一种制作机车制动盘螺栓的钛合金材料及其加工工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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°C，高速列车（动车）制动时的温度可能高于300°C，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°C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。
[0003] 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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] 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；
[0008] 第二步、开坯锻造：开坯锻造加热温度1080°C-1180°C;
[0009] 第三步、换向墩拔锻造：进行三墩三拔，第一次1050°C-1100°C高温墩拔，第二次 980°C-1020°C墩拔，第三次墩拔温度850°C，三次墩拔后形成棒材；
[0010] 第四步、棒材乳制：加热至950°C，乳制成所需尺寸；
[0011] 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°C，将需成型的棒材放入其中恒温浸泡30min;
[0012] 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°C，第二次热墩将棒头连续加热至950°C，采用两次成型，得到完整的螺栓头部，不需后 续加工；
[0013] 第七步、滚丝：滚压压力l〇-15t，进给量lmm/s，转速25-40r/min，滚压时间5s，滚 压全过程采用冷却液冷却；
[0014]第八步、退火热处理：加热温度820°C±KTC，保温2小时，空冷。
[0015] 本发明的优点是：
[0016] 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20_ 的螺栓。
【附图说明】
[0017] 图1为螺栓的示意图。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合实施例对本发明进一步详细说明。
[0019] -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：A1:6. 0 % -6. 5 %，Cr:l% -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。
[0020] Al:6. 0 % -6. 2%,Cr:l. 3 % -I. 5%,Si:0. 18%-〇. 20%,Mo:2. 7 % -3. 0%, Fe:0. 38% -0? 40%，Zr:0. 3-0. 5%，余量为Ti。
[0021] Al:6. 0%，Cr:l. 4%，Si:0. 18%，Mo:2. 9%，Fe:0. 38%，Zr:0. 5%，余量为Ti。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 钛合金螺栓成型加工的具体工艺如下：
[0025] 熔炼铸锭一一开坯锻造一一换向墩拔锻造一一棒材乳制一一表面处理一一热墩 成型一一滚丝一一退火热处理
[0026] 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。
[0027] 开坯锻造：开坯锻造加热温度1080°C_1180°C。
[0028] 墩拔：进行三墩三拔，1050°C-IKKTC高温墩拔，980°C-1020°C墩拔，墩拔终锻温 度 850°C。
[0029] 乳制：加热至950°C，乳制到适当尺寸，再机械加工到所需螺栓中径尺寸。
[0030] 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°C，将需成型的棒材放入其中恒温浸泡30min。
[0031] 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。
[0032] 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°C，第 二次热墩将棒头连续加热至950°C，采用两次成型，得到完整的螺栓头部，不需后续加工。
[0033] 滚丝：滚压压力l〇-15t，进给量lmm/s，转速25-40r/min，滚压时间5s，滚压全过程 采用冷却液冷却。
[0034] 退火热处理：加热温度820°C± 10°C，保温2小时，空冷。
[0035] 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。
[0036] 表1钛合金螺栓与10. 9级螺栓性能对比
[0037]
[0038] 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°C，钛合 金的最低使用温度达到_253°C，且在_50°C时的性能较室温变化不大。同时此钛合金能在 400°C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°C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。
【主权项】
1. 一种制作机车制动盘螺栓的钛合金材料，其特征在于： 钛合金材料按质量百分比包含以下成分：A1:6. 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。2. 按权利要求1所述的一种制作机车制动盘螺栓的钛合金材料，其特征在于： Al:6. 0 % -6. 2%,Cr:l. 3 % -1. 5%,Si:0. 18%-〇. 20%,Mo:2. 7 % -3. 0 %, Fe:0. 38% -0? 40%，Zr:0. 3-0. 5%，余量为Ti。3. 按权利要求1所述的一种制作机车制动盘螺栓的钛合金材料，其特征在于： Al:6. 0%，Cr:l. 4%，Si:0. 18%，Mo:2. 9%，Fe:0. 38%，Zr:0. 5%，余量为Ti。4. 一种钛合金材料制作机车制动盘螺栓的加工工艺方法，其特征在于： 工艺流程如下： 恪炼铸锭--开还锻造--换向域拔锻造--棒材乳制--表面处理一热域成 型一一滚丝一一退火热处理； 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°C-1180°C; 第三步、换向墩拔锻造：进行三墩三拔，第一次1050°C-1100 °C高温墩拔，第二次 980°C-1020°C墩拔，第三次墩拔温度850°C，三次墩拔后形成棒材； 第四步、棒材乳制：加热至950°C，乳制成所需尺寸； 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°C，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°C，第二次热墩将棒头连续加热至950°C，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l〇-15t，进给量lmm/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°C±10°C，保温2小时，空冷。5. -种钛合金材料制作机车制动盘螺栓，其特征在于： 钛合金螺栓的性能如表1所示：
【专利摘要】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。
【IPC分类】C22F1/18, C22C14/00
【公开号】CN105088013
【申请号】CN201510583413
【发明人】杜春燕, 周杰, 王永伟, 高岭昕
【申请人】沈阳泰恒通用技术有限公司
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年9月14日