馬俊成，夏少華，王沛培，譚東，徐貴寶

　　（南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司江蘇 常州 213011）
　　鋁合金由于密度小、比強度高、耐蝕性好,在現代交通運輸業、航空航天和機電等工業領域得到了廣泛應用。目前，日本、法國和德國已先后在高速列車上采用了鑄造高強度鋁合金齒輪箱體。戚墅堰機車車輛工藝研究所自1996年開始進行高強度鑄造Al-Si合金材料制備工藝研究，并廣泛應用于各型號齒輪箱的生產,先后研制了“藍箭 ”高速動力車齒輪箱體、HXD1C機車齒輪箱、烏車齒輪箱、哈車齒輪箱、上海地鐵齒輪箱、HXD1D機車齒輪箱、CRH380A動車齒輪箱、CRH6動車齒輪箱[1]。目前生產各類鋁合金齒輪箱近萬套，運行情況良好，已經成為國內軌道交通鋁合金齒輪箱制造基地。
　　1 軌道交通鑄造鋁合金齒輪箱成型技術
　　1.1 鑄造Al-Si合金材料基礎研究
　　目前國內外軌道交通齒輪箱廣泛使用的材質為ZL101A（對應EN1706中AlSi7Mg0.3），其化學成分及力學性能要求如表所示。
　　表1 AlSi7Mg合金化學成分(%)

　　表2 AlSi7Mg合金機械性能

　　戚墅堰所對此合金進行了系統的基礎研究。除了室溫條件下的拉伸性能實驗外，還測定了不同環境溫度下AlSi7Mg合金的力學性能。隨著溫度的提高，AlSi7Mg材料的抗拉強度，屈服強度具有不斷降低的趨勢。100℃相對于-40℃時，材料的抗拉強度和屈服強度分別降低了14.3%和9.8%。然而材料的伸長率隨著溫度的提高具有不斷升高的趨勢，100℃相對于-40℃時，材料的伸長率提高了96%。由此可見，在-40℃～100℃范圍內拉伸變形，隨著溫度的不斷提高，合金的屈服點和抗拉強度緩慢降低，然而塑性顯著提高[2]。
　　除了常規拉伸性能外，AlSi7Mg材料的疲勞性能對齒輪箱的疲勞壽命與可靠性也具有較大的參考價值。我們還對AlSi7M合金的拉壓與旋壓疲勞性能進行了研究。結果表明在軸向加載條件下，應力比R=-1，未失效試樣終止試驗的循環數=105次。根據升降法測得疲勞極限為159.2MPa。在旋轉彎曲加載條件下，Kt=1，未失效試樣終止試驗的循環數N= 107次，測得合金的旋轉彎曲疲勞極限≥88MPa。
　　我們還對AlSi7Mg材料的成型特性參數進行了研究，主要是與鑄造工藝性密切相關的流動性、熱裂傾向和收縮率，相關成果可參考論文[3]。
　　1.2 熔煉與澆注工藝
　　采用國內某大型鋁廠提供的ZL101A錠進行熔煉，通過AlSr10變質劑加入含量不同對比變質效果，研究表明Sr加入量在0.03-0.05%有良好的變質效果。通過加入AlTi5B，進行晶粒細化提高材料力學性能。
　　AlSi7Mg溶液有嚴重的吸氣傾向，利用高純氬氣并采取旋轉噴吹對鋁液進行精煉除氣，對熔煉后的鋁液進行含氣量測量，保證鋁液純凈。圖1是鋁液除氣后不同階段在真空度為80mbar的狀態凝固試樣的斷面氣孔分布。根據針孔測試結果，在實際生產中精煉除氣后的的鋁液在2h之內使用，避免長時間在空氣中停留；盡量避免精煉除氣后鋁液進行轉包等空氣大面積接觸操作，減少鋁液吸氣。

　　圖1 不同階段試樣斷面
　　目前日本、德國應用的高鐵鋁合金齒輪箱多采用重力砂型鑄造，戚墅堰所一直采用低壓砂型鑄造。與重力鑄造相比，低壓鑄造充型平穩飛濺少、凝固補縮效率高。澆注設備采用濟南鑄鍛所制造的Z2345型低壓鑄造機，整個澆注加壓過程由計算機自動控制，加壓曲線如下圖2所示。升液階段要求快速、充型階段較慢，充型平穩，保壓階段高速加壓保證補縮。

　　1.3 鑄造工藝與仿真模擬
　　根據齒輪箱結構特點，充分考慮順序凝固、補縮特點，設置合理結構的澆注系統對齒輪箱整體進行補縮，對厚大部分采用冷鐵等措施進行激冷，對澆口無法補縮部位，如頂端，設置冒口進行補縮。采用開放式澆注系統∑S直澆口＜∑S橫澆口＜∑S內澆口，S直澆口-直澆口截面積，S橫澆口-橫澆口截面積，S內澆口-內澆口截面積，以保證鋁液充型平穩，防止鋁液飛濺，產生氧化夾雜。為了保證補縮效果，計算澆注系統各組元及澆口附近鑄件模數，使得M直澆口＞M橫澆口＞M內澆口＞M鑄件。
　　為了保證齒輪箱工藝設計可靠性，采用MAGMA軟件對齒輪箱充型、凝固過程進行模擬仿真。通過模擬分析，合理調整澆注系統各組元比例及冷鐵大小及位置分布，使得齒輪箱充型平穩、溫度場分布合理（如圖3所示）、齒輪箱內部缺陷較低，從而提高齒輪箱內在品質。

　　圖3 CRH380A齒輪箱凝固溫度場分布
　　經過多年的積累，戚墅堰所在低壓澆注系統的設計上形成了一套設計方便，通用性強，成熟度高的設計理念。通過采用MAGMA軟件進行了充型及凝固模擬，同時結合產品的試制及生產情況，對澆注系統的設計進行了驗證，最終形成了鋁合金齒輪箱低壓澆注系統模塊化的選擇及相關參數的設計指南。
　　通過上述工藝制備的CRH380A齒輪箱箱體的各項性能指標都達到國外同類產品的水平，先后通過了東洋公司、四方股份有限公司對我公司國產化CRH380A齒輪箱體樣件FAI確認，并通過了30萬公里的裝車考核，考核期間齒輪箱運行平穩、溫升正常、密封可靠，各項性能參數滿足線路運營要求。
　　1.4 熱處理工藝
　　箱體的熱處理是鋁合金齒輪箱體研制的一個重要方面。首先它決定了材料的機械性能；其次，箱體在熱處理過程中的變形會影響箱體的尺寸。熱處理過程包括固溶處理+時效處理。通過調節時效溫度和保溫時間，可滿足不同齒輪箱性能要求。
　　在箱體的熱處理過程中 ,我們嚴格按照試驗確定的熱處理工藝執行,保證材料的機械性能。在解決箱體熱處理過程中的變形問題上,一方面通過設置工藝拉筋,人為地控制箱體的變形趨向，另一方面,在熱處理實際裝爐操作中采用多點支撐箱體質量、支撐點避開箱體薄弱處的辦法,從而克服箱體在長時間加熱保溫過程中由于自身質量的作用發生的變形。
　　2 發展趨勢展望
　　2.1 新型鑄造鋁合金材料
　　鑄造鋁合金除Al-Si系外，還有Al-Mg、Al-Zn 和Al-Cu系鑄造合金，Al-Mg系鑄造鋁合金室溫強度雖高，但高溫性能較差，鑄造工藝性也不如Al-Si系合金。Al-Cu合金是典型的高強韌鑄造鋁合金，合金強度高，塑性、韌性較好，同時兼具較高的熱穩定性，適于高溫下使用的鑄件，但鑄造性能普遍較差，易發生熱裂.目前已工業化應用的高強韌鋁合金（σb≥400MPa，δ≥8%）幾乎全是Al-Cu系合金。國內研制的ZL205A（AiCu4Ti）合金，抗拉強度可達510MPa，延伸率可達13%，是目前強度最高的鑄造鋁合金。ZL205A合金可以實現以鋁代鋼，以鑄代鍛，制作高難度的優質鑄件，近年來ZL205A合金大尺寸厚壁鑄件已經廣泛應用于航空航天領域，取得了明顯的經濟和社會效益[4]。
　　隨著軌道交通裝備朝著高速、節能、安全、舒適的方向發展，對鑄造鋁合金產品的性能和質量提出了更高的要求，在輕量化的同時越來越追求合金的高強度和延伸率。然而由于鑄造工藝性能較差，高強韌鑄造Al-Cu系合金在軌道交通領域的應用還幾乎是空白，未來需要在提高Al-Cu系合金材料的鑄造性能和新的鑄造工藝技術兩方面取得突破。
　　2.2 新型鑄造工藝
　　2.2.1金屬型低壓鑄造
　　與砂型鑄造相比，金屬型鑄造方法因其具有生產效率高、勞動環境清潔、鑄件表面光潔，表面輪廓清晰，內部組織致密等優點而越來越被航空、航天、高壓電器、電力機械以及儀器儀表等行業采用[5]。鋁合金件金屬型低壓鑄造與其他一些鑄造方法（壓鑄、低壓砂型鑄造和重力鑄造等）相比主要具有如下幾方面的優勢：
　　1）具備反重力鑄造充型平穩的優點，能夠有效降低氣孔、夾雜等缺陷的發生率；
　　2）幾何尺寸精確，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）同低壓砂型鑄造方式相比，金屬型低壓鑄造方式生產的鑄件，其抗拉強度平均可提高約25%，屈服強度平均提高約20％，其抗蝕性能和硬度亦顯著提高；
　　4）較高壓鑄造工藝靈活，適宜于生產壁厚不均、形狀較復雜鋁鑄件；
　　5）更有利于大批量生產，實現高度自動化和簡化維修，在同等生產規模下，與高壓鑄造相比，鑄造設備和金屬型等工裝的一次性投資更低。
　　軌道交通用鋁合金齒輪箱體件大壁薄的特點往往給金屬型低壓鑄造工藝實現帶來一定的難度。戚墅堰所目前正致力于HXD1C鋁合金齒輪箱以及動車組鋁合金齒輪箱金屬型低壓鑄造工藝的開發，該工藝的樣件已經成形，有待于小批量穩定性的驗證。
　　2.2.2真空差壓鑄造
　　真空差壓鑄造是一種在低壓鑄造方法上改進的先進鑄造方法，使金屬液在可調壓力下充型及凝固，故具有一系列有利于獲得優質鑄件的因素：能消除鑄件氣孔、縮孔、縮松等缺陷；改善鑄件表面的粗糙度；明顯減少大型復雜鑄件凝固時的熱裂傾向；補縮能力是低壓鑄造的4～5 倍；而且可減少凝固時間20%~25%，相應地也減少了凝固期內的變質衰退現象，而且其晶粒也有所細化。真空差壓鑄造目前其工程化應用對象還局限于航空類鋁合金鑄件，但隨著這項技術的進一步成熟，成本進一步降低，其應用領域擴展到軌道交通鋁合金齒輪箱體成型方面將勢在必行。
　　參考文獻
　　[1] 張國榮，潘連明，耿海，徐貴寶，章正曉. 高速列車鋁合金齒輪箱箱體的研制[J]. 機車電傳動 2003.12. 9-11.
　　[2] 周峰，馬俊成，徐貴寶，王沛培，白云. 環境溫度對砂型鑄造AlSi7Mg材料力學性能的影響研究[J] .機車車輛工藝 2012.03. 1-3.
　　[3] 徐貴寶，馬俊成，周峰，馬俊成，譚東，周斌，王沛培，夏少華. 機車鋁合金齒輪箱體
　　材料及低壓鑄造工藝研究[J] .鑄造 待發表.
　　[4] 張海珍，ZL205高強度鋁銅合金鑄造性能及工藝技術研究[D].中北大學.2010.
　　[5] 熊艷才，劉伯操. 鑄造鋁合金現狀及未來發展[J]. 特種鑄造及有色合金 1998.04.1-5.

　資料轉載：鑄造工業