CN106367641B - 一种动车组齿轮箱用高强度铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动车组齿轮箱用高强度铝合金及其制备方法，所述铝合金其成分按重量百分比包括以下组分：镁、铜、锌、铁、硅、钛、铬、碲、锗、铌、铒、钼、铈、钪、锆、锶，其它杂质元素单个含量≤0.05％，其它杂质元素总含量≤0.2％，余量为铝。本发明中合金成分合理，工艺优化，得到的铝合金具有重量轻、强度高、耐腐蚀、不易出现裂纹等优点，能满足动车组齿轮箱的性能需求。

Description

一种动车组齿轮箱用高强度铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，尤其涉及到一种用于动车组齿轮箱的高强度铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，由于铝合金同时具有较高的强度和良好的加工成型性能，因此为了较大幅度的降低构件的重量且提高结构的稳定性，可以选择采用铝合金材料代替钢铁材料。目前，铝合金在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着工业经济的飞速发展，对铝合金的需求日益增多，使铝合金的研究也随之深入。我国动车组齿轮箱存在强度差，箱体易发生裂纹等风险。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种动车组齿轮箱用高强度铝合金及其制备方法，其成分合理，工艺优化，得到的铝合金具有重量轻、强度高、耐腐蚀，不易出现裂纹等优点，能满足动车组齿轮箱的性能需求。
本发明提出的一种动车组齿轮箱用高强度铝合金，所述铝合金其成分按重量百分比包括以下组分：镁1.6-2.2％、铜0.9-1.6％、锌4.5-5.3％、铁0.2-0.6％、硅0.15-0.45％、钛0.15-0.32％、铬0.1-0.24％、碲0.005-0.03％、锗0.05-0.12％、铌0.05-0.12％、铒0.02-0.08％、钼0.06-0.2％、铈0.015-0.054％、钪0.02-0.07％、锆0.06-0.18％、锶0.04-0.12％，其它杂质元素单个含量≤0.05％，其它杂质元素总含量≤0.2％，余量为铝。
优选地，所述镁、硅、铜的重量百分比满足以下关系式：2.95wt％≤镁+硅+铜≤3.65wt％。
优选地，所述锗、铌、铒的重量百分比满足以下关系式：0.175wt％≤锗+铌+铒≤0.245wt％。
优选地，所述钪、锆、铈、钛的重量百分比满足以下关系式：0.365wt％≤钪+锆+铈+钛≤0.5wt％。
优选地，所述动车组齿轮箱用高强度铝合金其成分按重量百分比包括以下组分：镁1.85-2.05％、铜1.2-1.4％、锌4.8-5.15％、铁0.35-0.45％、硅0.25-0.32％、钛0.2-0.25％、铬0.15-0.21％、碲0.015-0.024％、锗0.08-0.1％、铌0.07-0.09％、铒0.04-0.05％、钼0.12-0.16％、铈0.024-0.04％、钪0.035-0.044％、锆0.09-0.12％、锶0.08-0.1％，其它杂质元素单个含量≤0.04％，其它杂质元素总含量≤0.15％，余量为铝。
优选地，所述动车组齿轮箱用高强度铝合金其成分按重量百分比包括以下组分：镁1.95％、铜1.3％、锌4.98％、铁0.42％、硅0.29％、钛0.22％、铬0.18％、碲0.018％、锗0.09％、铌0.08％、铒0.045％、钼0.14％、铈0.032％、钪0.04％、锆0.11％、锶0.09％，其它杂质元素单个含量≤0.04％，其它杂质元素单个含量≤0.04％，其它杂质元素总含量≤0.15％，余量为铝。
本发明还提出了一种动车组齿轮箱用高强度铝合金的制备方法，具体步骤如下：
S1、熔炼：将熔炼炉预热15-20min，向炉内投放纯铝，加热至710-730℃，待纯铝熔化后恒温20-25min,然后按熔点高低从低到高的顺序依次加入其它各原料，在搅拌状态下待完全熔化后，降温至660-680℃保温30-40min，得到合金液；
S2、精炼：调整炉温至740-760℃，然后向S1中得到的合金液中加入精炼剂，充分搅拌后静置30-45min，扒渣；
S3、铸造：将经S2精炼后的合金液浇注到预热后的铸模型腔中得到铝合金锭；
S4、热处理：将铝合金锭进行固溶处理，然后进行自然时效处理，得到所述动车组齿轮箱用高强度铝合金，其中固溶处理温度为515-560℃,固溶处理时间为0.5-3h。
优选地，在S2中，所述精炼剂其重量占合金液总重量的0.28％-0.32％。
优选地，在S2中，所述精炼剂其原料按重量份包括以下组分：氯化钾36-48份、氯化钙25-35份、氟化铯3-8份、氧化镁6-12份、氟铝酸钾15-20份。
本发明中加入镁、硅、铜并控制三者的含量，在铝液中反应生成强化相Mg2Si、CuAl2、CuMgAl2，提高了铝合金的强度，同时镁、铜、铝相互配合结合形成S相也能有效提高铝合金的强度；为弥补铜的加入量在一定范围内会带来的铸造工艺性问题，以及使力学性能下降等问题，以及提高铝合金其它方面的性能，本发明中镁可与钼、铁配合提高了铝合金的韧性和耐腐蚀性能，还可与锌、锶配合使得铝合金具有良好的力学性能，铜与铬、碲相互配合，增加了铝合金的抗腐蚀能力和耐磨性能，同时铬能改善合金铸态组织，提高铝合金的塑性及加工性能；加入锗、铌并控制其含量，具有细化晶粒的作用，还能抑制铝合金的再结晶行为，同时两者与铒相互配合，提高了铝合金弥散强化的作用，使铝合金具有更优良的力学性能；加入钪、锆、铈、钛并控制其含量，可有效细化晶粒，抑制变形组织的再结晶，提高再结晶温度，有效提高了铝合金的力学性能、耐热性、焊接性和焊缝塑性，其中钛形成了强化相Al3Ti，锆在铝液中形成亚稳态Al3Zr作为极有效的再结晶的抑制剂。本发明中合金成分合理，工艺优化，得到的铝合金具有重量轻、强度高、耐腐蚀、不易出现裂纹等优点，能满足动车组齿轮箱的性能需求。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种动车组齿轮箱用高强度铝合金，所述铝合金其成分按重量百分比包括以下组分：镁1.6％、铜1.6％、锌4.5％、铁0.6％、硅0.15％、钛0.32％、铬0.1％、碲0.03％、锗0.05％、铌0.12％、铒0.02％、钼0.2％、铈0.015％、钪0.07％、锆0.06％、锶0.12％，其它杂质元素单个含量≤0.05％，其它杂质元素总含量≤0.2％，余量为铝。
本发明提出的动车组齿轮箱用高强度铝合金的制备方法，具体步骤如下：
S1、熔炼：将熔炼炉预热15min，向炉内投放纯铝，加热至730℃，待纯铝熔化后恒温20min,然后按熔点高低从低到高的顺序依次加入其它各原料，在搅拌状态下待完全熔化后，降温至680℃保温30min，得到合金液；
S2、精炼：调整炉温至760℃，然后向S1中得到的合金液中加入精炼剂，充分搅拌后静置30min，扒渣；
S3、铸造：将经S2精炼后的合金液浇注到预热后的铸模型腔中得到铝合金锭；
S4、热处理：将铝合金锭进行固溶处理，然后进行自然时效处理，得到所述动车组齿轮箱用高强度铝合金，其中固溶处理温度为515℃,固溶处理时间为3h。
实施例2
一种动车组齿轮箱用高强度铝合金，所述铝合金其成分按重量百分比包括以下组分：镁2.2％、铜0.9％、锌5.3％、铁0.2％、硅0.45％、钛0.15％、铬0.24％、碲0.005％、锗0.12％、铌0.05％、铒0.08％、钼0.06％、铈0.054％、钪0.02％、锆0.18％、锶0.04％，其它杂质元素单个含量≤0.05％，其它杂质元素总含量≤0.2％，余量为铝。
本发明提出的动车组齿轮箱用高强度铝合金的制备方法，具体步骤如下：
S1、熔炼：将熔炼炉预热20min，向炉内投放纯铝，加热至710℃，待纯铝熔化后恒温25min,然后按熔点高低从低到高的顺序依次加入其它各原料，在搅拌状态下待完全熔化后，降温至660℃保温40min，得到合金液；
S2、精炼：调整炉温至740℃，然后向S1中得到的合金液中加入精炼剂，充分搅拌后静置45min，扒渣；
S3、铸造：将经S2精炼后的合金液浇注到预热后的铸模型腔中得到铝合金锭；
S4、热处理：将铝合金锭进行固溶处理，然后进行自然时效处理，得到所述动车组齿轮箱用高强度铝合金，其中固溶处理温度为560℃,固溶处理时间为0.5h。
实施例3
一种动车组齿轮箱用高强度铝合金，所述铝合金其成分按重量百分比包括以下组分：镁1.95％、铜1.3％、锌4.98％、铁0.42％、硅0.29％、钛0.22％、铬0.18％、碲0.018％、锗0.09％、铌0.08％、铒0.045％、钼0.14％、铈0.032％、钪0.04％、锆0.11％、锶0.09％，其它杂质元素单个含量≤0.04％，其它杂质元素总含量≤0.15％，余量为铝。
本发明提出的动车组齿轮箱用高强度铝合金的制备方法，具体步骤如下：
S1、熔炼：将熔炼炉预热17min，向炉内投放纯铝，加热至720℃，待纯铝熔化后恒温23min,然后按熔点高低从低到高的顺序依次加入其它各原料，在搅拌状态下待完全熔化后，降温至670℃保温35min，得到合金液；
S2、精炼：调整炉温至750℃，然后向S1中得到的合金液中加入精炼剂，充分搅拌后静置38min，扒渣；
S3、铸造：将经S2精炼后的合金液浇注到预热后的铸模型腔中得到铝合金锭；
S4、热处理：将铝合金锭进行固溶处理，然后进行自然时效处理，得到所述动车组齿轮箱用高强度铝合金，其中固溶处理温度为525℃,固溶处理时间为2.6h。
其中，在S2中，所述精炼剂其重量占合金液总重量的0.3％；
所述精炼剂其原料按重量份包括以下组分：氯化钾40份、氯化钙30份、氟化铯5份、氧化镁9份、氟铝酸钾17份。
实施例4
一种动车组齿轮箱用高强度铝合金，所述铝合金其成分按重量百分比包括以下组分：镁1.75％、铜1.52％、锌4.67％、铁0.52％、硅0.22％、钛0.28％、铬0.135％、碲0.0245％、锗0.065％、铌0.095％、铒0.035％、钼0.167％、铈0.028％、钪0.056％、锆0.085％、锶0.094％，其它杂质元素单个含量≤0.04％，其它杂质元素总含量≤0.15％，余量为铝。
本发明提出的动车组齿轮箱用高强度铝合金的制备方法，具体步骤如下：
S1、熔炼：将熔炼炉预热16min，向炉内投放纯铝，加热至718℃，待纯铝熔化后恒温21min,然后按熔点高低从低到高的顺序依次加入其它各原料，在搅拌状态下待完全熔化后，降温至668℃保温38min，得到合金液；
S2、精炼：调整炉温至745℃，然后向S1中得到的合金液中加入精炼剂，充分搅拌后静置32min，扒渣；
S3、铸造：将经S2精炼后的合金液浇注到预热后的铸模型腔中得到铝合金锭；
S4、热处理：将铝合金锭进行固溶处理，然后进行自然时效处理，得到所述动车组齿轮箱用高强度铝合金，其中固溶处理温度为545℃,固溶处理时间为1.2h。
其中，在S2中，所述精炼剂其重量占合金液总重量的0.28％；
所述精炼剂其原料按重量份包括以下组分：氯化钾36份、氯化钙35份、氟化铯3份、氧化镁12份、氟铝酸钾20份。
实施例5
一种动车组齿轮箱用高强度铝合金，所述铝合金其成分按重量百分比包括以下组分：镁1.95％、铜1.15％、锌5.12％、铁0.32％、硅0.4％、钛0.175％、铬0.21％、碲0.018％、锗0.104％、铌0.066％、铒0.068％、钼0.079％、铈0.048％、钪0.036％、锆0.156％、锶0.064％，其它杂质元素单个含量≤0.04％，其它杂质元素总含量≤0.15％，余量为铝。
本发明提出的动车组齿轮箱用高强度铝合金的制备方法，具体步骤如下：
S1、熔炼：将熔炼炉预热19min，向炉内投放纯铝，加热至725℃，待纯铝熔化后恒温24min,然后按熔点高低从低到高的顺序依次加入其它各原料，在搅拌状态下待完全熔化后，降温至675℃保温32min，得到合金液；
S2、精炼：调整炉温至755℃，然后向S1中得到的合金液中加入精炼剂，充分搅拌后静置42min，扒渣；
S3、铸造：将经S2精炼后的合金液浇注到预热后的铸模型腔中得到铝合金锭；
S4、热处理：将铝合金锭进行固溶处理，然后进行自然时效处理，得到所述动车组齿轮箱用高强度铝合金，其中固溶处理温度为530℃,固溶处理时间为2.2h。
其中，在S2中，所述精炼剂其重量占合金液总重量的0.32％；
所述精炼剂其原料按重量份包括以下组分：氯化钾48份、氯化钙25份、氟化铯8份、氧化镁6份、氟铝酸钾20份。
对本发明实施例1-5中所述动车组用高强度铝合金在常温常压下进行性能测试，测试结果如下表所示：
屈服强度/MPa 拉伸强度/MPa 断裂延伸率/％
实施例1 595 685 11.8
实施例2 655 705 10
实施例3 674 732 9.2
实施例4 626 712 10.6
实施例5 670 730 9.5
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种动车组齿轮箱用高强度铝合金，其特征在于，所述铝合金其成分按重量百分比包括以下组分：镁1.6-2.2％、铜0.9-1.6％、锌4.5-4.98％、铁0.2-0.6％、硅0.15-0.45％、钛0.15-0.32％、铬0.1-0.24％、碲0.005-0.03％、锗0.05-0.12％、铌0.05-0.12％、铒0.02-0.08％、钼0.06-0.2％、铈0.015-0.054％、钪0.02-0.07％、锆0.06-0.18％、锶0.04-0.12％，其它杂质元素单个含量≤0.05％，其它杂质元素总含量≤0.2％，余量为铝。
2.根据权利要求1所述动车组齿轮箱用高强度铝合金，其特征在于，所述镁、硅、铜的重量百分比满足以下关系式：2.95wt％≤镁+硅+铜≤3.65wt％。
3.根据权利要求1所述动车组齿轮箱用高强度铝合金，其特征在于，所述锗、铌、铒的重量百分比满足以下关系式：0.175wt％≤锗+铌+铒≤0.245wt％。
4.根据权利要求1所述动车组齿轮箱用高强度铝合金，其特征在于，所述钪、锆、铈、钛的重量百分比满足以下关系式：0.365wt％≤钪+锆+铈+钛≤0.5wt％。
5.根据权利要求1所述动车组齿轮箱用高强度铝合金，其特征在于，所述铝合金其成分按重量百分比包括以下组分：镁1.85-2.05％、铜1.2-1.4％、锌4.8-4.98％、铁0.35-0.45％、硅0.25-0.32％、钛0.2-0.25％、铬0.15-0.21％、碲0.015-0.024％、锗0.08-0.1％、铌0.07-0.09％、铒0.04-0.05％、钼0.12-0.16％、铈0.024-0.04％、钪0.035-0.044％、锆0.09-0.12％、锶0.08-0.1％，其它杂质元素单个含量≤0.04％，其它杂质元素总含量≤0.15％，余量为铝。
6.根据权利要求5所述动车组齿轮箱用高强度铝合金，其特征在于，所述铝合金其成分按重量百分比包括以下组分：镁1.95％、铜1.3％、锌4.98％、铁0.42％、硅0.29％、钛0.22％、铬0.18％、碲0.018％、锗0.09％、铌0.08％、铒0.045％、钼0.14％、铈0.032％、钪0.04％、锆0.11％、锶0.09％，其它杂质元素单个含量≤0.04％，其它杂质元素总含量≤0.15％，余量为铝。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述动车组齿轮箱用高强度铝合金的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、熔炼：将熔炼炉预热15-20min，向炉内投放纯铝，加热至710-730℃，待纯铝熔化后恒温20-25min,然后按熔点高低从低到高的顺序依次加入其它各原料，在搅拌状态下待完全熔化后，降温至660-680℃保温30-40min，得到合金液；
S2、精炼：调整炉温至740-760℃，然后向S1中得到的合金液中加入精炼剂，充分搅拌后静置30-45min，扒渣；
S3、铸造：将经S2精炼后的合金液浇注到预热后的铸模型腔中得到铝合金锭；
S4、热处理：将铝合金锭进行固溶处理，然后进行自然时效处理，得到所述动车组齿轮箱用高强度铝合金，其中固溶处理温度为515-560℃,固溶处理时间为0.5-3h。
8.根据权利要求7所述动车组齿轮箱用高强度铝合金的制备方法，其特征在于，在S2中，所述精炼剂其重量占合金液总重量的0.28％-0.32％。
9.根据权利要求7所述动车组齿轮箱用高强度铝合金的制备方法，其特征在于，在S2中，所述精炼剂其原料按重量份包括以下组分：氯化钾36-48份、氯化钙25-35份、氟化铯3-8份、氧化镁6-12份、氟铝酸钾15-20份。
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