高速機車用鋁合金傳動空心軸的制備工藝、機理及性能研究.pdf

1、機車轉(zhuǎn)向架特別是簧下質(zhì)量直接決定了輪軌動作用力的大小，隨著我國鐵路的不斷提速和運行速度的不斷提高，該作用力的影響越來越明顯。因此，減輕車體重量，尤其是降低簧下質(zhì)量是保證機車實現(xiàn)高速、安全、平穩(wěn)運行至關(guān)重要的因素，也是目前轉(zhuǎn)向架設(shè)計及研究過程中的重要內(nèi)容。由于六連桿傳動空心軸是轉(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變形Al-Zn-Mg-Cu合金取代傳統(tǒng)的鋼質(zhì)材料制備高速機車傳動空心軸，旨在通過材料輕量化以減小空心軸的質(zhì)

2、量，實現(xiàn)降低簧下質(zhì)量，改善輪軌動作用力，提高機車動力學(xué)性能。針對Al-Zn-Mg-Cu合金鑄造性能差、鑄件易開裂等缺陷，本文采用擠壓鑄造工藝開展了高速機車用高強鋁合金傳動空心軸的制備工藝、制備技術(shù)、制備機理和力學(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(簡稱為1:1傳動空心軸，下同)。具體研究內(nèi)容有：
　　 (1)對比研究了1:1傳動空心軸與1:5縮比件的微觀組織，發(fā)現(xiàn)1:1傳動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傳動空心軸時，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)生的機械沖刷和強烈對流，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程中進一步破碎成更為細(xì)小的球狀固相顆粒，成為動態(tài)的結(jié)晶核心。
　　 (2)研究了擠壓鑄造過程中半固態(tài)疏松層的形成條件和形成過程，以及半固態(tài)疏松層在擠壓鑄造排氣機制中作用。實驗結(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，本實驗采用了壓頭間隙排氣和溢流槽排氣兩種機制。
　　 (3)探討了1:1傳動空心軸擠壓鑄造過程中及時退讓芯模、梯溫預(yù)熱模具和提高澆注溫度在制備1:1傳動空心軸過程中的作用機制，對比分析了梯溫預(yù)熱模具和提高澆注溫度對1:1傳動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，沒有粗大的樹枝晶存在，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傳動空心軸的力學(xué)性能相比較，其拉伸強度、屈服強度和延伸率(取平均值)分別提高了40MPa、45MPa和2％。
　　 (4)研究了加壓開始時間(t1)、保壓時間(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，加壓開始時間t1=5s、比壓P=160MPa、保壓時間(1:5縮比件t2=60s，1:1傳動空心軸t2=120s)、澆注溫度(1:5縮比件Tm=700℃，1:1傳動空心軸Tm=780℃)、模具預(yù)熱溫度(1:5縮比件Td=250℃、1:1傳動空心軸Td=250℃～350℃)時，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，室溫拉伸強度和延伸率分別

8、達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，合金的室溫拉伸強度和延伸率分別達到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)對所制備的Al-Zn-Mg-Cu合金1:1傳動空心軸的室溫拉伸強度、旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強度和靜強度三個主要的力學(xué)性能進行測試研究。空心軸高向和徑向的室溫拉伸強度

9、和延伸率基本一致，不同部位試樣的室溫拉伸強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傳動空心軸所有測試點的室溫拉伸強度和屈服強度最小值(分別為538MPa和478MPa)，遠(yuǎn)大于空心軸在不同的工況條件下各個應(yīng)力測試點的應(yīng)力最大值(241.51 MPa)，表明擠壓鑄造Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心