CN114411146A - 一种激光熔覆用合金粉末及使用该粉末制备的钢轨 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光表面处理技术领域,提供一种激光熔覆用合金粉末及使用该粉末制备的钢轨,合金粉末包含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种颗粒,分别是表面镀铜的纳米MoSi2粉、表面镀钛的纳米SiC晶须、纳米NbAl3粉和颗粒Ⅳ,颗粒Ⅳ的化学成分为Be 3.0%‑6.0%,Al 1.0%‑4.0%,Mo 1.0%‑3.0%,W 1.0%‑3.0%,V 2.0%‑4.0%,Mn 2.0%‑4.0%,Cu 3.0%‑5.0%,Nb 0.5%‑2.0%,Nd 3.0%‑6.0%,余量为还原铁粉。利用该合金粉末可制备钢轨的表面熔覆层,熔覆层深度为1.0‑3.0mm,硬度高且不易开裂、耐腐蚀性强,模拟使用寿命达到普通钢轨的5倍以上。

Description

一种激光熔覆用合金粉末及使用该粉末制备的钢轨
技术领域
本发明属于激光表面处理技术领域,具体是一种激光熔覆用合金粉末及使用该粉末制备的钢轨。
背景技术
铁路运输是我国的重要交通方式,而随着现代高速列车技术的飞速发展,对钢轨的性能要求越来越高。在钢轨与钢轨的连接处,除用焊接方式连接后,还必须有部分钢轨不能连接在一起,中间要留有部分间隙,以便列车经过时能够连接形成回路,给控制室提供相应的信号。但钢轨端部在列车车轮的反复碾压下会产生延展(即飞边),严重时飞边自动连接,在没有列车经过时也会产生短路,发出非正常信号,对控制室造成强大的负面干扰,影响了铁路运输的流畅和安全,其主要原因是:①钢轨的端部硬度不够,易发生延展现象;②钢轨端部的耐候性不好,因为钢轨全天候露天工作,温差从零下40℃到零上100℃,钢轨有时处于寒冬极低气温,有时炎夏时温度极高且加上火车经过时的摩擦,钢轨温度达到100℃,易产生腐蚀皮层,硬度及韧性也随之下降;③钢轨经过常规表面处理后可提高其耐磨性,但硬度的提高却伴随着韧性的降低,抗开裂能力下降,一旦表面处理层发生开裂,在车轮作用下就会发生片状脱落,极易产生短路现象。
激光熔覆具有能量密度高,工件变形小的特点,在金属材料表面强化,提高耐磨性有着广泛的应用前景。但在钢轨表面强化应用该技术方案时,存在如下技术问题:为了提高熔覆层硬度,激光熔覆用合金粉末的化学成分中常含有一定的碳元素,而且为了满足防腐蚀需求,化学成分中还含有铬及镍等元素,但不仅促进S、P、Sn等杂质元素的偏聚,而且其元素本身也容易发生偏聚,这种偏聚发生在晶界、亚晶界上,降低了材料的断裂强度,也降低了材料的耐腐蚀性能,而且重要的是这种偏聚会促进马氏体的生成。但在铁路行业标准TB/T2344-2003的附录A硬化层显微组织中规定禁止钢轨中出现马氏体和贝氏体等组织。
中国专利CN110129674B公开了一种激光熔覆制备的梯度材料钢轨辙叉(申请日期为2019年5月21日),虽然极力避免生成马氏体或贝氏体,但其含有13%以上的铬、3%以上的镍,0.05%以上的碳,在优化的工艺条件下仍会生成部分马氏体或贝氏体,虽然解决了耐腐蚀性问题,但硬度增大的同时却降低了韧性,抗开裂性差。
中国专利CN 113547117 A公开了一种激光熔覆合金粉末、钢轨和制备方法(申请日期为2021年7月9日),提高了熔覆层的强度,但为了具有耐腐蚀性,仍含有镍、铬元素,不可避免地生成部分马氏体或贝氏体,降低了熔覆层的韧性,抗开裂性差。
如何解决上述问题,是本领域科技工作者的当务之急。
发明内容
本发明提供一种激光熔覆用合金粉末及使用该粉末制备的钢轨,解决以下技术问题:激光熔覆层的硬度高,在温度迅速上升下降的多次反复中,抗开裂性好(无马氏体存在),且具有很好的耐蚀性能。
本发明提供一种激光熔覆用合金粉末,采用如下技术方案:
一种激光熔覆用合金粉末,包括颗粒Ⅰ、颗粒Ⅱ、颗粒Ⅲ和颗粒Ⅳ,
所述颗粒Ⅰ为表面镀铜的纳米MoSi2粉,所述表面镀铜的纳米MoSi2粉未镀铜时粒径为80nm-100nm,镀铜层厚度10nm-15nm。
所述颗粒Ⅱ为表面镀钛的纳米SiC晶须,所述表面镀钛的纳米SiC晶须表面未镀钛时直径为15nm-20nm,长度为150nm-200nm,镀钛层厚度为8nm-12nm。
所述颗粒Ⅲ为纳米NbAl3粉,所述纳米NbAl3粉的粒度范围为30nm-50nm,优选35nm-45nm。
所述颗粒Ⅳ的化学成分及用量按质量百分比计为:Be 3.0%-6.0%,Al 1.0%-4.0%,Mo 1.0%-3.0%,W 1.0%-3.0%,V 2.0%-4.0%,Mn 2.0%-4.0%,Cu 3.0%-5.0%,Nb 0.5%-2.0%,Nd 3.0%-6.0%,余量为还原铁粉。
进一步的,所述颗粒Ⅳ的化学成分及用量按质量百分比计为:Be 4.0%-5.0%,Al2.0%-3.0%,Mo 1.5%-2.5%,W 1.5%-2.5%,V 2.3%-3.5%,Mn 2.5%-3.5%,Cu 3.5%-4.5%,Nb1.0%-1.5%,Nd 4.0%-5.0%,余量为还原铁粉。
更进一步的,所述颗粒Ⅳ的化学成分及用量按质量百分比计为:Be 4.5%,Al2.5%,Mo 2.0%,W 2.0%,V 3.0%,Mn 3.0%,Cu 4.0%,Nb 1.2%,Nd 4.5%,余量为还原铁粉。
所述颗粒Ⅳ的粒径为1μm-5μm。
所述激光熔覆用合金粉末中:颗粒Ⅰ的质量百分比为6%-10%,颗粒Ⅱ的质量百分比为8%-12%,颗粒Ⅲ的质量百分比为4%-8%,余量为颗粒Ⅳ。
所述颗粒Ⅰ、颗粒Ⅱ、颗粒Ⅲ和颗粒Ⅳ机械混合均匀构成激光熔覆用合金粉末。
本发明还提供一种用上述合金粉末制备的表面熔覆的钢轨,钢轨的两端上表面熔覆层长度为50mm-200mm,熔覆层深度为1.0mm-3.0mm,钢轨的端面熔覆层深度为1.0mm-3.0mm。
本发明具有以下有益技术效果:
1、熔覆层硬度高且不易开裂
1)纳米碳化硅晶须的硬度大、熔点高,由于在其表面进行了镀钛,在激光熔覆过程中不会分解,凝固后在熔覆中呈立体网格状均匀分布,这种立体网格状分布结构,使最终熔覆层整体结合牢固,不会发生开裂等现象;碳化硅晶须的纳米结构保证了熔覆层的均匀性,使最终得到的熔覆层硬度高且分布均匀,表面镀钛后熔覆时钛会熔化增大碳化硅晶须的润湿性,加强了与该颗粒在熔覆层中的结合力,使熔覆层硬度高且不易开裂;
2)铍元素的加入,可提高硬度和抗裂性,而且铍与铁可形成Be2Fe金属间化合物(不同于合金),产生极强的沉淀强化作用,有效提高激光熔覆层的力学性能,铝作为稳定晶格结构合金元素,能降低层错能,增加层错区域的宽度,从而降低了原子的点阵阻力,增加了位错的可动性,减弱了Mo-Si键的方向性,有效提高了熔覆层的开裂性;
3)利用钕元素对针状相的球化作用及对熔覆层金属的均匀化促进作用,V的细化晶粒的作用,结合W、Mo抑制马氏体生成作用,有效抑制马氏体特别是针状马氏体的产生,大大提高了熔覆层的抗裂性能。
2、熔覆层耐腐蚀性强
1)NbAl3是一种耐腐蚀性极强的金属间化合物,而且有很高的硬度,由于是纳米级别,可以在熔覆层内弥散均匀分布,大大提高了熔覆层的韧性、硬度及耐腐蚀性;
2)MoSi2是一种金属间化合物,体心立方晶体结构,在MoSi2中既存在金属键也存在共价键,硬度大而且耐腐蚀性强,由于在其表面进行了镀铜,激光熔覆时一部分不会发生分解,也不会生成不稳定MoSi2六方结构,进入熔池后以纳米金属间化合物的形式存在,结合自身性能优异的特点,有效提高熔覆层的耐腐蚀性,另一部分在1200℃左右其表面的Mo元素氧化生成易挥发的MoO3 气体,同时在表面仅留下致密的玻璃SiO2保护膜,大大增加了耐腐蚀性,而且避免了使用铬、镍元素增大马氏体生成的趋势。体心立方晶体结构的MoSi2中存在着很强的 Mo-Si方向共价键,加入合金元素Nb,可使 Mo-Si键的方向性减弱,这样对效提高熔覆层的耐腐蚀性非常有利;
3)MoSi2和NbAl3均是性能适应温度区间广的金属间化合物,采用本发明激光熔覆后的钢轨可以适应温度区间变化大的工作环境。
3、实验表明:利用本发明的合金粉末在钢轨上进行激光熔覆,得到的熔覆层硬度达58.6HRC以上、抗裂性好、硫酸铜加速加热或冷却腐蚀(温度分为-40℃、-20℃、0℃、10℃、25℃、50℃、75℃)实验中,其使用周期(模拟)为普通钢轨的5倍以上。
本发明的创新核心在于给出了药芯的组合物成分及用量,并优化各组分用量的合理范围,多种物质协同作用、相互结合、相互支撑,并非其中一种物质的加入起到了关键作用,组合物的综合作用才是本发明的核心创造。
具体实施方式
以下结合实施例和对比例对本发明的原理和特征进行描述,所列举实施例和对比例只用于解释本发明,并非限定本发明的范围。
实施例1:
一种激光熔覆用合金粉末,包括颗粒Ⅰ、颗粒Ⅱ、颗粒Ⅲ和颗粒Ⅳ,
颗粒Ⅰ为表面镀铜的纳米MoSi2粉,表面镀铜的纳米MoSi2粉未镀铜时粒径为80nm-100nm,镀铜层厚度10nm-15nm。
颗粒Ⅱ为表面镀钛的纳米SiC晶须,表面镀钛的纳米SiC晶须表面未镀钛时直径为15nm-20nm,长度为150nm-200nm,镀钛层厚度为8nm-12nm。
颗粒Ⅲ为纳米Nb3Al粉,纳米NbAl3粉的粒度范围为30nm-50nm。
所述颗粒Ⅳ的化学成分及用量按质量百分比计为:Be 3.0%,Al 1.0%,Mo 1.0%,W1.0%,V 2.0%,Mn 2.0%,Cu 3.0%,Nb 0.5%,Nd 3.0%,余量为还原铁粉。
颗粒Ⅳ的粒径为1μm-5μm。
激光熔覆用合金粉末中:颗粒Ⅰ的质量百分比为6%,颗粒Ⅱ的质量百分比为8%,颗粒Ⅲ的质量百分比为4%,余量为颗粒Ⅳ。
颗粒Ⅰ、颗粒Ⅱ、颗粒Ⅲ和颗粒Ⅳ机械混合均匀构成激光熔覆用合金粉末。
利用激光熔覆技术在预留熔覆尺寸的钢轨基体表面制备熔覆层:激光器熔覆功率3kW-8kW,圆形光斑尺寸为3mm-6mm,光束扫描速度500mm/min-2500mm/min,送粉速度20-45g/min,激光熔覆过程采用流量为18L/min-20L/min的氩气保护;熔覆层厚度为1.0-3.0mm。
实施例2:
一种激光熔覆用合金粉末,包括颗粒Ⅰ、颗粒Ⅱ、颗粒Ⅲ和颗粒Ⅳ,
颗粒Ⅰ为表面镀铜的纳米MoSi2粉,表面镀铜的纳米MoSi2粉未镀铜时粒径为80nm-100nm,镀铜层厚度10nm-15nm。
颗粒Ⅱ为表面镀钛的纳米SiC晶须,表面镀钛的纳米SiC晶须表面未镀钛时直径为15nm-20nm,长度为150nm-200nm,镀钛层厚度为8nm-12nm。
颗粒Ⅲ为纳米Nb3Al粉,纳米NbAl3粉的粒度范围为30nm-50nm。
所述颗粒Ⅳ的化学成分及用量按质量百分比计为:Be 6.0%,Al 4.0%,Mo 3.0%,W3.0%,V 4.0%,Mn 4.0%,Cu 5.0%,Nb 2.0%,Nd 6.0%,余量为还原铁粉。
颗粒Ⅳ的粒径为1μm-5μm。
激光熔覆用合金粉末中:颗粒Ⅰ的质量百分比为8%,颗粒Ⅱ的质量百分比为10%,颗粒Ⅲ的质量百分比为6%,余量为颗粒Ⅳ。
颗粒Ⅰ、颗粒Ⅱ、颗粒Ⅲ和颗粒Ⅳ机械混合均匀构成激光熔覆用合金粉末。
如上所述的激光熔覆用合金粉末的制备带熔覆的钢轨,其制备方法如实施例1所述。
实施例3:
一种激光熔覆用合金粉末,包括颗粒Ⅰ、颗粒Ⅱ、颗粒Ⅲ和颗粒Ⅳ,
颗粒Ⅰ为表面镀铜的纳米MoSi2粉,表面镀铜的纳米MoSi2粉未镀铜时粒径为80nm-100nm,镀铜层厚度10nm-15nm。
颗粒Ⅱ为表面镀钛的纳米SiC晶须,表面镀钛的纳米SiC晶须表面未镀钛时直径为15nm-20nm,长度为150nm-200nm,镀钛层厚度为8nm-12nm。
颗粒Ⅲ为纳米NbAl3粉,纳米NbAl3粉的粒度范围为30nm-50nm。
所述颗粒Ⅳ的化学成分及用量按质量百分比计为:Be 4.5%,Al 2.5%,Mo 2.0%,W2.0%,V 3.0%,Mn 3.0%,Cu 4.0%,Nb 1.2%,Nd 4.5%,余量为还原铁粉。
颗粒Ⅳ的粒径为1μm-5μm。
激光熔覆用合金粉末中:颗粒Ⅰ的质量百分比为10%,颗粒Ⅱ的质量百分比为12%,颗粒Ⅲ的质量百分比为8%,余量为颗粒Ⅳ。
颗粒Ⅰ、颗粒Ⅱ、颗粒Ⅲ和颗粒Ⅳ机械混合均匀构成激光熔覆用合金粉末。
如上所述的激光熔覆用合金粉末的制备带熔覆的钢轨,其制备方法如实施例1所述。
实验例1:
与实施例2基本相同,其区别在于激光熔覆用合金粉末中无颗粒Ⅰ。
实验例2:
与实施例2基本相同,其区别在于将激光熔覆用合金粉末中颗粒Ⅰ换成微米级MoSi2粉。
实验例3:
与实施例2基本相同,其区别在于将激光熔覆用合金粉末中颗粒Ⅰ的MoSi2粉表面不镀铜。
实验例4:
与实施例2基本相同,其区别在于将激光熔覆用合金粉末中颗粒Ⅰ的MoSi2粉换成相应质量的钼粉和硅粉。
实验例5:
与实施例2基本相同,其区别在于其区别在于激光熔覆用合金粉末中无颗粒Ⅱ。
实验例6:
与实施例2基本相同,其区别在于激光熔覆用合金粉末中颗粒Ⅱ的纳米SiC晶须换成微米级SiC颗粒。
实验例7:
与实施例2基本相同,其区别在于激光熔覆用合金粉末中颗粒Ⅱ的纳米SiC晶须表面不镀钛。
实验例8:
与实施例2基本相同,其区别在于激光熔覆用合金粉末中无颗粒Ⅲ。
实验例9:
与实施例2基本相同,其区别在于激光熔覆用合金粉末中颗粒Ⅲ纳米NbAl3粉换成相应质量的微米级NbAl3粉。
实验例10:
与实施例2基本相同,其区别在于将激光熔覆用合金粉末中颗粒Ⅲ纳米NbAl3粉换成相应质量的铌粉和铝粉。
实验例11:
与实施例2基本相同,其区别在于区别在于激光熔覆用合金粉末中颗粒Ⅳ化学成分中无Be元素。
实验例12:
与实施例2基本相同,其区别在于区别在于激光熔覆用合金粉末中颗粒Ⅳ化学成分中无Nd元素。
实验例13:
与实施例2基本相同,其区别在于药芯化学成分中无W、Mo元素。
将实施例1-3和实验例1-13制备的合金粉末进行激光熔覆后得到钢轨,测试其硬度、抗裂性及硫酸铜加速腐蚀实验,用SEM+EDS进行面扫描测试熔覆层化学成分均匀性,每项进行10次试验,取10次试验结果的平均值,如表1所示。
Figure 450329DEST_PATH_IMAGE001
以上述依据本发明的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光熔覆用合金粉末,包括颗粒Ⅰ、颗粒Ⅱ、颗粒Ⅲ和颗粒Ⅳ,颗粒Ⅰ、颗粒Ⅱ、颗粒Ⅲ和颗粒Ⅳ机械混合均匀,其特征在于:
所述颗粒Ⅰ为表面镀铜的纳米MoSi2粉;
所述颗粒Ⅱ为表面镀钛的纳米SiC晶须;
所述颗粒Ⅲ为纳米NbAl3粉;
所述颗粒Ⅳ的化学成分及用量按质量百分比计为:Be 3.0%-6.0%,Al 1.0%-4.0%,Mo1.0%-3.0%,W 1.0%-3.0%,V 2.0%-4.0%,Mn 2.0%-4.0%,Cu 3.0%-5.0%,Nb 0.5%-2.0%,Nd3.0%-6.0%,余量为还原铁粉;
所述激光熔覆用合金粉末中颗粒Ⅰ的质量百分比为6%-10%,颗粒Ⅱ的质量百分比为8%-12%,颗粒Ⅲ的质量百分比为4%-8%,余量为颗粒Ⅳ。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆用合金粉末,其特征在于:所述颗粒Ⅳ的化学成分及用量按质量百分比计为:Be 4.0%-5.0%%,Al 2.0%-3.0%,Mo 1.5%-2.5%,W 1.5%-2.5%,V2.3%-3.5%,Mn 2.5%-3.5%,Cu 3.5%-4.5%,Nb 1.0%-1.5%,Nd 4.0%-5.0%,余量为还原铁粉。
3.根据权利要求1或2所述的激光熔覆用合金粉末,其特征在于:所述颗粒Ⅳ的化学成分及用量按质量百分比计为:Be 4.5%,Al 2.5%,Mo 2.0%,W 2.0%,V 3.0%,Mn 3.0%,Cu4.0%,Nb 1.2%,Nd 4.5%,余量为还原铁粉。
4.根据权利要求1-3任意之一所述的激光熔覆用合金粉末,其特征在于:所述表面镀铜的纳米MoSi2粉未镀铜时粒径为80nm-100nm,镀铜层厚度10nm-15nm。
5.根据权利要求1-3任意之一所述的激光熔覆用合金粉末,其特征在于:所述纳米NbAl3粉的粒度范围为30nm-50nm,优选35nm-45nm。
6.根据权利要求1-3任意之一所述的激光熔覆用合金粉末,其特征在于:所述表面镀钛的纳米SiC晶须表面未镀钛时直径为15nm-20nm,长度为150nm-200nm,镀钛层厚度为8nm-12nm。
7.根据权利要求1-3任意之一所述的激光熔覆用合金粉末,其特征在于:所述颗粒Ⅳ的粒径为1μm-5μm。
8.一种如权利要求1所述的激光熔覆用合金粉末,其特征在于:用于制备表面熔覆的钢轨。
9.根据权利要求8所述的表面熔覆的钢轨,其特征在于:所述钢轨的两端上表面熔覆层长度为50mm-200mm,熔覆层深度为1.0mm-3.0mm,钢轨的端面熔覆层深度为1.0mm-3.0mm。
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