高速機(jī)車(chē)用鋁合金傳動(dòng)空心軸的制備工藝、機(jī)理及性能研究.pdf

1、機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架特別是簧下質(zhì)量直接決定了輪軌動(dòng)作用力的大小，隨著我國(guó)鐵路的不斷提速和運(yùn)行速度的不斷提高，該作用力的影響越來(lái)越明顯。因此，減輕車(chē)體重量，尤其是降低簧下質(zhì)量是保證機(jī)車(chē)實(shí)現(xiàn)高速、安全、平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要的因素，也是目前轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)及研究過(guò)程中的重要內(nèi)容。由于六連桿傳動(dòng)空心軸是轉(zhuǎn)向架簧下結(jié)構(gòu)的重要組成部分，基于此，本文首次提出采用高強(qiáng)變形Al-Zn-Mg-Cu合金取代傳統(tǒng)的鋼質(zhì)材料制備高速機(jī)車(chē)傳動(dòng)空心軸，旨在通過(guò)材料輕量化以減小空心軸的質(zhì)

2、量，實(shí)現(xiàn)降低簧下質(zhì)量，改善輪軌動(dòng)作用力，提高機(jī)車(chē)動(dòng)力學(xué)性能。針對(duì)Al-Zn-Mg-Cu合金鑄造性能差、鑄件易開(kāi)裂等缺陷，本文采用擠壓鑄造工藝開(kāi)展了高速機(jī)車(chē)用高強(qiáng)鋁合金傳動(dòng)空心軸的制備工藝、制備技術(shù)、制備機(jī)理和力學(xué)性能的研究。為了探索Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓鑄造的工藝參數(shù)及其對(duì)鑄件組織與性能的影響規(guī)律，首先試制了1:5縮比件(尺寸為：Φ軸端=160mm，Φ軸身=87mm，Φ內(nèi)孔=48mm，h總=250mm，簡(jiǎn)稱1:5縮比件，下同)，

3、在此基礎(chǔ)上，研制了Al-Zn-Mg-Cu合金傳動(dòng)空心軸樣品，其尺寸為：Φ軸端=780mm，Φ軸身=340mm，Φ內(nèi)孔=230mm，h總=1280mm，h軸端=57mm(簡(jiǎn)稱為1:1傳動(dòng)空心軸，下同)。具體研究?jī)?nèi)容有：
　　 (1)對(duì)比研究了1:1傳動(dòng)空心軸與1:5縮比件的微觀組織，發(fā)現(xiàn)1:1傳動(dòng)空心軸的組織為非枝晶組織，而縮比件的組織為枝晶組織。造成這種組織差異的原因在于：澆注1:1傳動(dòng)空心軸時(shí)，鋁液在模腔中的落差為1500mm

4、，遠(yuǎn)大于1:5縮比件300mm的落差，由此而產(chǎn)生的機(jī)械沖刷和強(qiáng)烈對(duì)流，導(dǎo)致初始結(jié)晶組織枝晶破碎或重熔，甚至使得依附模壁的結(jié)晶層坍塌、破碎并游離于鋁液中，這些游離于鋁液中的固相顆粒在與鋁液、模腔壁的劇烈碰撞和摩擦過(guò)程中進(jìn)一步破碎成更為細(xì)小的球狀固相顆粒，成為動(dòng)態(tài)的結(jié)晶核心。
　　 (2)研究了擠壓鑄造過(guò)程中半固態(tài)疏松層的形成條件和形成過(guò)程，以及半固態(tài)疏松層在擠壓鑄造排氣機(jī)制中作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)提高鋁液澆注溫度和模具預(yù)熱溫度延

5、緩了模腔中鋁液凝固的時(shí)間，導(dǎo)致鋁液在較高的模腔環(huán)境中，擠壓鑄造初期在模壁附近形成一種固.液兩相狀態(tài)的、不致密的半固態(tài)層，這為模腔中氣體的排出創(chuàng)造了條件?；诎牍虘B(tài)層不穩(wěn)定和疏松的特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)采用了壓頭間隙排氣和溢流槽排氣兩種機(jī)制。
　　 (3)探討了1:1傳動(dòng)空心軸擠壓鑄造過(guò)程中及時(shí)退讓芯模、梯溫預(yù)熱模具和提高澆注溫度在制備1:1傳動(dòng)空心軸過(guò)程中的作用機(jī)制，對(duì)比分析了梯溫預(yù)熱模具和提高澆注溫度對(duì)1:1傳動(dòng)空心軸微觀組織和力學(xué)性能

6、的影響，所制備的1:1傳動(dòng)空心軸的微觀組織均勻，初生α-Al晶粒的形狀主要以均勻、細(xì)小的球狀晶為主，沒(méi)有粗大的樹(shù)枝晶存在，與未采用梯溫預(yù)熱模具和提高澆注溫度的工藝制備的1:1傳動(dòng)空心軸的力學(xué)性能相比較，其拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率(取平均值)分別提高了40MPa、45MPa和2％。
　　 (4)研究了加壓開(kāi)始時(shí)間(t1)、保壓時(shí)間(t2)、比壓(P)、澆注溫度(Tm)和模具預(yù)熱溫度(Td)等工藝參數(shù)對(duì)擠壓鑄造Al-Zn-Mg-C

7、u合金空心軸微觀組織和力學(xué)性能的影響。研究表明，加壓開(kāi)始時(shí)間t1=5s、比壓P=160MPa、保壓時(shí)間(1:5縮比件t2=60s，1:1傳動(dòng)空心軸t2=120s)、澆注溫度(1:5縮比件Tm=700℃，1:1傳動(dòng)空心軸Tm=780℃)、模具預(yù)熱溫度(1:5縮比件Td=250℃、1:1傳動(dòng)空心軸Td=250℃～350℃)時(shí)，擠壓鑄造Al-Zn-Mg-Cu合金空心軸具有致密、均勻和晶粒細(xì)小的微觀組織和優(yōu)良的力學(xué)性能，室溫拉伸強(qiáng)度和延伸率分別

8、達(dá)555MPa和9.0％；添加1％Al-5Ti-1B和2.9％Al-10％RE的混合變質(zhì)劑能進(jìn)一步細(xì)化空心軸的微觀組織，試樣的平均晶粒尺寸約為18um，合金的室溫拉伸強(qiáng)度和延伸率分別達(dá)到575MPa和10.1％，與未經(jīng)變質(zhì)處理的合金相比較，分別提高了6％和24％。
　　 (5)對(duì)所制備的Al-Zn-Mg-Cu合金1:1傳動(dòng)空心軸的室溫拉伸強(qiáng)度、旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度和靜強(qiáng)度三個(gè)主要的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試研究。空心軸高向和徑向的室溫拉伸強(qiáng)度

9、和延伸率基本一致，不同部位試樣的室溫拉伸強(qiáng)度和延伸率的最小值為538MPa和7.0％；空心軸光滑試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限值σ-1(1×107)=140MPa，缺口試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限值σ-1(1×107)=69MPa；1:1傳動(dòng)空心軸所有測(cè)試點(diǎn)的室溫拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最小值(分別為538MPa和478MPa)，遠(yuǎn)大于空心軸在不同的工況條件下各個(gè)應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力最大值(241.51 MPa)，表明擠壓鑄造Al-Zn-Mg-Cu合金傳動(dòng)空心