5min，然后将取样勺在炉子内预热至少2min，在铝液中涮净样勺，确认勺内涮洗干净；然后，当熔体温度大于720℃时，在炉内取三个试样，第一个试样预热试样模，不作分析用；再在炉膛的中部和边部各取一个样，取样部位在熔炼液的二分之一深度处，且边部的取样部位距离炉壁必须大于50cm；用取样勺取出铝液，在30秒内迅速倒入试样模内，试样应无裂纹、无夹渣、无气泡；根据取样分析计算结果进行补料，补料温度为735℃-745℃；物料加入后，关闭炉门，打开永磁搅拌器，搅拌至少10min，使铝合金充分熔化，取样分析，根据分析结果，若不合格继续调整，若合格则转入静置炉内进行一次精炼。

步骤3)一次精炼：一次精炼过程在熔炼炉中进行，先在170℃-200℃温度下烘烤精炼剂至少3h，然后将经过烘烤的精炼剂加入精炼容器中，设定精炼时间为15min-20min，精炼温度为720℃-735℃，将精炼管移入熔炼炉炉膛内，打开精炼容器开关将精炼剂喷入熔炼炉炉膛内，由熔炼炉炉内至炉口横向精炼，调整氩气压力，保证精炼合金溶液的气泡高度不大于150mm，要求精炼要彻底，不留死角，精炼时间达到设定值、精炼剂喷射完毕后，扒出精炼管，关闭氩气阀开关。精炼完成后，将炉内浮渣扒净，撒入6kg-10kg的覆盖剂。精炼剂是白色粉末状或颗粒状熔剂，由多种无机盐干燥处理后，按一定比例混合配制而成。覆盖剂包括低导热材料，如膨胀珍珠岩、膨胀石墨等。

步骤4)过热处理：将静置炉炉膛内温度升至780℃-860℃，保温12min-26min。铝合金熔体在热处理温度为780℃-1020℃时，能打破原有熔体的有序排列结构，温度越高，原子运动越快，能够消除遗传性能，但目前常用的熔炼炉快速加热及精度控制能力有限，且变性铝合金熔炼时，温度越高，吸气、烧损越严重，因此，本实施例为了克服上述缺陷，采用热处理温度为780℃-860℃以实现铝合金熔体结构的转变，在此热处理温度区间，可避免烧损的同时，还能提高铝合金的抗疲劳性能和抗腐蚀性能。

步骤5)激冷：向经过所述热处理的铝合金熔体中加入温度为20℃-25℃的一级铝合金废料，一级铝合金废料为与铝合金熔体成分相同的成品下脚料，一级铝合金废料的加入量为铝合金熔体质量的4％-8％；加入一级铝合金废料后，电磁搅拌熔体8min-12min，使铝合金充分熔化，达到浇注温度740℃-750℃后进行转炉。

步骤6)转炉：清理熔炼炉和静置炉之间的流道中的残铝、残渣及杂物，用修补料修补流道破损的位置，然后均匀刷上涂料，当熔炼炉温度达到740℃-750℃时将熔炼炉内的铝合金熔体转入静置炉内，转炉时，时刻观察静置炉内铝液的液面，防止铝液溢出，且铝液流动要平稳，不允许出现冲击和飞溅现象。

步骤7)二次精炼：将经过热处理和激冷过程处理的铝合金熔体在静置炉内进行二次精炼，所述二次精炼过程与一次精炼过程相同，将经过二次精炼的铝合金熔体进行取样分析，取样分析方法与步骤2)相同。

步骤8)静置：将二次精炼后的铝合金熔体在静置炉中静置15min-20min，铝合金熔体在静置炉内精炼后的停留时间(从加入覆盖剂至铸造开始)不得超过2h，否则，必须按照精炼工序重新检测和补充各金属元素含量并再次进行精炼。

步骤9)铸造：铸造前，检查除气机是否运转正常，设定铸造温度，清理除气机前后端、过滤箱及过滤箱前后端流道内的残铝、残渣和废物，用修补料修补流道破损的位置，然后均匀涂上涂料。清理干净铸造翻板流道内的残铝、残渣和杂物，用修补料修补流道破损的位置，然后均匀涂上涂料，用烧嘴烘烤20min以上，将涂料烘干，烘干后将散落的涂料及其他杂质吹扫干净。将转子转速设定为大于500r/min,氩气开关处于“铸造状态”方向，每个转子氩气工作流量设定为10L/min-25L/min，氩气含量控制在不大于0.15mL/100g·Al。在铸造过程使用40ppi的过滤板进行一级过滤，铸造前对过滤板的双面进行加热至600℃以上，将过滤板加热至桃红色；铸造时，流盘内熔体温度应大于700℃，静置炉最大倾翻角度不得超过27.5°；铸造稳定后打净流盘上面的浮渣，在铸造过程中尽量不搅动表面熔体，可用小渣刀轻轻捞渣；铸造结束后，打净浇口处的浮渣，动作要平稳，防止将浮渣搅入熔体中形成缺陷，然后缓慢取出漏斗，防止漏斗上的氧化物和漏斗底部的附着物进入熔体中形成缺陷；将水流量减少至正常水流量的三分之一，及时吊出铸锭，起吊铸锭时应两面均匀取出，以保护铸造机。

步骤10)均质：将经过铸造的铝合金铸锭转入均质炉内进行均质，均质炉的平均升温速度不大于80℃/h，均质后的铸锭风冷110min，水冷45min至20℃-25℃。

经检测，采用上述熔体高温处理方法制得的铝合金型材偏析层更薄，晶粒更细更均匀，具体结果如图1和图2所示。采用上述方法制得的铝合金型材即具有很好的抗疲劳性能、抗腐蚀性能和断裂韧性，配料添加比最多可以达到80％，有助于废料的循环利用，大幅降低了生产成本。

制得的铝型材的抗疲劳性能的检测采用GB/T 3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》，采用该方法对铝型材进行疲劳性能试验检测结果如表1和表2所示。表1中，So为试样标距内的有效面积，Σmax(技术协议必要指标)为最大应力值之和，应力比R为疲劳试验中任一个单循环的最大应力和最小应力的比值(即正炫波的谷峰和谷底的比值)，F为最大应力值，f为应力随时间周期性的等幅变化(即每秒内的变化次数)。由表1可以看出，采用本发明方法制得的铝型材疲劳性能稳定，所检测的铝型材的抗疲劳性能在1000万次以上的概率为90％以上，即铝型材合格率达到90％以上。由表2可以看出，试样标识1-1-430G-1和1-1-430G-2为采用传统工艺生产的铝型材，试样标识81-1、81-2、82-1、82-2为采用本发明工艺生产的铝型材，由表2可以看出，本发明工艺生产的铝型材的断后伸长率明显优于传统方法生产的铝型材的断后伸长率，采用本发明工艺生产的铝型材的断后伸长率指标相比传统工艺提升了20％以上。

表1 铝型材疲劳性能试验结果

表2 铝型材断后伸长率指标

采用GB/T3246.1-2012《变形铝及铝合金制品组织检验方法》对本发明方法生产的铝型材的内部组织结构进行检测，检测结果如图1和图2所示，图1为采用传统工艺生产的铝型材的10倍放大低倍组织，图2为采用本发明方法生产的铝型材的10倍放大低倍组织。比较图1和图2可以看出，采用本发明方法生产的铝型材铸锭偏析层更薄，晶粒更细更均匀(图2)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种轨道车辆车体用铝合金的制备方法，依次包括以下步骤：清炉、熔炼、一次精炼、二次精炼、静置、铸造和均质，其特征在于，所述铝合金制备方法还包括过热处理和激冷两道工序，所述铝合金在一次精炼后先进行过热处理和激冷，再进行二次精炼；

所述过热处理过程为：将经过一次精炼的铝合金熔体继续留置在熔炼炉中，待熔炼炉中熔体温度升至780℃-860℃时，保温12min-26min；

所述激冷过程为：向经过所述过热处理过程的铝合金熔体中加入常温的一级铝合金废料，一级铝合金废料为与铝合金熔体成分相同的成品下脚料，一级铝合金废料的加入量为铝合金熔体质量的4％-8％；加入一级铝合金废料后，电磁搅拌熔体8min-12min，使铝合金充分熔化，待温度达到740℃-750℃后转炉进行二次精炼。

2.根据权利要求1所述一种轨道车辆车体用铝合金的制备方法，其特征在于，所述熔炼为：将熔炼炉炉膛温度升高到600℃时，加入熔炼金属；待熔炼炉内温度达到705℃-720℃时，撒入10kg-15kg打渣剂，关闭炉门焖至少3min后，打开炉门，将炉渣扒出后取样分析，根据分析结果判断是否进行调整或进行精炼。

3.根据权利要求1所述一种轨道车辆车体用铝合金的制备方法，其特征在于，所述一次精炼为：将经过熔炼的铝合金熔体在熔炼炉中，将精炼剂在170℃-200℃温度下烘烤至少3h后加入熔炼炉中，精炼时间15min-20min，精炼温度720℃-735℃，调节氩气压力以保证熔炼炉中的气泡高度不大于150mm，一次精炼完成后将熔炼炉中浮渣扒出，撒入6kg-10kg覆盖剂；

将经过过热处理和激冷过程处理的铝合金熔体转入静置炉内进行二次精炼，所述二次精炼过程与一次精炼过程相同，将经过二次精炼的铝合金熔体进行取样分析。

4.根据权利要求1所述一种轨道车辆车体用铝合金的制备方法，其特征在于，所述静置为：将二次精炼后的铝合金熔体在静置炉内静置15min-20min。

5.根据权利要求1所述一种轨道车辆车体用铝合金的制备方法，其特征在于，所述均质为：将经过铸造得到的铝合金铸锭在540℃-580℃均匀化处理6h-14h，均质后的铸锭风冷110min，水冷至室温。

6.根据权利要求2或3所述一种轨道车辆车体用铝合金的制备方法，其特征在于，所述取样分析过程为：取样前，开启永磁搅拌器搅拌至少10min，用取样勺在熔炼炉/静置炉内取三个试样，第一个试样预热试样模，不做分析用，然后选择熔炼炉膛/静置炉膛的中部和边部各取一个试样，取样深度大于30cm，取样位置与熔炼炉/静置炉内壁之间的距离大于50cm；对取得的试样进行分析，根据分析结果进行调整或转入下道工序。