CN108842099A

CN108842099A - 一种轻量化火车制动系统紧固件用钛合金及其加工工艺

Info

Publication number: CN108842099A
Application number: CN201811165662.9A
Authority: CN
Inventors: 杨长江
Original assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd; Guangzhou Yuzhi Technology Co Ltd
Priority date: 2018-10-08
Filing date: 2018-10-08
Publication date: 2018-11-20

Abstract

本发明公开了一种轻量化火车制动系统紧固件用钛合金及其加工工艺。按照重量百分比,该合金的成分为:Ca:1.0‑1.5wt.%,Cr:2.4‑2.8wt.%,In:3.0‑4.0wt.%,W:0.2‑0.4wt.%,Re:0.1‑0.2wt.%,Ni:5.0‑6.0wt.%,Ag:1.0‑1.5wt.%,Eu:0.2‑0.4wt.%，余量为钛。该材料为轻量化需要的行业提供了一种具有优异力学性能和物理性能的钛合金。该合金的实施和产业化会大大推动我国在交通领域对高端钛合金材料的商业升级需求。

Description

一种轻量化火车制动系统紧固件用钛合金及其加工工艺

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种钛合金。

背景技术

高纯钛具有银灰色光泽,密度为4.51g/cm³，属于轻金属。钛的熔点较高，能在高温条件下保持较高的比强度。钛合金的工作温度范围较宽，低温钛合金在-253℃时，仍能保持良好的塑性。耐热钛合金的工作温度可达550℃左右。钛是高新技术不可或缺的关键材料，社会的现代化程度越高，钛用量就越大。世界范围内，用钛量的多少是一个国家发达程度的标志。我国的钛工业也得到了空前的发展，钛及其合金已应用于生活的各个领域。

化工、冶金、造纸、制碱、石油和农药工业，是使用钛铸件的最早行业。钛在各种浓度的硝酸、铬酸中都很稳定。此外，纯钛在碱溶液和大多数有机酸化合物中的抗蚀性也很高。钛的突出特点是不发生局部腐蚀，一般为均匀腐蚀。由于钛铸件的应用，化工工业不仅可以获得可观的经济效益，而且能为长时间维持工厂的正常运转提供强有力的保障。

航空航天工业的发展离不开高性能合金，这些合金包括铝合金、钛合金和高温合金(镍基合金)。铝合金主要用于飞机蒙皮、结构件等，主要是室温和较低温度下的受力零件;钛合金主要用于550℃及以下温度、承受较高载荷的零件;高温合金主要用于航空发动机高温部分零件，比如发动机叶片等。汽车工业也是一个潜力巨大的钛制品市场,且随着各种制造工艺的不断发展，对回收材料加以充分利用，成本逐年下降，钛合金已开始应用于民用轿车生产中。此外,钛易于阳极化而呈各种颜色，根据这一特征将其应用于建筑、手表和珠宝业。在手表行业中，常采用硬度高的钛合金经氮化处理后以提高硬度。同时，钛的一个优势在于对皮肤没有过敏反应。目前钛手表已持续降低成本，并不断加以推广。

材料是人类社会赖以生存的物质基础，纵观人类发展的历史，每种重要新材料的发现和应用都把人类改造自然的能力提升到一个新的水平。在科技日新月异的当代社会，每一项重大科技的突破也很大程度上都是依赖于相应的新材料的发展。新材料是现代科技发展之本，现阶段高新技术的发展往往以新材料技术为突破。考虑到钛合金的应用领域和使用量，可以说新型钛合金材料的开发和应用，在某种程度上代表着一个国家的科技水平。

随着当今世界的发展以及人民生活水平的提高，对高性能钛合金材料以及使用于极端环境先进钛合金材料的需求也越来越多。可以预见的是钛基合金会在工业领域和国防领域展现出更为广阔的应用前景。进行合金新材料的创新离不开合金结构和成分设计，而材料的热力学和动力学是解决该类问题的主要方法。通过优化合金元素的筛选和成分确定，不仅可以达到所需要的各种性能指标，还会降低合金冶炼和加工的生产成本和对设备的要求。该类产品不仅使用寿命有了进一步的提高，还便于工业化大规模生产。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种轻量化火车制动系统紧固件用钛合金及其加工工艺。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种轻量化火车制动系统紧固件用钛合金及其加工工艺。按重量百分比计,合金的组成为Ca:1.0-1.5wt.%,Cr:2.4-2.8wt.%,In:3.0-4.0wt.%,W:0.2-0.4wt.%,Re:0.1-0.2wt.%,Ni:5.0-6.0wt.%,Ag:1.0-1.5wt.%,Eu:0.2-0.4wt.%，余量为钛。

上述一种轻量化火车制动系统紧固件用钛合金及其加工工艺，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入。合金原料经配料和混料后，用压机压制成小电极。将若干支小电极组焊在一起，放入氩气保护自耗炉中熔炼3次。在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在氩气保护炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在室温下采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-540度，1.5个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：320-340度固溶处理1.8小时,随后空冷。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）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。由于制动盘通过紧固件螺栓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。目前使用的该类紧固件主要是碳钢和不锈钢,但是该类材料的综合力学性能不高,耐腐蚀性能较差。最为明显的缺点是，碳钢在低温环境中（小于-20度）使用时，具有低温脆性，容易发生断裂。同时在较高温度下使用时（大于100度），性能较常温性能差。由于使用环境严酷，火车制动系统用螺栓类紧固件需要具备良好的综合性能，如强度、塑性、韧性和耐热、耐寒及耐疲劳性能等。采用钛合金螺栓代替钢制螺栓将是制动盘螺栓的发展方向。为了解决这一行业难题，本专利申请保护了一种用于极端环境下的铁路列车制动系统紧固件用钛合金及其工艺。该材料不仅完全满足了使用环境下的性能要求，在倡导轻量化的交通领域具有极为重要的降低能量消耗的能力。

（2）传统的钛合金在浇铸后的铸件中存在大量非常细小气孔，这类缺陷会使铸件的力学性能显著降低，并需要大量的热加工变形来进一步消除铸造的气孔和疏松。由于钛合金最终要进行各种形式的精密铸造和锻造成型，合金的铸造性能对产品质量具有非常重要的影响。此外，很多企业被铸件中的气孔、砂眼、缩松、夹渣、裂纹等多种铸造问题困扰，影响了生产的正常秩序，增加了生产成本。本专利申请保护的新型钛合金，由于具备了大的凝固温度范围（1380-1470度），在凝固过程中枝晶间的空隙得到有效的补偿，因而铸件的密度高。该合金且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。因而本专利提供的钛合金铸锭表面光亮，填充性能好，显微组织显示合金内部干净，无夹杂，很少气孔。铸锭基本为等轴晶，偏析不严重。

（3）目前火车制动系统中紧固件采用钢材制备，其常温力学性能为：屈服强度940-960MPa，抗拉强度1040-1470 MPa，延伸率8-9%，硬度32-39 HRC，冲击吸收能量20J。本专利申请的钛合金具有优异的力学性能。在常温下，该合金的力学性能为：屈服强度1200-1300MPa，抗拉强度1320-1480MPa，延伸率16-18%，硬度40-45HRC，冲击吸收能量32-35J。因而从力学性能上来说，本专利申请保护的钛合金完全可以替代目前广泛使用的铁制火车制动系统用的紧固件。

（4）本专利申请保护的钛合金具有优异的高和低温性能。列车运行的环境温度最低达到-50℃，而该合金的最低使用温度达到-100℃，而且在该温度下本专利申请保护的钛合金的力学性能变动幅度和常温比不超过2%。同时，该钛合金能在400度以下的环境长期使用，而且列车制动盘制动时的工作温度在300度左右。可见，该钛合金制备的螺栓和螺母能完全满足使用温度和性能的要求。我国虽是紧固件生产的主要大国，但并非生产强国，尤其在生产高品质紧固件技术方面，还远远落后于欧美国家。本专利申请保护的钛合金除了满足使用性能外，还会表现出明显的减重效果，这与目前倡导的交通领域轻量化的现状是一致的。可以预计，该材料的成功产业化在解决行业难题的同时也会实现巨大的社会效益和经济效益。

具体实施方式

实施例1

一种轻量化火车制动系统紧固件用钛合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的组成为Ca:1.0wt.%,Cr:2.4wt.%,In:3.0wt.%,W:0.2wt.%,Re:0.1wt.%,Ni:5.0wt.%,Ag:1.0wt.%,Eu:0.2wt.%，余量为钛。上述一种轻量化火车制动系统紧固件用钛合金及其加工工艺，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入。合金原料经配料和混料后，用压机压制成小电极。将若干支小电极组焊在一起，放入氩气保护自耗炉中熔炼3次。在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在氩气保护炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在室温下采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-540度，1.5个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：320-340度固溶处理1.8小时,随后空冷。

该合金由于具备了大的凝固温度范围（1380-1470度），在凝固过程中枝晶间的空隙得到有效的补偿，因而铸件的密度高。该合金且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。因而铸锭表面光亮，填充性能好，显微组织显示合金内部干净，无夹杂，很少气孔。铸锭基本为等轴晶，偏析不严重。在常温下，该合金的力学性能为：屈服强度1250MPa，抗拉强度1360MPa，延伸率16%，硬度42HRC，冲击吸收能量32J。因而从力学性能上来说，该合金完全可以替代目前广泛使用的铁制火车制动系统用的紧固件。列车运行的环境温度最低达到-50℃，而该合金的最低使用温度达到-100℃，而且在该温度下该合金的力学性能变动幅度和常温比不超过2%。同时，该钛合金能在400度以下的环境长期使用，而且列车制动盘制动时的工作温度在300度左右。可见，该钛合金制备的螺栓和螺母能完全满足使用温度和性能的要求。

实施例2

一种轻量化火车制动系统紧固件用钛合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的组成为Ca:1.5wt.%,Cr:2.8wt.%,In:4.0wt.%,W:0.4wt.%,Re:0.2wt.%,Ni:6.0wt.%,Ag:1.5wt.%,Eu:0.4wt.%，余量为钛。上述一种轻量化火车制动系统紧固件用钛合金及其加工工艺，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入。合金原料经配料和混料后，用压机压制成小电极。将若干支小电极组焊在一起，放入氩气保护自耗炉中熔炼3次。在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在氩气保护炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在室温下采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-540度，1.5个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：320-340度固溶处理1.8小时,随后空冷。

该合金由于具备了大的凝固温度范围（1380-1470度），在凝固过程中枝晶间的空隙得到有效的补偿，因而铸件的密度高。该合金且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。因而铸锭表面光亮，填充性能好，显微组织显示合金内部干净，无夹杂，很少气孔。铸锭基本为等轴晶，偏析不严重。在常温下，该合金的力学性能为：屈服强度1290MPa，抗拉强度1350MPa，延伸率17%，硬度44HRC，冲击吸收能量32J。因而从力学性能上来说，该合金完全可以替代目前广泛使用的铁制火车制动系统用的紧固件。列车运行的环境温度最低达到-50℃，而该合金的最低使用温度达到-100℃，而且在该温度下该合金的力学性能变动幅度和常温比不超过2%。同时，该钛合金能在400度以下的环境长期使用，而且列车制动盘制动时的工作温度在300度左右。可见，该钛合金制备的螺栓和螺母能完全满足使用温度和性能的要求。

实施例3

一种轻量化火车制动系统紧固件用钛合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的组成为Ca:1.2wt.%,Cr:2.5wt.%,In:3.2wt.%,W:0.3wt.%,Re:0.1wt.%,Ni:5.2wt.%,Ag:1.4wt.%,Eu:0.3wt.%，余量为钛。上述一种轻量化火车制动系统紧固件用钛合金及其加工工艺，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入。合金原料经配料和混料后，用压机压制成小电极。将若干支小电极组焊在一起，放入氩气保护自耗炉中熔炼3次。在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在氩气保护炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在室温下采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-540度，1.5个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：320-340度固溶处理1.8小时,随后空冷。

该合金由于具备了大的凝固温度范围（1380-1470度），在凝固过程中枝晶间的空隙得到有效的补偿，因而铸件的密度高。该合金且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。因而铸锭表面光亮，填充性能好，显微组织显示合金内部干净，无夹杂，很少气孔。铸锭基本为等轴晶，偏析不严重。在常温下，该合金的力学性能为：屈服强度1260MPa，抗拉强度1380MPa，延伸率17%，硬度42HRC，冲击吸收能量32J。因而从力学性能上来说，该合金完全可以替代目前广泛使用的铁制火车制动系统用的紧固件。列车运行的环境温度最低达到-50℃，而该合金的最低使用温度达到-100℃，而且在该温度下该合金的力学性能变动幅度和常温比不超过2%。同时，该钛合金能在400度以下的环境长期使用，而且列车制动盘制动时的工作温度在300度左右。可见，该钛合金制备的螺栓和螺母能完全满足使用温度和性能的要求。

Claims

1.一种轻量化火车制动系统紧固件用钛合金及其加工工艺；按照重量百分比,该合金的成分为:Ca:1.0-1.5wt.%,Cr:2.4-2.8wt.%,In:3.0-4.0wt.%,W:0.2-0.4wt.%,Re:0.1-0.2wt.%,Ni:5.0-

6.0wt.%,Ag:1.0-1.5wt.%,Eu:0.2-0.4wt.%，余量为钛。

2.根据权利要求1所述一种轻量化火车制动系统紧固件用钛合金及其加工工艺，其特征在于包括如下冶炼步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入；合金原料经配料和混料后，用压机压制成小电极；将若干支小电极组焊在一起，放入氩气保护自耗炉中熔炼3次；在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在氩气保护炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。

3.根据权利要求1所述一种轻量化火车制动系统紧固件用钛合金及其加工工艺，其特征在于包含如下加工步骤：将铸棒在室温下采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-540度，1.5个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：320-340度固溶处理1.8小时,随后空冷。