CN109108269A - 机车车轮修复用铁基合金粉末及激光3d打印修复工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机车车轮修复用铁基合金粉末及激光3D打印修复工艺，所述的一种机车车轮修复用铁基合金粉末，按照质量百分含量计算，其组成为：C：0.05~0.09%；P：0.011~0.050%；S：0.005~0.050%；Mo：0.09~0.15%；Ni：1.00~4.00%；Co：0.10~0.50%；Fe：73.94~84.86%；Mn：0.18~0.22%；Cr：13%~20%；Si：0.60~0.90%；B：0.10%。所述的机车车轮激光3D打印修复工艺，包括：对机车车轮表面预处理步骤；无损检验步骤；设定激光3D打印修复工艺参数步骤；踏面的机器人示教步骤；轮缘的机器人示教步骤；激光3D打印步骤；3D打印修复层检测步骤。解决了现有机车车轮没有专用修复合金材料的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于激光3D打印再制造的合金粉末材料。
背景技术
随着我国铁路交通运输产业的飞速发展和结构调整，在高速和重载条件下，机车车辆零件的机械疲劳和磨损更为突出。
目前，机车车轮磨损后通过机加方法回复原始形状，继续使用，直到最后无法机加复原而报废，造成巨大的浪费。报废的机车车轮只能作为废钢材重新冶炼，而重新制造这些机车车轮大约需要消耗报废量1.3倍的钢材，需要投入巨大的人力和设备进行加工制造，耗能巨大。
虽然有研究者试着用电弧、等离子弧及埋弧等方法去修复磨损的机车车轮，但是由于这些方法热输入量大，导致修复变形大、残余应力大、难于成形，甚至修复过程中产生开裂，所以修复后的机车车轮使用性能满足不了要求。
在机车车轮修复材料方面，虽然有人尝试使用不锈钢合金（304、304L和316）等材料去修复机车车轮，由于这些材料的性能与机车车轮不匹配，所以至今也没有专用的修复合金材料。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种机车车轮修复用铁基合金粉末及激光3D打印修复工艺，该合金粉末通过热输入量小、修复变形小、残余应力小、易于成形的激光3D打印修复方法对机车车轮进行修复，从而使报废的机车车轮恢复性能，继续使用，解决了现有机车车轮没有专用修复合金材料的问题。
第一方面，所述的一种机车车轮修复用铁基合金粉末，按照质量百分含量计算，其组成为：
C：0.05~0.09%；
P：0.011~0.050%；
S：0.005~0.050%；
Mo：0.09~0.15%；
Ni：1.00~4.00%；
Co：0.10~0.50%；
Fe：73.94~84.86%；
Mn：0.18~0.22%；
Cr：13%~20%；
Si：0.60~0.90%；
B：0.10%。
第二方面，所述的机车车轮激光3D打印修复工艺，包括：
对机车车轮表面预处理步骤；
无损检验步骤；
设定激光3D打印修复工艺参数步骤；
踏面的机器人示教步骤；
轮缘的机器人示教步骤；
激光3D打印步骤；
3D打印修复层检测步骤。
优选地，所述的对机车车轮表面预处理步骤，具体的是去除踏面及轮缘疲劳层、氧化膜及污染物，从表面去除深度为1-2mm。
优选地，所述的无损检验步骤，是用渗透着色检验方法检验踏面及轮缘表面是否有缺陷，若发现存在缺陷，采用人工打磨方式对所述缺陷进行处理。
优选地，所述的设定激光3D打印修复工艺参数步骤，具体的工艺参数分别为：激光输出功率：3000~4000W；光斑直径：4~6mm；离焦量0 ~ +10mm；扫描速度8~16mm/s；送粉量20~50g/min；搭接率30~50%。
优选地，所述的踏面的机器人示教步骤，是利用设定的所述工艺参数，从踏面侧面开始向内示教，直到与轮缘相贯线处；然后扫描速度提高1倍继续示教两周，其他工艺参数不变，踏面示教结束。
优选地，所述的轮缘的机器人示教步骤，是利用设定的所述工艺参数，从轮缘侧面开始向内示教，直到与踏面相贯线处的前两周；然后扫描速度提高1倍继续示教两周，其他工艺参数不变，轮缘示教结束。
优选地，所述的激光3D打印步骤，是采用多层3D打印，每层3D打印厚度为1mm，总厚度为5~50mm。
优选地，所述的3D打印修复层检测步骤，包括：
采用渗透着色检验方法，确定是否有缺陷存在，如有缺陷，对所述缺陷进行手工修补；
尺寸检验、表面硬度检验及表面无损探伤检验，用车床或磨床，机加去除多余材料并达到要求的尺寸和光洁度。
本发明具有如下有益效果：
本发明铁基合金粉末是在现有的铁基合金粉末基础上，通过添加合金元素Mo、Ni、Co、Cr、B，实现了3D打印层具有中等硬度及良好强韧性，同时又具有良好的耐磨性能及耐蚀性能。从根本上解决并提高了合金粉末在激光3D打印修复中的抗裂性能，满足了机车车轮的综合性能要求。
附图说明
通过以下参考附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点更为清楚，在附图中：
图1是本发明实施例的激光3D打印修复车轮与原始机车车轮的耐磨性对比图；
图2是本发明实施例的激光3D打印修复车轮与原始机车车轮的硬度对比图；
图3是本发明实施例的激光3D打印修复机车车轮外形照片。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是值得说明的是，本发明并不限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。然而，对于没有详尽描述的部分，本领域技术人员也可以完全理解本发明。
实施例1
一：机车车轮修复用铁基合金粉末，其组成按照质量百分含量计算如下：
C：0.05；P：0.011；S：0.005；Mo：0.09；Ni：1.00；Co：0.10；Fe：73.94；Mn：0.18；Cr：13；Si：0.60；B：0.10。
二、机车车轮激光3D打印修复工艺
1、工艺过程：
（1）表面预处理，去除踏面及轮缘疲劳层、氧化膜及污染物等，从表面去除深度约为2mm；
（2）无损检验，用渗透着色检验方法检验踏面及轮缘表面是否有缺陷，如发现还有缺陷存在（如裂纹和气孔等），需人工打磨及处理；
（3）安装调试，工件固定在加工平台上，用百分表找正（以车轴顶尖孔或轴身定位）；
（4）设定激光3D打印修复工艺参数，即激光输出功率4000W、光斑直径4mm、离焦量+5mm、扫描速度15mm/s、送粉量25g/min及搭接率50%；
（5）踏面的机器人示教，首先利用上述（4）修复工艺参数，从踏面侧面开始向内示教，直到与轮缘相贯线处。然后扫描速度提高1倍（32mm/min）继续示教两周（两道），其他工艺参数不变，踏面示教结束；
（6）轮缘的机器人示教，首先利用上述（4）修复工艺参数，从轮缘侧面开始向内示教，直到与踏面相贯线处的前两周（前两道）。然后扫描速度提高1倍（32mm/min）继续示教两周（两道），其他工艺参数不变，轮缘示教结束；
（7）用上述激光3D打印修复工艺参数，多道多层3D打印修复，每层3D打印厚度约为1mm，总厚度可达50mm；
（8）3D打印修复层渗透着色检验，确定是否有缺陷存在，如有缺陷需要进行处理，然后手工修补；
（9）用车床（或者磨床），机加去除多余材料并达到要求的尺寸和光洁度；
（10）尺寸检验、表面硬度检验及表面无损探伤检验，完全合格，产品入库。如检验不合格，重新修复指导合格为止或者报废。
2、性能对比
与传统电弧、等离子弧及埋弧等方法去修复磨损的机车车轮比较，本发明专用合金粉末采用激光3D打印修复工艺，由于激光的快速加热及快速冷却的特点，使3D打印修复层的成形更容易控制。
与原始机车车轮相比，本实施例专用合金粉末采用激光3D打印修复工艺获得的修复层的耐磨性能提高了1.3倍以上，如图1所示。
与原始机车车轮相比，本实施例专用合金粉末采用激光3D打印修复工艺获得的修复层的硬度提高了0.8倍以上（与熔覆层最高硬度HRC48比较），如图2所示。
对机车车轮的原始状态和3D打印修复后，进行了铜加速乙酸盐雾试验（CASS试验：5%NaCl溶液，加入2g/L±0.2g/L的(CuCl2·2H2O)，PH=3.1-3.3），原始车轮的试验时间为150小时，试验结果为2级以下，激光3D打印修复时间为500小时，试验结果为9级以上，如表1所示：
表1 铜加速烟雾腐蚀试验结果
| 试样状态 原始机车车轮 激光3D打印机车车轮 试验温度 |
| 试验时间 150小时 500小时 50±2℃ |
| 检测结果 2级 9级以上 |
采用激光3D打印修复工艺的3D打印层无裂纹及其他冶金缺陷产生，如图3所示。
以上所述实施例仅为表达本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、同等替换、改进等，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种机车车轮修复用铁基合金粉末，按照质量百分含量计算，其组成为：
C：0.05~0.09%；
P：0.011~0.050%；
S：0.005~0.050%；
Mo：0.09~0.15%；
Ni：1.00~4.00%；
Co：0.10~0.50%；
Fe：73.94~84.86%；
Mn：0.18~0.22%；
Cr：13%~20%；
Si：0.60~0.90%；
B：0.10%。
2.根据权利要求1所述的一种机车车轮修复用铁基合金粉末，其特征在于，其组成为：
C：0.05；P：0.011；S：0.005；Mo：0.09；Ni：1.00；Co：0.10；Fe：73.94；Mn：0.18；Cr：13；Si：0.60；B：0.10。
3.一种机车车轮激光3D打印修复工艺，其特征在于，包括：
对机车车轮表面预处理步骤；
无损检验步骤；
设定激光3D打印修复工艺参数步骤；
踏面的机器人示教步骤；
轮缘的机器人示教步骤；
激光3D打印步骤；及
3D打印修复层检测步骤。
4.根据权利要求3所述的一种机车车轮激光3D打印修复工艺，其特征在于：
所述的对机车车轮表面预处理步骤，具体的是去除踏面及轮缘疲劳层、氧化膜及污染物，从表面去除深度为1-2mm。
5.根据权利要求3所述的一种机车车轮激光3D打印修复工艺，其特征在于：
所述的无损检验步骤，是用渗透着色检验方法检验踏面及轮缘表面是否有缺陷，若发现存在缺陷，采用人工打磨方式对所述缺陷进行处理。
6.根据权利要求3所述的一种机车车轮激光3D打印修复工艺，其特征在于：
所述的设定激光3D打印修复工艺参数步骤，具体的工艺参数分别为：激光输出功率：3000~4000W；光斑直径：4~6mm；离焦量0 ~ +10mm；扫描速度8~16mm/s；送粉量20~50g/min；搭接率30~50%。
7.根据权利要求3所述的一种机车车轮激光3D打印修复工艺，其特征在于：
所述的踏面的机器人示教步骤，是利用设定的所述工艺参数，从踏面侧面开始向内示教，直到与轮缘相贯线处；然后扫描速度提高1倍继续示教两周，其他工艺参数不变，踏面示教结束。
8.根据权利要求3所述的一种机车车轮激光3D打印修复工艺，其特征在于：
所述的轮缘的机器人示教步骤，是利用设定的所述工艺参数，从轮缘侧面开始向内示教，直到与踏面相贯线处的前两周；然后扫描速度提高1倍继续示教两周，其他工艺参数不变，轮缘示教结束。
9.根据权利要求3所述的一种机车车轮激光3D打印修复工艺，其特征在于：
所述的激光3D打印步骤，是采用多层3D打印，每层3D打印厚度为1mm，总厚度为5~50mm。
10.根据权利要求3所述的一种机车车轮激光3D打印修复工艺，其特征在于：
所述的3D打印修复层检测步骤，包括：
采用渗透着色检验方法，确定是否有缺陷存在，如有缺陷，对所述缺陷进行手工修补；
尺寸检验、表面硬度检验及表面无损探伤检验，用车床或磨床，机加去除多余材料并达到要求的尺寸和光洁度。
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