CN109722664A

CN109722664A - 一种新型钢轨修复用合金粉末及钢轨表面损伤修复的方法

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Publication number: CN109722664A
Application number: CN201910119202.0A
Authority: CN
Inventors: 夏志新; 徐加超; 陈磊
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2019-02-18
Filing date: 2019-02-18
Publication date: 2019-05-07
Anticipated expiration: 2039-02-18
Also published as: CN109722664B

Abstract

本发明涉及了一种新型钢轨修复用合金粉末及钢轨表面损伤修复的方法，所述新型钢轨修复用合金粉末包括如下重量百分比的组分：0.8‑1.5％的硅、0.61‑1.5％的锰、0.1‑0.15％的钒、0.5‑0.8％的铜和0.45‑0.7％的碳，其余为铁，其所含杂质中铬小于等于0.4％，硫小于等于0.005％，磷小于等于0.01％。该新型钢轨修复用合金粉末具有较高的强度、硬度和韧性，且具有较好的抗腐蚀能力，该钢轨表面损伤修复的方法中，利用该合金粉末作为熔覆材料，在钢轨的受损面上熔覆形成的熔覆层组织致密、晶粒细小均匀、无柱状晶组织形态，具有较好的抗拉强度和屈服强度，且具有较高的冲击吸收功，保证了钢轨表面损伤的修复质量，且该钢轨表面损伤修复的方法工作效率高、资源利用率高。

Description

一种新型钢轨修复用合金粉末及钢轨表面损伤修复的方法

技术领域

本发明涉及一种新型钢轨修复用合金粉末及钢轨表面损伤修复的方法，属于增材制造技术领域。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗称3D打印，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。

熔覆技术是现代制造业中最为重要的结构修复技术之一。熔覆的目的就是在基体材料表面生成具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀、热障碍等的功能层，从当前熔覆的应用情况来看，其主要应用于两个方面：一，对材料的表面改性，如燃汽轮机叶片，轧辊，齿轮等；二，对产品的表面修复，如转子，模具等。有关资料表明，修复后的部件强度可达到原强度的90％以上，其修复费用不到重置价格的1/5，更重要的是缩短了维修时间，解决了大型企业重大成套设备连续可靠运行所必须解决的转动部件快速抢修难题。

我国铁路运营高速化、重载化，钢轨伤损日益严重，目前磨损钢轨表面在线修复过程中具有工作效率低、资源浪费大、焊补层冲击韧性不够、修复质量不易保证等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型钢轨修复用合金粉末及钢轨表面损伤修复的方法，该新型钢轨修复用合金粉末具有较高的强度、硬度和韧性，且具有较好的抗腐蚀能力，该钢轨表面损伤修复的方法中，利用该合金粉末作为熔覆材料，在钢轨的受损面上熔覆形成的熔覆层组织致密、晶粒细小均匀、无柱状晶组织形态，具有较好的抗拉强度和屈服强度，且具有较高的冲击吸收功，保证了钢轨表面损伤的修复质量，且该钢轨表面损伤修复的方法工作效率高、资源利用率高。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种新型钢轨修复用合金粉末，所述新型钢轨修复用合金粉末包括如下重量百分比的组分：0.8-1.5％的硅、0.61-1.5％的锰、0.1-0.15％的钒、0.5-0.8％的铜和0.45-0.7％的碳，其余为铁。

进一步地，所述新型钢轨修复用合金粉末包括如下重量百分比的组分：0.6％的碳、0.8％的硅、1.2％的锰、0.1％的钒和0.6％的铜，其余为铁。

进一步地，所述新型钢轨修复用合金粉末包括如下重量百分比的组分：0.6％的碳、1.2％的硅、0.8％的锰、0.15％的钒和0.6％的铜，其余为铁。

另一方面，本发明还提供了一种利用上述的新型钢轨修复用合金粉末进行钢轨表面损伤修复的方法，包括如下步骤：

(1)清理受损的表面，去除浮锈、灰尘、油污等杂质，保证修复面的洁净，避免杂质影响结合处成分组成，而降低结合处综合性能。

(2)建立三维模型，利用图像分层软件对所述三维模型进行切片分层，然后使用路径规划软件进行成型路径设计；

(3)根据步骤(3)中的成型路径设计，以所述新型钢轨修复用合金粉末作为熔覆材料，激光通过聚焦镜聚焦至钢轨的受损面上形成光斑以在钢轨的受损面熔覆熔覆层进行修复

(4)对步骤(3)中所得的熔覆有熔覆层的钢轨的受损面进行表面清理，

得到修复后的钢轨表面。

进一步地，所述熔覆材料为熔覆粉材，所述熔覆粉材的颗粒粒度为150-350目，在所述熔覆粉材的混粉工艺中，控制混粉工艺参数使所述熔覆粉材不产生偏析缺陷。

进一步地，在激光熔覆工艺中，在熔池的外围形成有以形成惰性气体保护气氛的惰性保护气帘。

进一步地，形成所述惰性保护气帘的惰性保护气体为氩气，所述氩气的纯度为≥99.99％。

进一步地，激光熔覆工艺参数为：激光功率400-600w，光斑直径1-3mm，离焦量0.4mm，扫描速度6-8mm/s。

进一步地，激光熔覆工艺中，所述熔覆粉材的送粉速度为0.42-11.65g/min，输送所述熔覆粉材的载气的气流量为8L/min。

进一步地，所述步骤(1)中，对所述三维模型进行切片分层使每层的高度为0.1-0.5mm。

本发明的有益效果在于：硅主要用于提高合金粉末的成型工艺性，少量的硅具有固溶强化的作用，利于提高合金粉末的强度和硬度，同时还可以降低合金熔点提高熔池抗氧化性能；锰易于与合金粉末中的硫生成MnS塑性夹杂物，从而降低合金粉末的热脆性；钒是合金粉末的优良脱氧剂，合金粉末中的钒可细化组织细粒，提高合金粉末的强度和韧性，且钒与合金粉末中的碳形成的碳化物，在高温高压下可提高合金粉末的抗氢腐蚀能力；铜具有细化晶粒的作用，且有助于改善合金粉末的抗腐蚀能力。本发明的新型钢轨修复用合金粉末在特定配比的各组分作用下，具有较高的强度、硬度和韧性，且具有好的抗腐蚀能力，利用该新型钢轨修复用合金粉末作为熔覆材料，在钢轨的受损面上熔覆形成的熔覆层组织致密、晶粒细小均匀、无柱状晶组织形态，具有较好的抗拉强度和屈服强度，且具有较高的冲击吸收功，保证了钢轨表面损伤的修复质量，另外，该钢轨表面损伤修复的方法工作效率高，且极大的节约了资源。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。

附图说明

图1a-b为本发明实施例三所得的熔覆于钢轨的受损面的熔覆层的微观组织图；

图2a-b为本发明实施例四所得的熔覆于钢轨的受损面的熔覆层的微观组织图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

新型钢轨修复用合金粉末包括如下重量百分比的组分：0.8％的硅、0.61％的锰、0.12％的钒、0.5％的铜和0.45％的碳，其余为铁。

上述新型钢轨修复用合金粉末为合金粉末，通过混粉工艺制得，采用金属锰、金属铜、金属钒、金属铁、碳块和原料硅的粉末作为原材料按照目标组分进行配料，其中作为原材料的各组分的纯度大于99％，所得的合金粉末的颗粒粒度为250目，在合金粉末的混粉工艺中，控制混粉工艺参数使合金粉末不产生偏析缺陷。

利用上述新型钢轨修复用合金粉末进行钢轨表面损伤修复的方法，包括如下步骤：(1)清理受损的表面，去除浮锈、灰尘、油污等杂质，保证修复面的洁净，避免杂质影响结合处成分组成，而降低结合处综合性能。(2)建立三维模型，利用图像分层软件对所述三维模型进行切片分层，每层的高度为0.5mm，然后使用路径规划软件进行成型路径设计；(3)根据步骤(2)中的成型路径设计，以所述新型钢轨修复用合金粉末作为熔覆材料，由载气输送通过送粉装置光内送粉，激光通过聚焦镜聚焦至钢轨的受损面上形成光斑，投入到光斑中的熔覆粉材熔化并形成熔池，以在钢轨的受损面熔覆熔覆层进行修复，该激光熔覆工艺参数为：激光功率为500w，光斑直径2mm，离焦量0.4mm，扫描速度为7mm/s，熔覆粉材的送粉速度为10g/min，输送熔覆粉材的载气的气流量为8L/min；(4)对步骤(3)中所得的熔覆有熔覆层的钢轨的受损面进行表面清理打磨，得到修复后的钢轨表面。

本实施例中，激光熔覆工艺中，在熔池的外围形成有惰性保护气帘，以在熔池的外围形成惰性气体保护气氛，形成惰性保护气帘的惰性保护气体为氩气，氩气的纯度为≥99.99％。

实施例二

新型钢轨修复用合金粉末包括如下重量百分比的组分：1.5％的硅、1.5％的锰、0.15％的钒、0.8％的铜和0.7％的碳，其余为铁。

上述新型钢轨修复用合金粉末为合金粉末，合金粉末的制备方法根据实施例一中的合金粉末的制备方法，所得的合金粉末的颗粒粒度为250目，在合金粉末的混粉工艺中，控制混粉工艺参数使合金粉末不产生偏析缺陷。

实施例三

新型钢轨修复用合金粉末包括如下重量百分比的组分：0.6％的碳、1.2％的硅、0.8％的锰、0.15％的钒和0.6％的铜，其余为铁。

利用上述新型钢轨修复用合金粉末进行钢轨表面损伤修复的方法，包括如下步骤：(1)清理受损的表面，去除浮锈、灰尘、油污等杂质，保证修复面的洁净，避免杂质影响结合处成分组成，而降低结合处综合性能。(2)建立三维模型，利用图像分层软件对所述三维模型进行切片分层，每层的高度为0.5mm，然后使用路径规划软件进行成型路径设计；(3)根据步骤(2)中的成型路径设计，以所述新型钢轨修复用合金粉末作为熔覆材料，由载气输送通过送粉装置光内送粉，激光通过聚焦镜聚焦至钢轨的受损面上形成光斑，投入到光斑中的熔覆粉材熔化并形成熔池，以在钢轨的受损面熔覆熔覆层进行修复，该激光熔覆工艺参数为：激光功率为500w，光斑直径2mm，离焦量0.4mm，扫描速度为7mm/s，熔覆粉材的送粉速度为10/min，输送熔覆粉材的载气的气流量为8L/min；(4)对步骤(3)中所得的熔覆有熔覆层的钢轨的受损面进行表面清理打磨，得到修复后的钢轨表面。

实施例四

根据实施例三所述的利用新型钢轨修复用合金粉末进行钢轨表面损伤修复的方法，本实施例四所述的钢轨表面损伤修复的方法与实施例三所述的钢轨表面损伤修复的方法所不同的在于，钢轨表面损伤修复的方法所利用的新型钢轨修复用合金粉末包括如下重量百分比的组分：0.6％的碳、0.8％的硅、1.2％的锰、0.1％的钒和0.6％的铜，其余为铁。

实施例五

对实施例一至实施例四的熔覆于钢轨的受损面的熔覆层进行切片、研磨、抛光和腐蚀后进行微观组织观察，所得到的熔覆于钢轨的受损面的熔覆层均组织致密、晶粒细小均匀、无柱状晶组织形态，成型的组织为珠光体或贝氏体，对所得的熔覆于钢轨的受损面的熔覆层取样并进行力学性能测试，均具有较好的抗拉强度和屈服强度，且具有较高的冲击吸收功，尤其实施例三和实施例四所得的熔覆于钢轨的受损面的熔覆层，其组织更为致密，抗拉强度、屈服强度和冲击吸收功表现更佳，实施例三所得的熔覆于钢轨的受损面的熔覆层的微观组织图如图1a和图1b所示，实施例四所得的熔覆于钢轨的受损面的熔覆层的微观组织图如图2a和图2b所示，实施例三和实施例四所得的熔覆于钢轨的受损面的熔覆层的力学性能测试结果如下表1所示：

表1

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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和改进，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

1.一种新型钢轨修复用合金粉末，其特征在于，所述新型钢轨修复用合金粉末包括如下重量百分比的组分：0.8-1.5％的硅、0.61-1.5％的锰、0.1-0.15％的钒、0.5-0.8％的铜和0.45-0.7％的碳，其余为铁。

2.根据权利要求1所述的一种新型钢轨修复用合金粉末，其特征在于，所述新型钢轨修复用合金粉末包括如下重量百分比的组分：0.6％的碳、0.8％的硅、1.2％的锰、0.1％的钒和0.6％的铜，其余为铁。

3.根据权利要求1所述的一种新型钢轨修复用合金粉末，其特征在于，所述新型钢轨修复用合金粉末包括如下重量百分比的组分：0.6％的碳、1.2％的硅、0.8％的锰、0.15％的钒和0.6％的铜，其余为铁。

4.利用权利要求1-3中任一项所述的新型钢轨修复用合金粉末进行钢轨表面损伤修复的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(4)对步骤(3)中所得的熔覆有熔覆层的钢轨的受损面进行表面清理，得到修复后的钢轨表面。

5.根据权利要求4所述的钢轨表面损伤修复的方法，其特征在于，所述熔覆材料为熔覆粉材，所述熔覆粉材的颗粒粒度为150-350目，在所述熔覆粉材的混粉工艺中，控制混粉工艺参数使所述熔覆粉材不产生偏析等缺陷。

6.根据权利要求5所述的钢轨表面损伤修复的方法，其特征在于，在激光熔覆工艺中，在熔池的外围形成有以形成惰性气体保护气氛的惰性保护气帘。

7.根据权利要求6所述的钢轨表面损伤修复的方法，其特征在于，形成所述惰性保护气帘的惰性保护气体为氩气，所述氩气的纯度为≥99.99％。

8.根据权利要求4所述的钢轨表面损伤修复的方法，其特征在于，激光熔覆工艺参数为：激光功率400-600w，光斑直径1-3mm，离焦量0.4mm，扫描速度6-8mm/s。

9.根据权利要求5所述的钢轨表面损伤修复的方法，其特征在于，激光熔覆工艺中，所述熔覆粉材的送粉速度为0.42-11.65g/min，输送所述熔覆粉材的载气的气流量为8L/min。

10.根据权利要求4所述的钢轨表面损伤修复的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，对所述三维模型进行切片分层使每层的高度为0.1-0.5mm。