马俊成，夏少华，王沛培，谭东，徐贵宝

　　（南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司江苏 常州 213011）
　　铝合金由于密度小、比强度高、耐蚀性好,在现代交通运输业、航空航天和机电等工业领域得到了广泛应用。目前，日本、法国和德国已先后在高速列车上采用了铸造高强度铝合金齿轮箱体。戚墅堰机车车辆工艺研究所自1996年开始进行高强度铸造Al-Si合金材料制备工艺研究，并广泛应用于各型号齿轮箱的生产,先后研制了“蓝箭 ”高速动力车齿轮箱体、HXD1C机车齿轮箱、乌车齿轮箱、哈车齿轮箱、上海地铁齿轮箱、HXD1D机车齿轮箱、CRH380A动车齿轮箱、CRH6动车齿轮箱[1]。目前生产各类铝合金齿轮箱近万套，运行情况良好，已经成为国内轨道交通铝合金齿轮箱制造基地。
　　1 轨道交通铸造铝合金齿轮箱成型技术
　　1.1 铸造Al-Si合金材料基础研究
　　目前国内外轨道交通齿轮箱广泛使用的材质为ZL101A（对应EN1706中AlSi7Mg0.3），其化学成分及力学性能要求如表所示。
　　表1 AlSi7Mg合金化学成分(%)

　　表2 AlSi7Mg合金机械性能

　　戚墅堰所对此合金进行了系统的基础研究。除了室温条件下的拉伸性能实验外，还测定了不同环境温度下AlSi7Mg合金的力学性能。随着温度的提高，AlSi7Mg材料的抗拉强度，屈服强度具有不断降低的趋势。100℃相对于-40℃时，材料的抗拉强度和屈服强度分别降低了14.3%和9.8%。然而材料的伸长率随着温度的提高具有不断升高的趋势，100℃相对于-40℃时，材料的伸长率提高了96%。由此可见，在-40℃～100℃范围内拉伸变形，随着温度的不断提高，合金的屈服点和抗拉强度缓慢降低，然而塑性显著提高[2]。
　　除了常规拉伸性能外，AlSi7Mg材料的疲劳性能对齿轮箱的疲劳寿命与可靠性也具有较大的参考价值。我们还对AlSi7M合金的拉压与旋压疲劳性能进行了研究。结果表明在轴向加载条件下，应力比R=-1，未失效试样终止试验的循环数=105次。根据升降法测得疲劳极限为159.2MPa。在旋转弯曲加载条件下，Kt=1，未失效试样终止试验的循环数N= 107次，测得合金的旋转弯曲疲劳极限≥88MPa。
　　我们还对AlSi7Mg材料的成型特性参数进行了研究，主要是与铸造工艺性密切相关的流动性、热裂倾向和收缩率，相关成果可参考论文[3]。
　　1.2 熔炼与浇注工艺
　　采用国内某大型铝厂提供的ZL101A锭进行熔炼，通过AlSr10变质剂加入含量不同对比变质效果，研究表明Sr加入量在0.03-0.05%有良好的变质效果。通过加入AlTi5B，进行晶粒细化提高材料力学性能。
　　AlSi7Mg溶液有严重的吸气倾向，利用高纯氩气并采取旋转喷吹对铝液进行精炼除气，对熔炼后的铝液进行含气量测量，保证铝液纯净。图1是铝液除气后不同阶段在真空度为80mbar的状态凝固试样的断面气孔分布。根据针孔测试结果，在实际生产中精炼除气后的的铝液在2h之内使用，避免长时间在空气中停留；尽量避免精炼除气后铝液进行转包等空气大面积接触操作，减少铝液吸气。

　　图1 不同阶段试样断面
　　目前日本、德国应用的高铁铝合金齿轮箱多采用重力砂型铸造，戚墅堰所一直采用低压砂型铸造。与重力铸造相比，低压铸造充型平稳飞溅少、凝固补缩效率高。浇注设备采用济南铸锻所制造的Z2345型低压铸造机，整个浇注加压过程由计算机自动控制，加压曲线如下图2所示。升液阶段要求快速、充型阶段较慢，充型平稳，保压阶段高速加压保证补缩。

　　1.3 铸造工艺与仿真模拟
　　根据齿轮箱结构特点，充分考虑顺序凝固、补缩特点，设置合理结构的浇注系统对齿轮箱整体进行补缩，对厚大部分采用冷铁等措施进行激冷，对浇口无法补缩部位，如顶端，设置冒口进行补缩。采用开放式浇注系统∑S直浇口＜∑S横浇口＜∑S内浇口，S直浇口-直浇口截面积，S横浇口-横浇口截面积，S内浇口-内浇口截面积，以保证铝液充型平稳，防止铝液飞溅，产生氧化夹杂。为了保证补缩效果，计算浇注系统各组元及浇口附近铸件模数，使得M直浇口＞M横浇口＞M内浇口＞M铸件。
　　为了保证齿轮箱工艺设计可靠性，采用MAGMA软件对齿轮箱充型、凝固过程进行模拟仿真。通过模拟分析，合理调整浇注系统各组元比例及冷铁大小及位置分布，使得齿轮箱充型平稳、温度场分布合理（如图3所示）、齿轮箱内部缺陷较低，从而提高齿轮箱内在品质。

　　图3 CRH380A齿轮箱凝固温度场分布
　　经过多年的积累，戚墅堰所在低压浇注系统的设计上形成了一套设计方便，通用性强，成熟度高的设计理念。通过采用MAGMA软件进行了充型及凝固模拟，同时结合产品的试制及生产情况，对浇注系统的设计进行了验证，最终形成了铝合金齿轮箱低压浇注系统模块化的选择及相关参数的设计指南。
　　通过上述工艺制备的CRH380A齿轮箱箱体的各项性能指标都达到国外同类产品的水平，先后通过了东洋公司、四方股份有限公司对我公司国产化CRH380A齿轮箱体样件FAI确认，并通过了30万公里的装车考核，考核期间齿轮箱运行平稳、温升正常、密封可靠，各项性能参数满足线路运营要求。
　　1.4 热处理工艺
　　箱体的热处理是铝合金齿轮箱体研制的一个重要方面。首先它决定了材料的机械性能；其次，箱体在热处理过程中的变形会影响箱体的尺寸。热处理过程包括固溶处理+时效处理。通过调节时效温度和保温时间，可满足不同齿轮箱性能要求。
　　在箱体的热处理过程中 ,我们严格按照试验确定的热处理工艺执行,保证材料的机械性能。在解决箱体热处理过程中的变形问题上,一方面通过设置工艺拉筋,人为地控制箱体的变形趋向，另一方面,在热处理实际装炉操作中采用多点支撑箱体质量、支撑点避开箱体薄弱处的办法,从而克服箱体在长时间加热保温过程中由于自身质量的作用发生的变形。
　　2 发展趋势展望
　　2.1 新型铸造铝合金材料
　　铸造铝合金除Al-Si系外，还有Al-Mg、Al-Zn 和Al-Cu系铸造合金，Al-Mg系铸造铝合金室温强度虽高，但高温性能较差，铸造工艺性也不如Al-Si系合金。Al-Cu合金是典型的高强韧铸造铝合金，合金强度高，塑性、韧性较好，同时兼具较高的热稳定性，适于高温下使用的铸件，但铸造性能普遍较差，易发生热裂.目前已工业化应用的高强韧铝合金（σb≥400MPa，δ≥8%）几乎全是Al-Cu系合金。国内研制的ZL205A（AiCu4Ti）合金，抗拉强度可达510MPa，延伸率可达13%，是目前强度最高的铸造铝合金。ZL205A合金可以实现以铝代钢，以铸代锻，制作高难度的优质铸件，近年来ZL205A合金大尺寸厚壁铸件已经广泛应用于航空航天领域，取得了明显的经济和社会效益[4]。
　　随着轨道交通装备朝着高速、节能、安全、舒适的方向发展，对铸造铝合金产品的性能和质量提出了更高的要求，在轻量化的同时越来越追求合金的高强度和延伸率。然而由于铸造工艺性能较差，高强韧铸造Al-Cu系合金在轨道交通领域的应用还几乎是空白，未来需要在提高Al-Cu系合金材料的铸造性能和新的铸造工艺技术两方面取得突破。
　　2.2 新型铸造工艺
　　2.2.1金属型低压铸造
　　与砂型铸造相比，金属型铸造方法因其具有生产效率高、劳动环境清洁、铸件表面光洁，表面轮廓清晰，内部组织致密等优点而越来越被航空、航天、高压电器、电力机械以及仪器仪表等行业采用[5]。铝合金件金属型低压铸造与其他一些铸造方法（压铸、低压砂型铸造和重力铸造等）相比主要具有如下几方面的优势：
　　1）具备反重力铸造充型平稳的优点，能够有效降低气孔、夹杂等缺陷的发生率；
　　2）几何尺寸精确，尺寸精度由9～11CT提高到6～8CT粗糙度由Ra2.5～1.25 μm降低到Ra6.3～3.2 μm；
　　3）同低压砂型铸造方式相比，金属型低压铸造方式生产的铸件，其抗拉强度平均可提高约25%，屈服强度平均提高约20％，其抗蚀性能和硬度亦显著提高；
　　4）较高压铸造工艺灵活，适宜于生产壁厚不均、形状较复杂铝铸件；
　　5）更有利于大批量生产，实现高度自动化和简化维修，在同等生产规模下，与高压铸造相比，铸造设备和金属型等工装的一次性投资更低。
　　轨道交通用铝合金齿轮箱体件大壁薄的特点往往给金属型低压铸造工艺实现带来一定的难度。戚墅堰所目前正致力于HXD1C铝合金齿轮箱以及动车组铝合金齿轮箱金属型低压铸造工艺的开发，该工艺的样件已经成形，有待于小批量稳定性的验证。
　　2.2.2真空差压铸造
　　真空差压铸造是一种在低压铸造方法上改进的先进铸造方法，使金属液在可调压力下充型及凝固，故具有一系列有利于获得优质铸件的因素：能消除铸件气孔、缩孔、缩松等缺陷；改善铸件表面的粗糙度；明显减少大型复杂铸件凝固时的热裂倾向；补缩能力是低压铸造的4～5 倍；而且可减少凝固时间20%~25%，相应地也减少了凝固期内的变质衰退现象，而且其晶粒也有所细化。真空差压铸造目前其工程化应用对象还局限于航空类铝合金铸件，但随着这项技术的进一步成熟，成本进一步降低，其应用领域扩展到轨道交通铝合金齿轮箱体成型方面将势在必行。
　　参考文献
　　[1] 张国荣，潘连明，耿海，徐贵宝，章正晓. 高速列车铝合金齿轮箱箱体的研制[J]. 机车电传动 2003.12. 9-11.
　　[2] 周峰，马俊成，徐贵宝，王沛培，白云. 环境温度对砂型铸造AlSi7Mg材料力学性能的影响研究[J] .机车车辆工艺 2012.03. 1-3.
　　[3] 徐贵宝，马俊成，周峰，马俊成，谭东，周斌，王沛培，夏少华. 机车铝合金齿轮箱体
　　材料及低压铸造工艺研究[J] .铸造 待发表.
　　[4] 张海珍，ZL205高强度铝铜合金铸造性能及工艺技术研究[D].中北大学.2010.
　　[5] 熊艳才，刘伯操. 铸造铝合金现状及未来发展[J]. 特种铸造及有色合金 1998.04.1-5.

　资料转载：铸造工业