动车组用铝合金传动盘锻造组织和各向异性研究

刘平军，刘志义，陈 烨，王玉才，姜 影，牛迎春

(1.中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410083；2.株洲中车天力锻业有限公司，湖南 株洲 412001)

随着高铁运营的普及，设计单位对车辆动力学性能的追求及业主对节能降耗要求的双重因素下，车辆轻量化设计成为行业发展的趋势[1-6].车体下的转向架是整车最关键的部分，同时它的减重将对整车动力学性能提升作用明显[7-10].传动盘在动车的转向架上与空心轴相连，通过六连杆将动力传递给车轮，如图1所示.传动盘直径将近800 mm，厚度为60 mm左右，径向均匀分布的3个“叶片”分别连接着2个连杆.这样的工作结构使得传动盘的径向和切向承受较大的载荷，而厚度方向受力较小.传统传动盘结构为钢制大锻件，质量大，改为铝合金能减重2/3，能显著提高车辆的动力学性能.由于铝合金力学性能对变形流线比较敏感，热处理后晶粒沿流线方向分布，沿流线方向性能较好，其它方向性能较差，这就导致了铝合金性能的各向异性[11-14].

如果直接采用7050轧制铝合金板材，由于轧制晶粒流线的方向性，不仅单个叶片的各个方向性能不一，而且每个“叶片”之间的性能分布也不均匀，显然不能满足传动盘对晶粒流线分布的要求.因此，如何选择变形加工路径、控制晶粒加工流线方向，以及热处理制度的优化，是控制传动盘性能各向异性、满足铝合金传动盘对切向、径向晶粒流线和力学性能要求的关键.

图1 铝合金传动盘零件(a)及装配结构图(b)

1 实验材料与方法

实验材料为7050合金，其化学成分如表1所示.该合金铸锭为φ580 mm圆锭，经过470 ℃×18 h均匀化处理后，预先挤压成φ300的棒材，挤压比为3.7.该实验步骤主要是细化晶粒，获得晶粒流线组织.铸锭及挤压态组织见图2.

表1 7050合金的化学元素成分 %

图2 铸锭(a)及挤压态(b)金相组织

将实验分成两组：一组进行小样热处理工艺实验，以优化热处理工艺参数.小样材料取自φ300 mm的挤压棒材，再进行轴向拔长锻造成80 mm×200 mm×220 mm的3个试块，分别编号1#、2#、3#，其中尺寸220为试块的纵向方向，尺寸200为试块的横向方向.小样热处理工艺参数设计和实验步骤如表2所示.热处理后进行拉伸试样取样并检测拉伸性能，分别取3个试块的纵向和横向方向.采用SEM和TEM对不同工艺热处理后的组织进行检测.

表2 小样热处理工艺实验

另一组采用预先挤压的φ300 mm的棒材，进行墩粗及沿径向拔长的自由锻造，获得φ800 mm的圆盘，锻造比约为7.1，如图3(a)所示.然后参考小样热处理工艺优化结果，进行实际产品的热处理.按GB/T 16865的规定在图3(b)所示位置分别截取切向和径向试样各两件，并按GB/T 228的要求将试样加工成直径为φ10 mm的拉伸试棒.传动盘本体金相试样截取位置如图7(a)所示，采用GX71金相显微镜分别观察了φ300 mm挤压棒和传动盘本体的X-Y面、X-Z面和Y-Z面的晶粒组织和流线分布.

图3 传动盘锻件(a)及本体拉伸取样图(b)

TEM的制样方法为将小样及锻件时效态试样机械减薄至90 μm，冲成直径3 mm的圆片，然后在MTP-1双喷电解减薄仪上双喷减薄至穿孔.电解液选用“30%HNO3+70%CH3OH”的混合液，维持温度在-20 ℃以下.然后采用Tecnai-G20型透射电镜观察了相应时效态试样的微观组织，加速电压为20 kV.

2 结果与分析

2.1 小样热处理实验结果及分析

第一组小样热处理工艺实验机械性能结果见表3.时效工艺为“120 ℃×3 h+175 ℃×6 h”.

表3 小样热处理工艺试验结果

因设计主要是以屈服强度作为校核指标，将抗拉强度、屈服强度、伸长率指标权重分别设为10%、80%、10%，设伸长率和强度的关联系数为t(-1≤t≤1)，分别计算3组实验纵向与横向各向异性强度指标的偏差：

W1=(564-563)×0.1+(507-493)×0.8+(9.5-8.5)t×0.1=11.3+1t

W2=(549-565)×0.1+(499-498)×0.8+(10.5-8.5)t×0.1=-0.8+2t

W3=(583-569)×0.1+(529-514)×0.8+(12.0-6.5)t×0.1=13.4+5.5t

上述3式中，常数项表示强度的差异性，系数项为延伸率的差异性，可以初步得出2号指标差异性最小，拟将2号时效工艺作为大样的热处理工艺参考.同时将上述3组实验分别取拉伸试样断口进行SEM检测，SEM照片见图4.

图4 3组小样实验拉伸断口SEM形貌.

从图4可以看出，3组实验大体上纵向拉伸成韧窝断裂特征，图4工艺时效见表2.横向拉伸具有沿晶断裂特征.主要原因为纵向为纤维状的晶粒，断裂以穿晶断裂为主，位错运动受阻在第二相处形成空洞微孔并聚集长大直至断裂.而横向拉伸时由于横向晶界比例较大，同时PFZ的存在使得晶界的结合力弱，位错容易在晶界集结并产生空洞微孔直至断裂.结合拉伸数据和SEM照片得出，2号工艺实验差异性最小的原因为2号横向拉伸产生了较多的集中韧窝，而纵向拉伸出现了少量的解理断裂，使得二者差异性变小.3组小样热处理实验的TEM晶内和晶界照片见图5.

图5 3组小样热处理工艺TEM晶内和晶界形貌.

从图5可以看出，晶内时效析出相随一级时效时间的延长而增大.晶界析出相为半连续状态，晶界析出相大小在一级时效时间增加为10 h时明显增大，晶界无沉淀析出带(PFZ)宽度变化不明显.结合拉伸、SEM和TEM数据，取2号实验作为大样的热处理工艺.

2.2 产品热处理实验与分析

传动盘锻件热处理后取样按图3(b)进行，分别取切向和径向各两根.时效工艺按“120 ℃×6 h+175 ℃×6 h”进行.热处理工艺及性能检测见下表4所示.热处理后晶内及晶界TEM照片见图6.

表4 传动盘本体热处理工艺试验性能

图6 传动盘本体TEM晶内(a)和晶界形貌(b)

从表4可以看出，实验获得了很好的结果，径向和切向平均强度差异都在10 MPa以内，延伸率差异也在1%以内.根据各数据的平均值，可得两个方向各向异性的偏差为

W=(565-558)×0.1+(524-515)×0.8+(9.0-9.3)t×0.1=7.9-0.3t，

得出两个方向各向异性偏差在10 MPa以内.从实验结果可以看出，传动盘本体的强度较小样实验要高，这是由于传动盘本体变形量大，增加了位错密度，对析出相的析出和均布有较好的作用.图6为传动盘本体晶内(a)和晶界(b)TEM照片，可以看出，晶内析出相密集细小而均匀，晶界析出相为半连续状态，晶界无沉淀析出带很小，对传动盘的综合性能有很好的作用.传统35钢制件传动盘的抗拉强度要求为≥560 MPa，屈服强度为≥300 MPa，延伸率≥19%.显然，在设计的屈服强度内，7050铝合金传动盘能满足使用要求.

按图7(a)进行金相取样检测，观测结果见图7(b).从图中可以看出，传动盘的径向(Y-Z面)和切向(X-Z面)都成流线状，在X-Y面上晶粒形状成扁平状.可以推测整个大锻件沿挤压流线方向进行较大的变形后，形成了类似于“千层饼”状的晶粒分布.这种晶粒状态分布使传动盘在整个X-Y面上各个方向上的性能都较好，而X-Y面正是传动盘实际运行工况下的受力面，从而使保证了传动盘在实际运行工况中具有可靠性和安全性.

图7 传动盘本体金相取样图(a)及检测照片(b)

3 结论

1)一级时效时间为3、6、10 h时，6 h热处理的锻件在纵横方向上各向异性差异较小.

2)挤压比为3.7，锻造比为7.1，锻造方向垂直挤压方向获得的传动盘大锻件的流线分布为“千层饼”状，使得传动盘在受力平面各个方向上的性能都很好，差异较小.

3)锻造与热处理工艺的结合使大件传动盘的各向异性减小，并获得了屈服强度510 MPa以上，延伸率9%以上，晶界为断续析出相，PFZ很窄的良好综合性能，从而保证了铝合金传动盘运行中的可靠性和安全性，并成功替代了钢制件.

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