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
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
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。
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1.02t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2001LupoFSI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℃温度范
围，具有较高的强韧性，如表2。
表2
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。
表3
钛合金线性膨胀系数小，纯钛为8.2×10-6/K，约为碳钢的2/3，不
锈钢的1/2。
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:
表4
国别
钛铁矿(万吨)
金红石(万吨)
合计(万吨)
占比(％)
中国
20000
----
20000
28.90
澳大利亚
10000
1800
11800
17.05
印度
8500
740
9240
13.35
南非
6300
830
7130
10.30
巴西
4300
120
4420
6.39
世界总计
65000
4200
69200
100
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。
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。
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。
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。
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。
目前活塞顶材料主要是42CrMo。
活塞环材料主要是合金铸铁、球墨铸铁。
活塞销材料主要是合金渗碳钢12CrNi3A、18Cr2Ni4WA、
20CrMnTi。
连杆材料主要是42CrMo。
连杆螺栓材料主要是42CrMo。
钢制零部件存在太重、防腐性能不好、断裂影响寿命等问题。
铝制零部件存在弹性模量和屈服强度较低的问题。
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
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高活塞往复运动的动力性
能。
本发明的技术方案是：
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：
表4
钛合金按质量百分比为：
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％，O含量为小于0.15％，余量为Ti。
钛合金按质量百分比为：
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％，O含量为小于0.15％，余量为Ti。
钛合金按质量百分比为：
本发明较佳实施例为：
Al含量为6％，Mo含量为1％，V含量为4％，Fe含量为0.2％，
O含量为0.1％，余量为Ti。
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
图1为本发明的钛合金活塞销剖面图。
图2为本发明的钛合金活塞顶示意图。
图3为本发明的钛合金活塞环示意图。
图4为本发明的钛合金连杆螺栓示意图。
图5为本发明的钛合金连杆示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图及实施例对本发明进一步详细说明。
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：
表4
钛合金按质量百分比为：
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％，O含量为小于0.15％，余量为Ti。
钛合金按质量百分比为：
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％，O含量为小于0.15％，余量为Ti。
钛合金按质量百分比为：
本发明较佳实施例为：
Al含量为6％，Mo含量为1％，V含量为4％，Fe含量为0.2％，
O含量为0.1％，余量为Ti。
一种用钛合金制造活塞连杆组的工艺方法，
第一步、熔炼铸锭；
第二步、锻造；
第三步、热处理；
第四步、机加工；
第五步、超声波探伤；
第六步、成品。
该工艺方法；
第一步中熔炼铸锭采用真空自耗电弧熔炼三次。
第二步中锻造具体工艺方法：
钛合金活塞顶锻造具体为：开坯锻造，初始温度在1350℃±20℃，
终锻温度在1100℃±20℃，每次的压下量在10-25mm之间；
钛合金活塞环锻造具体为：开坯锻造，初始温度在1140℃±20℃
左右，终锻温度在1000℃±20℃，每次的压下量在10-25mm之间；
钛合金活塞销锻造具体为：开坯锻造，初始温度在1250℃±20℃，
终锻温度在1000℃±20℃，每次的压下量在10-25mm之间；
钛合金连杆锻造具体为：开坯锻造，初始温度在1140℃±20℃，
终锻温度在900℃±20℃，每次的压下量在10-25mm之间，然后修磨
再进行镦拔锻造，一次三墩三拔，锻造时压下量不能超过长度的30％，
先进行高温镦拔锻造，初始温度在1040℃-1090℃之间，终锻温度在850
℃±20℃，再进行成品锻造，初始温度是940℃-950℃，终锻温度在850
℃±20℃；
钛合金连杆螺栓销锻造具体为：开坯锻造，初始温度在
1250℃±20℃，终锻温度在1000℃±20℃，每次的压下量在10-25mm
之间，然后修磨后再进行成品锻造，初始温度是990℃-1000℃，终锻温
度在740℃±20℃。
第三步中热处理具体工艺方法：
权利中所有零部件都采用退火制度，加热温度在700℃-850℃，保
温时间为60-120min，冷却方式为空冷。
钛合金活塞环与钛合金活塞销还需要做渗氮处理，氮化后表面硬度
达到56-62HRC，硬化层厚度≥1.8mm。
第四步机加工具体工艺方法：参见图1-5所示。
钛合金活塞顶采用精加工之后粗加工；
钛合金活塞环采用表面磨光；
钛合金活塞销采用表面磨光；
钛合金连杆采用车光；
钛合金连杆螺栓采用车光棒之后墩制螺栓毛件，再精加工。