一种用于重载列车牵引杆的低成本超高强7系铝合金材料及其生产方法技术

本发明专利技术提供了一种7xxx系铝合金材料，所述7xxx系铝合金的组成包括，1.0％～1.5％的Cu、2.3％～3.0％的Mg、0.1％～0.25％的Cr、9.0％～10.0％的Zn、0.1％～0.15％的Zr、≤0.10％的Si、≤0.12％的Fe、≤0.60％的Mn、≤0.07％的Ti以及余量的铝。本发明专利技术研究了合金中各合金元素的作用和对合金性能的影响，在不添加任何贵金属或稀有元素的基础上，得到了超高强的低成本7xxx系铝合金材料。而且制备工艺简单，无需添加昂贵的生产设备和繁琐的工艺，生产速度完全满足正常的工业化生产速度，成本低，适于工业化大生产的推广和应用，具有重要的实际意义。

Low cost super high strength 7 series aluminum alloy material for traction rod of heavy haul train and production method thereof

The present invention provides a 7xxx system aluminum alloy material, which consists of 1% to 1.5% Cu, 2.3% to 3% Mg, 0.1% to 0.25% Cr, 9% to 10% Zn, 0.1% to 0.15% Zr, less than 0.10% Si, less than 0.12% Fe, < < 0.60% Mn, < < Ti > Ti, and residual aluminum. This invention has studied the effect of the alloying elements in the alloy and its effect on the properties of the alloy. On the basis of without any precious metals or rare elements, the ultra-high strength low cost 7xxx aluminum alloy materials have been obtained. And the preparation process is simple, without the need to add expensive production equipment and tedious process, the production speed completely meets the normal industrial production speed, low cost, suitable for the popularization and application of industrial production, which has important practical significance.

【技术实现步骤摘要】
一种用于重载列车牵引杆的低成本超高强7系铝合金材料及其生产方法
本专利技术属于金属材料
，涉及一种7xxx系铝合金材料及其生产方法，尤其涉及一种用于重载列车牵引杆的低成本超高强7xxx系铝合金材料及其生产方法。
技术介绍
铝合金是一种以铝为基的合金，主要合金元素有铜、硅、镁、锌和锰。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料。随着经济的快速发展，铝合金材料在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用，尤其是近些年，伴随着全球经济一体化，物流和交通快速发展，而物流和交通带动了运输业的蓬勃发展，而铝及铝合金材料在交通运输装备制造业的应用上也获得了长足的发展，虽然与欧美日等发达工业国家相比差距明显，但是铝合金材料的应用潜力巨大。据初步测算，到2020年，仅全国铁路货物运输需求将达40亿吨，年均增长速度为4％。在诸多交通运输装备中，牵引杆是一个很关键的部件，是在多种机械装置中必不可少的配件，是一种用于铁道车辆之间的牵引连挂装置，不同于车钩，牵引杆是车体之间的固定连接装置。随着铁路货运的不断增长，动力车的性能不断提升，运量的日渐增大，牵引吨位也屡创新高。而这其中的关键部件，牵引杆，特别是重载列车牵引杆在车辆运行过程中要承受车辆的纵向牵引力和冲击力，是关键的承载部件。因而，研究开发新型超高强度铝合金，以铝代钢，进一步实现铁路货运车体轻量化，在节能减排、降低运输成本、提高经济效益等方面，有很重要的意义。高速重列货车轻量化研究及产业化应用，主要集中在重载货车车厢体轻量化上。目前，常规生产的高强铝合金的力学性能，均不能满足重载列车牵引杆用铝合金屈服强度≥650MPa，而且同时要求延伸率≥5.0％的要求。高速重载列车的牵引杆，重约238Kg(E级钢材，ZG25MnCrNiMo)，安装在两个车辆之间，用于代替转动车钩和固定车钩。而如果高速重载列车的牵引杆采用超高强度铝合金代替E级钢材，每根可减重100～120Kg，大大降低了车身的自重。而且超高强度铝合金也可在航空航天、石油勘探(钻杆)等领域，获得广泛的应用。现有的超高强铝合金的设计和开发，国内从20世纪60年代开始，50多年内，虽然研发出了700MPa级的超高强度铝合金，但是大多停留在实验室研究阶段，或采用喷射沉积成形等小批量试制，不是工艺复杂就是生产速度慢，始终未能实现工业化生产，而且虽然还有研究表明，添加贵金属或稀有元素能够得到超高强度铝合金，但是对于日常民用和交通运输，其高昂的成本显然是不实际的。因此，如何研究开发出新的、高性能的铝合金材料，满足上述力学性能，能够用于重载列车关键的承载部件，同时又能采用通常的制备方法，采用常规的添加元素，降低生产成本，已成为摆在业内诸多一线研究人员面前的一道难题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种7xxx系铝合金材料及其生产方法，特别是用于重载列车牵引杆的低成本超高强铝合金材料及其生产方法。本专利技术提供的是超高强铝合金材料，具有较高的屈服强度和延伸率，而且不添加贵重金属和稀有元素，工序常规，成本低，适于工业化大生产的推广和应用。本专利技术提供了一种7xxx系铝合金材料，所述7xxx系铝合金的组成包括：Cu：1.0％～1.5％；Mg：2.3％～3.0％；Cr：0.1％～0.25％；Zn：9.0％～10.0％；Zr：0.1％～0.15％；Si：≤0.10％；Fe：≤0.12％；Mn：≤0.60％；Ti：≤0.07％；余量的铝。优选的，所述铝合金材料为铝合金小规格挤压棒材或管材；所述棒材的直径为15～45mm；所述管材的直径为40～55mm；所述管材的壁厚为6～10mm；所述铝合金材料为T6状态。本专利技术还提供了一种7xxx系铝合金材料的生产方法，包括以下步骤：1)将铝合金原料经过配料后进行熔炼铸造，得到铝合金铸锭；2)将上述步骤得到的铝合金铸锭经过均匀化热处理，得到均匀化热处理后的铝合金铸锭；3)将上述步骤得到的均匀化热处理后的铝合金铸锭经过挤压后，得到挤压材；4)将上述步骤得到的挤压材经过固溶淬火和人工时效后，得到7xxx系铝合金材料。优选的，所述熔炼的温度为720～760℃；所述熔炼的时间为5～10h；所述铸造的铸造速度为20～45mm/min；所述铸造的冷却水流量为15～28m3/h；所述铸造的温度为730～755℃。优选的，所述铝合金铸锭的长度为4800～5800mm；所述铝合金铸锭的直径为162～590mm；所述均匀化热处理包括低温均匀化热处理和高温均匀化热处理；所述均匀化热处理后还包括冷却步骤。优选的，所述低温均匀化热处理的温度为380～420℃；所述低温均匀化热处理的时间为8～12h；所述高温均匀化热处理的温度为460～470℃；所述高温均匀化热处理的时间为16～24h。优选的，所述挤压为热挤压；所述挤压的温度为380～450℃；所述挤压的速度为0.4～0.7m/min；所述挤压材包括挤压管材或棒材。优选的，所述固溶的温度为460～470℃；所述固溶的保温时间为2.0～8.0h；所述固溶淬火后还包括停放步骤；所述停放的时间为5～8天。优选的，所述人工时效的温度为105～140℃；所述人工时效的时间为12～24h。优选的，所述人工时效为双级人工时效；所述双级人工时效的一级人工时效的温度为100～110℃；所述双级人工时效的一级人工时效的时间为5～12h；所述双级人工时效的二级人工时效的温度为120～140℃；所述双级人工时效的二级人工时效的时间为8～20h。本专利技术提供了一种7xxx系铝合金材料，所述7xxx系铝合金的组成包括，1.0％～1.5％的Cu、2.3％～3.0％的Mg、0.1％～0.25％的Cr、9.0％～10.0％的Zn、0.1％～0.15％的Zr、≤0.10％的Si、≤0.12％的Fe、≤0.60％的Mn、≤0.07％的Ti以及余量的铝。与现有技术相比，本专利技术针对现有的超高强度铝合金，屈服强度和延伸率上的不足，又针对现有的超高强铝合金的设计，仍然停留在实验室研究阶段，或采用喷射沉积成形等小批量试制，不是工艺复杂就是生产效率低，难于实现工业化生产，而且添加贵金属或稀有元素，如Sc、Er等，导致成本高昂的缺陷。本专利技术对铝合金的各个组分进行创造性的选择和组合，并辅以特定的比例含量，还特别研究了合金中各合金元素的作用和对合金性能的影响，尤其是合金中Zn、Mg、Cu等主合金元素的含量及配比(特别是Zn/Mg比、Cu/Mg比)对合金铸造成型、力学性能的影响，再结合研究合金微量元素Ni、Zr、Ti等合金元素及杂质元素Fe、Si对断裂韧性、耐腐蚀性能、疲劳性能的影响，最终得到了超高强的7xxx系铝合金材料。而且本专利技术提供的超高强7xxx系铝合金材料不添加任何贵金属或稀有元素，同时制备工序也采用的是传统工序，通过对工序的创造性组合和选择，结合特定的工艺参数，使得制备工艺简单，无需添加昂贵的生产设备和繁琐的工艺，生产速度完全满足正常的工业生产速度，成本低，适于工业化大生产的推广和应用，具有重要的实际意义，有望在重载列车、航空航天、石油勘探(钻杆)等领域，获得广泛的应用。实验研究和工业化生产表明，研制开发出的新型超高强度7xxx铝合金材料，抗拉强度能达到788MPa、屈服强度772MPa、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种7xxx系铝合金材料，其特征在于，所述7xxx系铝合金的组成包括：Cu：1.0％～1.5％；Mg：2.3％～3.0％；Cr：0.1％～0.25％；Zn：9.0％～10.0％；Zr：0.1％～0.15％；Si：≤0.10％；Fe：≤0.12％；Mn：≤0.60％；Ti：≤0.07％；余量的铝。

【技术特征摘要】
1.一种7xxx系铝合金材料，其特征在于，所述7xxx系铝合金的组成包括：Cu：1.0％～1.5％；Mg：2.3％～3.0％；Cr：0.1％～0.25％；Zn：9.0％～10.0％；Zr：0.1％～0.15％；Si：≤0.10％；Fe：≤0.12％；Mn：≤0.60％；Ti：≤0.07％；余量的铝。2.根据权利要求1所述的7xxx系铝合金材料，其特征在于，所述铝合金材料为铝合金小规格挤压棒材或管材；所述棒材的直径为15～45mm；所述管材的直径为40～55mm；所述管材的壁厚为6～10mm；所述铝合金材料为T6状态。3.一种7xxx系铝合金材料的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将铝合金原料经过配料后进行熔炼铸造，得到铝合金铸锭；2)将上述步骤得到的铝合金铸锭经过均匀化热处理，得到均匀化热处理后的铝合金铸锭；3)将上述步骤得到的均匀化热处理后的铝合金铸锭经过挤压后，得到挤压材；4)将上述步骤得到的挤压材经过固溶淬火和人工时效后，得到7xxx系铝合金材料。4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述熔炼的温度为720～760℃；所述熔炼的时间为5～10h；所述铸造的铸造速度为20～45mm/min；所述铸造的冷却水流量为15～28m3/h；所述铸造的温度为730～755℃。5.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：林顺岩，周志军，温庆红，姚勇，林林，
申请(专利权)人：西南铝业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50