CN110747457A - 一种基于陶瓷碳/碳组合激光增强铁路道岔锻压模具的方法 - Google Patents

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魏振华
蒋宝文
吴天峰
李国辉
徐�明
刘兆环
刘金侠
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Abstract

本发明属于铁路道岔锻压模具的增强方法技术领域，提出了一种基于陶瓷碳/碳组合激光增强铁路道岔锻压模具的方法，采用陶瓷碳/碳组合激光增强材料对道岔锻压模具表面进行激光强化处理，陶瓷碳/碳组合激光增强材料包括主强化相材料和辅助强化相材料，主强化相材料为碳/碳复合材料，辅助强化相材料包括B基碳化物、Ti基碳化物、Si基碳化物和Al基碳化物，碳/碳复合材料由等质量的微米级WC和微米级碳/碳材料复合成，辅助强化相材料为纳米级。通过上述技术方案，解决了现有技术中道岔锻压模具易磨损、使用寿命短的问题。

Description

一种基于陶瓷碳/碳组合激光增强铁路道岔锻压模具的方法
技术领域
本发明属于铁路道岔锻压模具的增强方法技术领域，涉及一种基于陶瓷碳/碳组合激光增强铁路道岔锻压模具的方法。
背景技术
铁路道岔AT钢轨跟端锻压模具是4Cr5MoSiV1钢制造，模具在锻压过程中承受1150℃高温，压制后立即水冷至300℃，在此交变温度下循环式进行锻压作业。锻压模具在热冷交变和高载荷压力的工况条件下，在压制200个左右道岔部件后，模具工作面出现了严重的磨损，受力最大部位发生了压溃，严重者产生裂纹或者断裂报废，使得锻压生产效率降低、生产成本高，同时，影响了道岔产品质量。
发明内容
本发明提出一种基于陶瓷碳/碳组合激光增强铁路道岔锻压模具的方法，解决了现有技术中道岔锻压模具易磨损、使用寿命短的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于陶瓷碳/碳组合激光增强铁路道岔锻压模具的方法，采用陶瓷碳/碳组合激光增强材料对道岔锻压模具表面进行激光强化处理，所述陶瓷碳/碳组合激光增强材料包括主强化相材料和辅助强化相材料，
所述主强化相材料为碳/碳复合材料，所述辅助强化相材料包括B基碳化物、Ti基碳化物、Si基碳化物和Al基碳化物。
作为进一步的技术方案，所述陶瓷碳/碳组合激光增强材料中，
所述碳/碳复合材料的重量份为50～70份，所述辅助强化相材料中各组分的重量份为：B基碳化物0.5～1.5份，Ti基碳化物10～17份，Si基碳化物15～21份，Al基碳化物4～8份。
作为进一步的技术方案，所述碳/碳复合材料由等质量的微米级WC和微米级碳/碳材料复合成，所述辅助强化相材料为纳米级。
作为进一步的技术方案，所述激光强化处理具体包括以下步骤：
S1.喷送陶瓷碳/碳组合激光增强材料：将陶瓷碳/碳组合激光增强材料喷送至模具待处理表面，形成均匀的组合增强材料层；
S2.模具表面激光增强处理：对带有组合增强材料层的模具工作表面进行激光增强处理。
作为进一步的技术方案，步骤S2之后还包括
步骤S3.稳定化工艺处理：将激光增强处理后的模具在180～195℃保温4～6小时。
作为进一步的技术方案，所述组合增强材料层的厚度为0.5～1.5mm。
作为进一步的技术方案，步骤S1中喷送使用气动送粉器与激光束同步行进方式进行。
作为进一步的技术方案，步骤S2中激光增强处理使用半导体激光器，功率为1200～2500W，激光照射尺寸为2*10～30mm，步进速度为20～80mm/s。
本发明的工作原理及有益效果为：
1、本发明中，采用陶瓷碳/碳组合激光增强材料对道岔锻压模具表面进行激光强化处理，在模具的工作表面0.5-1.5mm深度层内，形成了高度弥散分布的微米——纳米增强微粒材料组成的过饱和微观组织层，处理后的模具具有耐磨损、抗疲劳、抗冷热交变、抗挤压、防氧化等性能，显著改善了模具的使用性能指标，相比较未经处理的模具，使用寿命提高近两倍，有效解决了现有技术中道岔锻压模具易磨损、使用寿命短的问题。
2、本发明中，采用陶瓷碳/碳微米复合材料作为主体强化相材料对道岔热压模具工作表面实施激光强化处理，充分利用碳/碳材料的高强度、高导热性、高比模量、低膨胀系数和抗冲击、耐1650-3000℃高温性能，并在微米级的碳/碳材料内复合微米级WC材料，获得一种陶瓷碳/碳微米复合梯度材料。这样，进一步增强了碳/碳材料在激光强化时的高温硬度和强度及热稳定性。
3、本发明中，在陶瓷碳/碳微米复合材料基础上，加入纳米级别B、Ti、Si、Al等基碳化物作为辅助强化相，形成陶瓷碳/碳微米——纳米组合材料，在激光强化处理过程中，可以充分的呈现出组合材料的高度弥散性能和高温状态下的极易沉积与固溶强化性能，使经过陶瓷碳/碳组合激光增强处理后的模具具备高耐磨、高红硬性、高热稳定性及阻抗强化层和基体材料产生裂纹的能力，可以达到模具激光增强化预定的性能效果。
4、本发明中，激光增强处理后的模具再经过稳定化处理，稳定了增强层的微观组织形态，改善了增强层内材料的脆性，进一步完善了激光增强处理层的强韧化性能。
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的说明。
图1为本发明组合增强材料层在100倍金相显微镜下观察得到的金相显微组织图；
图2为本发明组合增强材料层在500倍金相显微镜下观察得到的金相显微组织图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种基于陶瓷碳/碳组合激光增强铁路道岔锻压模具的方法，包括以下步骤：
S1.喷送陶瓷碳/碳组合激光增强材料：将微米级WC和微米级碳/碳材料按相同质量比例复合成50份碳/碳复合材料，在此基础上，添加纳米级B基碳化物0.5份、纳米级Ti基碳化物10份、纳米级Si基碳化物15份、纳米级Al基碳化物4份混合，得到陶瓷碳/碳组合激光增强材料；
将模具待处理表面清理干净，使用气动送粉器与激光束同步行进方式，将陶瓷碳/碳组合激光增强材料喷送至模具待处理表面，形成均匀厚度的组合增强材料层，厚度为0.5～1.5mm；
S2.模具表面激光增强处理：使用半导体激光器，功率2300W，采用示教式机器人控制，激光照射尺寸2*25mm，步进速度70mm/s，对带有组合增强材料层的模具工作表面进行激光增强处理。
S3.稳定化工艺处理：采用电炉加热，将激光增强处理后的模具在185℃保温4小时。
实施例2
一种基于陶瓷碳/碳组合激光增强铁路道岔锻压模具的方法，包括以下步骤：
S1.喷送陶瓷碳/碳组合激光增强材料：将微米级WC和微米级碳/碳材料按相同质量比例复合成70份碳/碳复合材料，在此基础上，添加纳米级B基碳化物1.5份、纳米级Ti基碳化物17份、纳米级Si基碳化物21份、纳米级Al基碳化物8份混合，得到陶瓷碳/碳组合激光增强材料；
将模具待处理表面清理干净，使用气动送粉器与激光束同步行进方式，将陶瓷碳/碳组合激光增强材料喷送至模具待处理表面，形成均匀厚度的组合增强材料层，厚度为0.5～1.5mm；
S2.模具表面激光增强处理：使用半导体激光器，功率2300W，采用示教式机器人控制，激光照射尺寸2*25mm，步进速度70mm/s，对带有组合增强材料层的模具工作表面进行激光增强处理。
S3.稳定化工艺处理：采用电炉加热，将激光增强处理后的模具在185℃保温4小时。
实施例3
一种基于陶瓷碳/碳组合激光增强铁路道岔锻压模具的方法，包括以下步骤：
S1.喷送陶瓷碳/碳组合激光增强材料：将微米级WC和微米级碳/碳材料按相同质量比例复合成60份碳/碳复合材料，在此基础上，添加纳米级B基碳化物1份、纳米级Ti基碳化物13份、纳米级Si基碳化物18份、纳米级Al基碳化物6份混合，得到陶瓷碳/碳组合激光增强材料；
将模具待处理表面清理干净，使用气动送粉器与激光束同步行进方式，将陶瓷碳/碳组合激光增强材料喷送至模具待处理表面，形成均匀厚度的组合增强材料层，厚度为0.5～1.5mm；
模具表面激光增强处理：使用半导体激光器，功率2300W，采用示教式机器人控制，激光照射尺寸2*25mm，步进速度70mm/s，对带有组合增强材料层的模具工作表面进行激光增强处理。
S3.稳定化工艺处理：采用电炉加热，将激光增强处理后的模具在185℃保温4小时。
实施例4
一种基于陶瓷碳/碳组合激光增强铁路道岔锻压模具的方法，包括以下步骤：
S1.喷送陶瓷碳/碳组合激光增强材料：将微米级WC和微米级碳/碳材料按相同质量比例复合成60份碳/碳复合材料，在此基础上，添加纳米级B基碳化物1份、纳米级Ti基碳化物13份、纳米级Si基碳化物18份、纳米级Al基碳化物6份混合，得到陶瓷碳/碳组合激光增强材料；
将模具待处理表面清理干净，使用气动送粉器与激光束同步行进方式，将陶瓷碳/碳组合激光增强材料喷送至模具待处理表面，形成均匀厚度的组合增强材料层，厚度为0.5～1.5mm；
S2.模具表面激光增强处理：使用半导体激光器，功率1200W，采用示教式机器人控制，激光照射尺寸2*30mm，步进速度80mm/s，对带有组合增强材料层的模具工作表面进行激光增强处理。
S3.稳定化工艺处理：采用电炉加热，将激光增强处理后的模具在180℃保温6小时。
实施例5
一种基于陶瓷碳/碳组合激光增强铁路道岔锻压模具的方法，包括以下步骤：
S1.喷送陶瓷碳/碳组合激光增强材料：将微米级WC和微米级碳/碳材料按相同质量比例复合成60份碳/碳复合材料，在此基础上，添加纳米级B基碳化物1份、纳米级Ti基碳化物13份、纳米级Si基碳化物18份、纳米级Al基碳化物6份混合，得到陶瓷碳/碳组合激光增强材料；
将模具待处理表面清理干净，使用气动送粉器与激光束同步行进方式，将陶瓷碳/碳组合激光增强材料喷送至模具待处理表面，形成均匀厚度的组合增强材料层，厚度为0.5～1.5mm；
S2.模具表面激光增强处理：使用半导体激光器，功率1200W，采用示教式机器人控制，激光照射尺寸2*10mm，步进速度20mm/s，对带有组合增强材料层的模具工作表面进行激光增强处理。
S3.稳定化工艺处理：采用电炉加热，将激光增强处理后的模具在195℃保温4小时。
将经过激光增强处理后的模具投产使用，发现相比较未经处理的模具，经过激光增强处理后的模具使用寿命提高了近2倍。
图1～2分别为实施例1的组合增强材料层在金相显微镜下放大100倍、放大500倍得到的金相显微组织图，图1中白亮区和灰色区为组合增强材料层，图2为组合增强材料层与基体层之间的过滤层，经过激光增强处理后的模具，在其工作表面1.2mm深度内形成高度弥散分布的微米——纳米增强颗粒组成的过饱和微观组织层。实施例2～5的组合增强材料层的金相显微组织图与实施例1几乎无差别，故省略实施例2～5的金相显微组织。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于陶瓷碳/碳组合激光增强铁路道岔锻压模具的方法，其特征在于，采用陶瓷碳/碳组合激光增强材料对道岔锻压模具表面进行激光强化处理，所述陶瓷碳/碳组合激光增强材料包括主强化相材料和辅助强化相材料，
所述主强化相材料为碳/碳复合材料，所述辅助强化相材料包括纳米级B基碳化物、Ti基碳化物、Si基碳化物和Al基碳化物。
2.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷碳/碳组合激光增强铁路道岔锻压模具的方法，其特征在于，所述陶瓷碳/碳组合激光增强材料中，
所述碳/碳复合材料的重量份为50～70份，
所述辅助强化相材料中各组分的重量份为：纳米级B基碳化物0.5～1.5份，Ti基碳化物10～17份，Si基碳化物15～21份，Al基碳化物4～8份。
3.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷碳/碳组合激光增强铁路道岔锻压模具的方法，其特征在于，所述碳/碳复合材料由等质量的微米级WC和微米级碳/碳材料复合而成，所述辅助强化相材料为纳米级。
4.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷碳/碳组合激光增强铁路道岔锻压模具的方法，其特征在于，所述激光强化处理具体包括以下步骤：
S1.喷送陶瓷碳/碳组合激光增强材料：将陶瓷碳/碳组合激光增强材料喷送至模具待处理表面，形成均匀的组合增强材料层；
S2.模具表面激光增强处理：对带有组合增强材料层的模具工作表面进行激光增强处理。
5.根据权利要求4所述的一种基于陶瓷碳/碳组合激光增强铁路道岔锻压模具的方法，其特征在于，步骤S2之后还包括
步骤S3.稳定化工艺处理：将激光增强处理后的模具在180～195℃保温4～6小时。
6.根据权利要求4所述的一种基于陶瓷碳/碳组合激光增强铁路道岔锻压模具的方法，其特征在于，所述组合增强材料层的厚度为0.5～1.5mm。
7.根据权利要求4所述的一种基于陶瓷碳/碳组合激光增强铁路道岔锻压模具的方法，其特征在于，步骤S1中喷送使用气动送粉器与激光束同步行进方式进行。
8.根据权利要求4所述的一种基于陶瓷碳/碳组合激光增强铁路道岔锻压模具的方法，其特征在于，步骤S2中激光增强处理使用半导体激光器，功率为1200～2500W，激光照射尺寸为2*10～30mm，步进速度为20～80mm/s。
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