CN110029342A - 激光仿生再生低速轨道客车蠕铁制动盘的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光仿生再生低速轨道客车蠕铁制动盘的方法，该方法在制动盘全表面制备由圆环状仿生单元体和仿生条状单元体构成的环网状仿生单元体；同时针对制动盘全表面上长度大于5mm的拓展裂纹，在裂纹的两尖端制备B类锁闭钉扎点，在两个B类锁闭钉扎点之间的区域制备多个A类锁闭钉扎点；其中A类锁闭钉扎点为双材料复合结构，顶层钉点采用两次激光熔覆Ni基合金粉末制成，底层钉点采用多次激光熔覆添加有0.75‑1.1wt％铁硅孕育剂的铁基自熔合金粉末制成。本发明有效解决了单层熔覆结合强度低易二次开裂的问题并能够有效防止短裂纹进一步长大。

Description

激光仿生再生低速轨道客车蠕铁制动盘的方法
技术领域
本发明属于再生低速轨道客车蠕铁制动盘技术领域，涉及一种激光仿生再生低速轨道客车蠕铁制动盘的方法。
背景技术
低速轨道客车基础制动均采用盘形制动装置，对于200Km/h以下的低速轨道列车，一般采用铸铁制动盘与粉末冶金闸片配对的制动装置。制动盘是盘形制动装置中最重要的部分,制动盘中的盘体材料的选择是盘形制动装置中最关键的问题。制动时,巨大的制动热负荷及热冲击将引起很高的温度梯度,这将带来很高的热应力,盘体的这种受力状态决定了其失效的方式为热疲劳。时速200KM/h以下的轨道客车制动盘失效以疲劳裂纹长度和磨损程度为判据，即最大裂纹长度不超过50mm,裂纹距盘边缘不小于10mm,制动盘厚度不小于112mm,单边磨损不超过7mm。另外制动盘表面的热裂纹主要由长度30-50mm，宽度0.2-0.6mm，深度1-6mm造成失效的拓展裂纹和遍布制动盘表面的长度小于5mm的龟裂纹构成。因此报废制动盘再生在修复热裂纹的同时需增加制动盘厚度，单一的再生方法无法满足以上需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种激光仿生再生低速轨道客车蠕铁制动盘的方法，该方法能够对低速轨道客车蠕铁制动盘热裂纹进行修复和对磨损表面进行补偿。
为了解决上述技术问题，本发明的激光仿生再生低速轨道客车蠕铁制动盘的方法，其特征在于在制动盘全表面制备由圆环状仿生单元体和仿生条状单元体构成的环网状仿生单元体；同时针对制动盘全表面上长度大于5mm的拓展裂纹，在裂纹的两尖端制备B类锁闭钉扎点，在两个B类锁闭钉扎点之间的区域制备多个A类锁闭钉扎点；所述的B类锁闭钉扎点采用一次激光熔覆Ni基自熔合金粉末的方法制成；A类锁闭钉扎点为双材料复合结构，其截面为双V形；A类锁闭钉扎点的顶层钉点采用两次激光熔覆Ni基合金粉末制成，底层钉点采用多次激光熔覆添加有0.75-1.1wt％铁硅孕育剂的铁基自熔合金粉末制成。所述的B类锁闭钉扎点截面为U形，表面直径R3的范围为2-3mm,深度H3范围为0.6-1.2mm。
所述的B类锁闭钉扎点激光加工能量密度为4.55-6.03J/mm2，频率为2.5-3.5HZ，加工时间为2秒。
所述的A类锁闭钉扎点的间距D1为3-5mm；顶层钉点的表面直径R1为1.8-2.2mm，深度H1为1-1.5mm；对于宽度大于0.4mm的热裂纹，底层钉点的表面直径R21为1.2-1.5mm，深度H21为3-5mm；对于宽度小于0.4mm的热裂纹，底层钉点的表面直径R22为0.8-1.2mm，深度H22为1.5-2.5mm。
所述的底层钉点激光加工能量密度为8.05J-14J/mm2，频率为8-10Hz，每次加工时间为3秒。
所述的顶层钉点高于表面0.1毫米.
所述的顶层钉点激光加工能量密度为8-12J/mm2，频率为6-8Hz，每次加工时间为3秒。
所述的环网状仿生单元体高出制动盘表面2mm，采用多次激光熔覆Ni基合金粉末制成；激光加功能量为8.05J-14J/mm2，频率为2.5-3.5Hz，扫描速度为1-2.0mm/s。
进一步，起始的圆环状仿生单元体半径为100mm，终点的圆环状仿生单元体半径为320mm，相邻圆环状仿生单元体间距D2为10-15毫米；相邻两个仿生条状单元体的起始点与回转体圆心连线之间的夹角θ1为9°-18°，仿生条状单元体与加工起点圆切线的夹角θ2为15°-30°；所述的圆环状仿生单元体和仿生条状单元体截面为弓形，截面宽高比为0.8-1.05。
本发明改变了现有的全表面堆焊修复制动盘的方法，运用仿生的思想采用了一种双材料复合结构钉扎处理方法和激光熔覆环网状耐磨涂层方法分别修复致使制动盘报废的热裂纹和表面损耗；双材料复合结构钉扎处理方法有效解决了单层熔覆结合强度低易二次开裂的问题。钉扎点在裂纹拓展方向上按一定间距离散分布，这样的分布有助于释放使裂纹开裂的集中应力，同时裂纹尖端制备的点状钉点强度较大，使得裂纹开裂更为困难。通过制备环网状仿生单元体得到的耐磨涂层硬度较大且高于磨损表面。这使得磨屑在划过硬质仿生单元体后掉入网格内部，阻止磨屑进一步犁削制动盘减少制动盘损耗。同时环网状仿生单元体进一步打断裂纹，这样的表面能够有效防止短裂纹进一步长大且环网状仿生单元体的存在将会改变制动盘表面的应力分布，使未制备仿生单元体的空白表面应力减小，进一步防止裂纹的开裂。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明对低速轨道客车蠕铁制动盘热裂纹进行修复和对磨损表面进行补偿的示意图。
图2是热裂纹修复示意图。
图3是B类锁闭钉扎点的纵截面示意图。
图4是A类锁闭钉扎点的纵截面示意图。
图5是环网状仿生单元体截面示意图。
图6是A类锁闭钉扎点的底层钉点在采用多次激光熔覆并不添加有孕育剂时的金相组织图。
图7是A类锁闭钉扎点的底层钉点在采用多次激光熔覆并添加有孕育剂时的金相组织图。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明的激光仿生再生低速轨道客车蠕铁制动盘的方法如下：在制动盘全表面制备由圆环状仿生单元体和仿生条状单元体构成的环网状仿生单元体；同时针对制动盘全表面上长度大于5mm的拓展裂纹，在裂纹的两尖端制备B类锁闭钉扎点，在两个B类锁闭钉扎点之间的区域制备多个A类锁闭钉扎点。
所述的圆环状仿生单元体和仿生条状单元体高出制动盘表面2mm，采用4次～10次激光熔覆Ni基合金粉末制成，激光加功能量为8.05J-14J/mm2，频率为2.5-3.5Hz，扫描速度为1-2.0mm/s。起始的圆环状仿生单元体半径为100mm，终点的圆环状仿生单元体半径为320mm，相邻圆环状仿生单元体间距D2为10-15毫米；相邻仿生条状单元体起始点与回转体圆心连线之间的夹角θ1为9°-18°，仿生条状单元体与加工起点圆切线的夹角θ2为15°-30°；如图5所示，圆环状仿生单元体和仿生条状单元体截面为弓形，截面宽高比D/H为0.8-1.05。
如图3所示，B类锁闭钉扎点截面为U形，表面直径R3的范围为2-3mm,深度H3范围为0.6-1.2mm，采用一次激光熔覆Ni基自熔合金粉末的方法制成，激光加工能量密度为4.55-6.03J/mm2，频率为2.5-3.5HZ，加工时间为2秒。
如图4所示，A类锁闭钉扎点为双材料复合结构，其截面为双V形，间距D1为3-5mm。A类锁闭钉扎点的顶层钉点高于表面0.1毫米，采用两次激光熔覆Ni基合金粉末制成，激光加工能量密度为8-12J/mm2，频率为6-8Hz，每次熔覆时间为3秒；顶层钉点表面直径R1为1.8-2.2mm，深度H1为1-1.5mm。底层钉点采用多次激光熔覆添加有孕育剂的铁基自熔合金粉末制成，激光加工能量密度为8.05J-14J/mm2，频率为8-10Hz，每次激光加工时间为3秒；对于宽度大于0.4mm的热裂纹，底层钉点的表面直径R21为1.2-1.5mm，深度H21为3-5mm；对于宽度小于0.4mm的热裂纹，底层钉点的表面直径R22为0.8-1.2mm，深度H22为1.5-2.5mm。
发明人曾选择孕育剂添加量为2wt％、3wt％、5wt％、10wt％等多种孕育剂并在实验过程中反复调整孕育剂的加入量和激光加工参数，都没有达到理想的效果。由于影响实验结果的因素比较多，孕育剂材料、加入量或者激光加工参数若有一样选择不当，在激光熔覆过程中即会出现迸溅、气孔、钉扎点有大裂纹等现象，或者加入的孕育剂起不到细化晶粒的作用。本发明通过大量实验筛选最后确定在铁基自熔合金粉末中添加0.75-1.1wt％的硅铁材料的孕育剂，获得了理想的技术效果，底层钉点晶粒尺寸达到了平均晶粒尺寸每平方毫米7908-8706个，如图7所示，并且底层钉点与基体的结合强度较普通熔覆高温耐磨Ni基合金结合强度上增加了63Mpa。
铁基自熔合金粉末具体成分为Si含量0.8-1.2wt％,Cr含量4.7-5.5％,Mo含量1.1-1.75,C含量0.3-0.45wt％，其余为Fe，Ni基自熔粉末具体成分为Si含量2.5-3.5wt％,Cr含量10-15％,Mo含量1.5-4.5,C含量0.8-1wt％，其余为Ni。
激光仿生再生低速轨道客车蠕铁制动盘的方法，具体包括下述步骤：
步骤一、利用机械磨铣对经磨损后的铁路客车制动盘表面进行预处理，在清除表面各种污迹及氧化皮的同时平整表面；
步骤二、采用一次激光熔覆Ni基自熔合金粉末的方法在长条状热裂纹的两尖端制备B类锁闭钉扎点；
步骤三、在两个B类锁闭钉扎点之间的区域，先采用多次激光熔覆添加有孕育剂的铁基自熔合金粉末制备底层钉点，再采用两次激光熔覆Ni基合金粉末制备顶层钉点，直至顶层钉点高于制动盘工作表面0.1毫米；
步骤四、在制动盘表面100mm-320mm半径范围内制备由圆环状仿生单元体和仿生条状单元体构成的环网状仿生单元体。
本发明同时使用双材料复合结构钉扎处理方法和激光熔覆环网状耐磨涂层方法，能够修复报废制动盘表面的热裂纹和补偿制动盘表面的磨损消耗。
由于采用硬度较高800-900HV、强度较大、耐高温的Ni基自熔合金粉末制备环网状仿生单元体得到耐磨涂层，环网状单元体与蠕铁基体的结合强度可达400MPa；并且耐磨涂层在制动时的抗氧化能力增强，耐磨性提高。同时环网状仿生单元体使得磨屑在划过硬质仿生单元体后掉入网格内部，能够组织磨屑进一步犁削制动盘减少制动盘损耗。
对于制动盘表面长条状热裂纹，在裂纹的两尖端制备B类锁闭钉扎点，其强度为526-533MPa，能有效阻止裂纹的进一步拓展，使制动盘的寿命进一步延长1.6-2.2倍。
A类锁闭钉扎点采用双材料复合结构，底层钉点采用焊接结合性优良强度较顶层低的铁基自熔合金粉末，通过添加孕育剂的形式使晶粒细化，能够有效的增加钉点的结合强度，从而避免钉点的二次开裂，顶层钉点用硬度大、强度高的Ni基自熔粉末，能够增强修复表面的耐磨性。
激光仿生锁闭钉扎的再生蠕铁制动盘应用实例见表1、表2
表1
表2

Claims (8)

1.一种激光仿生再生低速轨道客车蠕铁制动盘的方法，其特征在于在制动盘全表面制备由圆环状仿生单元体和仿生条状单元体构成的环网状仿生单元体；同时针对制动盘全表面上长度大于5mm的拓展裂纹，在裂纹的两尖端制备B类锁闭钉扎点，在两个B类锁闭钉扎点之间的区域制备多个A类锁闭钉扎点；所述的B类锁闭钉扎点采用一次激光熔覆Ni基自熔合金粉末的方法制成；A类锁闭钉扎点为双材料复合结构，其截面为双V形；A类锁闭钉扎点的顶层钉点采用两次激光熔覆Ni基合金粉末制成，底层钉点采用多次激光熔覆添加有0.75-1.1wt％铁硅孕育剂的铁基自熔合金粉末制成。所述的B类锁闭钉扎点截面为U形，表面直径R3的范围为2-3mm,深度H3范围为0.6-1.2mm。
2.根据权利要求1所述的激光仿生再生低速轨道客车蠕铁制动盘的方法，其特征在于所述的B类锁闭钉扎点激光加工能量密度为4.55-6.03J/mm2，频率为2.5-3.5HZ，加工时间为2秒。
3.根据权利要求1所述的激光仿生再生低速轨道客车蠕铁制动盘的方法，其特征在于所述的A类锁闭钉扎点的间距D1为3-5mm；顶层钉点的表面直径R1为1.8-2.2mm，深度H1为1-1.5mm；对于宽度大于0.4mm的热裂纹，底层钉点的表面直径R21为1.2-1.5mm，深度H21为3-5mm；对于宽度小于0.4mm的热裂纹，底层钉点的表面直径R22为0.8-1.2mm，深度H22为1.5-2.5mm。
4.根据权利要求3所述的激光仿生再生低速轨道客车蠕铁制动盘的方法，其特征在于所述的底层钉点激光加工能量密度为8.05J-14J/mm2，频率为8-10Hz，每次加工时间为3秒。
5.根据权利要求3所述的激光仿生再生低速轨道客车蠕铁制动盘的方法，其特征在于所述的顶层钉点高于表面0.1毫米。
6.根据权利要求5所述的激光仿生再生低速轨道客车蠕铁制动盘的方法，其特征在于所述的顶层钉点激光加工能量密度为8-12J/mm2，频率为6-8Hz，每次加工时间为3秒。
7.根据权利要求1所述的激光仿生再生低速轨道客车蠕铁制动盘的方法，其特征在于所述的环网状仿生单元体高出制动盘表面2mm，采用多次激光熔覆Ni基合金粉末制成；激光加功能量为8.05J-14J/mm2，频率为2.5-3.5Hz，扫描速度为1-2.0mm/s。
8.根据权利要求1所述的激光仿生再生低速轨道客车蠕铁制动盘的方法，其特征在于起始的圆环状仿生单元体半径为100mm，终点的圆环状仿生单元体半径为320mm，相邻圆环状仿生单元体间距D2为10-15毫米；相邻两个仿生条状单元体的起始点与回转体圆心连线之间的夹角θ1为9°-18°，仿生条状单元体与加工起点圆切线的夹角θ2为15°-30°；所述的圆环状仿生单元体和仿生条状单元体截面为弓形，截面宽高比为0.8-1.05。
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