应用内燃机车上的钛合金活塞连杆组及工艺方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于轨道交通技术领域，目前钛合金应用轨道交通领域为零，涉及到柴油 机活塞连杆组减轻重量、抗疲劳和防腐蚀，特别涉及到钛合金活塞连杆组的新结构、新材 料、新工艺。
【背景技术】
[0002] 钛合金具有高强度，低密度，低弹性模量，极好的抗疲劳性和耐腐蚀性。钛材料不 会发生断裂，不会生锈，在任何大气环境下都不会腐蚀。钛合金是如此抗拒腐蚀，甚至不需 要任何喷漆处理。具有这么多优点的钛合金材料却没有被应用在轨道交通设备中。
[0003] 钛合金密度为4. 5g/cm3,是钢密度的57%，强度与钢相当，替换钢材减重43%。美 军CH53型重型运输直升机采用钛合金640kg(约结构质量的10% )，代替I. 02t钢材，减重 380kg。钛合金还是比强度最高的金属材料，等强度替换铝合金减重20-30%。而且可以减 小高速运动部件的运动惯量。意大利的法拉利2003En20型超级汽车V12发动机采用钛合 金连杆后，机动性能增强助推速度3. 9s内可达62km/h。钛合金屈强比为0. 68-0. 96,碳素 钢为0. 6-0. 65,合金结构钢为0. 65-0. 86,屈强比高提高可靠性。钛合金与钢相比，具有较 低的剪切模量。大众2001Lup〇FSI型汽车采用TimetalLCB制造的钛合金弹簧，与钢制弹簧 比，质量减少60%，体积缩小25%，而且更加安全可靠，寿命长。钛合金的高低温力学性能 优越，在-253-550°C温度范围，具有较高的强韧性，如表2。
[0004] 表 2
[0005]
[0006] 而钢具有低温脆性，在低温环境下塑性、韧性、延伸率降低，易发生脆性断裂。钛合 金最重要的特性是耐腐蚀好，如表3。
[0007] 表 3
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[0009] 钛合金线性膨胀系数小，纯钛为8. 2X10 6/K，约为碳钢的2/3,不锈钢的1/2。 [0010] 以往，人们通常认为钛合金是稀有金属，其储量少，若将其应用到轨道交通设备 中，其产量无法满足需求，其实钛合金储量完全能够满足工业中大规模应用，钛在地壳中的 含量为0. 61 %，比铜、镍、锡、铅、锌等一般有色金属总和还多十几倍，蕴藏量是铜的十倍，而 且在全世界中国的钛储量居世界第一，如表4:
[0011]表 4
[0014] 人们普遍认为钛合金价钱很贵，随着钛合金的飞速发展，海绵钛价格的降低，钛合 金的价钱已有大幅度的下降，2007年海绵钛的价格为9. 5万/吨，到2014年即最近的价格 报价为5万/吨左右。未来几年随着电解法制备海绵钛将实现工业化，海绵钛的价格会降 低到3万/吨左右。
[0015] 近年来，钛合金因其高的屈强比和耐蚀性，成为内燃机车用柴油机零部件材料的 一种新选择。
[0016] 钛合金已经在航空、汽车和化工有应用。钛合金活塞销具有重量轻、耐腐蚀性优良 和抗疲劳等优点。
[0017] 随着铁路快速发展，内燃机车的轻量化设计要求，钛合金柴油机活塞连杆组替代 钢制活塞连杆组成为发展需求。
[0018] 现在轨道交通上内燃机车用柴油机钢活塞连杆组主要包括活塞顶、活塞环、活塞 销、连杆、连杆螺栓。
[0019] 目前活塞顶材料主要是42CrMo。
[0020] 活塞环材料主要是合金铸铁、球墨铸铁。
[0021] 活塞销材料主要是合金渗碳钢12CrNi3A、18Cr2Ni4WA、20CrMnTi。
[0022] 连杆材料主要是42CrMo。
[0023] 连杆螺栓材料主要是42CrMo。
[0024] 钢制零部件存在太重、防腐性能不好、断裂影响寿命等问题。
[0025] 铝制零部件存在弹性模量和屈服强度较低的问题。
[0026] 此活塞连杆组主要应用于180型、240型、280型、ND2型、ND5型机车柴油机。
【发明内容】
[0027] 提供一种应用轨道交通内燃机车上的钛合金活塞连杆组及工艺方法。本发明要解 决的技术问题是减轻重量，提高抗腐蚀性能，提高使用寿命，达到内燃机车的轻量化设计要 求和提尚活塞往复运动的动力性能。
[0028] 本发明的技术方案是：
[0029] 一种用于制造活塞连杆组的钛合金，为了防止异种金属间摩擦磨损，所述活塞连 杆组零部件采用同一种钛合金原材料，钛合金材料性能指标如表4 :
[0030]
[0031] 表 4
[0032] 钛合金按质量百分比为：
[0033] Al含量为5. 5-6. 5 %，Mo含量为0? 5-1. 5 %，V含量为3. 5-4. 5 %，Fe含量为小于 0. 25 %，0含量为小于0. 15 %，余量为Ti。
[0034] 钛合金按质量百分比为：
[0035]Al含量为5. 8-6. 2 %，Mo含量为0? 8-1. 2 %，V含量为3. 8-4. 2 %，Fe含量为小于 0. 25 %，0含量为小于0. 15 %，余量为Ti。
[0036] 钛合金按质量百分比为：
[0037] 本发明较佳实施例为：
[0038] Al含量为6%，Mo含量为1%，V含量为4%，Fe含量为0.2%，0含量为0. 1%，余 量为Ti。
[0039] 本发明的优点是：本发明减轻内燃机车柴油机活塞系统重量35~50%，强度比钢 活塞销更高，使用寿命比钢活塞销长，防腐蚀性能远优于钢活塞销。钛合金活塞销内孔采用 圆柱形代替原截锥形和组合形，使受力更加均匀，不至于局部过度破损。
【附图说明】
[0040] 图1为本发明的钛合金活塞销剖面图。
[0041] 图2为本发明的钛合金活塞顶示意图。
[0042] 图3为本发明的钛合金活塞环示意图。
[0043] 图4为本发明的钛合金连杆螺栓示意图。
[0044] 图5为本发明的钛合金连杆示意图。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合说明书附图及实施例对本发明进一步详细说明。
[0046] 一种用于制造活塞连杆组的钛合金，为了防止异种金属间摩擦磨损，所述活塞连 杆组零部件采用同一种钛合金原材料，钛合金材料性能指标如表4 :
[0047]
[0048] 表 4
[0049] 钛合金按质量百分比为：
[0050]Al含量为5. 5-6. 5 %，Mo含量为0? 5-1. 5 %，V含量为3. 5-4. 5 %，Fe含量为小于 0. 25 %，0含量为小于0. 15 %，余量为Ti。
[0051] 钛合金按质量百分比为：
[0052] Al含量为5. 8-6. 2 %，Mo含量为0? 8-1. 2 %，V含量为3. 8-4. 2 %，Fe含量为小于 0. 25 %，0含量为小于0. 15 %，余量为Ti。
[0053] 钛合金按质量百分比为：
[0054] 本发明较佳实施例为：
[0055] Al含量为6%，Mo含量为1%，V含量为4%，Fe含量为0.2%，0含量为0. 1%，余 量为Ti。
[0056] -种用钛合金