CN109352541A - 一种高铁磨轮及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高铁磨轮及其制备方法，属于磨料磨具制造的技术领域。本发明的高铁磨轮及其制备方法，高铁磨轮的制备方法，包括配料、布料、钎焊烧结、铰孔、喷漆、开刃以及矫正动平衡。钎焊烧结在真空条件下于1000～1090℃进行，并且采用的合金粉末钎料的组成为31～35wt％的Ni、23～25wt％的Mn、1.25～2.5wt％的Si、0.30～1.0wt％的B、1.0～1.5wt％的Fe、1.0～5.0wt％的Cr，余量为Cu，磨料为金刚石颗粒与碳化硅的复合磨料。本发明的高铁磨轮采用的合金粉末钎料不含有稀缺金属W、Co以及贵重金属成分，成本较低，而且钎焊烧结温度较低对金刚石颗粒的热损伤小，且浸润性好、热膨胀系数较低，能够对复合磨料形成良好的把持力，有利于充分发挥磨料的磨削作用，显著提高了使用寿命。

Description

一种高铁磨轮及其制备方法

技术领域

本发明涉及磨料磨具制造的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种高铁磨轮及其制备方法。

背景技术

1964年日本建成运营的东海道新干线铁路系统世界上第一条正真能让高速列车长期安全稳定运行的商用高速铁路(简称高铁)。随后法国、意大利、德国纷纷修建高速铁路。2008年8月1日，时速350公里的京津城际高速铁路开通运营，开创了我国高铁的新纪元。

为了保证高铁轨道线路的平顺性、稳定性和安全性，我国高铁的不少轨道系统采用了德国联邦铁路公司开发的无砟轨道系统，在无砟轨道系统中钢轨是铺设在经过机床(大型角磨机)精确打磨的轨道板——博格板上。博格板是博格板式无砟轨道系统的核心部件，博格板的长、宽、高误差都有严格的控制范围。博格板全部铺设完成后，钢轨就被直接固定在博格板上。

与普通有砟轨道相比，线路平顺性、稳定性、安全性都大大提高，从而能够满足列车高速行驶的需要，同时还能明显降低列车行驶产生的噪音。在施工中，需要使用数控磨床对博格板承轨台进行机械加工，以达到极好的精度。加工博格板的数控磨床最初采用的是电镀磨轮，但电镀磨轮的使用寿命、加工效率和成品率均较差。为了提高磨轮效率、使用寿命以及加工精度，丹阳华昌工具有限公司开发了钎焊金刚石磨轮，通过在磨轮钢基体表面上涂覆金刚石磨料，然后采用真空钎焊或真空钎焊工艺加工而成，该工艺具有结合强度高、磨料合理出露、耐磨性好等的特点，获得了市场的广泛好评，而且基于该技术的发明专利申请CN201010256554.X于2012年5月30日获得授权。

截至2017年末，中国投入运营的高速铁路已达2.52万公里，占世界高速铁路总里程的60％以上，成为世界上唯一的高铁成网运行的国家。中国已成为世界上高速铁路系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运行速度最高、在建规模最大的国家。随着高铁运营里程的不断增加，为了降低成本，对加工用的钎焊金刚石磨轮的性能也提出了更高的要求，需要进一步提高磨轮的使用寿命。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高铁磨轮及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种高铁磨轮的制备方法。

本发明的高铁磨轮的制备方法，包括以下步骤：

1)配料：将磨料和合金粉末钎料采用三维混料机混合均匀预混制成成型料，所述磨料由金刚石颗粒和碳化硅颗粒组成；

2)布料：调整好工装模具，首先放置好钢基体，然后投放成型料，组装到成型夹具中得到磨轮毛坯；所述钢基体由圆柱基体和与所述圆柱基体同轴设置且位于所述圆柱体上的圆台基体组成，所述圆台基体的顶面直径小于所述圆柱基体的横截面直径，所述圆台基体的底面直径大于所述圆柱基体的横截面直径，所述圆柱基体和圆台基体的中心加工有中心孔；所述圆柱基体和圆台基体的侧表面上均设置有磨料工作层；

3)钎焊烧结：将磨轮毛坯组装在模框中，在抽真空气氛中进行钎焊烧结，钎焊温度为1000～1090℃；

4)铰孔：将钎焊后的磨轮固定在夹具上，以中心孔定对孔径进行矫正；

5)喷漆、开刃：将铰孔后的磨轮去氧化皮，然后进行喷漆开刃；

6)矫正动平衡：把磨轮安装在动平衡机器上转动，找到不平衡的点，打眼去重力点。

其中，在步骤1)中，所述碳化硅颗粒为绿碳化硅颗粒或黑碳化硅颗粒。

其中，在步骤1)中，所述金刚石颗粒为中粗颗粒的人造金刚石。

其中，所述金刚石颗粒的粒径为0.30～0.75μm，碳化硅颗粒的粒径为0.15～0.50μm。

其中，所述金刚石颗粒和碳化硅颗粒的质量比为10∶0.1～2.0。所述金刚石颗粒的重量为合金粉末钎料重量的2.0～5.0wt％。

其中，所述合金粉末钎料的组成为31～35wt％的Ni、23～25wt％的Mn、1.25～2.5wt％的Si、0.30～1.0wt％的B、1.0～1.5wt％的Fe、1.0～5.0wt％的Cr，余量为Cu。

其中，在步骤2)中，所述钢基体的材质为低碳钢或低合金钢，优选为65Mn、25CrMo、28CrMo、30CrMo或50Mn2V。

其中，在步骤3)中，真空度为1.0×10^-4～5.0×10^-4。

其中，在步骤3)中，钎焊温度优选为1000～1050℃。

本发明的第二方面还提供了一种由上述制备方法得到的高铁磨轮。

与现有技术相比，本发明的高铁磨轮及其制备方法具有以下有益效果：

本发明的高铁磨轮采用的合金粉末钎料不含有稀缺金属W、Co以及贵重金属成分，成本较低，而且钎焊烧结温度较低对金刚石颗粒的热损伤小，且浸润性好、能够对复合磨料形成良好的把持力，有利于充分发挥磨料的磨削作用，显著提高了使用寿命。

附图说明

图1为本发明中的高铁磨轮的主视图。

图2为本发明中的高铁磨轮的仰视图。

图3为本发明中的高铁磨轮的主截面图。

图4为本发明中的高铁磨轮的立体图。

图5为磨轮损耗量与磨削量的关系图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明的高铁磨轮及其制备方法做进一步的阐述，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明的高铁磨轮主要用于设置在数控机床上对博格板进行机械加工，博格板是一块长6.45米、高20厘米的高致密度混凝土承轨台(所用混凝土强度等级一般为C45或C55，可采用普通混凝土或钢纤维混凝土)，博格板的长、宽、高误差都被严格控制在3毫米以内。在博格板承接钢轨处需要磨削加工，磨削加工的面包括两个倾斜的侧面、两侧面之间的底面，以及底面与两侧面结合处的两个沟槽，磨削精度要求达到0.1mm。如图1～4所示，本发明的高铁磨轮采用的钢基体为低合金钢，例如常用的65Mn、25CrMo、28CrMo、30CrMo或50Mn2V，从成本角度考虑可以选择65Mn，将选择的低合金钢坯材加工成下部为圆柱基体，上部为圆台基体的形状，所述圆柱基体与圆台基体同轴，圆台基体的顶面直径小于圆柱基体的横截面直径，圆台基体的底面直径大于圆柱基体的横截面直径，圆柱基体和圆台基体的中心加工有中心孔。另外，采用的钢基体也可以通过低合金钢铸造然后加工而成。在圆柱基体和圆台基体的侧表面上设置有磨料工作层，磨料工作层由作为基质的合金钎料层，和嵌合在合金钎料层上的中粗人造金刚石颗粒和中细碳化硅颗粒组成，采用的中粗人造金刚石颗粒由50目至30目的金刚石颗粒级配而成，采用的中细碳化硅颗粒由100目至35目的碳化硅颗粒级配而成。具体来说，在以下实例(包括实施例和比较例)如未特别说明，采用的中粗人造金刚石颗粒中，粒度为30目的占35wt％，粒度为40目的占45wt％，粒度为50目的占20％。在以下实例(如果采用)采用的中细碳化硅颗粒中，粒度为100目的占30wt％，粒度为60目的占40wt％，粒度为35目的占30wt％。实验发现，相比于金刚石颗粒的粒度，采用较小粒度级配的碳化硅颗粒反而能够更好的发挥辅助磨削作用并提高了磨耗比，提高了使用寿命。由于Ag-Cu-Ti、Cu-Sn-Ti合金钎料的耐磨性较差，而且成本较高，现有技术中通常采用Ni-Cr-Si-B合金钎料。但Ni-Cr-Si-B合金钎料虽然对磨粒的把持力较好，但作为合金钎料难以充分发挥复合磨粒的磨削作用，且热传导性较差。在本发明中，采用的合金粉末钎料的组成为31～35wt％的Ni、23～25wt％的Mn、1.25～2.5wt％的Si、0.30～1.0wt％的B、1.0～1.5wt％的Fe、1.0～5.0wt％的Cr，余量为Cu。本发明的合金粉末钎料能够形成低熔点的Cu-Mn-Ni合金，添加的Si和B不仅有利于进一步降低熔化温度，同时也可以起到固溶强化作用，添加的少量Fe能够促进合金钎料在钢上的铺展性，添加的Cr为强碳化物形成元素，有利于提高钎料对金刚石颗粒的浸润作用。在本发明中，通过将Ni、Mn等元素的含量限定在上述范围，可在1000～1090℃的范围内，优选在1000～1050℃的范围，例如可以在约1020℃进行钎焊烧结。在本发明中，当Fe的含量超过1.5wt％时，将形成Fe的独立相将对胎体的耐磨性不利，另外，如果Si的含量超过2.5wt％或者B的含量超过1.0wt％将会导致形成脆性相的风险增大，不利于对金刚石颗粒的把持。另外，如果不含Cr或Cr的含量小于1.0wt％，将有对金刚石颗粒把持力不足的风险，而如果Cr的含量超过5wt％，不仅会导致钎焊温度升高，而且会导致偏析倾向加大，反而使得胎体的整体强度降低。因而在本发明中，Cr的含量为1.8～4.0wt％，进一步优选为2.5～4.0wt％。

实施例1

本实施例提供一种高铁磨轮的制备方法。包括以下工艺步骤：

1)配料：将级配的金刚石颗粒和碳化硅颗粒，与合金粉末钎料预混制成成型料，混料采用三维混料机，混料时间为50分钟。合金粉末钎料的组成为31wt％的Ni、25wt％的Mn、1.8wt％的Si、0.80wt％的B、1.0wt％的Fe、2.5wt％的Cr，余量为Cu；添加的金刚石颗粒的重量为合金粉末钎料重量的3.2wt％，添加的碳化硅颗粒的重量为合金粉末钎料的重量的0.40wt％。

2)布料：调整好工装模具，放置机械加工成型的65Mn钢基体(钢基体表面清洗后，预先涂敷有胶粘剂和阻流剂)，然后投放成型料，组装到成型夹具中，钢基体是65Mn材料。

3)钎焊真空烧结：将布料好的磨轮毛坯，组装在模框中，在真空加热炉中进行加热烧结，真空烧结温度约1020℃，保温时间为5min，真空度4.0×10^-4。在真空加热炉中平均升温速度为30℃/min，停止加热后，平均降温时间为10℃/min。

4)铰孔：将钎焊烧结后的磨轮固定在机器的夹具上，按照标准尺寸对中心孔进行对孔径矫正。

5)喷漆、开刃：将热压烧结后的磨轮去氧化皮，并进行喷漆、开刃。

6)矫正动平衡：将开刃后的磨轮装在动平衡机器上，进行转动，找到不平衡的点，进行打眼，去重力点。

7)检验包装：将按要求对磨轮进行检验并进行数据核对，按要求包装入库。

实施例2

本实施例提供一种高铁磨轮的制备方法。包括以下工艺步骤：

1)配料：将级配的金刚石颗粒和碳化硅颗粒，与合金粉末钎料预混制成成型料，混料采用三维混料机，混料时间为50分钟。合金粉末钎料的组成为35wt％的Ni、23wt％的Mn、2.0wt％的Si、0.80wt％的B、1.2wt％的Fe、3.2wt％的Cr，余量为Cu；添加的金刚石颗粒的重量为合金粉末钎料重量的2.5wt％，添加的碳化硅颗粒的重量为合金粉末钎料的重量的0.5wt％。

2)布料：调整好工装模具，放置机械加工成型的65Mn钢基体(钢基体表面清洗后，预先涂敷有胶粘剂和阻流剂)，然后投放成型料，组装到成型夹具中，钢基体是65Mn材料。

3)钎焊真空烧结：将布料好的磨轮毛坯，组装在模框中，在真空加热炉中进行加热烧结，真空烧结温度约1020℃，保温时间为5min，真空度4.0×10^-4。在真空加热炉中平均升温速度为30℃/min，停止加热后，平均降温时间为10℃/min。

4)铰孔：将钎焊烧结后的磨轮固定在机器的夹具上，按照标准尺寸对中心孔进行对孔径矫正。

5)喷漆、开刃：将热压烧结后的磨轮去氧化皮，并进行喷漆、开刃。

6)矫正动平衡：将开刃后的磨轮装在动平衡机器上，进行转动，找到不平衡的点，进行打眼，去重力点。

7)检验包装：将按要求对磨轮进行检验并进行数据核对，按要求包装入库。

实施例3

本实施例提供一种高铁磨轮的制备方法。包括以下工艺步骤：

1)配料：将级配的金刚石颗粒和碳化硅颗粒，与合金粉末钎料预混制成成型料，混料采用三维混料机，混料时间为50分钟。合金粉末钎料的组成为35wt％的Ni、24wt％的Mn、1.25wt％的Si、1.0wt％的B、1.5wt％的Fe、1.2wt％的Cr，余量为Cu；添加的金刚石颗粒的重量为合金粉末钎料重量的3.0wt％，添加的碳化硅颗粒的重量为合金粉末钎料的重量的0.3wt％。

2)布料：调整好工装模具，放置机械加工成型的65Mn钢基体(钢基体表面清洗后，预先涂敷有胶粘剂和阻流剂)，然后投放成型料，组装到成型夹具中，钢基体是65Mn材料。

3)钎焊真空烧结：将布料好的磨轮毛坯，组装在模框中，在真空加热炉中进行加热烧结，真空烧结温度约1020℃，保温时间为5min，真空度4.0×10^-4。在真空加热炉中平均升温速度为30℃/min，停止加热后，平均降温时间为10℃/min。

4)铰孔：将钎焊烧结后的磨轮固定在机器的夹具上，按照标准尺寸对中心孔进行对孔径矫正。

5)喷漆、开刃：将热压烧结后的磨轮去氧化皮，并进行喷漆、开刃。

6)矫正动平衡：将开刃后的磨轮装在动平衡机器上，进行转动，找到不平衡的点，进行打眼，去重力点。

7)检验包装：将按要求对磨轮进行检验并进行数据核对，按要求包装入库。

对比例1

本对比例提供一种高铁磨轮的制备方法。包括以下工艺步骤：

1)配料：将级配的金刚石颗粒和碳化硅颗粒，与合金粉末钎料预混制成成型料，混料采用三维混料机，混料时间为50分钟。合金粉末钎料的组成为35wt％的Ni、23wt％的Mn、2.0wt％的Si、0.80wt％的B、1.2wt％的Fe、3.2wt％的Cr，余量为Cu；添加的金刚石颗粒的重量为合金粉末钎料重量的2.5wt％，添加的碳化硅颗粒的重量为合金粉末钎料的重量的0.5wt％。采用的金刚石颗粒中，粒度为30目的占35wt％，粒度为40目的占45wt％，粒度为50目的占20％。采用的碳化硅颗粒中，粒度为30目的占35wt％，粒度为40目的占45wt％，粒度为50目的占20％。

2)布料：调整好工装模具，放置机械加工成型的65Mn钢基体(钢基体表面清洗后，预先涂敷有胶粘剂和阻流剂)，然后投放成型料，组装到成型夹具中，钢基体是65Mn材料。

3)钎焊真空烧结：将布料好的磨轮毛坯，组装在模框中，在真空加热炉中进行加热烧结，真空烧结温度约1020℃，保温时间为5min，真空度4.0×10^-4。在真空加热炉中平均升温速度为30℃/min，停止加热后，平均降温时间为10℃/min。

4)铰孔：将钎焊烧结后的磨轮固定在机器的夹具上，按照标准尺寸对中心孔进行对孔径矫正。

5)喷漆、开刃：将热压烧结后的磨轮去氧化皮，并进行喷漆、开刃。

6)矫正动平衡：将开刃后的磨轮装在动平衡机器上，进行转动，找到不平衡的点，进行打眼，去重力点。

7)检验包装：将按要求对磨轮进行检验并进行数据核对，按要求包装入库。

对比例2

本对比例提供一种高铁磨轮的制备方法。包括以下工艺步骤：

1)配料：将级配的金刚石颗粒和碳化硅颗粒，与合金粉末钎料预混制成成型料，混料采用三维混料机，混料时间为50分钟。合金粉末钎料的组成为72wt％的Ni、10wt％的Cr、2.0wt％的Mn、3.5wt％的Si、2.0wt％的B、2.0wt％的Fe、8.5wt％的Cu；添加的金刚石颗粒的重量为合金粉末钎料重量的2.5wt％，添加的碳化硅颗粒的重量为合金粉末钎料的重量的0.5wt％。

2)布料：调整好工装模具，放置机械加工成型的65Mn钢基体(钢基体表面清洗后，预先涂敷有胶粘剂和阻流剂)，然后投放成型料，组装到成型夹具中，钢基体是65Mn材料。

3)钎焊真空烧结：将布料好的磨轮毛坯，组装在模框中，在真空加热炉中进行加热烧结，真空烧结温度约1020℃，保温时间为5min，真空度4.0×10^-4。在真空加热炉中平均升温速度为30℃/min，停止加热后，平均降温时间为10℃/min。

4)铰孔：将钎焊烧结后的磨轮固定在机器的夹具上，按照标准尺寸对中心孔进行对孔径矫正。

5)喷漆、开刃：将热压烧结后的磨轮去氧化皮，并进行喷漆、开刃。

6)矫正动平衡：将开刃后的磨轮装在动平衡机器上，进行转动，找到不平衡的点，进行打眼，去重力点。

7)检验包装：将按要求对磨轮进行检验并进行数据核对，按要求包装入库。

利用实施例2、对比例1～2制备的高铁磨轮安装在角磨机上对强度等级为C55的高致密度混凝土以干磨削方式进行磨削试验(切入式顺磨，转速5000r/min)，磨削量与磨损量的测量结果如图5中离散的点值所示，其中的直线为拟合直线。从中可以看出，采用本发明的合金粉末钎料制备的磨料工作层，提高了单位体积的磨削量，有利于充分发挥磨料的磨削作用，显著提高了使用寿命。

对于本领域技术人员而言，实施例只是对本发明进行了示例性地描述，本发明的具体实现并不受上述示例性地实施例的限制，只要采用了本发明的权利要求所蕴含的技术构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的技术构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高铁磨轮的制备方法，包括以下步骤：

1)配料：将磨料和合金粉末钎料采用三维混料机混合均匀预混制成成型料，所述磨料由金刚石颗粒和碳化硅颗粒组成；

2)布料：调整好工装模具，首先放置好钢基体，然后投放成型料，组装到成型夹具中得到磨轮毛坯；所述钢基体由圆柱基体和与所述圆柱基体同轴设置且位于所述圆柱体上的圆台基体组成，所述圆台基体的顶面直径小于所述圆柱基体的横截面直径，所述圆台基体的底面直径大于所述圆柱基体的横截面直径，所述圆柱基体和圆台基体的中心加工有中心孔；所述圆柱基体和圆台基体的侧表面上均设置有磨料工作层；

3)钎焊烧结：将磨轮毛坯组装在模框中，在抽真空气氛中进行钎焊烧结，钎焊烧结温度为1000～1090℃；

4)铰孔：将钎焊后的磨轮固定在夹具上，以中心孔定对孔径进行矫正；

5)喷漆、开刃：将铰孔后的磨轮去氧化皮，然后进行喷漆开刃；

6)矫正动平衡：把磨轮安装在动平衡机器上转动，找到不平衡的点，打眼去重力点。

2.根据权利要求1所述的高铁磨轮的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，所述碳化硅颗粒为绿碳化硅颗粒或黑碳化硅颗粒。

3.根据权利要求1所述的高铁磨轮的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，所述金刚石颗粒为中粗颗粒的人造金刚石。

4.根据权利要求3所述的高铁磨轮的制备方法，其特征在于：所述金刚石颗粒和碳化硅颗粒的粒径为0.30～0.75μm，碳化硅颗粒的粒径为0.10～0.50μm。

5.根据权利要求1所述的高铁磨轮的制备方法，其特征在于：所述金刚石颗粒和碳化硅颗粒的质量比为10∶0.1～2.0，并且所述金刚石颗粒的重量为合金粉末钎料重量的2.0～5.0wt％。

6.根据权利要求1所述的高铁磨轮的制备方法，其特征在于：所述合金粉末钎料的组成为31～35wt％的Ni、23～25wt％的Mn、1.25～2.5wt％的Si、0.30～1.0wt％的B、1.0～1.5wt％的Fe、1.0～5.0wt％的Cr，余量为Cu。

7.根据权利要求1所述的高铁磨轮的制备方法，其特征在于：在步骤3)中，真空度为1.0×10^-4～5.0×10^-4。

8.根据权利要求1所述的高铁磨轮的制备方法，其特征在于：在步骤3)中，钎焊温度优选为1000～1050℃。

9.根据权利要求1所述的高铁磨轮的制备方法，其特征在于：在步骤2)中，所述钢基体的材质为低碳钢或低合金钢。

10.一种高铁磨轮，其由权利要求1～9任一项所述的制备方法制备得到。