一種Al-Zn-Mg-Cu合金的配方、熔煉工藝及其應用的製作方法

2023-11-03 17:12:47

專利名稱：一種Al-Zn-Mg-Cu合金的配方、熔煉工藝及其應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及合金材料領域,特別涉及一種Al-Zn-Mg-Cu合金的配方、熔煉工藝及
其應用。
背景技術：
我國人口眾多、內陸深廣，解決大規模人口流動問題，最安全、最快捷、最經濟、最環保、最可靠的交通方式是高速鐵路。近年來，隨著京津城際鐵路、武廣高速鐵路、鄭西高速鐵路、滬寧城際高速鐵路等相繼開通運營，中國高鐵已進入世界前沿，並創造了運營速度、運量、節能環保、舒適度四個世界第一，正引領著世界高鐵的發展。隨著機車運行速度的加快，列車運行當中所必須克服的氣動阻力和機械摩擦阻力大幅度增加，導致能耗急劇上升；經測算，高速列車要克服的阻力是普通列車的10-30倍，所需的動能是普通列車的4倍以上。同時，機車運行速度越快，車輛對軌道的衝擊力越大，導致鋼軌過度磨耗和損傷，增加線路的維修工作量，嚴重時還會毀壞線路，釀成重大事故。再者，要保證高速列車在短距離內精確制動停車，並及時地消散制動時的巨大動能也是一個很困難的問題。為解決上述問題，採用減輕車體重量，尤其是減輕轉向架部分的簧下質量是最直接、最行之有效的方法。為降低簧下質量，已有學者進行了高速機車鋁合金軸箱體和齒輪箱等部件的相關研究，起到了一定的減重效果，並在一些車輛上得到了應用。同時值得一提的是，採用六連杆空心軸傳動方式的機車,傳動空心軸一半質量屬於簧下質量，因此通過減小傳動空心軸的質量可明顯降低簧下質量，改善輪軌動作用力，提高機車的動力學性能。現有機車的傳動空心軸通常採用鋼質材料鑄造而成，鋼質傳動空心軸優點是具有較高的強度和良好的塑性，經熱處理後具有優異的機械性能；缺點是質量大，增加了機車車輛的簧下質量，因此機車在高速運行時，鋼質空心 軸增大了輪軌間的相互作用力，加快了車輪與軌道之間的磨損，這已成為制約高速機車進一步提高運行速度的瓶頸之一。與鋼質材料相比較，鋁合金具有密度小、比強度高等的優點，同時也具有較好的物理性能、力學性能和切削加工性能，這是鋼質材料很難具備的；現在機車常用的鋼質空心軸的質量一般為220kg，經計算，具有相同體積和幾何形狀的鋁合金空心軸約為75kg，其質量只有鋼質空心軸的三分之一；因此，每個輪對可減少質量約150kg，每臺機車可減小質量約900kg，減重效果非常可觀。這樣不僅可以大大降低簧下質量，較好地改善輪軌動作用力，而且能顯著改善機車運行的平穩性和安全性，從而為進一步提高機車高速運行速度提供了保證。其中，Al-Zn-Mg-Cu系合金由於具有高的比強度、高的比剛度、以及低的密度等一系列優良的綜合性能，已廣泛應用於航空航天工業，如飛機的機身、蒙皮、大梁、機翼梁、桁條、火箭中高強度結構零件等，因此Al-Zn-Mg-Cu系合金已成為世界航空航天工業中不可缺少的重要材料。近年來，隨著高鐵的快速發展，越來越多的高強鋁合金材料被應用到機車車輛上來，世界各國的發展經驗證明鋁合金型材是車輛輕量化結構材料的最佳選擇，這是因為:
(I)高強鋁合金的強度、剛度不僅能滿足高速機車運行的安全需要，而且能大大減輕機車車輛本身的重量。(2)由於機車自身重量的減輕，不僅減少了能耗，而且有效地提高了機車的高速運行性能和改善了機車的制動性能。(3)鋁合金材料廣泛使用大大降低了機車維護費用，提高了機車的美觀度。(4)鋁合金具有比重小、比強度高等優點，使其成為取代傳統鋼質材料的理想選擇。綜上所述，以Al-Zn-Mg-Cu合金為基體，通過添加其它的合金元素來製備高速機車傳動空心軸，來替代傳統的鐵基空心軸是可行的。眾所周知，變形鋁合金由於鑄造性能較差、流動性能不好、鑄件易開裂等問題，一般情況下是無法用普通鑄造工藝進行生產的。因此，工藝上大多採用壓力加工工藝製作板、棒、管、鍛件和型材等產品。擠壓鑄造又稱液態模鍛，是一種介於鑄造和鍛造之間的成形工藝，兼有鑄造和鍛造的優點。擠壓鑄造工藝的基本原理是，將一定量的液態金屬直接澆入模具型腔內，並施加較高的機械壓力在密閉型腔內的液態金屬上，使液態金屬在壓力下結晶、凝固、成形和少量塑性變形，以獲得內部組織緻密，晶粒細小，表面光潔的優質擠壓鑄造件。因此變形鋁合金材料(如7A04、2A01、6061等鋁合金)均可以採用直接或間接的擠壓鑄造工藝進行生產，並可獲得接近或達到同種鍛件力學性能水平的標準。擠壓鑄造的變形鋁合金鑄件具有內部組織緻密，表面光潔，毛坯加工餘量少，並可像變形鋁合金一樣通過熱處 理提高其力學性能的優點，因此生產上採用擠壓鑄造工藝製備各種形狀較複雜、綜合性能要求高的產品，不失為一種節能、降耗、省錢、省工的好辦法。綜上所述，擠壓鑄造技術具有工藝簡單、鑄件力學性能良好、生產效率高、成本相對較低等優點，因此採用擠壓鑄造工藝製備高速機車鋁合金傳動空心軸在工藝上也是可行的。以下針對合金熔煉及擠壓鑄造工藝的相關理論知識做出簡要介紹。1、合金熔煉方面
擠壓鑄造過程首先是鑄造，然後加壓直至金屬凝固。鑄造質量的好壞，除了受鑄造工藝參數、模具結構等因素的影響之處，熔體質量也是一個非常重要的影響因素。由於鋁合金的組織具有遺傳性，而熔體的質量又主要決定於合金的熔煉過程，熔煉環節無疑將很大程度影響鑄件的質量，因此熔煉質量的好壞直接影響到擠壓鑄造件質量的優劣。鋁合金在熔煉過程中易與空氣中的O2和水蒸汽接觸發生化學反應，即 4Α1+302 — 2A1203(I)
2A1+3H20 — A1203+3H2(2)
由於氧化鋁的密度與鋁接近，且顆粒細，混入鋁合金液中不易與鋁液分離而在鑄件中形成夾雜；氫氣則以原子態等形式熔入鋁合金熔體，而後析出造成鑄件產生氣孔、縮松等缺陷，嚴重影響鑄件的外觀形貌及力學性能。因此本發明採用高純氮氣+六氯乙烷粉末的噴粉法對Al-Zn-Mg-Cu合金熔液進行精煉，以去除鋁合金液中的氫氣和各種夾雜物，達到淨化鋁合金熔液的目的。高溫熔融鋁合金精煉裝置示意圖如圖1所示。
該高溫熔融鋁合金精煉裝置的基本原理是:高純氮氣從氮氣罐I中出來，經過乾燥器2乾燥後，再經過壓力調節閥3進入混合室4，壓力調節閥3用來調節進入混合室4中氮氣的流量和壓力，以保證適量的C2C16乾燥粉末5被氮氣帶入鋁液中,氮氣與混合室4中的C2C16乾燥粉末5混合之前，需要經多孔隔板9上的細孔，可以使混合室中的C2C16乾燥粉末5成懸浮狀，多孔隔板9的細孔孔徑選擇以確保粉末不漏為準，氮氣和C2C16乾燥粉末5的混合氣體經過噴射陶瓷管6進入到鋁液8中，噴射陶瓷管6的下端開有細孔，以確保C2C16乾燥粉末5均勻地噴灑在鋁合金液8中。C2Cl6在鋁合金液中發生反應主要有:
A1+C2C16 — A1+C2C14+C12(3 )
2A1203+6C12 — 4AlCl3+302(4)
3C12+2A1 — 2A1C13(5)
Cl2+2 [H] — 2HC1(6)
鋁合金液8中的氣體以H2為主，通過以上物理、化學反應，能夠有效的消除有害氣體H2。2、擠壓鑄造工藝參數介紹
(I)模具預熱溫度:即模具的初始溫度。(2)澆注溫度:澆注溫度是指合金液在充型時的溫度。(3)加壓開始時間:加壓開始時間是指液態金屬澆注完畢到壓頭開始對液態金屬施加壓力之間的時間間隔，計量單位為秒(S)。加壓開始時間的確定主要考慮金屬液在何種狀態下加壓效果最佳。(4)加壓速度是指壓頭接觸到金屬液面以後的運動速度。加壓速度的大小不僅關係到擠壓鑄造件的質量好壞，而且關係到擠壓鑄造過程的安全性。速度過慢，液態金屬自由結晶的硬殼太厚而嚴重消耗作用在金屬液上的垂直壓力，導致鑄造件「壓不透」;速度過快，不僅使液態金屬形成渦流而卷進氣體，同時高溫高壓下的液態金屬還可能會從壓頭與模壁、模墊與凹模之間的間隙飛濺出來，導致人員傷亡或設備損壞。(5)比壓:比壓是指擠壓鑄造時，壓力作用在合金液上所形成的壓強，即P=F/A，式中，P為比壓(MPa) ；A為壓力(kN) ；A為壓力垂直鑄件的投影面積(cm2)。(6)保壓時間:保壓時間是指壓頭進給速度趨於零開始至壓頭卸壓結束鑄件受壓的時間。根據本發明要解決的技術問題 和本發明採用的技術方案進行專利檢索，其檢索結果如下。專利1:
專利權人為蘇州有色金屬研究院有限公司，申請號為200910213237.7。發明公開了一種高強高韌Al-Zn-Mg-Cu鋁合金，其特徵在於成分的重量百分比為:Zn:8.5-10.0wt%, Mg:
1.5-2.5wt%, Cu:1.0-2.0wt%, (Cu+0.5) ^ Mg, Zr:0.05-0.20wt%, T1:0.01-0.05wt%, Fe:(0.10wt%, Si 0.08wt%，且(Si+0.02) ( Fe，其餘組分為Al和不可避免的雜質。該合金具有較高的強度，較高的斷裂韌性，且綜合性能優異，適合應用於航空航天領域。專利2:
專利權人為愛爾康軋製品一雷文斯伍德有限公司，申請號為200680004380.X。發明公開了一種厚度為2至10英寸的軋制或煅造的Al-Zn-Cu-Mg鋁基合金鍛造產品，其特徵在於，所述產品已經過固溶熱處理、淬火和時效處理，並且所述產品主要由下列組成(以重量％表示):Zn:6.2-7.2，Mg:1.5-2.4，Cu:1.7-2.1，Fe:0-0.13，S1:0-0.10，T1:0-0.06，Zr:
0.06-0.13，Cr:0-0.04,Mn:0_0.04，雜質以及其它附帶元素各自彡0.05。本發明的一個目的是提供一種具有特定組成範圍的Al-Zn-Cu-Mg合金，該特定組成範圍能夠賦予鍛造產品以在適當水平斷裂韌度的機械強度和抗應力腐蝕性能之間的改進折衷。本發明的另一個目的是提供一種製造鍛造鋁合金產品的方法，該方法能夠賦予適當水平斷裂韌度的機械強度和抗應力腐蝕之間的改進折衷。專利3:
專利權人為上海交通大學，申請號為00115299.8。發明公開了一種耐熱阻燃壓鑄鎂合金及其熔煉鑄造工藝。一種耐熱阻燃壓鑄鎂合金，組分包括Al、Zn、Mn，其特徵在於還包括 Be、Ca、Sr，成份配方為:7.5-9.5%A1，0.3-1.0%Ζη, 0.05-0.5%Mn, 0.01-0.15%Be,
0.1-1.5%Ca,0.01-0.5%Sr，雜質元素 Si ( 0.02%, Fe ( 0.005%, Cu ( 0.015%, Ni ( 0.002%,
其餘為Mg。一種耐熱阻燃壓鑄鎂合金的熔煉鑄造工藝，其特徵在於可以直接暴露在大氣中熔煉，工藝過程為:將工業純鎂加入到刷過塗料的乾燥的坩堝當中，在爐底撤少許覆蓋劑，鎂完全熔化之後，650°C左右加入阻燃合金和強化元素Al、Zn、Mn、Be、Ca、Sr,待合金元素全部溶解之後攪拌混合均勻，繼續升高溫度至730-760°C，對合金液進行精煉10-20分鐘，然後靜置20分鐘，撈去表面浮渣後進行壓鑄。通過在鎂溶液中加入Zn、Mn，Be、Ca、Sr等阻燃合金和強化元素，對合金液進行精煉、靜置去浮渣後進行壓鑄，使鎂合金表面生成一種緻密的氧化保護膜，阻止鎂在熔煉過程中的燃燒，可不需要阻燃保護措施而在大氣中直接進行熔煉，直接在壓鑄機上進行壓鑄。本發明產生的鎂合金具有優異的阻燃性、耐熱性和壓鑄性倉泛。專利4:
專利權人為陳偉軍， 申請號為201110306153.5。發明公開了一種鋁合金汽車變速箱殼體的擠壓鑄造方法，其特徵在於包括如下步驟:
Cl)配料:鋁合金材料組分的重量百分比為:5.0-6.0% Si，1.5-2.5% Ti，
0.25-0.35%Cu, 0.5-1.2% Zn, 1.25-1.45% Mg, Fe〈0.1%，Ni〈0.05%, Pb〈0.05%, Sn〈0.05%,其餘為Al ；
(2)熔煉:將熔化爐升溫，待溫度上升到300-320°C時，將鋁錠和中間合金加入集中熔化爐中，繼續升溫到750-760°C時，先在吊包底部加入用量為鋁液量的2.5-3.0%的精煉劑，鋁合金全部溶解後轉入吊包，攪拌10-15分鐘；加入用量為鋁液量的1.5-2%的晶粒細化劑；對合金進行細化20-30分鐘，直到液面無氣泡冒出，靜置10-40分鐘後，加入用量為鋁液量的0.1-0.3%的除渣劑，撈取表面浮渣後，降溫至700-710°C即可準備澆注；
(3)準備模具:汽車變速箱殼體鑄件模具米用一模兩腔對稱分布形式,將一模兩腔模具固定在350T臥式間接擠壓鑄造機上，將模具預熱至200-220°C，然後在模具型腔內均勻噴上一層具有隔熱、保溫作用的脫模劑，塗層厚度18-22微米，繼續加熱模具至350-400°C ；
(4)擠壓鑄造:採用機械手料勺從吊包向擠壓鑄造機料桶輸送合金液，擠壓鑄造機衝頭向模具型腔平穩推進合金液、快速增壓凝固結晶，這時調節擠壓鑄造工藝參數為:擠壓壓力115-120MPa，保壓時間35_40s，充型速度0.6-0.8m/s，充型時間3_5s，充型完畢，動定模分開，取出鑄件，得汽車用鋁合金變速箱殼體毛坯；
(5)熱處理:將擠壓鑄造成型的毛坯進行T6熱處理，把毛坯置於熱處理爐中，隨爐加溫2小時至525-530°C，保溫6_8小時出爐，在水溫約20°C中進行淬火；再進行155_160°C X6小時的時效處理，得到汽車用鋁合金變速箱殼體。本發明採用擠壓鑄造工藝，通過優化鋁合金成分設計，優化熔煉和擠壓鑄造的工藝參數以及熱處理制度，使得製造而成的汽車用鋁合金變速箱殼體具有更高的抗拉強度，更高的屈服強度和硬度。該方法能提高毛坯精度，減少加工餘量，實現資源和能源的低消耗，促使經濟效益的提高。專利5:
專利權人為上海交通大學，申請號為200610029407.2。發明公開了、一種鎂合金汽車發動機支架的擠壓鑄造製備方法，其特徵在於包括如下步驟:
1)鎂合金材料組分的重量百分比為:6-8%Al,0.17-0.4%Μη，0.45-0.9%Ζη，0_0.5%RE,Si〈0.05%, Cu〈0.0 25，Ni〈0.001%, Fe〈0.004%，其餘為 Mg ；
2)將配製好的鎂合金材料在烘箱中預熱至200-250°C，同時將坩堝熔化爐升溫，在坩堝底部撒上一層覆蓋劑，將經預熱的鎂合金材料加入熔化爐內，繼續加熱升溫，待爐內溫度上升到400°C時，開始通入保護氣體防止鎂合金燃燒，保護氣體流量為坩堝封閉容積的1-10%/min ;待鎂合金完全熔化後，繼續升溫到720-740°C，加入鎂合金液總量的0.l-lwt%變質劑進行變質細化處理，處理時間5-10min，然後升溫至730_750°C，加入佔鎂合金液總量的1.5-2.5wt%的精煉劑進行精 煉處理，精煉時間為5-10min，精煉完成後，去除渣，合金液靜置並降溫至澆注溫度680-710°C ；
3)發動機支架鑄件模具採用一模兩腔對稱分布形式設計，澆注系統採用開放式，將一模兩腔式模具固定在350T臥式間接擠壓鑄造機的左右模架上，棋具採用油路加熱方式，首先預熱至150-20(TC，然後在模具型腔內均勻噴上一層保溫塗料和脫模劑，塗層厚度為20-50微米，繼續烘烤模具，使塗料粘附牢固，並使模具預熱溫度提高至250-350°C ；
4)採用定量澆注泵從熔化爐向擠壓鑄造機加料室輸送合金液，擠壓鑄造機衝頭向模具型腔平穩推進合金液、快速增壓凝固結晶，調節擠壓鑄造工藝參數為:擠壓壓力為60-120MPa，保壓時間20_40s，衝頭擠壓速度10-200mm/s，完成汽車用鎂合金髮動機支架的鑄造過程，獲得鑄件毛坯；
5)將擠壓鑄造製成的發動機支架鑄件毛坯進行固溶時效T6熱處理，先在370°C預溶解1-3小時，然後升溫至400-420°C保溫6-12小時，出爐空冷；再進行150-200°C X 5-15小時的單級時效處理，或者進行200°C X 2-10小時+150°C X 10-20小時的雙級時效，得到鎂合金汽車發動機支架。本發明採用鎂合金作為發動機支架的材料以獲得較好的減重效果，採用擠壓鑄造工藝可以細化材料組織，提高產品綜合性能，符合了汽車零部件的高品質、高性能的要求。通過專利文件的檢索，沒有發現能夠破壞本發明專利新穎性的現有技術，也不存在相互結合能破壞本發明創造性的文件。

發明內容
本發明的第一個目的是提供一種具有特定組成範圍的Al-Zn-Mg-Cu合金，該特定組成範圍可以使合金具有高的比強度、高的比剛度、以及低的密度等一系列優良的綜合性能，不僅能滿足高速機車運行的安全需要，而且用於製造高速機車用傳動空心軸能大大減輕機車車輛本身的重量。本發明的第二個目的是提供一種Al-Zn-Mg-Cu合金的熔煉工藝。熔體質量是影響鑄造質量的重要因素，熔體質量又主要決定於合金的熔煉過程，所以本發明旨在通過控制熔煉工藝參數提出一種鑄造工藝性能好，合金鑄件力學性能好的熔煉工藝。本發明的第三個目的是提供一種用於高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸的擠壓鑄造工藝。在資源和能源消耗較低的條件下，該工藝工藝簡單；鑄件產品組織緻密均勻，力學性能良好，符合汽車零部件的高品質、高性能的要求；便於實現機械化、制動化，提高了生產效率。為實現以上目的，本發明所採用的技術方案為:一種Al-Zn-Mg-Cu合金的配方，其特徵在於:它是由Al、Zn、Mg、Cu、Mn、Cr組成；以上各成分所佔總質量分數為:Zn為
5.6%-5.9%、Mg 為 2.2%-2.4%、Cu 為 1.6%-1.8%、Mn 為 0.25%_0.35%、Cr 為 0.18%-0.22%、餘量為Al。一種Al-Zn-Mg-Cu合金的熔煉工藝，工藝所採用原材料為純鋁錠、純鋅錠、純鎂錠以及中間合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al_5%Cr，其特徵在於包括以下步驟:
步驟1、工藝原材料前處理:首先去除純鋁錠、純鋅錠、純鎂錠及中間合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al-5%Cr表面的油汙、黴斑和氧化皮，然後在300-350°C的溫度下烘烤3_4h ；步驟2、初步熔煉:在熔煉爐中首先加入純鋁錠後升溫熔化，加入覆蓋劑，扒渣後依次加入Al-20%Cu中間合金、Al-10%Mn中間合金、Al-5%Cr中間合金，再依次加入純鋅錠和純鎂錠，攪拌10-15min後再繼續加入覆蓋劑，整個初步熔煉過程中熔煉溫度控制在730_750°C範圍內；
步驟3、精煉:採用高純氮氣+六氯乙烷粉末的噴粉法對步驟2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液進行精煉，將步驟2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液降溫到720_730°C的精煉溫度範圍內後，進行第一次噴粉，噴粉結束後靜置10_15min，扒渣後加入變質劑進行變質處理，然後再進行第二次噴粉，噴粉結束後靜置10-15min，扒渣後得到精煉後的Al-Zn-Mg-Cu合金溶液。所述的熔煉爐為石墨坩堝熔煉爐。所述的覆蓋劑為60%MgC12+40%KCl的組成物，加入量為爐料質量的1.5-2.5%。所述的六氯乙烷的用量佔合金液總質量的0.5-0.8%。所述的變質劑為中間合金Al-5Ti_B，加入量為爐料質量的0.8-1.2%、或中間合金A1-10%RE，加入量為爐料質量的2.8-3.0%、或兩種中間合金Al_5Ti_B，加入量為爐料質量的0.8-1.2%與A1-10%RE，加入量為爐料質量的2.8-3.0%的組成物中的一種。一種用於高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸的擠壓鑄造工藝，其特徵在於包括以下步驟: 步驟1、合金熔煉:按照權利要求2-5之一所述的步驟完成Al-Zn-Mg-Cu合金的熔煉；步驟2、擠壓鑄造過程:將模具預熱，將步驟I所得Al-Zn-Mg-Cu合金溶液澆入模具型腔內；擠壓鑄造機衝頭向模具型腔平穩推進合金液、快速增壓凝固結晶，保壓定形；待鑄件冷卻後脫模，得到高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸擠壓鑄造毛坯；整個擠壓鑄造過程中，控制工藝參數為:模具預熱溫度為200-300°C，澆注溫度為680-720°C，加壓開始時間為3-5s，加壓速度為10mm/s，比壓為120_200MPa，保壓時間為30_90s ；步驟3、熱處理:將步驟2得到的高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸擠壓鑄造毛坯經過固溶處理及時效處理後得到高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸擠壓鑄造件，其中固溶處理工藝參數控制在400-500°C保溫10-14h ;時效處理工藝工藝參數控制在110-130°C 保溫 16-26h。綜上所述，與現有技術相比，本發明的有益效果如下:本發明涉及一種Al-Zn-Mg-Cu合金的配方、熔煉工藝及其應用。本發明提供的一種具有特定組成範圍的Al-Zn-Mg-Cu合金，該特定組成範圍可以使合金具有高的比強度、高的比剛度、以及低的密度等一系列優良的綜合性能，不僅能滿足高速機車運行的安全需要，而且用於製造高速機車用傳動空心軸能大大減輕機車車輛本身的重量。本發明提供的一種Al-Zn-Mg-Cu合金的熔煉工藝，該熔煉工藝通過控制熔煉工藝參數提出得到的高溫熔煉合金溶液的鑄造工藝性能好，因而合金鑄件力學性能好。採用石墨坩堝熔煉爐熔煉，防止了採用鑄鐵或鑄鋼坩堝導致鋁液中Fe含量超標。採用高純氮氣+六氯乙烷粉末的噴粉法對Al-Zn-Mg-Cu合金溶液進行精煉，有效去除鋁合金溶液中的氫氣和各種夾雜物，達到了淨化鋁合金熔液的目的，且精煉過程中加入變質劑進行變質處理，細化晶粒，同時採用多次間斷靜置的方法，每次靜置的時間為10-15min，使氣體有足夠的時間排出液面，更有效去除夾雜物。本發明提供的一種用於高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸的擠壓鑄造工藝，在資源和能源消耗較低的條件下，該工藝工藝簡單；鑄件產品組織緻密均勻，力學性能良好，符合汽車零部件的高品質、高性能的要求；便於實現機械化、制動化，提高了生產效率。


圖1為一種高溫熔融鋁合金精煉裝置示意圖。在圖1中所述的數字標註表示為:1、高純氮氣；2、乾燥器；3、壓力調節閥；4、混合室；5、C2C16乾燥粉末；6、噴射陶瓷管；7、坩堝；8、鋁合金液；9、多孔隔板。
具體實施例方式為了使本領域技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖對本發明進行詳細描述，本部分的描述僅是示範性和解釋性，不應對本發明的保護範圍有任何的限制作用。實施例1
一種Al-Zn-Mg-Cu合金的配方,它是由Al、Zn、Mg、Cu、Mn、Cr組成，以上各成分所佔總質量分數為:Zn 為 5.9%、Mg 為 2.4%、Cu 為 1.8%、Mn 為 0.35%、Cr 為 0.22%、餘量為 Al。一種Al-Zn-Mg-Cu合金的熔煉工藝，工藝所採用原材料為純鋁錠、純鋅錠、純鎂錠以及中間合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al_5%Cr，熔煉工藝步驟如下:
步驟1、工藝原材料前處理:首先稱取純鋁錠195kg、純鋅錠15.5kg、純鎂錠6.8kg以及中間合金Al-20%Cu23.5kg、Al-10%Mn9.5kg和Al_5%Crll.5kg，去除純鋁錠、純鋅錠、純鎂錠及中間合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al_5%Cr表面的油汙、黴斑和氧化皮，然後在350°C的溫度下烘烤4h。
步驟2、初步熔煉:在石墨坩堝熔煉爐中首先加入純鋁錠後升溫熔化，加入60%MgC12+40%KCl的組成物作為覆蓋劑，加入量為爐料質量的2.5%，扒渣後依次加入Al-20%Cu中間合金、Al-10%Mn中間合金、Al_5%Cr中間合金，再依次加入純鋅錠和純鎂錠，攪拌15min後再繼續加入60%MgC12+40%KCl的組成物作為覆蓋劑，加入量為爐料質量的
2.5%，整個初步熔煉過程中熔煉溫度控制在730-750°C範圍內。步驟3、精煉:採用高純氮氣+六氯乙烷粉末的噴粉法對步驟2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液進行精煉，將步驟2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液降溫到730°C的精煉溫度後，進行第一次噴粉，噴粉結束後靜置15min，扒渣後加入兩種中間合金Al-5T1-B和A1-10%RE的組成物作為變質劑進行變質處理，兩種中間合金的加入量分別為爐料質量的1.2%和3.0% ;然後再進行第二次噴粉，噴粉結束後靜置15min，扒渣後得到精煉後的Al-Zn-Mg-Cu合金溶液；所述的六氯乙烷兩次的噴粉用量佔合金液總質量的0.8%。一種用於高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸的擠壓鑄造工藝，其具體步驟如下:
步驟1、合金熔煉:按照以上所述的一種Al-Zn-Mg-Cu合金的熔煉工藝的步驟完成Al-Zn-Mg-Cu合金的熔煉。步驟2、擠壓鑄造過程:將模具預熱至300°C，將步驟I所得Al-Zn-Mg-Cu合金溶液澆入模具型腔內，澆注溫度為720°C;加壓開始時間為5s，擠壓鑄造機衝頭開始以lOmm/s加壓速度向模具型腔平穩推進合金液，該過程中比壓為200MPa，使合金溶液在快速快速增壓情況下凝固結晶，保壓90s ;待鑄件冷卻後脫模，得到高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸擠壓鑄造毛坯。步驟3、熱處理:將步驟2得到的高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸擠壓鑄造毛坯經過固溶處理及時效處理後得到高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸擠壓鑄造件，其中固溶處理工藝參數為500°C保溫IOh ;時效處理工藝工藝參數為130°C保溫16h。通過該工藝制 造的高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸擠壓鑄造件經過實體取樣測試，鑄件產品組織緻密均勻，力學性能良好，室溫拉伸強度和延伸率分別為555MPa和 9.0%。實施例2
一種Al-Zn-Mg-Cu合金的配方,它是由Al、Zn、Mg、Cu、Mn、Cr組成，以上各成分所佔總質量分數為:Zn 為 5.6%、Mg 為 2.2%、Cu 為 1.6%、Mn 為 0.25%、Cr 為 0.18%、餘量為 Al。一種Al-Zn-Mg-Cu合金的熔煉工藝，工藝所採用原材料為純鋁錠、純鋅錠、純鎂錠以及中間合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al_5%Cr，熔煉工藝步驟如下:
步驟1、工藝原材料前處理:首先稱取純鋁錠205kg、純鋅錠14.8kg、純鎂錠6kg以及中間合金Al-20%Cu21kg、Al-10%Mn7kg和Al_5%Cr9.5kg，去除純鋁錠、純鋅錠、純鎂錠及中間合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al_5%Cr表面的油汙、黴斑和氧化皮，然後在300°C的溫度下烘烤3h。步驟2、初步熔煉:在石墨坩堝熔煉爐中首先加入純鋁錠後升溫熔化，加入60%MgC12+40%KCl的組成物作為覆蓋劑，加入量為爐料質量的1.5%，扒渣後依次加入Al-20%Cu中間合金、Al-10%Mn中間合金、Al_5%Cr中間合金，再依次加入純鋅錠和純鎂錠，攪拌IOmin後再繼續加入60%MgC12+40%KCl的組成物作為覆蓋劑，加入量為爐料質量的1.5%，整個初步熔煉過程中熔煉溫度控制在730-750°C範圍內。步驟3、精煉:採用高純氮氣+六氯乙烷粉末的噴粉法對步驟2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液進行精煉，將步驟2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液降溫到720°C的精煉溫度後，進行第一次噴粉，噴粉結束後靜置lOmin，扒渣後加入中間合金Al-5T1-B作為變質劑進行變質處理，加入量為爐料質量的1% ;然後再進行第二次噴粉，噴粉結束後靜置IOmin,扒渣後得到精煉後的Al-Zn-Mg-Cu合金溶液；所述的六氯乙烷兩次的噴粉用量佔合金液總質量的0.5%。一種用於高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸的擠壓鑄造工藝，其具體步驟如下:
步驟1、合金熔煉:按照以上所述的一種Al-Zn-Mg-Cu合金的熔煉工藝的步驟完成Al-Zn-Mg-Cu合金的熔煉。步驟2、擠壓鑄造過程:將模具預熱至200°C，將步驟I所得Al-Zn-Mg-Cu合金溶液澆入模具型腔內，澆注溫度為680°C;加壓開始時間為3s，擠壓鑄造機衝頭開始以lOmm/s加壓速度向模具型腔平穩推進合金液，該過程中比壓為120MPa，使合金溶液在快速快速增壓情況下凝固結晶，保壓30s ;待鑄件冷卻後脫模，得到高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸擠壓鑄造毛坯。步驟3、熱處理:將步驟2得到的高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸擠壓鑄造毛坯經過固溶處理及時效處理後得到高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸擠壓鑄造件，其中固溶處理工藝參數為400°C保溫14h ;時效處理工藝工藝參數為110°C保溫26h。通過該工藝製造的高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸擠壓鑄造件經過實體取樣測試，鑄件產品組織緻密均勻，力學性能良好，室溫拉伸強度和延伸率分別為545MPa和 8.8%ο 實施例3
一種Al-Zn-Mg-Cu合金的配方,它是由Al、Zn、Mg、Cu、Mn、Cr組成，以上各成分所佔總質量分數為:Zn 為 5.8%、Mg 為 2.3%、Cu 為 1.7%、Mn 為 0.30%、Cr 為 0.20%、餘量為 Al。一種Al-Zn-Mg-Cu合金的熔煉工藝，工藝所採用原材料為純鋁錠、純鋅錠、純鎂錠以及中間合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al_5%Cr，熔煉工藝步驟如下:
步驟1、工藝原材料前處理:首先稱取純鋁錠200kg、純鋅錠15.5kg、純鎂錠6.3kg以及中間合金Al-20%Cu22.5kg、Al-10%Mn8kg和Al_5%Crl0.8kg，去除純鋁錠、純鋅錠、純鎂錠及中間合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al_5%Cr表面的油汙、黴斑和氧化皮，然後在325°C的溫度下烘烤3.5h。步驟2、初步熔煉:在石墨坩堝熔煉爐中首先加入純鋁錠後升溫熔化，力口入60%MgC12+40%KCl的組成物作為覆蓋劑，加入量為爐料質量的2%，扒渣後依次加入Al-20%Cu中間合金、Al-10%Mn中間合金、Al_5%Cr中間合金，再依次加入純鋅錠和純鎂錠，攪拌12min後再繼續加入60%MgC12+40%KCl的組成物作為覆蓋劑，加入量為爐料質量的2%，整個初步熔煉過程中熔煉溫度控制在730-750°C範圍內。步驟3、精煉:採用高純氮氣+六氯乙烷粉末的噴粉法對步驟2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液進行精煉，將步驟2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液降溫到725°C的精煉溫度後，進行第一次噴粉，噴粉結束後靜置13min，扒渣後加入中間合金A1-10%RE作為變質劑進行變質處理，加入量為爐料質量的2.9% ;然後再進行第二次噴粉，噴粉結束後靜置13min，扒渣後得到精煉後的Al-Zn-Mg-Cu合金溶液；所述的六氯乙烷兩次的噴粉用量佔合金液總質量的0.7%。一種用於高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸的擠壓鑄造工藝，其具體步驟如下:
步驟1、合金熔煉:按照以上所述的一種Al-Zn-Mg-Cu合金的熔煉工藝的步驟完成Al-Zn-Mg-Cu合金的熔煉。 步驟2、擠壓鑄造過程:將模具預熱至250°C，將步驟I所得Al-Zn-Mg-Cu合金溶液澆入模具型腔內，澆注溫度為700°C;加壓開始時間為4s，擠壓鑄造機衝頭開始以lOmm/s加壓速度向模具型腔平穩推進合金液，該過程中比壓為160MPa，使合金溶液在快速快速增壓情況下凝固結晶，保壓60s ;待鑄件冷卻後脫模，得到高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸擠壓鑄造毛坯。步驟3、熱處理:將步驟2得到的高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸擠壓鑄造毛坯經過固溶處理及時效處理後得到高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸擠壓鑄造件，其中固溶處理工藝參數為450°C保溫12h ;時效處理工藝工藝參數為120°C保溫22h。通過該工藝製造的高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸擠壓鑄造件經過實體取樣測試，鑄件產品組織緻密均勻，力學性能良好，室溫拉伸強度和延伸率分別為575MPa和 10.1%。

需要說明的是，在本文中，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括哪些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，由於文字表達的有限性，而客觀上存在無限的具體結構，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進、潤飾或變化，也可以將上述技術特徵以適當的方式進行組合；這些改進潤飾、變化或組合，或未經改進將發明的構思和技術方案直接應用於其它場合的，均應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種Al-Zn-Mg-Cu合金的配方,其特徵在於:它是由Al、Zn、Mg、Cu、Mn、Cr組成；以上各成分所佔總質量分數為:Zn為5.6%-5.9%、Mg為2.2%_2.4%、Cu為1.6%-1.8%、Mn為0.25%-0.35%、Cr 為 0.18%-0.22%、餘量為 Al。
2.—種Al-Zn-Mg-Cu合金的熔煉工藝，工藝所採用原材料為純鋁錠、純鋅錠、純鎂錠以及中間合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al_5%Cr，其特徵在於包括以下步驟: 步驟1、工藝原材料前處理:首先去除純鋁錠、純鋅錠、純鎂錠及中間合金Al-20%Cu、Al-10%Mn和Al-5%Cr表面的油汙、黴斑和氧化皮，然後在300-350°C的溫度下烘烤3_4h ； 步驟2、初步熔煉:在熔煉爐中首先加入 純鋁錠後升溫熔化，加入覆蓋劑，扒渣後依次加入Al-20%Cu中間合金、Al-10%Mn中間合金、Al-5%Cr中間合金，再依次加入純鋅錠和純鎂錠，攪拌10-15min後再繼續加入覆蓋劑，整個初步熔煉過程中熔煉溫度控制在730_750°C範圍內； 步驟3、精煉:採用高純氮氣+六氯乙烷粉末的噴粉法對步驟2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液進行精煉，將步驟2得到的Al-Zn-Mg-Cu合金熔液降溫到720_730°C的精煉溫度範圍內後，進行第一次噴粉，噴粉結束後靜置10_15min，扒渣後加入變質劑進行變質處理，然後再進行第二次噴粉，噴粉結束後靜置10-15min，扒渣後得到精煉後的Al-Zn-Mg-Cu合金溶液。
3.根據權利要求2所述的一種Al-Zn-Mg-Cu合金的熔煉工藝，其特徵在於，所述的熔煉爐為石墨坩堝熔煉爐。
4.根據權利要求2所述的一種Al-Zn-Mg-Cu合金的熔煉工藝，其特徵在於，所述的覆蓋劑為60%MgC12+40%KCl的組成物，加入量為爐料質量的1.5-2.5%。
5.根據權利要求2所述的一種Al-Zn-Mg-Cu合金的熔煉工藝，其特徵在於，所述的六氯乙烷的用量佔合金液總質量的0.5-0.8%。
6.根據權利要求2所述的一種Al-Zn-Mg-Cu合金的熔煉工藝，其特徵在於，所述的變質劑為中間合金Al-5T1-B，加入量為爐料質量的0.8-1.2%、或中間合金八1-10%1 ，加入量為爐料質量的2.8-3.0%、或兩種中間合金Al-5T1-B，加入量為爐料質量的0.8-1.2%與A1-10%RE，加入量為爐料質量的2.8-3.0%的組成物中的一種。
7.一種用於高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸的擠壓鑄造工藝，其特徵在於包括以下步驟: 步驟1、合金熔煉:按照權利要求2-5之一所述的步驟完成Al-Zn-Mg-Cu合金的熔煉； 步驟2、擠壓鑄造過程:將模具預熱，將步驟I所得Al-Zn-Mg-Cu合金溶液澆入模具型腔內；擠壓鑄造機衝頭向模具型腔平穩推進合金液、快速增壓凝固結晶，保壓定形；待鑄件冷卻後脫模，得到高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸擠壓鑄造毛坯；整個擠壓鑄造過程中，控制工藝參數為:模具預熱溫度為200-300°C，澆注溫度為680-720°C，加壓開始時間為3-5s，加壓速度為10mm/s，比壓為120_200MPa，保壓時間為30_90s ； 步驟3、熱處理:將步驟2得到的高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸擠壓鑄造毛坯經過固溶處理及時效處理後得到高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸擠壓鑄造件，其中固溶處理工藝參數控制在400-500°C保溫10-14h ;時效處理工藝工藝參數控制在110-130 °C 保溫 16-26h。
全文摘要
本發明公開了一種Al-Zn-Mg-Cu合金的配方、熔煉工藝及其應用，它包括一種Al-Zn-Mg-Cu合金的配方及其熔煉工藝以及一種用於高速機車用Al-Zn-Mg-Cu合金傳動空心軸的擠壓鑄造工藝。其配方中Zn為5.6%-5.9%、Mg為2.2%-2.4%、Cu為1.6%-1.8%、Mn為0.25%-0.35%、Cr為0.18%-0.22%、餘量為Al。其熔煉工藝包括三個步驟，即工藝原材料前處理、初步熔煉、精煉。該合金應用在採用擠壓鑄造工藝製造高速機車用傳動空心軸上，得到的鑄件產品組織緻密均勻，力學性能良好，符合汽車零部件的高品質、高性能的要求；便於實現機械化、制動化，提高了生產效率。
文檔編號C22C1/03GK103243250SQ20131020553
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月29日 優先權日2013年5月29日
發明者範才河, 陳銳, 朱月兵, 歐陽風茂, 歐陽毅 申請人:湖南鑫材合金有限公司