CN105063426A - 一种钛合金及其加工列车连接件的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开的钛合金按重量百分比包括如下成分：Al为3.8-4.8％、V为2.0-3.2％、Fe为0.7-1.7％、O为0.2-0.3％，余量为Ti。加工步骤如下：步骤1)钛合金锭在相变点以上100～150℃温度范围内进行加热，终锻温度为900℃±20℃，进行开坯锻造，每次的压下量在10～25mm之间；步骤2)在相变点±20℃左右的温度范围内加热，进行镦拔锻造，终锻温度在850℃±20℃，压下量不超过长度的30％；步骤3)在相变点以下30～50℃加热，进行成品锻造，变形量控制在60％左右，成品锻造后进行热处理。步骤4)热处理制度为真空退火，退火温度在相变点内150℃左右，保温60～90min分钟，空冷。制造列车或动车转向架的传动销、连杆、电机吊杆及拉杆体、紧固件。本发明具有减重及耐蚀的效果。

Description

一种钛合金及其加工列车连接件的应用

技术领域

本发明属于紧固或固定构件或机器零件用的器件，如连接件或连接技术领域，具体地说，是涉及列车的钛合金连接件。

背景技术

钛在地壳中的含量为0.63％，居地球各种元素的第九位，按金属元素计位第七位，而按技术结构材料，仅次于铝、铁、镁而居第四位。

钛及其合金的密度为4.5g/cm³左右，仅为钢的57％。其比强度高，抗腐蚀性能和结合性能良好，高温力学性能、疲劳性和蠕变性能很好，具有优良的综合性能，是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料。

目前，钛及其合金主要用于航空航天和军工事业上。据统计，钛在航天航空上的应用约占钛总产量的70％左右。但随着海绵钛成本的下降，钛合金材料的价格降低，钛合金的开发研制与钛材品种的增多，钛在民用工业中的应用成倍增加，特别是在造船工业、汽车工业、化工、电子、海洋开发、海水淡化、地热发电、排污防腐、体育休闲用品、医疗等民用领域获得广泛的应用。

随着科学技术的发展，铁路列车实现了一次又一次的提速。目前，在轨道交通行业中，随着速度的提升，无论是机车、动车、城际轨道车辆，都对降低轴重要求有所提升。列车中很多零件都用钢制造，首先钢的密度大，而现今在列车中，对轴重要求很高，无论是机车、动车、城际轨道车辆，都希望降低列车的重量，而钢制零件，都比较重，无法满足机车、动车等其他列车的轻量化的要求。

轨道交通中各零件在列车运行过程中，大多暴露在外，而钢的耐蚀性较差，为了提高零件的使用寿命，多在钢件外面涂覆油漆，来提高钢的耐蚀性。而在东北冬季列车运行时，在下雪天气，零件外常有雪覆盖，为了快速融化雪，常会喷洒融雪剂，而融雪剂对钢件的腐蚀更大。而在沿海地区，由于受海水影响，空气中氯离子含量增多，也加快对钢件的腐蚀。基于钢的耐蚀性差，而列车的工作环境较恶劣，这样对各零部件的维修成本较高。

且列车中钢制零件都需要热处理，而同一种钢，因其要求及工作环境的不同，其热处理工艺也比较复杂。加重了工人的工作量。

发明内容

本发明就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提供一种承受高、低温能力强，能延长零件寿命的系列列车的钛合金连接件。

为实现上述目的本发明采用的技术方案如下：

一种钛合金，钛合金按重量百分比包括如下成分：Al为3.8-4.8％、V为2.0-3.2％、Fe为0.7-1.7％、O为0.2-0.3％，余量为Ti。

钛合金按重量百分比包括如下成分：Al为4-4.8％、V为2.0-3.2％、Fe为0.7-1.7％、O为0.2-0.3％，余量为Ti。

钛合金按重量百分比包括如下成分：Al4％、V3.1％、Fe1.4％、O0.3％，Ti91.2％。

钛合金按重量百分比包括如下成分：Al4.5％、V2.1％、Fe0.9％、O0.3％，Ti92.2％。

钛合金按重量百分比包括如下成分：Al4.8％、V2.6％、Fe1％、O0.3％，Ti91.3％。

一种钛合金的制备方法，制备方法的步骤如下：

步骤1)钛合金锭在相变点以上100～150℃温度范围内进行加热，终锻温度为900℃±20℃，进行开坯锻造，每次的压下量在10～25mm之间；

步骤2)在相变点±20℃左右的温度范围内加热，进行镦拔锻造，终锻温度在850℃±20℃，压下量不超过长度的30％；

步骤3)在相变点以下30～50℃加热，进行成品锻造，变形量控制在60％左右，成品锻造后进行热处理。

步骤4)热处理制度为真空退火，退火温度在相变点内150℃左右，保温60～90min分钟，空冷。

一种钛合金的应用，在轨道交通领域中的应用，制造列车或动车转向架的传动销、连杆、电机吊杆及拉杆体、紧固件。

钛合金的第一传动销，由三个部分组成，包括销头左部、销中间连接部和销头右部；采用过盈配合与车轮连接，进一步紧固零件；销中间连接部的外表面包括圆柱面和锥面，锥面位于销头右部一侧，采用小间隙配合与连杆连接；

所述钛合金的第二传动销，起连接和紧固作用。右端与连杆小间隙配合，并通过三个M10的螺栓连接，进一步紧固零件。

钛合金的第一连杆，其特征在于：所述的第一连杆为叉状连杆，连杆一端相对地设置有两个第一定位孔，连杆的另一端上设置有一个第二定位孔，两个第一定位孔Φ53与第二定位孔Φ100和中心距为175.4mm；

钛合金的第二连杆，其特征在于：所述的第二连杆两端设置有两个定位孔Φ53，所述的定位孔能够与第二传动销小间隙配合；两定位孔的中心距为180mm。

钛合金的电机吊杆，其特征在于：所述电机吊杆的两端设置有定位孔，定位孔与转向架零件采用过盈配合；在电机吊杆的杆体两侧还分别设置两个矩形减轻槽；

钛合金的拉杆体，其特征在于：所述拉杆体的两端设置有定位孔，定位孔与转向架、轴箱采用过盈配合；在拉杆体的两侧分别设置有矩形减轻槽。

本发明的优点是：

1、对于列车而言，簧下重量的降低将大幅提高列车的开行速度，进一步发挥列车的运行的安全性和舒适度。由于本发明的钛合金具有密度小、良好的疲劳性能、高温性能及耐腐蚀性能等特点，采用本发明的钛合金材料制造的零件组，大大提高了强度，并延长了使用寿命，降低检修成本，节约能源，具有较好的应用前景；除满足列车中钢制零件的强度要求，还能减轻43％左右的重量，从而达到降低轴重的目的。采用本发明钛合金的传动销、连杆、电机吊杆、拉杆体，用于机车及动车车辆，其装配在转向架装置中。原有零件采用42CrMo，其密度是7.89g/cm³，而铝的密度为2.7g/cm³，钛的密度为4.51g/cm³，但铝的强度达不到零件要求，故用本发明的钛合金替换，在不改变结构的基础上，可以达到减重43％左右的效果。

2、本发明的钛合金不仅能达到减重的效果，还具有极强的耐蚀性。本发明的钛合金在海水中的腐蚀速率小于0.051mm/年，可见本发明的钛合金的耐蚀性极强。列车的零件原为钢制零件，长期暴露在空气中；由于钢的耐蚀性较低，为防止腐蚀，在其表面涂覆油漆。采用本发明钛合金生产的列车零件，由于本发明的钛合金具有极强的耐蚀性，暴露在空气中，完全不会被腐蚀，故可以不用涂覆油漆；不仅省涂覆油漆的价钱和时间，还可以省去油漆的重量。

3、本发明钛合金具有耐高温和耐低温性能，能承受-253℃～500℃。钢具有低温脆性，冬季机车及动车在较低温度环境下运行时，钢零件的力学性能会有所降低，影响零件的寿命。采用本发明钛合金的轨道交通零件即能承受机车高温运行时的高温环境，而且在-196℃时，仍能保持抗拉强度≥1300MPa，屈服强度≥1100MPa，伸长率≥8％。因此，本发明钛合金列车零件承受高、低温能力强，能延长零件的寿命。

4、本发明钛合金螺栓比传统的不锈钢螺栓寿命长，传统的不锈钢螺栓是因为其耐蚀性而应用在特殊环境，但由于不锈钢螺栓具有粘着性，导致其无法拆卸。而钛合金螺栓本身由于钛合金材料本身极强的耐蚀性，故而钛合金螺栓比不锈钢螺栓具有更良好的耐蚀性，通过表面处理技术，使其方便拆卸。

附图说明

图1是采用本发明钛合金的第一传动销的结构示意图。

图2是采用本发明钛合金的第二传动销的结构示意图。

图3是采用本发明钛合金的第一连杆的结构示意图。

图4是采用本发明钛合金的第二连杆的结构示意图。

图5是采用本发明钛合金的电机吊杆的结构示意图。

图6是采用本发明钛合金的拉杆体的结构示意图。

具体实施方式

钛合金的化学成分及显微组织在很大程度上影响钛合金的性能，由于钛及钛合金具有高的化学活性，当加热时，钛会与H、O、N发生反应，导致钛合金冲击韧性、断面收缩率和伸长率急剧下降，所以H、O、N通常被认为是杂质元素，含量都很低。本发明的钛合金加入O的含量远超过钛合金中O元素的通常的含量，钛合金的强度、硬度有所提高，加入Fe元素，降低了V元素的含量，既保证了钛合金的强度、硬度，也保持了钛合金的冲击韧性、断面收缩率及伸长率，保证了良好的力学性能。

实施例1：本发明的钛合金的成分如下：Al4％、V3.1％、Fe1.4％、O0.3％，Ti91.2％。

实施例2：本发明的钛合金的成分如下：Al4.5％、V2.1％、Fe0.9％、O0.3％，Ti92.2％。

实施例3：本发明的钛合金的成分如下：Al4.8％、V2.6％、Fe1％、O0.3％，Ti91.3％。

钛合金的加工方法如下：

制备海绵钛→熔炼铸锭→开坯锻造→修磨→镦拔锻造→修磨→成品锻造→退火→车光→棒材。

制备海绵钛：海绵钛是由金红矿石经氯化形成TiCl₄，然后用Mg还原TiCl₄而获得的海绵钛。海绵钛根据杂质含量的不同分为0级、1级2级等不同级，其中0级海绵钛的杂质含量最低，本发明钛合金采用1级海绵钛。

熔炼铸锭：钛是活性金属，在高温下极容易与氧、氮等气体反应，也几乎与所有的坩埚材料(如耐火材料、石墨等)起反应，使金属钛被污染而失去原有的良好工艺性能及力学性能。因此，钛必须在真空或惰性气体保护中进行熔炼。本发明钛合金采用真空自耗电弧炉熔炼，并且熔炼两次，使钛合金铸锭的合金成分更加均匀。

开坯锻造：由于钛合金铸锭的晶体组织粗大，力学性能较差，锻造初始温度在相变点以上100～150℃温度范围内进行加热左右，终锻温度在900℃±20℃，每次的压下量在10～25mm之间。

修磨：钛合金加热后，为保证表面裂纹不向深处扩散，需要进行修磨处理。

镦拔锻造：进行一次三墩三拔，锻造时压下量不能超过长度的30％，先进行高温镦拔锻造，初始温度在相变点±20℃左右的温度范围内加热，终锻温度在850℃±20℃。

成品锻造：在相变点以下30～50℃加热，终锻温度在850℃±20℃，锻造结束后进行空冷。

退火：加热到780℃～850℃左右，然后保温60～90min，然后空冷。

车光：车去棒材表面的氧化皮。

由于钛合金价钱较贵，现很多公司都在研发价钱低廉的钛合金，为满足列车零件的力学性能，本发明开发出新的价格低廉的钛合金。首先，钛合金中的化学成分影响着钛合金的成本，在本发明的钛合金中在保证强度的同时，降低了贵重元素V的含量，增加的Fe、O低价元素。

例如，常见的TC4合金，其Al的含量在5.5～6.75％之间，V的含量在3.5～4.5％之间，Fe作为杂质元素。本发明钛合金中Al含量为3.8～4.8％，V含量为2.0～3.2％，而V的价钱在16万/吨左右，这样，在合金成分这方面每吨省去约2400元左右，且Fe作为主要成分元素，再适当增加其他元素的含量。

Al是钛合金中除Ti以外的主要元素，Al在本发明的钛合金中作为α稳定元素，通过形成置换固溶体产生固溶强化。并且，加入适量的铝元素可以提高钛合金室温和高温强度以及热强性。但是，若铝含量超过7％，易形成脆性相，故在本发明的钛合金设计中，铝添加量在3.8～4.8/％。V是同晶型β稳定元素，与钛具有相同的晶格结构和相近的原子半径，降低β转变温度，在β相中无限固溶，扩大β相区，增大β相稳定性的元素。在众多同晶型β稳定元素中，V的强化作用最明显，可提高室温和高温的强度，增加淬透性，并提高含铬和铁合金的热稳定性。Fe为共析型β稳定元素，降低β转变温度，扩大β相区，且会引起共析转变的元素，Fe与钛共析反应温度较低，转变速度极慢。铁是最强的β稳定元素之一，但对热稳定性不好，熔炼时易产生偏析，因而应用的较少。但在保证强度的同时，本发明的钛合金添加少量的Fe，增加其强度。Fe含量为0.5～1.4％。添加TiO₂，也增加其强度。O的含量为0.4％左右。其抗拉强度≥950MPa，屈服强度≥930MPa，伸长率≥14％，断面收缩率≥52％，硬度为HRC32。

若将钛合金应用于列车中，其价格还会有大幅度的下降。目前，由于钛合金主要应用于航空航天、化工等特殊行业，尽管近年来，在民用中得到应用，但其用量仍比较少，故钛合金价钱仍被认为价钱较高，没有在列车行业有所应用。中国人口众多，地理面积较大，未来列车行业会快速发展，以满足人们的出行需要。据不完全统计，铁路客车，年需求量维持在4000～6000辆左右；动车组，年需求量维持在300～400辆左右；不仅国内铁路行业需求巨大，国外向我国进口的机车也很多，据新闻报道，去年3月17日，中国南车集团与中国北车集团与南非签订了近590台机车。由此可见，当将钛合金应用于铁路行业，其用量之多可想而知，随着其用量的增加，钛合金的价钱必然会下降，未来钛合金在列车中的应用会越来越多。

上述钛合金可用于生产本发明的所有零件，以下技术方案为本发明钛合金在列车中的具体应用，参见附图1-6。

所述钛合金的第一传动销，其结构要点是：由三个部分组成，包括销头左部、销中间连接部和销头右部；销头左部的尺寸为Φ54×55mm，采用过盈配合与车轮连接，销头左部内置一个M24的螺纹孔，通过螺栓连接，进一步紧固零件；销中间连接部的外表面包括圆柱面和锥面，锥面位于销头右部一侧，圆柱面的销中间连接部的尺寸为Φ80×18.5mm，锥面的销中间连接部的长度为40mm；销头右部的尺寸为Φ53×64mm，采用小间隙配合与连杆连接。

采用本发明钛合金的第一传动销的销头左部利用过盈配合连接车轮，通过其螺纹孔与螺栓连接，进一步紧固零件；销中间连接部位起固定过渡作用；销头右部采用小间隙配合与连杆连接，与连杆关节配合起固定作用。在保证强度的前提下，采用本发明钛合金及结构的传动销，相对应的重量由原有的4.68kg降低到2.34kg，即节约了能源。

所述钛合金的第二传动销，其结构要点是：起连接和紧固作用。右端与连杆小间隙配合，并通过三个M10的螺栓连接，进一步紧固零件。在保证强度的前提下，采用本发明钛合金及结构的传动销，相对应的重量由1.7kg降低到0.95kg，即节约了能源。

所述钛合金的第一连杆，其结构要点是：所述的第一连杆为叉状连杆，连杆一端相对地设置有两个第一定位孔，连杆的另一端上设置有一个第二定位孔，两个第一定位孔Φ53与第二定位孔Φ100和中心距为175.4mm，第一定位孔通过连杆盘，用第二传动销固定，与第二传动销的轴是小间隙配合，第二定位孔与连杆关节的轴采用过渡配合；且第一定位孔外端的长度为30mm，相应的重量从3.9kg降低到2.4kg，节约了能源。

所述的钛合金的第二连杆，其结构要点是：所述的第二连杆两端设置有两个定位孔Φ53，所述的定位孔能够与第二传动销小间隙配合；两定位孔的中心距为180mm，(中心距的要求使第二传动销能同第二连杆配合)，所述第二连杆厚度的15mm，宽度为50mm；在保证强度的前提下，使重量由原有钢件的1.7kg降低到0.9kg，即节约了能源。

所述的钛合金的电机吊杆，其结构要点是：所述电机吊杆的两端设置有定位孔，定位孔与转向架零件采用过盈配合；在电机吊杆的杆体两侧还分别设置两个矩形减轻槽，槽宽度50mm，槽长度85mm，槽深度28.5mm；以及为了降低应力集中，槽底部四边分别倒R18、R10、R15的圆角。在保证强度的前提下，该电机吊杆的重量为11.25kg，比原钢件降低了8.55kg，即节约了能源。

所述的钛合金的拉杆体，其结构要点是：所述拉杆体的两端设置有定位孔，定位孔与转向架、轴箱采用过盈配合；在拉杆体的两侧分别设置有矩形减轻槽，槽宽度60mm，槽长度340mm，槽深度10mm。在保证强度的前提下，该拉杆体的重量为8.75kg，比原钢件降低了6.46kg，即节约了能源。

所述的钛合金的紧固件与8.8级、9.8级紧固件性能对比如下：

钛合金螺栓具有很好的高低温性能，可在-253℃到400℃都具有良好的力学性能，且具有极强的耐蚀性。

以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钛合金，其特征在：

钛合金按重量百分比包括如下成分：Al为3.8-4.8％、V为2.0-3.2％、Fe为0.7-1.7％、O为0.2-0.3％，余量为Ti。

2.根据权利要求1所述的一种钛合金，其特征在：

钛合金按重量百分比包括如下成分：Al为4-4.8％、V为2.0-3.2％、Fe为0.7-1.7％、O为0.2-0.3％，余量为Ti。

3.根据权利要求1所述的一种钛合金，其特征在：

钛合金按重量百分比包括如下成分：Al4％、V3.1％、Fe1.4％、O0.3％，Ti91.2％。

4.根据权利要求1所述的一种钛合金，其特征在：

钛合金按重量百分比包括如下成分：Al4.5％、V2.1％、Fe0.9％、O0.3％，Ti92.2％。

5.根据权利要求1所述的一种钛合金，其特征在：

钛合金按重量百分比包括如下成分：Al4.8％、V2.6％、Fe1％、O0.3％，Ti91.3％。

6.一种钛合金的制备方法，其特征在于：

制备方法的加工步骤如下：

步骤1)钛合金锭在相变点以上100～150℃温度范围内进行加热，终锻温度为900℃±20℃，进行开坯锻造，每次的压下量在10～25mm之间；

步骤2)在相变点±20℃左右的温度范围内加热，进行镦拔锻造，终锻温度在850℃±20℃，压下量不超过长度的30％；

步骤3)在相变点以下30～50℃加热，进行成品锻造，变形量控制在60％左右，成品锻造后进行热处理。

步骤4)热处理制度为真空退火，退火温度在相变点内150℃左右，保温60～90min分钟，空冷。

7.一种钛合金的应用，其特征在于：

在轨道交通领域中的应用，制造列车或动车转向架的传动销、连杆、电机吊杆及拉杆体、紧固件。

8.根据权利要求7所述的一种钛合金的应用，其特征在于：

钛合金的第一传动销，由三个部分组成，包括销头左部、销中间连接部和销头右部；采用过盈配合与车轮连接，进一步紧固零件；销中间连接部的外表面包括圆柱面和锥面，锥面位于销头右部一侧，采用小间隙配合与连杆连接；

所述钛合金的第二传动销，起连接和紧固作用。右端与连杆小间隙配合，并通过三个M10的螺栓连接，进一步紧固零件。

9.所述权利要求求7所述的一种钛合金的应用，其特征在于：

钛合金的第一连杆，其特征在于：所述的第一连杆为叉状连杆，连杆一端相对地设置有两个第一定位孔，连杆的另一端上设置有一个第二定位孔，两个第一定位孔Φ53与第二定位孔Φ100和中心距为175.4mm；

钛合金的第二连杆，其特征在于：所述的第二连杆两端设置有两个定位孔Φ53，所述的定位孔能够与第二传动销小间隙配合；两定位孔的中心距为180mm。

10.所述权利要求求7所述的一种钛合金的应用，其特征在于：

钛合金的电机吊杆，其特征在于：所述电机吊杆的两端设置有定位孔，定位孔与转向架零件采用过盈配合；在电机吊杆的杆体两侧还分别设置两个矩形减轻槽；

钛合金的拉杆体，其特征在于：所述拉杆体的两端设置有定位孔，定位孔与转向架、轴箱采用过盈配合；在拉杆体的两侧分别设置有矩形减轻槽。