[发明专利]一种Al-Zn-Mg-Cu合金的配方、熔炼工艺及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及合金材料领域，特别涉及一种Al-Zn-Mg-Cu合金的配方、熔炼工艺及其应用。

背景技术

我国人口众多、内陆深广，解决大规模人口流动问题，最安全、最快捷、最经济、最环保、最可靠的交通方式是高速铁路。近年来，随着京津城际铁路、武广高速铁路、郑西高速铁路、沪宁城际高速铁路等相继开通运营，中国高铁已进入世界前沿，并创造了运营速度、运量、节能环保、舒适度四个世界第一，正引领着世界高铁的发展。

随着机车运行速度的加快，列车运行当中所必须克服的气动阻力和机械摩擦阻力大幅度增加，导致能耗急剧上升；经测算，高速列车要克服的阻力是普通列车的10-30倍，所需的动能是普通列车的4倍以上。同时，机车运行速度越快，车辆对轨道的冲击力越大，导致钢轨过度磨耗和损伤，增加线路的维修工作量，严重时还会毁坏线路，酿成重大事故。再者，要保证高速列车在短距离内精确制动停车，并及时地消散制动时的巨大动能也是一个很困难的问题。为解决上述问题，采用减轻车体重量，尤其是减轻转向架部分的簧下质量是最直接、最行之有效的方法。

为降低簧下质量，已有学者进行了高速机车铝合金轴箱体和齿轮箱等部件的相关研究，起到了一定的减重效果，并在一些车辆上得到了应用。同时值得一提的是，采用六连杆空心轴传动方式的机车，传动空心轴一半质量属于簧下质量，因此通过减小传动空心轴的质量可明显降低簧下质量，改善轮轨动作用力，提高机车的动力学性能。现有机车的传动空心轴通常采用钢质材料铸造而成，钢质传动空心轴优点是具有较高的强度和良好的塑性，经热处理后具有优异的机械性能；缺点是质量大，增加了机车车辆的簧下质量，因此机车在高速运行时，钢质空心轴增大了轮轨间的相互作用力，加快了车轮与轨道之间的磨损，这已成为制约高速机车进一步提高运行速度的瓶颈之一。

与钢质材料相比较，铝合金具有密度小、比强度高等的优点，同时也具有较好的物理性能、力学性能和切削加工性能，这是钢质材料很难具备的；现在机车常用的钢质空心轴的质量一般为220kg，经计算，具有相同体积和几何形状的铝合金空心轴约为75kg，其质量只有钢质空心轴的三分之一；因此，每个轮对可减少质量约150kg，每台机车可减小质量约900kg，减重效果非常可观。这样不仅可以大大降低簧下质量，较好地改善轮轨动作用力，而且能显著改善机车运行的平稳性和安全性，从而为进一步提高机车高速运行速度提供了保证。

其中，Al-Zn-Mg-Cu系合金由于具有高的比强度、高的比刚度、以及低的密度等一系列优良的综合性能，已广泛应用于航空航天工业，如飞机的机身、蒙皮、大梁、机翼梁、桁条、火箭中高强度结构零件等，因此Al-Zn-Mg-Cu系合金已成为世界航空航天工业中不可缺少的重要材料。近年来，随着高铁的快速发展，越来越多的高强铝合金材料被应用到机车车辆上来，世界各国的发展经验证明铝合金型材是车辆轻量化结构材料的最佳选择，这是因为：

（1）高强铝合金的强度、刚度不仅能满足高速机车运行的安全需要，而且能大大减轻机车车辆本身的重量。

（2）由于机车自身重量的减轻，不仅减少了能耗，而且有效地提高了机车的高速运行性能和改善了机车的制动性能。

（3）铝合金材料广泛使用大大降低了机车维护费用，提高了机车的美观度。

（4）铝合金具有比重小、比强度高等优点，使其成为取代传统钢质材料的理想选择。

综上所述，以Al-Zn-Mg-Cu合金为基体，通过添加其它的合金元素来制备高速机车传动空心轴，来替代传统的铁基空心轴是可行的。

众所周知，变形铝合金由于铸造性能较差、流动性能不好、铸件易开裂等问题，一般情况下是无法用普通铸造工艺进行生产的。因此，工艺上大多采用压力加工工艺制作板、棒、管、锻件和型材等产品。挤压铸造又称液态模锻，是一种介于铸造和锻造之间的成形工艺，兼有铸造和锻造的优点。挤压铸造工艺的基本原理是，将一定量的液态金属直接浇入模具型腔内，并施加较高的机械压力在密闭型腔内的液态金属上，使液态金属在压力下结晶、凝固、成形和少量塑性变形，以获得内部组织致密，晶粒细小，表面光洁的优质挤压铸造件。因此变形铝合金材料（如7A04、2A01、6061等铝合金）均可以采用直接或间接的挤压铸造工艺进行生产，并可获得接近或达到同种锻件力学性能水平的标准。

挤压铸造的变形铝合金铸件具有内部组织致密，表面光洁，毛坯加工余量少，并可像变形铝合金一样通过热处理提高其力学性能的优点，因此生产上采用挤压铸造工艺制备各种形状较复杂、综合性能要求高的产品，不失为一种节能、降耗、省钱、省工的好办法。