CN110129674A - 一种激光熔覆制备的梯度材料钢轨辙叉 - Google Patents

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Abstract

一种激光熔覆制备的梯度复合材料钢轨道岔涂层。材料质量百分比如下：过渡层采用Fe基合金材料，其化学成分为Cr：13‑17wt％、Ni：3‑6wt％、Si：1‑1.5wt％、Mn：0.5‑1wt％、Nb：0.3‑1.2wt％、B：1‑1.5wt％、C：0.05‑0.7wt％，V：0.5‑1.2％，余量为Fe；强化层置于过渡层之上，采用Fe基金属纳米相复合材料。制备方法如下：将制备得到Fe基金属粉末和Fe基金属纳米相复合材料涂层，使用激光扫描加热对钢轨进行预热减少温度梯度，利用激光熔覆技术在钢轨表面制备梯度复合材料涂层并进行激光扫描热处理，降低激光熔覆后的冷却速率，避免热影响区的马氏体产生，使涂层开裂性能降低，硬度曲线光滑，整体韧性和承载性能较好，比普通重载铁路辙叉有更高的强度和硬度，有更长的寿命和较强的制造集成性。

Description

一种激光熔覆制备的梯度材料钢轨辙叉
技术领域
本发明涉及一种激光熔覆制备的梯度材料钢轨辙叉，特别涉及一种新型梯度材料制备的高耐磨、高承载性能钢轨辙叉，属于激光材料加工制造领域。
背景技术
铁路运输是我国的重要交通方式，而随着铁路运输量的持续增加，钢轨辙叉使用寿命明显降低，主要由U75V、U71Mn等构成的铁路造价高，对轨道及线下部分要求高。而辙叉是列车在运行中，由一股轨道进入另一股轨道时的线路装置，其结构复杂、零部件多、受冲击力大是重载铁路系统中的最容易受破坏环节，而破损的局部就需要更换整体钢轨，频繁的更换辙叉不仅浪费大量成本，同时也影响了铁路运输的流畅和安全。
激光熔覆技术在金属材料表面强化,提高耐磨性有着广泛的应用前景。但对钢轨进行传统单种合金粉末的激光熔覆时，会导致钢轨界面冶金结合性能较差，熔覆层与基体间存在较大的硬度差，影响综合使用性能。本过渡层材料中Fe基、Ni基粉末材料由于经济适用比高且耐磨性好,同时与常用钢轨碳钢材料成分相近，该新型复合粉末可使熔覆层、热影响区和钢轨之间的性能合理匹配，因此,将过渡层粉末熔覆在钢轨表面,能有效的与界面进行冶金结合；Fe基金属纳米相复合粉末的硬度较高，能提高钢轨道岔表面硬度和耐磨性,掺杂的稀土元素以及纳米颗粒可促进熔覆层形核，细化枝晶间距，有效的缓解钢轨损伤。激光熔覆Fe基材料的过程熔化及凝固速度很快,比较容易产生马氏体结构，但由于马氏体硬度高但是韧性很低，在铁路行业标准TB/T2344-2003中禁止钢轨中出现马氏体组织。因此，将激光扫描热处理技术与激光熔覆以数字化方式结合起来，制备出成分均匀且不含马氏体结构涂层，该粉末制备的涂层具有良好的耐磨性、承载性、抗腐蚀性和较高的硬度。
发明内容
本发明目的是为了研制具有较高的表面接触疲劳性能、承载性能的钢轨辙叉。采用激光熔覆新型Fe基梯度合金粉末和激光扫描加热结合方法处理后的钢轨辙叉性能显著提升，使用寿命较长。
一种激光熔覆制备的梯度材料钢轨辙叉，其特征在于质量百分比如下：过渡层采用Fe基合金材料，其化学成分为Cr：13-17wt％、Ni：3-6wt％、Si：1-1.5wt％、Mn：0.5-1wt％、Nb：0.3-1.2wt％、B：1-1.5wt％、C：0.05-0.7wt％，V：0.5-1.2％，余量为Fe；强化层置于过渡层之上，采用Fe基金属纳米相复合材料，其化学成分如下Cr：15-20wt％、Ni：5-7wt％、Mo：2-4wt％、Mn：1-3wt％、V：1-1.5wt％、C：0.05-0.6wt％、纳米相WC：0.5-2wt％、纳米相TiC：0.5-0.8wt％、纳米相NbC：0.3-0.9wt％、纳米相La2O3：0.5-1.0wt％、纳米相Al2O3：0.5-0.8wt％，余量为Fe。
按上述粉末的质量百分比进行合金材料选取，将过渡层合金粉末熔炼后采用气雾化方式分别得到Fe基合金粉体,实现粉体的均匀化；再将强化层Fe基金属纳米相复合材料的非纳米相粉末熔炼后采用气雾化方式制粉，再将制得的粉末与纳米相材料采用机械混合的方式得到均匀粉体。再将两种粉末过筛后得到直径约为53-150um的粉末，在干燥箱内烘干1小时,烘干温度为100℃。
申请人发明这种新型辙叉表面涂层配比的过渡层铁基合金粉末能通过激光熔覆在钢轨(U75V、U71Mn等)的顶面以及侧面形成优良、致密的熔覆组织结构，呈现良好的冶金结合，组成的物相与基体较为接近，提升抗弯性能，性能曲线平滑；强化层Fe基多元合金粉末中的纳米相WC/TiC/NbC可提升表面硬度，添加的纳米颗粒Al2O3促进熔覆层形核，细化枝晶间距，加入的纳米相稀土元素La2O3弥散强化能延缓疲劳裂纹的扩展，缓解表面磨损损伤，改善表面加工硬化现象，此新型铁基金属纳米相复合粉末有效降低轮轨间的摩擦系数和磨损量。本新型钢轨辙叉通用性强，涂层可应用在多种钢轨材料基体上，使力学性能与熔覆区域形成良好匹配性，钢轨整体顶面、侧面都具有良好的抗弯性能。
其制备过程包括以下步骤：
根据设计的Fe基合金粉末配备均匀粉末，其中粉末颗粒尺寸为53-150um，选取铁路钢轨(U75V、U71Mn等)为基体，采用半导体光纤激光器激光功率1-5KW，圆形光斑尺寸为6-8mm，扫描速度10-50mm/s进行预热处理，多次扫描后钢轨温度达到300-500℃，整个过程采用温度监控系统红外影像仪进行实时监测分析；再利用激光熔覆表面技术在钢轨基体表面制备过渡层，实现新型钢轨表面的强化：过渡层激光器熔覆功率2-8KW，圆形光斑尺寸为3-8mm，光束扫描速度300-2500mm/min，搭接率为20％-55％，送粉速度18-60g/min，激光熔覆过程采用流量为15～20L/min的氩气保护。过渡层制备层数为1-2层，厚度为0.5-1.5mm；强化层采用上述成分的Fe基金属纳米相复合材料，采用激光熔覆复合材料层于过渡层之上，激光器熔覆功率2-8KW，光束扫描速度400-3000mm/min，搭接率20-60％，圆形光斑尺寸为3-8mm，送粉速度15-55g/min，激光熔覆过程采用流量为15-20L/min的氩气保护，激光熔覆强化层为2-3层，厚度为2-4mm。熔覆完成后进行激光扫描去应力处理，加热缓冷，激光退火处理参数：激光功率2-6KW，圆形光斑尺寸为6-8mm，扫描速度8-20mm/s进行预热处理，钢轨温度达到400-650℃并保持温度30-60min，在钢轨表面制备2.5-5.5mm厚的激光熔覆合金涂层，去除内部残余应力并使热影响区有效避免马氏体产生，主要组织为索氏体结构，硬度介于熔覆层和基体之间,使强化层、过渡层、热影响区和基体三者之间力学性能合理匹配,硬度曲线分布光滑,整体疲劳性能良好。
按照此发明得到的梯度材料熔覆层特征为：表面无裂纹夹杂和气孔等明显缺陷，组织致密，涂层与基体完全冶金结合，过渡层层合金分布呈胞晶和枝晶分布，主要由Fe-Cr等物相组成，硬度为400-450HV；强化层由细小枝晶组成，物相包括Cr7C3、W2C、Fe3W3C，Fe-Ni相等组成，硬度为450-550HV。本发明的熔覆层数为3～5层，总厚度为2.5-5.5mm，有效的提高了钢轨辙叉的耐磨性和承载性能，延长了钢轨的使用寿命。
本发明的集成性强,可直接在钢轨辙叉加工现场表面制备出材料均匀、力学性能优异的耐磨、高承载熔覆层。强化后的钢轨纵截面方向硬度曲线平滑,强化层、过渡层、热影响区和基体间性能过渡平滑,整体使用性能良好。同时,本发明方法所采用的各个工艺机器便于移动，可进行集成加工，激光扫描热处理结合红外测温仪温控系统，可使激光熔覆层、激光热影响区及钢轨基底进行快速有效热处理,以降低冷却速率去除内部残余应力,进行热输入控制，避免热影响区形成马氏体相变以及在激光高扫描速率下熔覆层及热影响区的裂纹产生现象。
本发明主要利用激光熔覆技术制备新型高承载钢轨辙叉，与原始钢轨辙叉相比提升耐磨性能5～10倍；并采用创新性的熔覆层抗弯性能测试，使用钢轨顶弯机，钢轨辙叉矫直(顶弯)的抗弯角度经测试为2-4°。
附图说明
图1是Fe基合金梯度熔覆层的硬度分布曲线
图2是扫描电镜下熔覆层的过渡层扫描电镜组织形貌
图3是考察梯度复合材料耐磨承载性能的原理图
图4是考察梯度复合材料熔覆层的抗弯性能的原理图
图5是进行有效热处理情况下的热影响区组织形貌
图6是实施例一承载性能测试样品的磨损深度
图7是实施例二承载性能测试样品的磨损深度
图8是实施例三承载性能测试样品的磨损深度
图9是原始钢轨承载性能测试样品的磨损深度
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明,但并不构成对本发明的限定。
实施例一包括以下步骤：
选用U75V钢轨辙叉作为基体，激光熔覆层过渡层铁合金粉末的各组分按质量百分比分别Fe:71wt％、Cr:17wt％、Ni:6wt％、Si:1.5wt％、Mn:1wt％、B:1wt％、Nb：1.2wt％、V：1.2wt％、C:0.1wt％；强化层Fe基复合材料涂层按质量百分比分别为Cr:15wt％、Ni:5wt％、Mo:2wt％、Mn:1wt％、C:0.05wt％、V:1wt％、WC:0.5wt％、TiC:0.5wt％、NbC::0.3wt％、La2O3:0.5wt％、Al2O3:0.5wt％、Fe73.65wt％。按上述组分的质量百分比称量、配置原料，将过渡层合金粉末熔炼后采用气雾化方式分别得到Fe基合金粉体,实现粉体的均匀化；再将强化层Fe基金属纳米相复合材料的非纳米相粉末熔炼后采用气雾化方式制粉，再将制得的粉末与纳米相材料采用机械混合的方式得到均匀粉体。再将两种粉末过筛后得到直径约为53-150um的粉末，在干燥箱内烘干1小时,烘干温度为100℃，放入激光熔覆的送粉器中。
首先对U75V钢轨表面进行机加工处理，去除表面锈迹和污染物；
激光熔覆装备采用3000瓦光纤激光器(波长1070nm)，同轴熔覆头，双筒送粉器，其中一筒装填铁基合金粉末，另外一筒装填Fe基金属纳米相复合材料。将钢轨件在激光扫描(功率1KW，扫描速度10mm/min)下进行预热处理，预热温度为200℃，圆形光斑尺寸6mm，热处理中过程采用红外影像仪(FLIR Systems)和电荷耦合视觉传感器(CCD)进行实时监控优化，采用数字化方法对辙叉温度以及加工参数进行综合优化调控。
调整激光加工头距离工件位置，将圆形光斑尺寸调整为3mm，采用多道多层熔覆方式，过渡层激光熔覆参数为熔覆功率2KW，光束扫描速度300mm/min，偏移搭接重复率为20％，送粉速度18g/min；功能强化层涂层激光器熔覆功率2KW，光束扫描速度400mm/min，偏移搭接重复率为20％，圆形光斑尺寸为3mm，送粉速度18g/min，激光熔覆过程采用流量为20L/min的氩气保护。熔覆总层数3层(过渡层1层，强化层2层)，厚度约为2.5mm左右。
熔覆完成后采用渗透或者超声探伤检测耐磨熔覆层表面,保证熔覆层无冶金缺陷，进行后期激光扫描去应力热处理，激光功率2KW，圆形光斑尺寸6mm，扫描速度8mm/s，加热温度为400℃，保温60min，移动式非接触加热能有效控制温度，提升热处理效率。
根据使用需求对钢轨踏面进行机加工修整轮廓，使表面粗糙度降低。
成型样品经过进行切割处理,制备承载性能(如图3)以及抗弯性能，组织分析样品。
在扫描电镜下观察组织(如图2)在摩擦磨损试验机上进行承载性能测试(如图6)，实施例一承载性能的滚压压痕深度为4.32um，与之对比的U75V钢轨基体样品承载性能测试(如图9)，承载性能的滚压压痕深度为66.7um，基体钢轨的磨痕深度明显高于激光熔覆处理后的钢轨辙叉。并进行抗弯性能(如图4)，硬度等多种测试，实验结果表明激光熔覆制得的新型合金涂层钢轨辙叉比原始铁路辙叉硬度更高(如图1)，有更高的耐磨及承载性能，钢轨抗弯性能测试结果为钢轨最大弯曲值为4°。进行有效热处理之后的热影响区组织形貌如图5，激光扫描热处理明显的消除了热影响区的马氏体组织形貌。
实施例二：
与实施例一相同的部分不再叙述，选用U75V钢轨辙叉作为基体，涂不同之处在于层各组分按质量百分比配比,过渡层铁合金粉末的各组分按质量百分比分别Fe:74.4wt％、Cr:15wt％、Ni:5wt％、Si:1wt％、Mn:1wt％、B:1.5wt％、C:0.5wt％、Nb：0.8wt％、V：0.8wt％；功能强化层Fe基复合材料涂层按质量百分比分别为Cr:18wt％、Ni:6wt％、Mo:3wt％、Mn:2wt％、C:0.3wt％、V:1wt％、WC:1wt％、TiC:0.7wt％、NbC:：0.6wt％、La2O3：0.8wt％、Al2O3：0.6wt％、Fe:66wt％。
采用Trumpf 4000瓦光纤输出的半导体激光器(波长1070nm)，调整激光加工头距离工件位置，将钢轨件在激光扫描(功率3KW，扫描速度20mm/min)下进行预热处理，预热温度为400℃，圆形光斑尺寸5mm。过渡层将圆形光斑尺寸调整为5mm，采用多道多层熔覆方式，激光熔覆参数为熔覆功率4KW，，光束扫描速度1000mm/min，偏移搭接重复率为40％，送粉速度30g/min；强化层涂层激光器熔覆功率4KW，光束扫描速度1000mm/min，偏移搭接重复率为40％，送粉速度30g/min，圆形光斑尺寸为5mm，激光熔覆过程采用流量为20L/min的氩气保护,熔覆层数4层(过渡层1层，强化层3层)，厚度约为4mm左右。
后期进行激光扫描去应力热处理，激光功率4KW，圆形光斑尺寸7mm，扫描速度13mm/s，加热温度为500℃，保温45min。
对成型样品在摩擦磨损试验机上进行承载性能测试(如图7)，承载性能的滚压压痕深度为3.95um，并进行硬度等多种测试，实验结果表明激光熔覆制得的新型钢轨辙叉比原始铁路道岔硬度更高(如图1)，钢轨抗弯性能测试结果为钢轨最大弯曲值为2.7°。
实施例三：
实施例一相同的部分不再叙述，不同之处在于选用U71Mn钢轨辙叉作为基体，涂层各组分按质量百分比配比,过渡层铁合金粉末的各组分按质量百分比分别Fe:79.5wt％、Cr:13wt％、Ni:3wt％、Si:1.5wt％、Mn:0.5wt％、B:1wt％、C:0.7wt％、Nb：0.3wt％、V：0.5wt％；强化层Fe基复合材料涂层按质量百分比分别为Cr:20wt％、Ni:7wt％、Mo:4wt％、Mn:3wt％、C:1wt％、V:1.5wt％、WC:2wt％、TiC:0.8wt％、NbC:：0.9wt％、La2O3：1wt％、Al2O3：0.8wt％、Fe:58wt％。
采用8000瓦光纤输出的半导体激光器(波长920-1040nm)，调整激光加工头距离工件位置，将钢轨件在激光扫描(功率5KW，扫描速度50mm/min)下进行预热处理，预热温度为500℃，圆形光斑尺寸8mm。将圆形光斑尺寸设置为8mm，过渡层采用多道多层熔覆方式，激光熔覆参数为熔覆功率8KW，，光束扫描速度2500mm/min，偏移搭接重复率为55％，送粉速度60g/min；强化层涂层激光器熔覆功率8KW，光束扫描速度3000mm/min，偏移搭接重复率为60％，圆形光斑尺寸为8mm，送粉速度60g/min，激光熔覆过程采用流量为15L/min的氩气保护,熔覆层数5层(过渡层2层，强化层3层)，厚度约为5.5mm左右。
进行后期激光扫描去应力热处理，激光功率6KW，，圆形光斑尺寸8mm，扫描速度20mm/s，加热温度为650℃，保温30min。
对成型样品在摩擦磨损试验机上进行承载性能测试(如图8)，承载性能的滚压压痕深度为2.78um，，并硬度等多种测试，实验结果表明激光熔覆制得的新型合金涂层钢轨辙叉比原始重载铁路辙叉硬度更高(如图1)，钢轨抗弯性能测试结果为钢轨最大弯曲值为2°。
本发明新型高承载耐磨合金激光熔覆钢轨辙叉比原始辙叉硬度高100～200HV,硬度均匀性好,且与基体是良好的冶金结合。在一型磨损试验机上的磨损试验表明,在相同磨损条件下,其耐磨性比原始基材钢轨耐磨性提升5～10倍，钢轨抗弯性能测试结果为2°～4°。

Claims (2)

1.一种激光熔覆制备的梯度材料钢轨辙叉，其特征在于：在钢轨基体上进行激光熔覆多层梯度材料，过渡层采用Fe基合金材料，其化学成分为Cr：13-17wt％、Ni：3-6wt％、Si：1-1.5wt％、Mn：0.5-1wt％、Nb：0.3-1.2wt％、B：1-1.5wt％、C：0.05-0.7wt％，V：0.5-1.2％，余量为Fe；强化层置于过渡层之上，采用Fe基金属纳米相复合材料，其化学成分如下Cr：15-20wt％、Ni：5-7wt％、Mo：2-4wt％、Mn：1-3wt％、V：1-1.5wt％、C：0.05-0.6wt％、纳米相WC：0.5-2wt％、纳米相TiC：0.5-0.8wt％、纳米相NbC：0.3-0.9wt％、纳米相La2O3：0.5-1.0wt％、纳米相Al2O3：0.5-0.8wt％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种激光熔覆制备的梯度材料钢轨辙叉，其特征在于包括以下制备步骤：
(1)按上述组分的质量百分比选取Fe基材料，所述铁基合金粉末直径为53-150μm；
(2)选取铁路钢轨为基体，以激光扫描预热作为预热处理的手段，激光功率1-5KW，圆形光斑尺寸为6-8mm，扫描速度10-50mm/s进行预热处理，多次扫描后钢轨温度达到300-500℃；
(3)利用激光熔覆技术在预留熔覆尺寸的钢轨基体表面制备过渡层：激光器熔覆功率2-8KW，圆形光斑尺寸为3-8mm，光束扫描速度300-2500mm/min，搭接率为20％-55％，送粉速度18-60g/min，激光熔覆过程采用流量为15～20L/min的氩气保护；过渡层制备层数为1-2层，厚度为0.5-1.5mm；
(4)强化层采用上述成分的Fe基金属纳米相复合材料，采用激光熔覆复合材料层于过渡层之上，激光器熔覆功率2-8KW，光束扫描速度400-3000mm/min，搭接率20-60％，圆形光斑尺寸为3-8mm，送粉速度15-55g/min，激光熔覆过程采用流量为15-20L/min的氩气保护，激光熔覆强化层为2-3层，厚度为2-4mm；
(5)熔覆完成后进行激光扫描去应力处理，激光退火处理参数：激光功率2-6KW，圆形光斑尺寸为6-8mm，扫描速度8-20mm/s进行预热处理，钢轨温度达到400-650℃并保持温度30-60min；
(6)进行机械加工，将熔覆后钢轨达到标准尺寸，然后采用顶弯机分别在钢轨的水平和垂直方向分别获得2-4°的弯折角度，获得辙叉产品。
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