CN111020311B - 一种铝合金部件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铝合金部件，通过对铝合金部件的合金元素进行调整，并对比分析得出最适于铝合金部件的开坯、轧制和热处理工艺，对现有处理工艺的步骤和参数均进行了优化调整，从而更好地控制铝合金部件产品的显微组织，以此获得铝合金部件产品在强度、硬度、韧性、耐疲劳性和耐磨性上的综合提升，从而使其能够更好地应用于列车轴箱体构件、与列车转向结构配套使用的连接件和接头、或列车用电气部件等多种交通运输领域的特殊环境中。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料及其加工处理技术领域，具体的说，是一种铝合金部件。
背景技术
列车转向机构用铝合金部件的最早使用是在欧美的货运车上，现阶段国内高速列车所应用的列车转向机构用铝合金部件主要来自进口，价格相对较高，基于此，列车转向机构用铝合金部件的国产化研究刻不容缓。然而，目前列车转向机构用铝合金部件的尚未实现国产化自主研制，且国内外对于列车转向机构用铝合金部件的强度研究较少，试验研究也多以台架滚动密封与温升试验较多，没有相关强度研究的载荷计算标准，也没有疲劳试验研究规范。列车转向机构用铝合金部件作为重要的承载部件和运动形式转换关节，其强度性能直接影响着列车的安全，对其综合性能的要求是列车安全性能不可或缺的一部分。
铝合金中常用的合金元素有Cu、Mg、Si、Mn、Zn、Cr、Fe等，某些合金元素可以在铝合金中生成第二相或者原子团簇阻碍位错运动起到强化效果。因此，为进一步提高强度，充分发挥复合材料的特点，需要对铝基体材料进行设计。含铍铝合金具有高的比刚度和尺寸稳定性，通常作为结构件使用，力学性能是所有性能需求中最重要的性能。作为复合材料，含铍铝合金中铝基体是铍相的载体，直接影响复合材料的力学性能。目前含铍铝合金通常选用纯铝作为基体，发挥铝基体的性能有限。为了最大限度地发挥铍和铝基体各自的特长，需要对铝基体成分进行设计。
本发明以含铍铝合金为材料，制备列车转向机构用铝合金部件，针对现有铝合金部件产品的强度、稳定性等力学性能不足，使用寿命较短等缺陷，对其处理工艺进行了优化设计。
发明内容
为了提高列车转向机构用铝合金部件在强度和稳定性等方面综合力学性能，消除轧制工艺带来的残余应力，并延长产品使用寿命，本发明提供了一种铝合金部件，其成分包含Mg2.5～3.2wt％、Mn 0.80～1.50wt％、Zn 0.80～1.00wt％、Fe 0.50～1.00wt％、Cu0.25～0.35wt％、Si 0.15～0.25wt％、Cr 0.15～0.25wt％和Be 0.10～0.15wt％，其余为Al；
所述铝合金部件的处理工艺包括：
(1)将铝合金铸锭加热至530～550℃，保温5～7h，均质化所述铝合金铸锭，采用五镦四拔多向锻造工艺开坯，单次镦粗变形量为35～40％；
(2)在260～280℃热轧以制得轧制产品，然后进行冲孔；
(3)将冲孔后的铝合金坯料冷却至480～500℃进行扩孔；
(4)降温至300～320℃进行环轧，轧制后放入炉中加热至500～520℃，保温1～2小时；
(5)出炉后进行水淬，冷却至室温后进行冷变形，获得铝合金部件。
所述铝合金部件的夏比冲击试验值为20～40J/cm2，在150℃的工作环境中加载100小时后的蠕变应变为0.4％以下。
所述铝合金部件的极限拉伸强度为至少约400MPa，屈服强度为至少约280MPa。
将冷变形后的所述铝合金部件在室温下自然时效处理24～36h，再经人工时效处理获得所需的列车转向机构用铝合金部件。
所述人工时效处理是将铝合金部件加热至180～200℃，保温1～2h，出炉空冷至室温，然后再将合金板材加热至200～220℃，保温10～16h，出炉空冷至室温。
所述铝合金部件使用于列车轴箱体构件、与列车转向结构配套使用的连接件和接头、或列车用电气部件中。
与现有技术相比，本发明通过对铝合金部件的合金元素进行调整，并对比分析得出最适于铝合金部件的开坯、轧制和热处理工艺，对现有处理工艺的步骤和参数均进行了优化调整，从而更好地控制铝合金部件产品的显微组织，以此获得铝合金部件产品在强度、硬度、韧性、耐疲劳性和耐磨性上的综合提升，从而使其能够更好地应用于列车轴箱体构件、与列车转向结构配套使用的连接件和接头、或列车用电气部件等多种交通运输领域的特殊环境中。
具体实施方式
含铍铝合金通常作为结构件使用，力学性能是所有性能需求中最重要的性能。因此，国内外研究主要集中在含铍铝合金的力学性能研究上。含铍铝合金结合了铍的高模量、低密度特性与铝的塑性、可加工性，具有大的比刚度和优良的加工特性。Mg是含铍铝合金中的重要强化元素，对含铍铝合金的力学性能提高也有重要的作用，同时铝合金中的Mg能够显著提髙界面活性，有利于烧结致密化；Si是铝合金的重要元素，对于铝合金的致密化具有促进作用，Si还可以提高铝液的润湿性；而Zn和Mg的作用类似，不和铍形成化合物，也不会和铝形成化合物，会产生固溶强化的效果。
处理工艺方面，铝合金材料经过自然时效和人工时效处理，微观组织结构变化，引起材料残余应力、抗拉强度、屈服强度、尺寸稳定性等发生改变，综合性能得到明显提高。开坯、轧制和冷加工步骤中，发明人研究了包括均质化温度、热轧温度、扩孔温度、环扎温度、轧制后保温温度等温度参数对铝合金部件产品质量的影响，最终得出了本发明的优化后的参数范围。
同时，发明人也对人工时效处理工艺进行了优化，通过反复试验，列车转向机构用铝合金部件的最佳人工时效制度为所述人工时效处理是将铝合金部件加热至180～200℃，保温1～2h，出炉空冷至室温，然后再将合金板材加热至200～220℃，保温10～16h，出炉空冷至室温。对应的铝合金部件产品的极限拉伸强度为至少约380MPa，屈服强度为至少约270MPa。
下面结合实施例对本发明进一步详细说明。
实施例1：
一种铝合金部件，其成分包含Mg 3.2wt％、Mn 1.50wt％、Zn 0.80wt％、Fe0.50wt％、Cu 0.30wt％、Si 0.20wt％、Cr 0.15wt％和Be 0.10wt％，其余为Al；
所述铝合金部件的处理工艺包括：
(1)将铝合金铸锭加热至530℃，保温5h，均质化所述铝合金铸锭，采用五镦四拔多向锻造工艺开坯，单次镦粗变形量为40％；
(2)在260℃热轧以制得轧制产品，然后进行冲孔；
(3)将冲孔后的铝合金坯料冷却至480℃进行扩孔；
(4)降温至320℃进行环轧，轧制后放入炉中加热至500℃，保温1小时；
(5)出炉后进行水淬，冷却至室温后进行冷变形，获得铝合金部件。
所述铝合金部件的夏比冲击试验值为20J/cm2，在150℃的工作环境中加载100小时后的蠕变应变为0.4％以下。
所述铝合金部件的极限拉伸强度为至少约400MPa，屈服强度为至少约280MPa。
所述人工时效处理是将铝合金部件加热至180℃，保温2h，出炉空冷至室温，然后再将合金板材加热至220℃，保温10h，出炉空冷至室温。
所述铝合金部件使用于列车轴箱体构件、与列车转向结构配套使用的连接件和接头、或列车用电气部件中。
实施例2：
一种铝合金部件，其成分包含Mg 3.0wt％、Mn 0.80wt％、Zn 1.00wt％、Fe0.80wt％、Cu 0.25wt％、Si 0.20wt％、Cr 0.15wt％和Be 0.15wt％，其余为Al；
所述铝合金部件的处理工艺包括：
(1)将铝合金铸锭加热至550℃，保温5h，均质化所述铝合金铸锭，采用五镦四拔多向锻造工艺开坯，单次镦粗变形量为40％；
(2)在260℃热轧以制得轧制产品，然后进行冲孔；
(3)将冲孔后的铝合金坯料冷却至490℃进行扩孔；
(4)降温至300℃进行环轧，轧制后放入炉中加热至510℃，保温2小时；
(5)出炉后进行水淬，冷却至室温后进行冷变形，获得铝合金部件，将冷变形后的所述铝合金部件在室温下自然时效处理24h，再经人工时效处理获得所需的列车转向机构用铝合金部件。
所述铝合金部件的夏比冲击试验值为40J/cm2，在150℃的工作环境中加载100小时后的蠕变应变为0.4％以下。
所述铝合金部件的极限拉伸强度为至少约400MPa，屈服强度为至少约280MPa。
所述铝合金部件使用于列车轴箱体构件、与列车转向结构配套使用的连接件和接头、或列车用电气部件中。
实施例3：
一种铝合金部件，其成分包含Mg 3.0wt％、Mn 1.50wt％、Zn 0.90wt％、Fe0.60wt％、Cu 0.30wt％、Si 0.20wt％、Cr 0.20wt％和Be 0.12wt％，其余为Al；
所述铝合金部件的处理工艺包括：
(1)将铝合金铸锭加热至550℃，保温5h，均质化所述铝合金铸锭，采用五镦四拔多向锻造工艺开坯，单次镦粗变形量为35％；
(2)在280℃热轧以制得轧制产品，然后进行冲孔；
(3)将冲孔后的铝合金坯料冷却至500℃进行扩孔；
(4)降温至310℃进行环轧，轧制后放入炉中加热至500℃，保温1小时；
(5)出炉后进行水淬，冷却至室温后进行冷变形，获得铝合金部件，将冷变形后的所述铝合金部件在室温下自然时效处理36h，再经人工时效处理获得所需的列车转向机构用铝合金部件。
所述人工时效处理是将铝合金部件加热至180℃，保温1h，出炉空冷至室温，然后再将合金板材加热至220℃，保温12h，出炉空冷至室温。
所述铝合金部件的夏比冲击试验值为40J/cm2，在150℃的工作环境中加载100小时后的蠕变应变为0.4％以下。
所述铝合金部件的极限拉伸强度为至少约400MPa，屈服强度为至少约280MPa。
所述铝合金部件使用于列车轴箱体构件、与列车转向结构配套使用的连接件和接头、或列车用电气部件中。
由实施例1-3可以看出，实验结果表明：发明人通过对铝合金部件的合金元素进行调整，并对比分析得出最适于铝合金部件的开坯、轧制和热处理工艺，对现有处理工艺的步骤和参数均进行了优化调整，从而更好地控制铝合金部件产品的显微组织，以此获得铝合金部件产品在强度、硬度、韧性、耐疲劳性和耐磨性上的综合提升，从而使其能够更好地应用于列车轴箱体构件、与列车转向结构配套使用的连接件和接头、或列车用电气部件等多种交通运输领域的特殊环境中。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种铝合金部件，其特征在于：所述铝合金部件的成分包含Mg 2.5～3.2wt％、Mn0.80～1.50wt％、Zn 0.80～1.00wt％、Fe 0.50～1.00wt％、Cu 0.25～0.35wt％、Si 0.15～0.25wt％、Cr 0.15～0.25wt％和Be 0.10～0.15wt％，其余为Al；
所述铝合金部件的处理工艺包括：
(1)将铝合金铸锭加热至530～550℃，保温5～7h，均质化所述铝合金铸锭，采用五镦四拔多向锻造工艺开坯，单次镦粗变形量为35～40％；
(2)在260～280℃热轧以制得轧制产品，然后进行冲孔；
(3)将冲孔后的铝合金坯料冷却至480～500℃进行扩孔；
(4)降温至300～320℃进行环轧，轧制后放入炉中加热至500～520℃，保温1～2小时；
(5)出炉后进行水淬，冷却至室温后进行冷变形，获得铝合金部件；将冷变形后的所述铝合金部件在室温下自然时效处理24～36h，再经人工时效处理获得所需的列车转向机构用铝合金部件，所述人工时效处理是将铝合金部件加热至180～200℃，保温1～2h，出炉空冷至室温，然后再将合金板材加热至200～220℃，保温10～16h，出炉空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的铝合金部件，其特征在于，所述铝合金部件的夏比冲击试验值为20～40J/cm2，在150℃的工作环境中加载100小时后的蠕变应变为0.4％以下。
3.根据权利要求1所述铝合金部件，其特征在于，所述铝合金部件的极限拉伸强度为至少400MPa，屈服强度为至少280MPa。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的铝合金部件，其特征在于，所述铝合金部件使用于列车轴箱体构件、与列车转向结构配套使用的连接件和接头、或列车用电气部件中。
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