高強度鈦合金螺栓成形工藝及性能研究

杜春燕 趙 暉 孟凡玲 徐俊陽 張思倩 張 欣

(1.沈陽理工大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽 110159；2.沈陽泰恒通用技術有限公司，遼寧沈陽 110000；3.沈陽工業大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽 110870；4.陸軍工程兵軍事代表局駐沈陽地區軍事代表室，遼寧沈陽 110004)

高強度鈦合金螺栓成形工藝及性能研究

杜春燕1趙 暉1孟凡玲1徐俊陽2張思倩3張 欣4

(1.沈陽理工大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽 110159；2.沈陽泰恒通用技術有限公司，遼寧沈陽 110000；3.沈陽工業大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽 110870；4.陸軍工程兵軍事代表局駐沈陽地區軍事代表室，遼寧沈陽 110004)

由于使用環境嚴酷，火車制動系統用螺栓類緊固件需要具備良好的綜合性能，如強度、塑性、韌性和耐熱、耐寒及耐疲勞性能等。采用鈦合金螺栓代替鋼制螺栓將是制動盤螺栓的發展方向。鑒于這種情況，用鈦合金制作了兩種螺栓，一種螺栓的螺紋是機加工成型，另一種的螺紋是滾壓成形，并測定了兩種螺栓的力學性能，以探索鈦合金螺栓在火車制動系統中應用的可行性。結果表明，滾壓成形的鈦合金螺栓具有優良的力學性能：抗拉強度1 180 MPa，屈服強度1 140 MPa，斷后伸長率17%，斷面收縮率66%，沖擊吸收能量69 J(20 ℃)和49 J(-50 ℃)，硬度35 HRC，疲勞強度與鋼制螺栓相當，為350 MPa。由此可見，滾壓成形的鈦合金螺栓應用于軌道交通行業是可行的。

鈦合金 螺紋 成形 耐疲勞性能 裂紋

隨著鐵路列車的提速，對于機車車輛制動系統的零部件性能要求越來越高。制動系統的主要組成部分為制動盤及閘片，制動盤通過緊固件螺栓與車輪或車軸連接并緊固，緊固件在列車制動過程中的作用非常重要[1]。目前機車車輛上使用的緊固件材料主要是碳鋼和不銹鋼。列車制動盤緊固件，在制動過程中，與制動盤一樣，在較惡劣的環境中運行。制動盤緊固件的主要性能要求如下：較高的強度、較好的抗熱裂性能、較高的高低溫力學性能、耐蝕性能好、耐疲勞性能好、密度小。目前使用的碳鋼緊固件及不銹鋼緊固件質量較大，且綜合力學性能不高，耐腐蝕性能較差。碳鋼在低溫環境中使用，具有低溫脆性，容易發生斷裂，在較高溫度下，性能較常溫性能差。鈦合金在高溫下能保持良好的力學性能。我國雖是緊固件生產的主要大國，但并非生產強國，尤其在生產高強度、高品質緊固件的技術方面，還遠遠落后于歐美國家。目前，鈦合金緊固件的使用領域涉及航空、航天及化工等[2]，應用面較窄，需求量受到制約，民用領域的一些支柱產業還未得到應用，尤其在高鐵快速發展的軌道交通行業，鈦合金緊固件的應用為零。鈦合金緊固件在航空領域應用的重要優勢為減重效果好，這與目前倡導的車輛輕量化的情況相吻合。

為了研制高性能鈦合金螺栓，并開發拓展其應用領域，本課題組與沈陽泰恒通用技術有限公司合作，保持原機車制動盤螺栓的尺寸和形狀不變[3]，共同開發了用于連接機車車輪與制動盤的高強度鈦合金螺栓。目前，制動系統緊固件大部分采用10.9級鋼制緊固螺栓，其抗拉強度1 040 MPa，屈服強度940 MPa，斷后伸長率9%，斷面收縮率48%，硬度32～39 HRC，沖擊吸收能量20 J[4]。將原鋼制螺栓用鈦合金螺栓替代，并分析現有鋼制螺栓的性能及工況，開發力學性能優異，使用性能良好的鈦合金螺栓。就現有的鈦合金緊固件牌號而言，種類較少，主要有TC4，TC6，TC11，TB2和TB3等[5- 7]。且鈦合金性能尚有一些不足之處，如摩擦因數大，黏著性強，導熱性低因而成形較困難，導致其使用受限。鈦合金緊固件的生產成本比一般鋼制緊固件高，這也是制約其應用的又一原因。本文通過合理改進鈦合金的成分及加工工藝流程及參數，降低其加工成本，提高其使用性能。

1 鈦合金螺栓的缺陷

鈦合金緊固件在加工過程中成形困難，采用機加工時容易粘刀，成品率低。由于鈦合金對缺口比較敏感，因此鈦合金緊固件在使用過程中容易開裂，從而影響其使用壽命。在進行開發研究前，對目前廣泛應用的兩種鈦合金螺栓及其原材料棒材進行了性能檢測，結果列于表1，斷口的SEM照片如圖1所示。

由表1可以看出，1號鈦合金螺栓螺紋部分采用滾壓成型，頭部墩制成形。2號鈦合金螺栓采用機械加工的方式成形。由測試結果可以看出，采用機械加工成形的螺栓，與原材料棒材相比，強度變化不大，疲勞性能下降快。對以上兩種材料疲勞斷口采用掃描電鏡進行了分析。

表1 兩種鈦合金螺栓及其原材料的力學性能

如圖1(a)、1(b)所示，1號鈦合金螺栓的斷口比較平整，疲勞裂紋萌生區、裂紋擴展區和裂紋瞬斷區特征明顯。宏觀形貌上發現有多個裂紋源，且位于試樣表面，為典型的疲勞斷裂，這表明導致試樣斷裂的主要原因與試樣表面光潔度有關，即與樣品的加工工藝有直接關系。

如圖1(c)所示，在裂紋萌生區發現有顆粒狀雜質，經能譜分析，該雜質含C、O、S等元素，說明該合金在熔煉過程中有雜質混入。圖1(d)表明，在裂紋萌生區的周圍有細小的韌窩，這說明合金是典型的韌性斷裂。圖1(e)中，裂紋擴展區發現有大量細小的淺韌窩，這進一步印證了合金屬于韌性斷裂。由圖1(f)可知，在裂紋瞬斷區有大量的疲勞輝紋及二次裂紋，表明該合金的塑性很好。

同樣，在2號鈦合金螺栓的裂紋萌生區發現了多裂紋源斷裂，如圖2(a)～2(c)所示。很明顯，該螺栓的斷裂是由于表面加工因素造成的，即機械加工的螺紋表面存在尖角或微裂紋，導致出現多個裂紋源。在裂紋萌生區的周圍存在大量的韌窩，說明螺栓是典型的韌性斷裂。同樣如圖2(d)所示，在2號鈦合金螺栓的裂紋擴展區發現大量細小的淺韌窩，這進一步印證了螺栓屬于韌性斷裂。圖2(e)與1號鈦合金螺栓相比，2號鈦合金螺栓在裂紋瞬斷區觀察到的疲勞輝紋較少，但存在大量的二次裂紋，這表明該螺栓的塑性較好。

圖1 1號鈦合金螺栓疲勞斷口的SEM形貌

圖2 2號鈦合金螺栓疲勞斷口的SEM形貌

由以上結果分析可知，影響鈦合金螺栓疲勞性能的重要因素是原材料的化學成分和成形方法及工藝，螺栓成形的表面質量會直接影響螺栓的疲勞性能。以上螺栓斷裂均是疲勞斷裂，主要出現在螺紋表面機械加工缺陷或尖角處，即裂紋萌生處。滾壓螺紋的表面也較粗糙，容易引起疲勞斷裂。因此，控制材料化學成分、雜質含量及表面質量，改善應力分布狀態是提高鈦合金螺疲勞性能的重要措施。

2 工藝設計

對表1所列成分的鈦合金螺栓進行滾壓成形，取得了一定成果。鈦合金滾壓螺紋需要高壓力的滾絲機，耐磨的滾絲輪，合理的工藝參數和合適的冷卻潤滑液的配合，才能獲得高質量的螺紋。

表1成分中，鋁有固溶強化作用，提高抗拉強度，但鋁含量偏高將影響其韌性及塑性，因此適當控制鋁的含量；鉻的強化作用較明顯，但螺栓在高溫長期工作時容易產生組織不均勻，蠕變抗力較低，故應適當控制鉻的含量；硅的加入可以提高合金的耐熱性和穩定性；鉬的加入能有效提高合金的耐熱性及抗腐蝕性能；鐵的加入起提高強度的作用；鋯的加入起補充強化作用。

表2 螺栓用鈦合金的化學成分(質量分數)

對上述成分的鈦合金采用常規的熔煉鍛造工藝加工成棒材。螺栓的主要加工過程為：

熔煉鑄錠——開坯鍛造——換向墩拔鍛造——棒材軋制——表面處理——熱墩成形——滾絲——退火。

熔煉鑄錠。由于鈦是一種化學性質非常活潑的金屬，在高溫下很容易與大氣中的氧、氮發生反應，因此，鈦合金鑄采用真空自耗電弧爐熔煉。為了保證鈦合金鑄錠成分的均勻性和盡可能消除偏析，采用三次真空自耗熔煉。

開坯鍛造。開坯鍛造溫度為1 080～1 180 ℃。

墩拔。進行三墩三拔，1 050～1 100 ℃高溫墩拔，980～1 020 ℃墩拔，墩拔終止溫度850 ℃。

軋制。加熱至950 ℃，軋制到適當尺寸，再機加工到螺栓的中徑尺寸。

表面處理。按2∶2∶1∶2.5配制氟硼酸鉀、氯化鋇和硝酸銨及水的混合溶液，加熱至80～90 ℃，將需成形的棒材放入其中恒溫浸泡30 min。

表面處理可以防止鈦合金螺栓在加工過程中出現粘輪現象，改善表面質量。滾絲前對鈦合金棒進行表面處理，可起潤滑作用，滾絲的螺栓表面粗糙度得到較大改善。當不需要表面涂層時，采用酸洗的方法極易去除。

熱墩。六角頭螺栓頭部采用兩次熱墩成形，第一次熱墩將棒頭加熱至1 030 ℃，第二次熱墩將棒頭連續加熱至950 ℃，采用兩次成形，得到完整的螺栓頭部，不需后續加工。

滾絲。滾壓壓力10～15 t，進給量1 mm/s，轉速25～40 r/min，滾壓時間5 s，滾壓全過程采用冷卻液冷卻。

退火。加熱溫度(820±10) ℃，保溫2 h，空冷。

3 力學性能測試

該鈦合金螺栓性能及10.9級制動盤螺栓的性能列于表3。鈦合金螺栓的強度遠高于軌道車輛制動盤現用10.9級螺栓的強度，同時具有良好的塑性和韌性，硬度也在10.9級螺栓要求范圍內。此外，其疲勞性能與10.9級鋼制螺栓相當，優于機械加工螺栓。主要原因是滾壓螺紋的金屬纖維連續，而機械加工螺紋金屬纖維則被切斷。

表3 鈦合金螺栓的力學性能

鈦合金螺栓具有優異的高、低溫性能，列車運行的環境溫度最低達到-50 ℃，鈦合金的最低使用溫度達到-253 ℃，且-50 ℃和室溫的性能相差不大。同時，鈦合金能在400 ℃長期使用，疲勞性能優異，列車制動盤制動時的工作溫度在300 ℃左右，因此鈦合金螺栓完全能滿足使用溫度要求，并可減重40%左右，是目前鐵路機車車輛制動系統最合適的緊固件。采用此方法制作的鈦合金螺栓生產成本與鋼制螺栓相當。

4 結論

生產實踐證明，只要采用合理的鈦合金成分和成形方法，滾壓的螺紋就能達到使用要求。采用滾壓成形的螺紋表面質量比機械加工螺紋好，生產效率高，成品率高，生產成本與鋼制螺栓相當。用鈦合金制作的螺栓在軌道交通行業的應用前景必然廣闊。

[1] 符蓉，高飛.高速列車制動材料[M].北京：化學工業出版社，2012.

[2] 何利劍，張小農.鈦及鈦合金的表面處理新技術[J].上海金屬，2005，27(3):39- 44.

[3] 國家質量技術監督局.六角頭螺栓細牙全螺紋:GB/T 5786—2000[S].北京：中國標準出版社，2000.

[4] 國家質量技術監督局.緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱:GB/T 3098.1—2000[S].北京：中國標準出版社，2000.

[5] 《工程材料實用手冊》編輯委員會.工程材料實用手冊-第4卷-鈦合金 銅合金[M].北京：中國標準出版社，2002.

[6] 趙慶云，徐鋒.航空緊固件用鈦合金的研究進展[J].中國有色金屬學報，2010,20(1)：1021- 1023.

[7] 倪沛冊，韓明臣，董亞軍，等.宇航緊固件用鈦合金的發展[C]//第二屆空間材料及其應用技術學術交流會論文集.北京：中國空間技術研究院，2008:73- 81.

收修改稿日期：2016- 06- 06

Forming Process and Performance of High Strength Titanium Alloy Bolt

Du Chunyan1Zhao Hun1Meng Fanling1Xu Junyang2Zhang Siqian3Zhang Xin4

(1. College of Materials Science and Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang Liaoning 110159,China; 2. Shenyang Taiheng General Technology Co., Ltd., Shenyang Liaoning 110000, China；3. College of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang Liaoning 110870,China; 4. The military Representative Office of Army Corps in Shenyang District Military Agent’s Room, Shenyang Liaoning 110004, China)

Owing to being used under a grim circumstances, fasteners such as bolts used in train breaking system need to possess good combination of properties, for example, strength, plasticity, toughness, resistance to heat, cold and fatigue, etc. It will be a tendency that this high performance bolt is made of titanium alloy instead of steel. In view of this fact, two kinds of titanium alloy bolt, i.e., thread of one was formed by machining and the other by rolling, were made. Their mechanical properties were measured to explore whether the titanium alloy bolt can be used in train braking system. The results indicated that the rolling- formed bolt exhibited satisfactory mechanical properties: tensile strength is of 1 180 MPa, yield strength of 1 140 MPa, elongation of 17%，reduction in area of 66%，impact toughness of 69 J(at 20 ℃)and 49 J(at - 50 ℃)，hardness of 35 HRC，and fatigue strength equals to that of steel bolt of 350 MPa. From this it will be seen that the application of the rolling- formed bolt of titanium alloy to railway traffic industry is feasible.

titanium alloy, thread, forming, fatigue resistance, crack

沈陽市科技局項目(F15- 200- 6- 03)

杜春燕，女，助理實驗員，碩士，從事金屬材料加工及表面處理研究，電話：18809890212，Email: 646507243@qq.com