CN105088013B - 一种制作机车制动盘螺栓的钛合金材料及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种制作机车制动盘螺栓的钛合金材料，钛合金材料按质量百分比包含以下成分：Al:6.0％‑6.5％，Cr:1％‑1.5％，Si:0.15％‑0.20％，Mo:2.6％‑3.3％，Fe:0.35％‑0.45％，Zr:0.1‑0.5％，余量为Ti。提高铁路机车车辆制动系统紧固螺栓室温综合力学性能；提高紧固件高低温力学性能，扩大应用温度范围；提高耐腐蚀性能，延长使用寿命。本发明用于公称直径小于20mm的螺栓。

Description

一种制作机车制动盘螺栓的钛合金材料及其加工工艺

技术领域

本发明属于紧固零件，涉及一种钛合金紧固件，尤其涉及一种铁路机车车辆制动系统专用钛合金紧固螺栓。

背景技术

随着铁路列车的提速，对于机车车辆制动系统的零部件性能要求越来越高。制动系统的主要组成部分：制动盘及闸片，制动盘通过紧固件与车轮或车轴连接并紧固，紧固件在列车制动过程中的作用非常重要。机车车辆上目前使用的紧固件材料主要是碳钢和不锈钢。列车制动盘紧固件，在制动过程中，与制动盘一样需承受较恶劣的工作环境的作用。制动盘紧固件的主要性能要求如下：(1)具有较高的强度。由于列车制动时，制动盘紧固件将承受较大的剪切应力作用，因此，要求制动盘螺栓具有较高的强度。(2)较好的抗热裂性能。列车制动时，制动盘在急冷急热的环境中工作，这使得紧固件的工作环境也随之变化，因此要求，制动盘螺栓需具有较好的抗热裂性能。(3)较高的高低温力学性能。机车制动盘制动时工作温度约为300℃，高速列车(动车)制动时的温度可能高于300℃，因此，螺栓材料还需具有较好的高温力学性能。同时，列车行驶的地域不一样，有的列车需在-40℃的环境中行驶，这也要求螺栓具有良好的低温力学性能。(4)耐蚀性能好。列车的运行环境及条件，决定了其零部件需具有好的耐蚀性能。(5)疲劳性能好。螺栓在列车运行中，需反复承受力的作用，因此，其需具有好的疲劳性能。(6)密度小。对列车轻量化具有重要意义。目前使用的碳钢紧固件及不锈钢紧固件重量较大，同时综合力学性能不高，耐腐蚀性能较差。同时，碳钢在低温环境中使用，具有低温脆性，容易发生断裂。钢在较高温度下，性能较常温性能差。钛合金在高温下能保持良好的机械性能。目前，钛合金紧固件的使用领域涉及航空、航天及化工等领域，且应用范围不断拓开，在轨道交通设备上没有应用。

制动系统紧固件大部分采用10.9级钢制紧固件，抗拉强度1040MPa，屈服强度940MPa，延伸率9％，断面收缩率48％，硬度HRC32-39HRC，冲击功20J。

本发明是针对机车车辆制动系统研制的钛合金紧固螺栓，不仅具有好的减重效果，具有高强度、抗疲劳、耐腐蚀等优异的综合性能。钛合金紧固螺栓在铁路机车车辆上的应用将具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种铁路机车车辆制动系统专用钛合金紧固螺栓，并公开一种钛合金紧固螺栓的加工方法。

本发明的技术方案是：

第一步、熔炼铸锭：采用真空自耗电弧炉熔炼，进行三次真空自耗熔炼；

第二步、开坯锻造：开坯锻造加热温度1080℃-1180℃；

第三步、换向镦拔锻造：进行三墩三拔，第一次1050℃-1100℃高温镦拔，第二次980℃-1020℃镦拔，第三次镦拔温度850℃，三次镦拔后形成棒材；

第四步、棒材轧制：加热至950℃，轧制成所需尺寸；

第五步、表面处理：采用氟硼酸钾溶液，氯化钡溶液，硝酸铵溶液及水按一定比例配制，加热至80-90℃，将需成型的棒材放入其中恒温浸泡30min；

第六步、热墩成型：六角头螺栓头部采用两次热墩成型，第一次热墩将棒头加热至1030℃，第二次热墩将棒头连续加热至950℃，采用两次成型，得到完整的螺栓头部，不需后续加工；

第七步、滚丝：滚压压力10-15t，进给量1mm/s，转速25-40r/min，滚压时间5s，滚压全过程采用冷却液冷却；

第八步、退火热处理：加热温度820℃±10℃，保温2小时，空冷。

本发明的优点是：

提高铁路机车车辆制动系统紧固螺栓室温综合力学性能；提高紧固件高低温力学性能，扩大应用温度范围；提高耐腐蚀性能，延长使用寿命。本发明用于公称直径小于20mm的螺栓。

附图说明

图1为螺栓的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步详细说明。

一种制作机车制动盘螺栓的钛合金材料，钛合金材料按质量百分比包含以下成分：Al:6.0％-6.5％，Cr:1％-1.5％，Si:0.15％-0.20％，Mo:2.6％-3.3％，Fe:0.35％-0.45％，Zr:0.1-0.5％，余量为Ti。

Al:6.0％-6.2％，Cr:1.3％-1.5％，Si:0.18％-0.20％，Mo:2.7％-3.0％，Fe:0.38％-0.40％，Zr:0.3-0.5％，余量为Ti。

Al:6.0％，Cr:1.4％，Si:0.18％，Mo:2.9％，Fe:0.38％，Zr:0.5％，余量为Ti。

Al有固溶强化作用，提高抗拉强度，但铝含量偏高将影响其韧性及塑性，因此适当控制铝的含量；Cr的强化作用较明显，但其在高温长期工作时容易产生组织不均匀，蠕变抗力较低，适当控制Cr的含量；Si的加入可以提高合金的耐热性和耐稳定性；Mo的加入能有效提高合金耐热性及抗腐蚀性能；Fe的加入起到提高强度的作用。Zr的加入起补充强化作用。

本发明的钛合金制动盘的一种螺栓的外形见图1。图1为制动盘常用紧固件的一种六角头螺栓。本加工工艺适用于螺栓公称直径为M20以下的紧固件。

钛合金螺栓成型加工的具体工艺如下：

熔炼铸锭——开坯锻造——换向镦拔锻造——棒材轧制——表面处理——热墩成型——滚丝——退火热处理

熔炼铸锭：由于钛是一种化学性质非常活泼的金属，在高温下很容易与大气中的氧、氮发生反应，因此，钛合金铸锭熔炼在真空下进行。采用真空自耗电弧炉熔炼。为了保证钛合金铸锭成分的均匀性和尽可能消除偏析，采用三次真空自耗熔炼。

开坯锻造：开坯锻造加热温度1080℃-1180℃。

镦拔：进行三墩三拔，1050℃-1100℃高温镦拔，980℃-1020℃镦拔，镦拔终锻温度850℃。

轧制：加热至950℃，轧制到适当尺寸，再机械加工到所需螺栓中径尺寸。

表面处理：采用氟硼酸钾溶液，氯化钡溶液，硝酸铵溶液及水按2:2:1:2.5配制，加热至80-90℃，将需成型的棒材放入其中恒温浸泡30min。

表面处理可以解决钛合金螺栓在加工过程中，出现粘轮现象，改善表面质量，滚丝前对钛合金棒进行表面处理，以达到润滑作用，经该处理后，滚丝得到的螺栓表面粗糙度得到较大改善。同时表面形成的涂层不需要时，采用酸洗的方法极易去除。

热墩：六角头螺栓头部采用两次热墩成型，第一次热墩将棒头加热至1030℃，第二次热墩将棒头连续加热至950℃，采用两次成型，得到完整的螺栓头部，不需后续加工。

滚丝：滚压压力10-15t，进给量1mm/s，转速25-40r/min，滚压时间5s，滚压全过程采用冷却液冷却。

退火热处理：加热温度820℃±10℃，保温2小时，空冷。

此钛合金螺栓性能及与10.9级制动盘螺栓性能如表1，钛合金螺栓的强度远高于轨道车辆制动盘现用10.9级螺栓的强度，钛合金螺栓的塑性指标较好，同时具有良好的塑性和韧性，其硬度也在10.9级螺栓要求范围内。

表1钛合金螺栓与10.9级螺栓性能对比

此钛合金螺栓具有优异的高低温性能，列车运行的环境温度最低达到-50℃，钛合金的最低使用温度达到-253℃，且在-50℃时的性能较室温变化不大。同时此钛合金能在400℃长期使用，疲劳性能优异，列车制动盘制动时的工作温度在300℃左右，因此钛合金螺栓完全满足使用温度需求，同时可以减重40％左右，是目前铁路机车车辆制动系统最合适的紧固件。

Claims (1)

1.一种采用钛合金材料制作机车制动盘螺栓的加工工艺，其特征在于：

钛合金材料按质量百分比包含以下成分：Al:6.0％-6.5％，Cr:1％-1.5％，Si:0.15％-0.20％，Mo:2.6％-3.3％，Fe:0.35％-0.45％，Zr:0.1-0.5％，余量为Ti；

工艺流程如下：

熔炼铸锭——开坯锻造——换向镦拔锻造——棒材轧制——表面处理—热镦成型——滚丝——退火热处理；

第一步、熔炼铸锭：采用真空自耗电弧炉熔炼，进行三次真空自耗熔炼；

第二步、开坯锻造：开坯锻造加热温度1080℃-1180℃；

第三步、换向镦拔锻造：进行三镦三拔，第一次1050℃-1100℃高温镦拔，第二次980℃-1020℃镦拔，第三次镦拔温度850℃，三次镦拔后形成棒材；

第四步、棒材轧制：加热至950℃，轧制成所需尺寸；

第五步、表面处理：采用氟硼酸钾溶液，氯化钡溶液，硝酸铵溶液及水按一定比例配制，加热至80-90℃，将需成型的棒材放入其中恒温浸泡30min；

第六步、热镦成型：六角头螺栓头部采用两次热镦成型，第一次热镦将棒头加热至1030℃，第二次热镦将棒头连续加热至950℃，采用两次成型，得到完整的螺栓头部，不需后续加工；

第七步、滚丝：滚压压力10-15t，进给量1mm/s，转速25-40r/min，滚压时间5s，滚压全过程采用冷却液冷却；

第八步、退火热处理：加热温度820℃±10℃，保温2小时，空冷。