CN113913810B - 一种高稳定性高速列车制动盘涂层及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高稳定性高速列车制动盘涂层及其制备方法，采用高速激光熔覆工艺在制动盘表面自底层至表层依次熔覆基础涂层、过渡涂层及耐磨涂层，且耐磨涂层熔覆两层；所述基础涂层为Inconel 625合金涂层，所述过渡涂层为Inconel 625与WC合金涂层，所述耐磨涂层为Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金涂层。本发明的四层复合涂层呈梯度变化，减少了因成分变化带来的膨胀系数及导热率差异；四层涂层硬度呈梯度增加，耐磨涂层硬度可达到600HV，提高抗磨损性能，且耐磨涂层具有FCC+BCC双相结构，兼具强韧性；复合涂层摩擦系数为0.4～0.45，符合高速制动盘摩擦系数标准，能与对磨片完全匹配，具有应用普适性，且摩擦系数在制动过程中保持恒定，保证了制动的稳定性，提高列车运行安全性。

Description

一种高稳定性高速列车制动盘涂层及制备方法
技术领域
本发明涉及涂层制备技术领域，具体涉及一种高稳定性高速列车制动盘涂层及制备方法。
背景技术
高速列车制动盘属于高能制动装置，处于强摩擦、高热负荷以及较大制动力和离心力等复杂工况下，是保证列车运行安全可靠性的重要制动部件之一。制动盘长期运行过程中，制动盘会受到摩擦磨损和热疲劳而失效；无论制动盘磨损还是热疲劳，只在制动盘摩擦面的表层及进表层出现。因此，提高制动盘表面的摩擦磨损和抗热疲劳性能，能延长其使用寿命，提高经济性和安全可靠性。涂层技术是提高材料表面性能的关键技术之一。
专利202110511700.7发明了一种铁基制动盘表面合金涂层增材制备方法，在其表面制备具有预定空隙率的合金涂层，提高散热性能；专利202110448668.2和202110448607.6采用等离子和激光熔覆的方式制备了陶瓷强化的金属基强韧强耐磨的涂层，解决了目前高铁制动盘高速紧急制动带来的表层高温磨耗和热疲劳失效问题。以上技术利用在制动盘表面制备涂层，通过提高散热系数、耐磨性等，有效地降低或解决了制动盘磨损和热疲劳失效问题，但是，没有考虑到涂层摩擦系数适配性以及制动过程中的稳定性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明了提供了一种高稳定性高速列车制动盘涂层及其制备方法，通过制备梯度复合涂层，可提供匹配且稳定的摩擦系数，保证制动的稳定性，同时还兼具强韧性，解决了高速列车制动盘磨损及热机疲劳失效问题。
本发明为了实现上述目的，采用的技术解决方案是：
一种高稳定性高速列车制动盘涂层，所述涂层为自底层至表层依次设置的的基础涂层、过渡涂层及耐磨涂层组成的复合涂层；所述基础涂层为Inconel 625合金涂层，所述过渡涂层为Inconel 625与WC合金涂层，所述耐磨涂层为Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金涂层，所述基础涂层、过渡涂层及耐磨涂层通过高速激光熔覆工艺制备而成。
进一步地，所述耐磨涂层涂覆两层。
进一步地，所述过渡涂层中Inconel 625占85～90wt％，WC占10～15wt％。
本发明的另一目的是提供一种高稳定性高速列车制动盘涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)对制动盘进行喷砂处理，然后去除制动盘表面油脂，并清洗干燥；
(2)使用热封胶封住制动盘上的连接孔；
(3)配制Inconel 625合金粉末、Inconel 625与WC混合粉末及Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金粉末；
(4)采用高速激光熔覆工艺进行涂层制备：第一涂层为Inconel 625合金涂层，即基础涂层；第二涂层为Inconel 625与WC合金涂层，即过渡涂层；第三涂层为Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金涂层，第四涂层为Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金涂层，第三涂层及第四涂层为耐磨涂层；
(5)激光熔覆完成后，去除热封胶，然后对制动盘进行研磨处理。
进一步地，所述步骤(3)中Inconel 625合金粉末、WC合金粉末及Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金粉末的粒径为50±10μm，并在100～150℃干燥1～3h。
进一步地，所述步骤(4)中高速激光熔覆工艺具体为：激光功率为1.5～3kW，光斑直径为2～3mm，扫描速度为5～15mm/s，送粉量为35～50g/min，搭接率为0.35～0.45，且四涂层熔覆路径由圆心至外圆、外圆至圆心交替进行。
进一步地，所述步骤(4)中第一涂层熔覆厚度为0.7～1.0mm，涂层硬度为250～280HV；第二层熔覆厚度为0.7～1.0mm，涂层硬度450～470HV；第三涂层熔覆厚度为0.8～1.2mm，涂层硬度为580～620HV；第四涂层熔覆厚度为0.8～1.2mm，涂层硬度为580～620HV。
进一步地，所述步骤(5)中研磨处理后，涂层的总厚度为2.5～4.0mm，粗糙度Ra为1.6。
进一步地，所述步骤(5)研磨处理后，制动盘的摩擦系数为0.4～0.45。
进一步地，所述第三层及第四层Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金涂层为FCC+BCC双相结构。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过设计从内到外的基础涂层-过渡涂层-耐磨涂层，实现涂层梯度变化，且基础涂层为Inconel 625合金涂层，过渡涂层为Inconel 625+WC合金涂层，耐磨涂层为Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金涂层，减少了因成分变化带来的膨胀系数及导热率差异，同时Inconel 625合金和Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金具有好的抗高温氧化及抗腐蚀性能，提高了制动盘的抗热疲劳性能；
(2)本发明的四涂层硬度呈现梯度增加，耐磨涂层Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金硬度可达到600HV左右，且耐磨涂层Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金具有FCC+BCC双相结构，使涂层具有兼具强韧性，提高了制动盘的抗磨损性能；
(3)复合涂层的摩擦系数为0.4左右，符合高速制动盘摩擦系数标准，能与对磨片完全匹配，具有应用普适性；且摩擦系数在制动过程中保持恒定，保证了制动的稳定性，提高列车运行安全性。
附图说明
为了清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是制动盘的结构示意图；
图2是在制动盘表面进行复合涂层激光熔覆示意图；
图3是复合涂层的硬度检测图；
图4是Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5涂层的XRD图；
图5是复合涂层的摩擦系数检测图。
具体实施方式
本发明提供了一种高稳定性高速列车制动盘涂层及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明进行详细说明：
实施例1
本实施例选用24CrNiMo铸钢高速制动盘，在其表面采用高速激光熔覆技术制备复合涂层，如图1及图2所示，具体包括以下步骤：
(1)对制动盘进行喷砂粗化处理，然后去除制动盘表面油脂，并清洗干燥；
(2)使用热封胶封住制动盘上的连接孔；
(3)配制Inconel 625合金粉末、Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金粉末，在150℃下干燥2h；并按照比例配制Inconel 625与WC混合粉末，其中Inconel 625占90wt％，WC占10wt％，然后将Inconel 625与WC混合粉末置于混料机中混合处理3h，保证Inconel 625粉末与WC粉末混合均匀，并在150℃下干燥2h；上述Inconel 625粉末、WC粉末及Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5粉末的粒径在50～60μm左右；
(4)将制动盘卡装与工作台上，将配制好的合金粉末加入到送粉器内，然后设定激光熔覆工艺参数进行涂层制备，具体工艺参数为：激光功率为2kW，光斑直径为3mm，送粉量40g/min，搭接率为0.4，保护气体流量15L/min；
按照上述激光熔覆工艺参数进行涂层制备：
(a)第一层为Inconel 625合金涂层，即基础涂层，熔覆路径由外圆到圆心，扫描速度为10mm/s，熔覆厚度为0.8mm；
(b)第二层为Inconel 625+10％WC合金涂层，即过渡涂层，熔覆路径由圆心到外圆，扫描速度为10mm/s，熔覆厚度为0.8mm；
(c)第三层为Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金涂层，即耐磨涂层，熔覆路径由外圆到圆心，扫描速度为10mm/s，熔覆厚度为0.8mm；
(d)第四层为Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金涂层，即耐磨涂层，熔覆路径由圆心到外圆，扫描速度为8mm/s，熔覆厚度为0.9mm；
(5)激光熔覆完成后，去除热封胶，然后对制动盘进行研磨处理，研磨处理后，整体涂层厚度为3mm，粗糙度Ra为1.6。
对通过上述步骤制备得到的制动盘进行相关检测，检测结果具体如下。
一、硬度检测
对第一涂层、第二涂层、第三涂层及第四涂层的硬度分别在不同位置进行检测，如图3所示，从图3中可以看出，第一涂层硬度约为270HV，第二涂层硬度约为450HV，第三涂层硬度约为600HV，第四涂层硬度约为610HV。为了检测每一层涂层的硬度，本实施例在进行熔覆过程中逐层熔覆完成后降温进行硬度检测，硬度检测完成后再进行下一层涂覆，在正常制备过程中，采用连续熔覆工艺。
通过硬度检测，最终所制备的制动盘涂层最表层硬度为制动盘基体硬度(基体硬度约200HV)的3倍，很大程度上提高了制动盘的硬度，提高其耐磨性。
二、第四涂层(Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5涂层)XRD检测
对第四涂层，即Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5涂层进行XRD检测，如图4所示，从图4中可以看出，Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5涂层具有FCC、BCC双相结构，FCC具有强韧性，BCC具有高硬度，使涂层兼具强韧性。
三、摩擦系数检测
对复合涂层进行摩擦系数检测，如图5所示，从图5中可以看出，摩擦试验中摩擦系数一直保持在0.4～0.45左右，符合高速制动盘摩擦系数0.35～0.45标准要求，且摩擦系数在制动过程中保持稳定，可保证制动稳定性，进而提高制动盘的安全性。
实施例2
本实施例2与实施例1的区别在于，本实施例中Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金粉末采用单质Fe、Co、Ni、Cr、Mo、Si、B粉末混合而成，具体为：按照原子比称取单质粉末，置于真空球磨机，球磨5h获得。
按照实施例1的激光熔覆工艺参数在制动盘表面制备复合涂层，研磨处理后，整体涂层厚度为3mm，粗糙度Ra为1.6，所得到的复合涂层最表层硬度为600HV左右，复合涂层的摩擦系数为0.4～0.45左右，摩擦试验过程中摩擦系数波动小，且第四涂层Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5涂层经XRD检测，为FCC+BCC双相结构。
实施例3
本实施例3与实施例1的区别在于，激光熔覆工艺参数不同，本实施例中激光熔覆具体工艺参数为：激光功率为2kW，光斑直径为3mm，送粉量35g/min，搭接率为0.4，保护气体流量15L/min。具体每一涂层的扫描速度及熔覆厚度为：
(a)第一层为Inconel 625合金涂层，即基础涂层，熔覆路径由外圆到圆心，扫描速度为12mm/s，熔覆厚度为0.7mm；
(b)第二层为Inconel 625+10％WC合金涂层，即过渡涂层，熔覆路径由圆心到外圆，扫描速度为8mm/s，熔覆厚度为0.9mm；
(c)第三层为Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金涂层，即耐磨涂层，熔覆路径由外圆到圆心，扫描速度为10mm/s，熔覆厚度为0.8mm；
(d)第四层为Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金涂层，即耐磨涂层，熔覆路径由圆心到外圆，扫描速度为10mm/s，熔覆厚度为0.8mm；
通过上述激光熔覆完成后，去除热封胶，然后对制动盘进行研磨处理，研磨处理后，整体涂层厚度为2.9mm，粗糙度Ra为1.6，所得到的复合涂层最表层硬度为605HV左右，复合涂层的摩擦系数为0.4～0.45左右，摩擦试验过程中摩擦系数波动小，且第四涂层Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5涂层经XRD检测，为FCC+BCC双相结构。
实施例4
本实施例4与实施例1的区别在于，激光熔覆工艺参数不同，本实施例中激光熔覆具体工艺参数为：激光功率为2kW，光斑直径为3mm，送粉量45g/min，搭接率为0.4，保护气体流量15L/min。具体每一涂层的扫描速度及熔覆厚度为：
(a)第一层为Inconel 625合金涂层，即基础涂层，熔覆路径由外圆到圆心，扫描速度为8mm/s，熔覆厚度为1.0mm；
(b)第二层为Inconel 625+10％WC合金涂层，即过渡涂层，熔覆路径由圆心到外圆，扫描速度为8mm/s，熔覆厚度为1.0mm；
(c)第三层为Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金涂层，即耐磨涂层，熔覆路径由外圆到圆心，扫描速度为10mm/s，熔覆厚度为0.9mm；
(d)第四层为Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金涂层，即耐磨涂层，熔覆路径由圆心到外圆，扫描速度为10mm/s，熔覆厚度为0.9mm；
通过上述激光熔覆完成后，去除热封胶，然后对制动盘进行研磨处理，研磨处理后，整体涂层厚度为3.5mm，粗糙度Ra为1.6，所得到的复合涂层最表层硬度为615HV左右，复合涂层的摩擦系数为0.4～0.45左右，摩擦试验过程中摩擦系数波动小，且第四涂层Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5涂层经XRD检测，为FCC+BCC双相结构。
需要说明的是，本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高稳定性高速列车制动盘涂层，其特征在于，所述涂层为自底层至表层依次设置的基础涂层、过渡涂层及耐磨涂层组成的复合涂层；所述基础涂层为Inconel 625合金涂层，所述过渡涂层为Inconel 625与WC合金涂层，所述耐磨涂层为Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金涂层，所述基础涂层、过渡涂层及耐磨涂层通过高速激光熔覆工艺制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种高稳定性高速列车制动盘涂层，其特征在于，所述耐磨涂层涂覆两层。
3.根据权利要求1所述的一种高稳定性高速列车制动盘涂层，其特征在于，所述过渡涂层中Inconel 625占85～90wt％，WC占10～15wt％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种高稳定性高速列车制动盘涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对制动盘进行喷砂处理，然后去除制动盘表面油脂；
(2)使用热封胶封住制动盘上的连接孔；
(3)配制Inconel 625合金粉末、Inconel 625与WC混合粉末及Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金粉末；
(4)采用高速激光熔覆工艺进行涂层制备：第一涂层为Inconel 625合金涂层，即基础涂层；第二涂层为Inconel 625与WC合金涂层，即过渡涂层；第三涂层为Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金涂层，第四涂层为Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金涂层，第三涂层及第四涂层为耐磨涂层；
(5)激光熔覆完成后，去除热封胶，然后对制动盘进行研磨处理。
5.根据权利要求4所述的一种高稳定性高速列车制动盘涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中Inconel 625合金粉末、WC合金粉末及Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金粉末的粒径为50±10μm，并在100～150℃干燥1～3h。
6.根据权利要求4所述的一种高稳定性高速列车制动盘涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中高速激光熔覆工艺具体为：激光功率为1.5～3kW，光斑直径为2～3mm，扫描速度为5～15mm/s，送粉量为35～50g/min，搭接率为0.35～0.45，且四涂层熔覆路径由圆心至外圆、外圆至圆心交替进行。
7.根据权利要求4所述的一种高稳定性高速列车制动盘涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中第一涂层熔覆厚度为0.7～1.0mm，涂层硬度为250～280HV；第二层熔覆厚度为0.7～1.0mm，涂层硬度450～470HV；第三涂层熔覆厚度为0.8～1.2mm，涂层硬度为580～620HV；第四涂层熔覆厚度为0.8～1.2mm，涂层硬度为580～620HV。
8.根据权利要求4所述的一种高稳定性高速列车制动盘涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中研磨处理后，涂层的总厚度为2.5～4.0mm，粗糙度Ra为1.6。
9.根据权利要求4所述的一种高稳定性高速列车制动盘涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)研磨处理后，制动盘的摩擦系数为0.4～0.45。
10.根据权利要求4所述的一种高稳定性高速列车制动盘涂层的制备方法，其特征在于，所述第三涂层和第四涂层Fe10Co10Ni10Cr4Mo6B5Si5合金涂层为FCC+BCC双相结构。
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