CN114411146B - 一种激光熔覆用合金粉末及使用该粉末制备的钢轨 - Google Patents

一种激光熔覆用合金粉末及使用该粉末制备的钢轨 Download PDF

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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。
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。
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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