CN114427054A - 一种高速列车齿轮传动系统用铝合金及其制造方法 - Google Patents

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CN114427054A CN202210067709.8A CN202210067709A CN114427054A CN 114427054 A CN114427054 A CN 114427054A CN 202210067709 A CN202210067709 A CN 202210067709A CN 114427054 A CN114427054 A CN 114427054A
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Abstract

本发明提供了一种铸造铝合金及其制备方法和应用，属于材料冶金技术领域。本发明制备的铸造铝合金表面质量优良，无缩孔缩松现象，内部组织符合探伤检测要求且机械性能更优，产品达到国际领先水平，成功应用于我国高铁动车组，满足我国高速列车大跨域、高速、复杂环境对齿轮传动系统用铝合金铸件的性能要求。

Description

一种高速列车齿轮传动系统用铝合金及其制造方法
技术领域
本发明涉及材料冶金技术领域，尤其涉及一种铸造铝合金及其制备方法和应用。
背景技术
高速列车的大幅提速对各零部件提出了轻量化要求，铝合金作为轻质、耐腐蚀的新型材料迅速地代替钢铁并在列车上得到应用。在国外，如日本的新干线、法国TGV、德国ICE等系列国际先进动车已广泛使用高强度铸造铝合金齿轮箱。在我国，高速(特别是时速380km/h以上)动车组的大跨域、高速、复杂环境的稳定运行对齿轮传动系统用铝合金铸件性能的要求极其严苛，目前国内高速列车部分关键零部件和原材料仍依靠进口。
高速列车齿轮传动系统用铝合金属于铸造铝合金，通过热处理提高性能，具有流动性好、无热裂倾向、线收缩小，以及比重小、耐腐蚀性良好、气焊性能好等优点，因而广泛应用于交通运输领域的零部件制造。然而，当前使用国产原料熔炼铸造存在的问题有：(1)在铸件表面产生较深的针孔缺陷；(2)在合箱面、法兰、吊挂等关键部位产生缩松、缩孔等缺陷；(3)在薄壁区产生气孔缺陷。在动车组大跨域、高速、复杂环境下运行，这些缺陷可能导致铸件产生裂纹，若装车高速运行(特别是时速380km/h以上)可能会导致严重后果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铸造铝合金及其制备方法和应用，本发明的铸造铝合金气密性好、缺陷少，内部质量符合铸件射线探伤标准，应用于高铁动车组，能够满足高速列车大跨域、高速、复杂环境对齿轮传动系统用铝合金铸件的性能要求。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种铸造铝合金，包括以下质量百分含量的元素：
Si 6.8～8.0％，Mg 0.25～0.45％，Ti 0.10～0.20％，Be 0.003～0.015％，Fe≤0.12％，Cu≤0.05％，Zn≤0.05％，Mn≤0.05％，余量为Al。
优选的，包括Si 7.0～7.5％。
优选的，包括Mg 0.3～0.4％。
优选的，包括Ti 0.15～0.20％。
优选的，包括Fe≤0.08％。
本发明提供了上述方案所述铸造铝合金的制备方法，包括以下步骤：
对应所述铸造铝合金的组成将各制备原料依次进行熔炼和精炼，得到熔体；
将所述熔体进行真空除气，得到净化熔体；所述净化熔体中H的含量≤0.10mL/100g；
将所述净化熔体进行浇注，得到铸件；所述浇注用砂型设置有冷铁和发热冒口；所述浇注的温度为690～720℃，保压压力为0.08～0.09MPa，保压时间为700～750s；所述浇注过程中净化熔体的升速为28～30mm/s；
将所述铸件依次进行固溶处理和时效处理，得到铸造铝合金。
优选的，所述固溶处理的温度为530～550℃，保温时间为8～9h，冷却方式为水冷。
优选的，所述时效处理的温度为180～200℃，保温时间为4～5h。
本发明提供了上述方案所述铸造铝合金或上述方案所述制备方法制备得到的铸造铝合金在高速列车齿轮传动系统中的应用。
本发明提供了一种铸造铝合金，包括以下质量百分含量的元素：Si6.8～8.0％，Mg0.25～0.45％，Ti 0.10～0.20％，Be 0.003～0.015％，Fe≤0.12％，Cu≤0.05％，Zn≤0.05％，Mn≤0.05％，余量为Al。本发明采用上述组成的铝合金以改善铸件内部组织和表面质量，尤其是适量的Be元素可以改善铸造铝合金表面质量，减少缺陷的发生，获得更加良好的性能。
本发明提供了上述方案所述铸造铝合金的制备方法，包括以下步骤：对应所述铸造铝合金的组成将各制备原料依次进行熔炼和精炼，得到熔体；将所述熔体进行真空除气，得到净化熔体；所述净化熔体中H的含量≤0.10mL/100g；将所述净化熔体进行浇注，得到铸件；所述浇注用砂型设置有冷铁和发热冒口；所述浇注的温度为690～720℃，保压压力为0.08～0.09Mpa，保压时间为700～750s；所述浇注过程中净化熔体的升速为28～30mm/s；将所述铸件依次进行固溶处理和时效处理，得到铸造铝合金。
本发明采用真空除气使净化熔体保持H≤0.10mL/100g极低的含氢量，能够防止过高的含氢量在铝液凝固过程中析出并形成气泡进而在铸造铝合金中形成针孔、气孔等不良缺陷；此外，本发明采用冷铁和铬铁矿砂加发热冒口工艺消除缩孔缩松。实施例的结果表明，本发明制备的铸造铝合金表面质量优良，无缩孔缩松现象，内部组织符合探伤检测要求且机械性能更优，产品达到国际领先水平，成功应用于我国高铁动车组，满足我国高速列车大跨域、高速、复杂环境对齿轮传动系统用铝合金铸件的性能要求。
进一步的，本发明通过控制固溶处理和时效处理的条件，确保铸造铝合金具有优异的力学性能。
具体实施方式
本发明提供了一种铸造铝合金，包括以下质量百分含量的元素：
Si 6.8～8.0％，Mg 0.25～0.45％，Ti 0.10～0.20％，Be 0.003～0.015％，Fe≤0.12％，Cu≤0.05％，Zn≤0.05％，Mn≤0.05％，余量为Al。
以质量百分含量计，本发明提供的铸造铝合金包括Si 6.8～8.0％，优选为7.0～7.5％，更优选为7.2～7.4％。
以质量百分含量计，本发明提供的铸造铝合金包括Mg 0.25～0.45％，优选为0.3～0.4％，更优选为0.32～0.37％。
以质量百分含量计，本发明提供的铸造铝合金包括Ti 0.10～0.20％，优选为0.15～0.20％。
以质量百分含量计，本发明提供的铸造铝合金包括Be 0.003～0.015％，优选为0.005～0.012％，更优选为0.007～0.008％。本发明通过添加适量的Be元素，可以改善铸造铝合金表面质量，减少缺陷的发生。
以质量百分含量计，本发明提供的铸造铝合金包括Fe≤0.12％，优选为≤0.08％，更优选为≤0.05％。
以质量百分含量计，本发明提供的铸造铝合金包括Cu≤0.05％，优选为≤0.03％。
以质量百分含量计，本发明提供的铸造铝合金包括Zn≤0.05％，优选为≤0.03％。
以质量百分含量计，本发明提供的铸造铝合金包括Mn≤0.05％，优选为≤0.03％。
以质量百分含量计，本发明提供的铸造铝合金包括余量的Al。
在本发明中，所述铸造铝合金还包括不可避免的杂质元素。在本发明中，每种杂质元素的含量优选低于0.03；杂质元素的总量优选小于0.10％。
本发明提供了上述方案所述铸造铝合金的制备方法，包括以下步骤：
对应所述铸造铝合金的组成将各制备原料依次进行熔炼和精炼，得到熔体；
将所述熔体进行真空除气，得到净化熔体；所述净化熔体中H的含量≤0.10mL/100g；
将所述净化熔体进行浇注，得到铸件；所述浇注用砂型设置有冷铁和发热冒口；所述浇注的温度为690～720℃，保压压力为0.08～0.09Mpa，保压时间为700～750s；所述浇注过程中净化熔体的升速为28～30mm/s；
将所述铸件依次进行固溶处理和时效处理，得到铸造铝合金。
本发明对应所述铸造铝合金的组成将各制备原料依次进行熔炼和精炼，得到熔体。
在本发明中，所述制备原料优选包括铝锭、纯镁锭、阴极铜、纯锌锭、铝钛中间合金和铝锰中间合金。在本发明中，所述铝锭的纯度优选≥99.98％。本发明对所述熔炼的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的熔炼过程即可。在本发明的实施例中，具体是将除铝钛中间合金除外的其他制备原料投入干燥的熔炼炉内熔炼，开启电磁搅拌器充分搅拌，取样分析化学成分，检验是否满足成分控制要求，成分合格后转入熔体保温炉，添加铝钛中间合金、进行微调。
完成所述熔炼后，本发明将所得熔体进行精炼。本发明对所述精炼的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的精炼过程即可。在本发明中，所述精炼具体为：在保温炉内通入氩气对熔体进行炉内精炼后进行静置。
得到熔体后，本发明将所述熔体进行真空除气，得到净化熔体；所述净化熔体中H的含量≤0.10mL/100g。
本发明优选将所述熔体流经带氩气旋转喷头的在线精炼系统后进入真空室除气。
在本发明中，所述真空除气优选包括以下步骤：倾动保温炉倒出熔体，关闭真空除气箱体出口闸板并打开入口闸板，当熔体到达150～160mm时，射流器启动真空抽吸，启动转子并喷出氩气；真空除气箱内熔体上升到800～900mm时，关闭入口闸板，在线测氢H≤0.10mL/100g时，关闭负压抽吸，出口闸板打开，放流熔体启动浇注。在本发明中，所述真空除气过程中，氩气的流速优选为60～65L/min。
在本发明中，所述真空除气放流熔体优选通过泡沫陶瓷过滤板除渣后，得到净化熔体。
本发明对所述熔体进行真空除气，使净化熔体保持H≤0.10mL/100g极低的含氢量，能够防止过高的含氢量在铝液凝固过程中析出并形成气泡进而在铸造铝合金中形成针孔、气孔等不良缺陷。
得到净化熔体后，本发明将所述净化熔体进行浇注，得到铸件。
在本发明中，所述浇注用砂型设置有冷铁和发热冒口。在本发明中，所述冷铁优选设置在厚壁处。在本发明中，所述冷铁的设置数量优选为多个。本发明对所述发热冒口的设置位置没有特殊要求，采用本领域熟知的设置位置即可。本发明采用冷铁和铬铁矿砂加发热冒口工艺消除缩孔缩松。
在本发明中，所述浇注用外模优选还设有排气孔。本发明对所述排气孔的数量、位置和规格没有特殊限定，根据铸件形状选择合适的数量、位置和规格即可，此为本领域公知常识。
在本发明中，所述浇注的温度为690～720℃，优选为700～710℃；保压压力为0.08～0.09Mpa，优选为0.085Mpa；保压时间为700～750s，优选为710～740s，更优选为720～730s；所述浇注过程中净化熔体的升速为28～30mm/s，优选为29mm/s。
本发明优选采用多个内浇道同时进行浇注。
得到铸件后，本发明将所述铸件依次进行固溶处理和时效处理，得到铸造铝合金。
在本发明中，所述固溶处理的温度优选为530～550℃，更优选为535～545℃；保温时间优选为8～9h，冷却方式优选为水冷。在本发明中，得到铸件后转移至固溶处理炉所用的时间优选＜30s。
在本发明中，所述时效处理的温度优选为180～200℃，更优选为185～195℃；保温时间优选为4～5h。
本发明利用固溶处理和时效处理获得良好的力学性能。
本发明提供了上述方案所述铸造铝合金或上述方案所述制备方法制备得到的铸造铝合金在高速列车齿轮传动系统中的应用。本发明对所述应用的方法没有特殊要求，采用本领域熟知的应用方式即可，具体的该铸造铝合金可用作齿轮箱。
下面结合实施例对本发明提供的铸造铝合金及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)以铝锭(纯度≥99.98％)、纯镁锭、阴极铜、纯锌锭、铝钛中间合金、铝锰中间合金作为原料，按照质量百分比计Si：7.25％，Mg：0.28％，Ti：0.10％，Be：0.005％，Fe：0.12％，Cu：0.03％，Zn：0.03％，Mn：0.03％，余量为Al和不可避免的元素，每种不可避免的元素都低于0.03且总量小于0.10，进行备料。
(2)将步骤(1)称取的原料(铝钛中间合金除外)投入干燥的熔炼炉内熔炼，开启电磁搅拌器充分搅拌，取样分析化学成分，检验是否满足优选成分控制要求，成分合格后转入熔体保温炉，添加铝钛中间合金进行微调。
(3)在保温炉内通入氩气对熔体进行炉内精炼后进行静置。
(4)倾动保温炉，使熔体流经带氩气旋转喷头的在线精炼系统后进入真空室除气，关闭真空除气箱体出口闸板并打开入口闸板，当铝液到达150mm，射流器启动真空抽吸，启动转子并喷出氩气，转子转速值600转/分钟，氩气流量值60L/min，箱体熔体逐渐上升到900mm触发值，关闭入口闸板，在线测氢H含量为0.10mL/100g时，关闭负压抽吸，出口闸板打开，放流铝液经陶瓷过滤板过滤，得到净化熔体。
(5)采用多冷铁和铬铁矿砂加发热冒口工艺，使用锆英粉涂料，并在外模设置排气孔，控制浇注温度在720℃，保压压力0.09Mpa，保压时间750s，采取多个内浇道同时注入，铝液升速为30mm/s，得到铸件。
(6)将所述铸件继续固溶处理，温度为535℃，保温9h，转移时间＜30s，水冷；然后进行时效处理，温度为200℃，保温时间为5h，得到铸造铝合金。
实施例2
(1)以铝锭(纯度≥99.98％)、纯镁锭、阴极铜、纯锌锭、铝钛中间合金、铝锰中间合金作为原料，按照质量百分比计Si：7.0％，Mg：0.23％，Ti：0.10％，Be：0.01％，Fe：0.12％，Cu：0.03％，Zn：0.03％，Mn：0.03％，余量为纯度≥99.98％的Al和不可避免的元素，每种不可避免的元素都低于0.03且总量小于0.10，进行备料。
(2)将步骤(1)称取的原料(铝钛中间合金除外)投入干燥的熔炼炉内熔炼，开启电磁搅拌器充分搅拌，取样分析化学成分，检验是否满足优选成分控制要求，成分合格后转入熔体保温炉，添加铝钛中间合金进行微调。
(3)在保温炉内通入氩气对熔体进行炉内精炼后进行静置。
(4)倾动保温炉，使熔体流经带氩气旋转喷头的在线精炼系统后进入真空室除气，关闭真空除气箱体出口闸板并打开入口闸板，当铝液到达150mm，射流器启动真空抽吸，启动转子并喷出氩气，转子转速值600转/分钟，氩气流量值为60L/min，箱体熔体逐渐上升到900mm触发值，关闭入口闸板，在线测氢H含量为0.10mL/100g时，关闭负压抽吸，出口闸板打开，放流铝液经陶瓷过滤板过滤，得到净化熔体。
(5)采用多冷铁和铬铁矿砂加发热冒口工艺，使用锆英粉涂料，并在外模设置排气孔，控制浇注温度在690℃，保压压力0.08Mpa，保压时间700s，采取多个内浇道同时注入，铝液升速为28mm/s，得到铸件。
(6)将所述铸件继续固溶处理，温度为530℃，保温9h，转移时间＜30s，水冷；然后进行时效处理，温度为200℃，保温时间为5h，得到铸造铝合金。
实施例3
(1)以铝锭(纯度≥99.98％)、纯镁锭、阴极铜、纯锌锭、铝钛中间合金、铝锰中间合金作为原料，按照质量百分比计Si：6.8％，Mg：0.25％，Ti：0.10％，Be：0.015％，Fe：0.12％，Cu：0.02％，Zn：0.02％，Mn：0.02％，余量为纯度≥99.98％的Al和不可避免的元素，每种不可避免的元素都低于0.03且总量小于0.10，进行备料。
(2)将步骤(1)称取的原料(铝钛中间合金除外)投入干燥的熔炼炉内熔炼，开启电磁搅拌器充分搅拌，取样分析化学成分，检验是否满足优选成分控制要求，成分合格后转入熔体保温炉，添加铝钛中间合金进行微调。
(3)在保温炉内通入氩气对熔体进行炉内精炼后进行静置。
(4)倾动保温炉，使熔体流经带氩气旋转喷头的在线精炼系统后进入真空室除气，关闭真空除气箱体出口闸板并打开入口闸板，当铝液到达150mm，射流器启动真空抽吸，启动转子并喷出氩气，转子转速值600转/分钟，氩气流量值为60L/min，箱体熔体逐渐上升到900mm触发值，关闭入口闸板，在线测氢H含量为0.10mL/100g时，关闭负压抽吸，出口闸板打开，放流铝液经陶瓷过滤板过滤，得到净化熔体。
(5)采用多冷铁和铬铁矿砂加发热冒口工艺，使用锆英粉涂料，并在外模设置排气孔，控制浇注温度在695℃，保压压力0.09Mpa，保压时间710s，采取多个内浇道同时注入，铝液升速为29mm/s，得到铸件。
(6)将所述铸件继续固溶处理，温度为540℃，保温9h，转移时间＜30s，水冷；然后进行时效处理，温度为200℃，保温时间为5h，得到铸造铝合金。
对比例1
与实施例1的区别仅在于步骤(4)替换为箱式除气，具体的：转子转速值600转/分钟，除氢工作时氩气流量值为60L/min，启动转子并喷出氩气，在线测氢H含量为0.15mL/100g。实施例1和对比例1的除气条件和铸造铝合金质量见表1。
表1实施例1和对比例1的除气方式及铸造铝合金质量
组别 除气方式 氢含量 X射线探伤结果 表面质量
对比例1 箱式除气 0.15mL/100g 缺陷较多 针孔较多且深
实施例1 真空除气 0.10mL/100g 缺陷少 针孔较少且浅
由表1的结果可知，相比箱式除气，本发明采用真空除气具有更好的除氢效果，使净化熔体保持H≤0.10mL/100g极低的含氢量，能够防止过高的含氢量在铝液凝固过程中析出并形成气泡进而在铸造铝合金中形成针孔、气孔等不良缺陷。
对比例2
与实施例2的区别仅在于，步骤(5)中保压压力为0.07Mpa，保压时间为600s。
实施例2与对比例2的浇注条件和铸造铝合金质量见表2。
表2实施例2与对比例2的浇注条件和铸造铝合金质量
组别 保压压力 保压时间 缺陷情况
对比例2 0.07Mpa 600s 部分区域缩孔
实施例2 0.08Mpa 700s 全部合格
由表2的结果可知，本发明通过控制浇注的条件，可以避免部分区域出现缩孔。
对比例3
与实施例3的区别仅在于，固溶处理的温度为520℃，保温时间为8h；时效处理的温度为180℃，保温4h。具体数据见表3。
表3实施例3和对比例3的热处理工艺和铸造铝合金的力学性能
Figure BDA0003480833640000091
由表3的结果可知，本发明通过控制固溶处理和时效处理的条件，可以确保铝合金具有优异的力学性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种铸造铝合金，其特征在于，包括以下质量百分含量的元素：
Si 6.8～8.0％，Mg 0.25～0.45％，Ti 0.10～0.20％，Be 0.003～0.015％，Fe≤0.12％，Cu≤0.05％，Zn≤0.05％，Mn≤0.05％，余量为Al。
2.根据权利按要求1所述的铸造铝合金，其特征在于，包括Si 7.0～7.5％。
3.根据权利按要求1所述的铸造铝合金，其特征在于，包括Mg 0.3～0.4％。
4.根据权利按要求1所述的铸造铝合金，其特征在于，包括Ti 0.15～0.20％。
5.根据权利按要求1所述的铸造铝合金，其特征在于，包括Fe≤0.08％。
6.权利要求1～5任一项所述铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
对应所述铸造铝合金的组成将各制备原料依次进行熔炼和精炼，得到熔体；
将所述熔体进行真空除气，得到净化熔体；所述净化熔体中H的含量≤0.10mL/100g；
将所述净化熔体进行浇注，得到铸件；所述浇注用砂型设置有冷铁和发热冒口；所述浇注的温度为690～720℃，保压压力为0.08～0.09MPa，保压时间为700～750s；所述浇注过程中净化熔体的升速为28～30mm/s；
将所述铸件依次进行固溶处理和时效处理，得到铸造铝合金。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为530～550℃，保温时间为8～9h，冷却方式为水冷。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述时效处理的温度为180～200℃，保温时间为4～5h。
9.权利要求1～5任一项所述铸造铝合金或权利要求6～8任一项所述制备方法制备得到的铸造铝合金在高速列车齿轮传动系统中的应用。
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