高强度钛合金螺栓成形工艺及性能研究

杜春燕 赵 晖 孟凡玲 徐俊阳 张思倩 张 欣

(1.沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳 110159；2.沈阳泰恒通用技术有限公司，辽宁沈阳 110000；3.沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳 110870；4.陆军工程兵军事代表局驻沈阳地区军事代表室，辽宁沈阳 110004)

高强度钛合金螺栓成形工艺及性能研究

杜春燕1赵 晖1孟凡玲1徐俊阳2张思倩3张 欣4

(1.沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳 110159；2.沈阳泰恒通用技术有限公司，辽宁沈阳 110000；3.沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳 110870；4.陆军工程兵军事代表局驻沈阳地区军事代表室，辽宁沈阳 110004)

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。鉴于这种情况，用钛合金制作了两种螺栓，一种螺栓的螺纹是机加工成型，另一种的螺纹是滚压成形，并测定了两种螺栓的力学性能，以探索钛合金螺栓在火车制动系统中应用的可行性。结果表明，滚压成形的钛合金螺栓具有优良的力学性能：抗拉强度1 180 MPa，屈服强度1 140 MPa，断后伸长率17%，断面收缩率66%，冲击吸收能量69 J(20 ℃)和49 J(-50 ℃)，硬度35 HRC，疲劳强度与钢制螺栓相当，为350 MPa。由此可见，滚压成形的钛合金螺栓应用于轨道交通行业是可行的。

钛合金 螺纹 成形 耐疲劳性能 裂纹

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为制动盘及闸片，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[1]。目前机车车辆上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，在较恶劣的环境中运行。制动盘紧固件的主要性能要求如下：较高的强度、较好的抗热裂性能、较高的高低温力学性能、耐蚀性能好、耐疲劳性能好、密度小。目前使用的碳钢紧固件及不锈钢紧固件质量较大，且综合力学性能不高，耐腐蚀性能较差。碳钢在低温环境中使用，具有低温脆性，容易发生断裂，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力学性能。我国虽是紧固件生产的主要大国，但并非生产强国，尤其在生产高强度、高品质紧固件的技术方面，还远远落后于欧美国家。目前，钛合金紧固件的使用领域涉及航空、航天及化工等[2]，应用面较窄，需求量受到制约，民用领域的一些支柱产业还未得到应用，尤其在高铁快速发展的轨道交通行业，钛合金紧固件的应用为零。钛合金紧固件在航空领域应用的重要优势为减重效果好，这与目前倡导的车辆轻量化的情况相吻合。

为了研制高性能钛合金螺栓，并开发拓展其应用领域，本课题组与沈阳泰恒通用技术有限公司合作，保持原机车制动盘螺栓的尺寸和形状不变[3]，共同开发了用于连接机车车轮与制动盘的高强度钛合金螺栓。目前，制动系统紧固件大部分采用10.9级钢制紧固螺栓，其抗拉强度1 040 MPa，屈服强度940 MPa，断后伸长率9%，断面收缩率48%，硬度32～39 HRC，冲击吸收能量20 J[4]。将原钢制螺栓用钛合金螺栓替代，并分析现有钢制螺栓的性能及工况，开发力学性能优异，使用性能良好的钛合金螺栓。就现有的钛合金紧固件牌号而言，种类较少，主要有TC4，TC6，TC11，TB2和TB3等[5- 7]。且钛合金性能尚有一些不足之处，如摩擦因数大，黏着性强，导热性低因而成形较困难，导致其使用受限。钛合金紧固件的生产成本比一般钢制紧固件高，这也是制约其应用的又一原因。本文通过合理改进钛合金的成分及加工工艺流程及参数，降低其加工成本，提高其使用性能。

1 钛合金螺栓的缺陷

钛合金紧固件在加工过程中成形困难，采用机加工时容易粘刀，成品率低。由于钛合金对缺口比较敏感，因此钛合金紧固件在使用过程中容易开裂，从而影响其使用寿命。在进行开发研究前，对目前广泛应用的两种钛合金螺栓及其原材料棒材进行了性能检测，结果列于表1，断口的SEM照片如图1所示。

由表1可以看出，1号钛合金螺栓螺纹部分采用滚压成型，头部墩制成形。2号钛合金螺栓采用机械加工的方式成形。由测试结果可以看出，采用机械加工成形的螺栓，与原材料棒材相比，强度变化不大，疲劳性能下降快。对以上两种材料疲劳断口采用扫描电镜进行了分析。

表1 两种钛合金螺栓及其原材料的力学性能

如图1(a)、1(b)所示，1号钛合金螺栓的断口比较平整，疲劳裂纹萌生区、裂纹扩展区和裂纹瞬断区特征明显。宏观形貌上发现有多个裂纹源，且位于试样表面，为典型的疲劳断裂，这表明导致试样断裂的主要原因与试样表面光洁度有关，即与样品的加工工艺有直接关系。

如图1(c)所示，在裂纹萌生区发现有颗粒状杂质，经能谱分析，该杂质含C、O、S等元素，说明该合金在熔炼过程中有杂质混入。图1(d)表明，在裂纹萌生区的周围有细小的韧窝，这说明合金是典型的韧性断裂。图1(e)中，裂纹扩展区发现有大量细小的浅韧窝，这进一步印证了合金属于韧性断裂。由图1(f)可知，在裂纹瞬断区有大量的疲劳辉纹及二次裂纹，表明该合金的塑性很好。

同样，在2号钛合金螺栓的裂纹萌生区发现了多裂纹源断裂，如图2(a)～2(c)所示。很明显，该螺栓的断裂是由于表面加工因素造成的，即机械加工的螺纹表面存在尖角或微裂纹，导致出现多个裂纹源。在裂纹萌生区的周围存在大量的韧窝，说明螺栓是典型的韧性断裂。同样如图2(d)所示，在2号钛合金螺栓的裂纹扩展区发现大量细小的浅韧窝，这进一步印证了螺栓属于韧性断裂。图2(e)与1号钛合金螺栓相比，2号钛合金螺栓在裂纹瞬断区观察到的疲劳辉纹较少，但存在大量的二次裂纹，这表明该螺栓的塑性较好。

图1 1号钛合金螺栓疲劳断口的SEM形貌

图2 2号钛合金螺栓疲劳断口的SEM形貌

由以上结果分析可知，影响钛合金螺栓疲劳性能的重要因素是原材料的化学成分和成形方法及工艺，螺栓成形的表面质量会直接影响螺栓的疲劳性能。以上螺栓断裂均是疲劳断裂，主要出现在螺纹表面机械加工缺陷或尖角处，即裂纹萌生处。滚压螺纹的表面也较粗糙，容易引起疲劳断裂。因此，控制材料化学成分、杂质含量及表面质量，改善应力分布状态是提高钛合金螺疲劳性能的重要措施。

2 工艺设计

对表1所列成分的钛合金螺栓进行滚压成形，取得了一定成果。钛合金滚压螺纹需要高压力的滚丝机，耐磨的滚丝轮，合理的工艺参数和合适的冷却润滑液的配合，才能获得高质量的螺纹。

表1成分中，铝有固溶强化作用，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；铬的强化作用较明显，但螺栓在高温长期工作时容易产生组织不均匀，蠕变抗力较低，故应适当控制铬的含量；硅的加入可以提高合金的耐热性和稳定性；钼的加入能有效提高合金的耐热性及抗腐蚀性能；铁的加入起提高强度的作用；锆的加入起补充强化作用。

表2 螺栓用钛合金的化学成分(质量分数)

对上述成分的钛合金采用常规的熔炼锻造工艺加工成棒材。螺栓的主要加工过程为：

熔炼铸锭——开坯锻造——换向墩拔锻造——棒材轧制——表面处理——热墩成形——滚丝——退火。

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。开坯锻造温度为1 080～1 180 ℃。

墩拔。进行三墩三拔，1 050～1 100 ℃高温墩拔，980～1 020 ℃墩拔，墩拔终止温度850 ℃。

轧制。加热至950 ℃，轧制到适当尺寸，再机加工到螺栓的中径尺寸。

表面处理。按2∶2∶1∶2.5配制氟硼酸钾、氯化钡和硝酸铵及水的混合溶液，加热至80～90 ℃，将需成形的棒材放入其中恒温浸泡30 min。

表面处理可以防止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，可起润滑作用，滚丝的螺栓表面粗糙度得到较大改善。当不需要表面涂层时，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形，第一次热墩将棒头加热至1 030 ℃，第二次热墩将棒头连续加热至950 ℃，采用两次成形，得到完整的螺栓头部，不需后续加工。

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

退火。加热温度(820±10) ℃，保温2 h，空冷。

3 力学性能测试

该钛合金螺栓性能及10.9级制动盘螺栓的性能列于表3。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，同时具有良好的塑性和韧性，硬度也在10.9级螺栓要求范围内。此外，其疲劳性能与10.9级钢制螺栓相当，优于机械加工螺栓。主要原因是滚压螺纹的金属纤维连续，而机械加工螺纹金属纤维则被切断。

表3 钛合金螺栓的力学性能

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-50 ℃和室温的性能相差不大。同时，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能满足使用温度要求，并可减重40%左右，是目前铁路机车车辆制动系统最合适的紧固件。采用此方法制作的钛合金螺栓生产成本与钢制螺栓相当。

4 结论

生产实践证明，只要采用合理的钛合金成分和成形方法，滚压的螺纹就能达到使用要求。采用滚压成形的螺纹表面质量比机械加工螺纹好，生产效率高，成品率高，生产成本与钢制螺栓相当。用钛合金制作的螺栓在轨道交通行业的应用前景必然广阔。

[1] 符蓉，高飞.高速列车制动材料[M].北京：化学工业出版社，2012.

[2] 何利剑，张小农.钛及钛合金的表面处理新技术[J].上海金属，2005，27(3):39- 44.

[3] 国家质量技术监督局.六角头螺栓细牙全螺纹:GB/T 5786—2000[S].北京：中国标准出版社，2000.

[4] 国家质量技术监督局.紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱:GB/T 3098.1—2000[S].北京：中国标准出版社，2000.

[5] 《工程材料实用手册》编辑委员会.工程材料实用手册-第4卷-钛合金 铜合金[M].北京：中国标准出版社，2002.

[6] 赵庆云，徐锋.航空紧固件用钛合金的研究进展[J].中国有色金属学报，2010,20(1)：1021- 1023.

[7] 倪沛册，韩明臣，董亚军，等.宇航紧固件用钛合金的发展[C]//第二届空间材料及其应用技术学术交流会论文集.北京：中国空间技术研究院，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

沈阳市科技局项目(F15- 200- 6- 03)

杜春燕，女，助理实验员，硕士，从事金属材料加工及表面处理研究，电话：18809890212，Email: 646507243@qq.com