一种高铁齿轮箱用高性能铝合金材料与制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高铁齿轮箱用高性能铝合金材料及其制备方法，铝合金材料按质量百分比其组成为：Si：6.4～7.2％，Fe：0～0.15％，Mg:0.35～0.40％,Ti:0.15～0.18％，稀土元素:0.1～0.3％,Al:90～93％。通过控制微量金属元素的添加方法和添加时机，保证了铝水的微量金属结晶分布均匀，保证了铝水密度，从而保证了产品的机械性能；铝水微量金属元素添加完毕后，需要除气除氢，以消除针孔。

A high performance aluminum alloy material for high speed gearbox and its preparation method

The invention discloses a high-performance aluminum alloy material for high-iron gearbox and a preparation method thereof. The aluminum alloy material is composed of Si: 6.4-7.2%, Fe: 0-0.15%, Mg: 0.35-0.40%, Ti: 0.15-0.18%, rare earth elements: 0.1-0.3%, Al: 90-93% according to the mass percentage. By controlling the adding method and timing of trace metal elements, the uniform distribution of trace metal crystals and the density of molten aluminum were ensured, thus ensuring the mechanical properties of the products.

【技术实现步骤摘要】
一种高铁齿轮箱用高性能铝合金材料与制备方法
本专利技术属于合金材料
，特别涉及一种高铁齿轮箱用高性能铝合金材料与制备工艺。
技术介绍
近几年我国高速铁路建设高速发展，据中国铁路总公司报道，截止到2017年底，我国铁路营业里程达到12.7万公里，其中高速铁路2.5万公里，占铁路营业里程的20％，高铁运营里程世界第一。齿轮箱是高速列车的动力传动装置，是高速列车的核心部件之一，其工作性能的好坏直接影响到高速动车组运行的可靠性和安全性。国外高速动车组齿轮箱生产、应用较成熟，而国内运行的高速列车主要为引进消化吸收国外技术的CRH2、CRH3系列及自主研发的CRH380系列，其齿轮箱箱体主要依赖进口。近年来，部分进口齿轮箱故障频发，漏油、裂纹等质量问题长期得不到解决，影响到行车安全和运行效率。同时，进口齿轮箱的价格昂贵、长达12个月的开发周期跟不上中国高铁的发展速度，极大地制约了中国高速动车组关键零部件的技术发展和产业化进程。另外，中国的CRH动车组技术是采用外国多家公司合作设计与制造，使用的技术标准不一样，如CRH1(加拿大庞巴迪公司)，CRH2(日本川崎重工公司)，CRH3(德国西门子公司)，CRH5(法国阿尔斯通公司)，而CRH6是中国南车集团(南京和青岛)研制生产，CRH380系列是自主研制生产。因此，各个CRH动车组关键核心零部件兼容差，给使用和维护带来极大困难。随着我国时速350km/h京沪和谐号高速动车组的运行，2016年7月15日上午，时速420km/h中国标准动车组在郑徐高铁上进行综合试验成功，标志着中国标准动车组技术达到国际领先水平。然而动车组动力系统的关键部件齿轮箱的设计与制造技术制约了我国标准动车组技术的发展，首先是齿轮箱铸造铝合金材料性能不能满足要求，其次是铝合金齿轮箱的铸造工艺技术不足，存在密度低、气孔、针孔夹砂、夹渣、凹凸、错边、裂纹、缩松等缺陷，使得铝合金齿轮箱的可靠性严重不足。目前我国CRH380动车组使用的铝合金齿轮箱的铝合金材料为AlSi7Mg0.3，其力学性能为：抗拉强度Rm≥230MPa，屈服强度Rp0.2≥190MPa，断裂伸长率A≥2％。铸件内部检测要求全部按百分之百射线探伤，判定标准为ISO9915-1992的C级以上。据沈阳工业大学研究报道，时速350km动车组的齿轮箱，在电机反转时最大的等效应力为195.58MPa，已经大于材料屈服强度190MPa，安全系数不到1，动车组运行存在安全隐患。由此可见，研发高性能铸造铝合金材料和设计制造满足中国标准动车组技术的铝合金齿轮箱是目前中国动车组的重大核心关键技术。
技术实现思路
为了解决现有动车组使用的铝合金齿轮箱用铝合金材料存在的技术问题，本专利技术提供了一种高铁齿轮箱用高性能铝合金材料与制备方法。本专利技术提供的高铁齿轮箱用高性能铝合金材料以国标铝A356.2为基础材料，熔炼时添加Ti、Mg合金元素和稀土元素制备出了高性能的铝合金材料，铝合金材料按质量百分比其组成为：Si：6.4～7.2％，Fe：0～0.15％，Mg:0.35～0.40％,Ti:0.15～0.18％，稀土元素:0.1～0.3％,Al:90～93％。本专利技术提供的高铁齿轮箱用高性能铝合金材料的具体制备工艺如下：(1)熔炼管控①在熔炼前，先对熔炼炉进行梯度升温烘烤，至潮气完全排出，保证炉膛干燥，杜绝熔炼过程中的铝液吸气而导致铸件内部有气孔；②加铝锭，加料前，要将铝锭表面清理干净，同时要确保铝锭干燥，无水分；加料时，要将熔炼炉表面及炉膛清理干净，以控制铁含量；③铝锭熔化后，将炉膛温度设置到750℃，铝液温度约升高至700～730℃，进行保温，防止铝液温度超过750℃，杜绝产生铝液过烧吸氢而导致铸件产生微观针孔。(2)化学成分的配比及添加管控工艺①铝液熔化后，取样做光谱成分分析，按照光谱检测报告数据根据元素添加量的百分比添加元素，添加元素时，铝液温度应控制在700-730℃范围，先添加高熔点元素，然后添加低熔点元素，防止低熔点元素烧损氧化；②先将需要添加的金属元素预热到300℃，以保证添加的金属元素干燥无水分；③在添加Ti时，先按照铝钛合金比例，计算出实际的添加量进行添加；此时，铝钛合金，Ti的熔点是1677℃，密度是4.5克/立方厘米，铝的熔点是660℃，密度2.69克/立方厘米，Ti密度比Al的密度高、熔点高，针对Ti容易下沉不易融化的问题，在添加时应先把Ti放在漏勺中，在铝液的上层旋转晃动，使其能够快速的融化，完全融化后，再用漏勺从铝液底部向铝液中部翻动，这样的方法可以防止铝液吸气；④在添加Si时，先按照需要添加的比例，计算出实际的添加量，因为Si的熔点是1412℃，密度是2.329克/立方厘米，铝液的熔点是660℃，Al的密度是2.69克/立方厘米，Si的熔点比Al的熔点高，不易融化，所以在添加Si时应先把Si放在漏勺中，在铝液的上层旋转晃动，使其能够快速的融化，完全融化后，再用漏勺从铝液底部向铝液中部翻动，这样的方法可以防止铝液吸气；⑤在添加Mg时，先按照需要添加比例，计算出实际的添加量，Mg的熔点是650℃，密度是1.74克/立方厘米，铝液的熔点是660℃，密度是2.69克/立方厘米，而且镁容易上浮和容易氧化挥发，所以在添加Mg的时候，要用钟罩把镁块压到铝液底部融化；⑥按照铝水质量的0.1～0.3％添加稀土元素；⑦在化学成分全部添加完成后，进行第一次除气，除气结束后，静置约12～18分钟，取样做光谱检测，检验合格后，方可进行下个工序。(3)铝硅合金变质细化工艺及管控①铝硅合金变质的目的是为了细化晶粒、改善脆性相、改善铝硅合金组织中硅相晶粒形态和分布状况，提高铸件强度、塑性，改善后续加工工艺性能，改善铸件内外品质。本专利技术采用的变质方法是铝锶中间合金变质法，合金比例是Al：90％，Sr10％,添加量是炉料的0.03％-0.04％，使用前200℃烘干，添加时添加量取上限，因为锶容易氧化烧损，在含量0.03％-0.036％才能达到长效变质的效果，有效时间2-6小时为长效变质，4小时以内为最佳。添加可与除气细化一起进行效果最好；②铝硅合金细化的目的是为了细化晶粒，从而得到结晶组织均匀，无粗细晶粒交错的混晶区，从而提高铝硅合金的强度和延伸率，并缩短凝固时间，减少裂纹。常用的细化方法为铝钛硼锶细化法，也是目前最先进晶粒的现代科技方法。合金比例Ti：5％，B：1％，Al：94％,添加铝钛硼量为铝液的0.15％，使用前200℃烘干，添加可与除气细化一起进行效果最好；③在变质细化结束后，静置约12～18分钟取样，静置是为了让铝液成分均匀稳定，取样精准，检查断口为银白色丝绒状，晶粒细小均匀，无硅亮点，断裂面位锯齿状断裂，说明机械性能良好，可以正常生产。(4)除气精炼工艺及管控①除气的目的是为了清除铝液中的氢气，氢是容易被铝合金吸收的一种气体,随着铝液温度的增高氢气溶解度就越高，当铝液温度高于750℃，铝液已经开始过烧，含氢量也在不断增大，会逐步形成氢气病，除气就没有效果，这样会导致：铸件会产生针孔，含氢量越大，铸件针孔越多；②本专利技术使用的除气方法是惰性气体法，除气机采用除气精炼一体机，精炼机具有强烈吸附氢、AL203及夹杂物，兼具去气、精炼、除渣三重作用，并且发热反应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高铁齿轮箱用高性能铝合金材料，其特征在于：所述铝合金材料按质量百分比其组成为：Si：6.4～7.2％，Fe：0～0.15％，Mg:0.35～0.40％,Ti:0.15～0.18％，稀土元素:0.1～0.3％,Al:90～93％。

【技术特征摘要】
1.一种高铁齿轮箱用高性能铝合金材料，其特征在于：所述铝合金材料按质量百分比其组成为：Si：6.4～7.2％，Fe：0～0.15％，Mg:0.35～0.40％,Ti:0.15～0.18％，稀土元素:0.1～0.3％,Al:90～93％。2.一种如权利要求1所述的高铁齿轮箱用高性能铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：(1)熔炼管控①熔炼前对熔炼炉进行梯度升温烘烤，至潮气完全排出；②加料前将铝锭表面清理干净，同时要确保铝锭干燥，无水分；③加入铝锭，加料时将熔炼炉表面及炉膛清理干净，以控制铁含量；④铝锭熔化后，将炉膛温度设置到750℃，铝液温度升高至700～730℃，进行保温，防止铝液温度超过750℃；(2)元素的添加管控①铝液熔化后，取样做光谱成分分析，按照光谱检测报告添加元素，添加元素时，铝液温度控制在700～730℃范围，先添加高熔点元素，然后添加低熔点元素；其中，所添加的元素为：Si，Fe，Mg,Ti；②按照铝水质量的0.1～0.3％添加稀土元素；③元素全部添加完成后，进行第一次除气，除气结束后，静置12～18分钟，取样做光谱检测，检测合格后，进入下一个工序；(3)铝硅合金变质细化及管控①采用铝锶中间合金变质法进行铝硅合金变质；②采用铝钛硼细化法进行铝硅合金细化；③变质细化结束后，静置12～18分钟取样；(4)除气精炼工艺及管控①采用惰性气体法除气，同时配合石墨转子驱动设备，进行除气除渣；②除气结束后，捞出铝液表...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐海强，储君，
申请(专利权)人：常州市南方驱动技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32