高速铁路铝合金棘轮低压铸造工艺及性能研究

摘要

棘轮是高速铁路接触网上十分关键的构件，采用低压金属型铸造工艺进行生产可使产品的力学性能以及动态疲劳性能满足需要。但是由于棘轮外形结构壁厚不均，轮廓较为复杂，在实际生产过程出现缺陷问题较多，极大降低了产品质量以及铁路运输的安全性。本文以低压金属型铸造的ZL114A铝合金棘轮为研究对象，通过优化低压铸造工艺和热处理工艺，获得了高性能棘轮铸件。
　　利用三维造型软件完成了对棘轮铸件的三维建模，运用数值模拟软件ProCAST对低压金属型铸造充型过程和凝固过程进行模拟，预测了棘轮中可能出现的缩孔、缩松的具体位置，并分析了引发这些缺陷的原因。数值模拟结果显示：整个低压铸造过程未出现金属液紊流现象，说明充型过程平稳，有效避免了氧化夹杂缺陷。但是由于棘轮结构尺寸复杂、薄厚分布不均，凝固过程温度梯度分布紊乱，在棘轮的厚大部位形成了缩孔、缩松等缺陷，通过无损探伤检验和显微组织观察验证了模拟结果的准确性。
　　选择对铸型中心分流锥进行水冷，上模中心高温区进行气冷，下模整体气冷，以平衡模具温度场，基本解决了低压金属型铸造工艺过程中产生的缩孔、缩松等缺陷问题。根据对低压铸造工艺充型及凝固过程数值模拟的结果，合理设计了模具冷却工艺，以及金属型分型和抽芯工艺，并对金属型的脱模力进行了校核计算，合理设计了脱模机构，最终完成了棘轮的铸造模具的制造。并使用设计的模具浇注获得外形尺寸合格的铸件。
　　对铝合金棘轮热处理工艺进行了优化。最终确定热处理工艺：固溶温度为535±5℃，时间8h；淬火温度为60℃，时间2h；时效温度为160±5℃，时间3h。热处理后试样抗拉强度达到320MPa，延伸率为5.4％，能够满足目前国内ZL114A合金低压铸造棘轮力学性能标准。按照高速铁路标准，对热处理后的棘轮进行了疲劳实验。试制铸件在高精度动态疲劳试验时，在标准要求的2×104次以内，本体运转正常，无任何裂纹和变形，实验结果满足标准要求。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景

1.2低压铸造的国内外发展历史及研究现状

1.3铸造数值模拟的研究现状

1.4铝合金热处理强化及性能

1.5论文主要研究内容

第2章 实验材料与研究方法

2.1棘轮所用铝合金

2.2实验方案

2.3低压铸造充型与凝固阶段数学模型

2.4分析测试方法

第3章 铝合金棘轮低压铸造工艺数值模拟及优化

3.1铸件低压铸造工艺参数设计

3.2棘轮低压金属型铸造工艺模拟参数设置

3.3棘轮低压金属型铸造工艺模拟结果及分析

3.4本章小结

第4章 铝合金棘轮的铸造与热处理工艺

4.1引言

4.2棘轮低压铸造模具结构设计

4.3棘轮的低压浇注

4.4热处理及合金力学性能研究

4.5热处理态显微组织分析

4.6铸造铝合金棘轮的疲劳性能

4.7本章小结

结论

参考文献

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致谢

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