CN114871624A

CN114871624A - 一种铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝及其制备方法

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Publication number: CN114871624A
Application number: CN202210643271.3A
Authority: CN
Inventors: 张天理; 杨凯钦; 彭净净; 马清波; 栗卓新; 徐锴; 李振华; 方乃文; 陈振刚; 陈浩欣; 武雯; 葛丽; 葛坤
Original assignee: Shanghai University of Engineering Science
Current assignee: Shanghai University of Engineering Science
Priority date: 2022-06-09
Filing date: 2022-06-09
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2042-06-09
Also published as: CN114871624B

Abstract

本发明公开了一种铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝及其制备方法，其外皮采用低碳钢带，药芯由以下质量百分含量的组分组成：C：0.07％～0.15％、Mn：1.00％～1.50％、Si：0.20％～1.00％、Ni：9.50％～20.00％、Cr：12.00％～18.00％、Nb：1.00％～10.00％、W：1.00％～10.00％、V：0.50％～1.5％、Ti：0.20％～1.00％、Mo：0.10％～1.00％、B：0.10％～1.00％、RE：0.50％～1.00％，余量为铁粉，该药芯焊丝用于电弧增材制造铁路货车车轮的制造或修复可以提高车轮的抗磨损性，满足铁路车轮的再制造技术要求。

Description

一种铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝及其制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料领域，具体涉及一种铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝及其制备方法。

背景技术

2021年全国铁路固定资产投资完成7489亿元，投产新线4208公里，其中高速铁路2168公里。全国铁路营业里程达到15万公里，其中高速铁路达到4万公里。全国铁路机车拥有量为2.17万台，其中内燃机车0.78万台、电力机车1.39万台，全国铁路客车拥有量为7.8万辆，其中动车组4153、标准组33221辆，全国铁路货车拥有量为96.6万辆。根据近几年的铁路货车保有量及增长的变化情况，预计未来保有量平均增速在5％左右，预计到2025年的铁路货车保有量在108万辆左右。

随着铁路运量的增加及车辆周转率的增大铁路车轮会受到磨损和损坏，随着轴载和运行速度的增加，磨损和损坏变得更加严重。在使用一段时间后，车轮需要重新转动以消除缺陷，然后恢复到最佳轮廓。在多次重新转动后需要更换车轮，增加了材料损耗和成本，尤其是过度磨损和滚动接触疲劳(RCF)会大大缩短了车轮寿命，车轮维护是保证铁路安全运营的重要环节。

目前，应用到车轮修补上的技术主要有：抗早期剥离技术、激光熔覆和铁基合金喷焊修复；其中抗早期剥离技术是在车轮在早期剥离发生后，进行旋修后再继续使用，这样在相当长时间内不会发生剥离；激光熔覆是一种表面改性技术，是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法；铁基合金喷焊修复采用粉末等离子高温喷焊工艺，将铁基合金喷焊修复料均匀熔敷在基材上并对其机械加工进行修补。这些技术虽能改善基体材料表面的耐蚀、耐热、抗氧化和力学性能来延缓车轮的使用寿命，但其修复后的车轮抗磨损性并没有得到改善，目前尚未研发出应用于铁路货车车轮增材制造且可以有效降低磨损率的药芯焊丝。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明的主要目的是提供一种铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝，其具有良好的焊接工艺性能和力学性能，增材后可以提高车轮的抗磨损性。

本发明的另一目的是提供上述铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝的制备方法，工艺简单。

本发明的再一目的是提供上述铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝在电弧、高能束或复合热源增材制造铁路货车车轮的制造或修复中的应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一方面提供一种铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝，包括外皮和药芯，其外皮采用低碳钢带，药芯由以下质量百分含量的组分组成：C：0.07％～0.15％、Mn：1.00％～1.50％、Si：0.20％～1.00％、Ni：9.50％～20.00％、Cr：12.00％～18.00％、Nb：1.00％～10.00％、W：1.00％～10.00％、V：0.50％～1.5％、Ti：0.20％～1.00％、Mo：0.10％～1.00％、B：0.10％～1.00％、RE：0.50％～1.00％，余量为铁粉。

作为优选，所述外皮采用的低碳钢带宽度为10～12mm、厚度为0.6～2.0mm。

作为优选，所述外皮采用的低碳钢带成分及其质量百分比为：C：0.01％～0.25％、Si：0.01％～0.40％、Mn：0.60％～2.00％、P：0.010％～0.015％、S：0.005％～0.01％、N：0.001％～0.006％、B：0.001％～0.005％、Nb：0.005％～0.100％、V：0.005％～0.100％、Ti：0.005％～0.100％、Mo：0.05％～0.50％，余量为Fe和不可避免的杂质。

作为优选，所述药芯的填充率控制在20％～25％。

作为优选，所述药芯的组分含量满足：当C的含量为0.07％～0.09％时，Mn的含量控制在1.0％～1.4％。

作为优选，所述药芯中，Mn以电解锰的形式加入，C以石墨的形式加入。

作为优选，所述药芯的组分含量满足：当Mn的含量为1.4％时，Si的含量不超过1％，可具备良好力学性能。

作为优选，所述药芯的组分含量满足：Ti/B＝5～10：1。

作为优选，所述药芯的组分含量满足：Mn/Mo＝4。

作为优选，所述药芯的组分粒径为80～120目。

作为优选，所述药芯的组分含量满足：杂质元素S和P的含量均小于0.002％。

作为优选，所述药芯中RE为选自Ce、Y、Nd中一种或多种混合而成。

本发明的铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝通过增材制造后铁路货车车轮耐磨性提高近30％，其熔覆金属具有优异的耐磨损性能，并且焊接工艺性和力学性能优异，增材与基材结合强度满足车轮运行环境下的动静载荷应用要求，还可以实现多层多道堆焊以满足不同的增材厚度，其设计思路是：在药芯中，一定量C元素的加入可提高焊缝强度，Si、Mn对焊缝起到脱氧和提高焊缝强度的作用，Ni的加入可提高焊缝的韧性，Nb和Mo的加入可以提高焊缝的强度和硬度，并且提高其耐磨性，Ti的加入可以促进针状铁素体的形成细化晶粒，Cr和W提高焊缝金属的强度和硬度，V的加入可提高其密度，促使晶粒细化，提高强度，RE的加入对焊缝起到脱氢脱氧，细化晶粒，并且提高其耐磨性。其中各成分作用如下：

C：可与其他合金元素反应形成碳化物，对焊缝金属起到固溶强化作用。

Si：起到稳弧作用，适量的硅可以排除焊缝中的氧增加钢的强度和硬度。

Ti：促进针状铁素体的形核，细化晶粒。

Mn：提高焊缝的强度和硬度，增加针状铁素体数量，细化焊缝的针状铁素体和粗晶区。

Ni：焊态焊缝中先共析铁素体比例逐渐减少，而针状铁素体逐渐增多，焊缝硬度、屈服强度和抗拉强度均提高。

Mo：焊缝金属中先共析铁素体比例逐渐减少，而针状铁素体逐渐增多，含0.25％Mo、1.0％Mn的焊缝可得最佳力学性能。

Cr：提高强度和硬度，含量不大于1％还可提高钢的展性和韧性。

Nb：过度系数大、不易氧化，阻止晶粒长大，提高耐热性能，增强铁路车轮的抗磨损性。

W：与碳形成坚固而稳定的碳化物，增加淬透性，增加强度和硬度。

V：提高钢的密度，促使晶粒细化，提高它的机械强度，而且提高钢得到红硬性，使碳化物在钢中均匀分布。

RE：具有脱氧、脱硫、减少夹杂、净化焊缝组织和细化晶粒的作用，并且提高其耐磨性、抗气蚀性、耐磨蚀性及焊缝冲击韧性等。

本发明还提供上述铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：称取原料混合均匀，烘干炉中200～260℃烘干3h，得到药芯粉末；

步骤2：将低碳钢带放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将低碳钢带轧制成U型槽，步骤1得到的药芯粉末填入U型槽中，填充率控制在20％～25％，用成型机使U型槽碾压闭合后进行拉拔至直径满足规格要求，最后用脱脂机加烘干机去除焊丝表面上的油污和水分，即得。

本发明还提供上述铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝在电弧、高能束或复合热源增材制造铁路货车车轮的制造或修复中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、本发明的铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝具有良好的电弧稳定性，焊缝成形美观，焊缝金属拥有很好的耐磨性，硬度可达300HB以上，同时具有较好的低温冲击韧性，-40℃的低温冲击韧性大于40J。

二、本发明的铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝焊缝组织为马氏体+残余奥氏体+针状铁素体+下贝氏体+针状碳化物，其中马氏体和针状碳化物具有很高的硬度和耐磨性，残余奥氏体、针状铁素体和下贝氏体可以使其具有良好的韧性，综合性能好。该药芯焊丝应用于铁路货车车轮增材制造，可以提高车轮的抗磨损性，延长铁路货车车轮的使用寿命，完全满足铁路车轮的再制造技术要求。

具体实施方式

为了进一步明确本发明的目的及技术方案，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于下述实施例。

以下实施例中铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝的外皮采用的低碳钢带宽度为10～12mm、厚度为0.6～2.0mm，所述低碳钢带的成分及其质量百分比为：C：0.01％～0.25％、Si：0.01％～0.40％、Mn：0.60％～2.00％、P：0.010％～0.015％、S：0.005％～0.01％、N：0.001％～0.006％、B：0.001％～0.005％、Nb：0.005％～0.100％、V：0.005％～0.100％、Ti：0.005％～0.100％、Mo：0.05％～0.50％，余量为Fe和不可避免的杂质。

实施例1

本实施例提供一种铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝，其药芯成分及其质量百分比为：C：0.07％、Mn：1.00％、Si：0.20％、Ni：9.50％、Cr：12.00％、Nb：1.00％、W：1.00％、V：0.50％、Ti：0.50％、Mo：0.25％、B：0.10％、La：0.50％，余量为铁粉。

该药芯焊丝通过以下方法制备得到：称取上述所有原料混合均匀，烘干炉中250℃烘干2h，得到药芯粉末。将低碳钢钢带放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将低碳钢带轧制成U型槽，将烘干后的药芯粉末填入U型槽中，填充率为22％。然后用成型机使U型槽碾压闭合，无水酒精擦拭干净后进行拉拔至直径为1.2mm，最后用蘸有无水酒精的棉布擦除焊丝上的油污，即得。

实施例2

本实施例提供一种铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝，其药芯成分及其质量百分比为：C：0.08％、Mn：1.00％、Si：0.40％、Ni：12.50％、Cr：13.00％、Nb：3.00％、W：3.00％、V：0.70％、Ti：0.80％、Mo：0.25％、B：0.15％、RE：0.60％，余量为铁粉。

实施例3

本实施例提供一种铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝，其药芯成分及其质量百分比为：C：0.09％、Mn：1.00％、Si：0.50％、Ni：14.00％、Cr：14.00％、Nb：5.00％、W：5.00％、V：0.90％、Ti：0.60％、Mo：0.25％、B：0.10％、RE：0.70％，余量为铁粉。

该药芯焊丝通过以下方法制备得到：称取上述所有原料混合均匀，烘干炉中250℃烘干3h，得到药芯粉末。将低碳钢钢带放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将低碳钢带轧制成U型槽，将烘干后的药芯粉末填入U型槽中，填充率为22％。然后用成型机使U型槽碾压闭合，无水酒精擦拭干净后进行拉拔至直径为1.2mm，最后用蘸有无水酒精的棉布擦除焊丝上的油污，即得。

实施例4

本实施例提供一种铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝，其药芯成分及其质量百分比为：C：0.10％、Mn：1.00％、Si：0.60％、Ni：16.00％、Cr：15.00％、Nb：7.00％、W：7.00％、V：1.10％、Ti：0.70％、Mo：0.25％、B：0.70％、RE：0.80％，余量为铁粉。

实施例5

本实施例提供一种铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝，其药芯成分及其质量百分比为：C：0.09％、Mn：1.40％、Si：0.80％、Ni：18.00％、Cr：17.00％、Nb：8.00％、W：8.00％、V：1.30％、Ti：1.00％、Mo：0.35％、B：0.10％、RE：0.90％，余量为铁粉。

实施例6

本实施例提供一种铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝，其药芯成分及其质量百分比为：C：0.15％、Mn：1.50％、Si：0.80％、Ni：20.00％、Cr：18.00％、Nb：10.00％、W：10.00％、V：1.50％、Ti：1.00％、Mo：1.00％、B：0.10％、RE：1.00％，余量为铁粉。

选取实例1～6制备的药芯焊丝，并与常规市面上用于低合金高强钢增材制造的药芯焊丝(对比例1和对比例2)进行焊接实验：采用熔化极气体保护焊，保护焊气体为90％Ar+10％CO₂，采用直流反接法，被焊车轮的钢牌号是CL65，屈服强度≥620Mpa，抗拉强度≥1010Mpa，断后伸长率≥10％。焊接工艺参数如表1。

表1：焊接工艺参数

焊后对车轮做力学性能检测并将被焊车轮在双盘式摩擦计进行磨损实验。车轮安装在由电机驱动的两个轴上，通过改变传动比可以实现不同的滑移率，滑移率设置为0.75％，轨道盘的转速设置为500rpm，相当于1.57米/秒的滚动速度。通过液压系统施加载荷，并通过称重传感器进行测量，施加的载荷为5110N，产生1100MPa的最大赫兹接触压力，这是车轮踏面中的典型压力水平。然后进行100000次循环，计算实验前后体积损失来得出磨损率，焊缝金属力学性能见表2。

表2：焊缝金属力学性能

由表2可以看出，实施例1～6的各项力学性能的最低值均大于对比例1和2，可以得出本发明的药芯焊丝增材制造后要优于对比例，上述铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝的抗拉强度≥1010MPa，屈服强度≥820MPa，断后伸长率≥12％，硬度≥344HB，磨损率≤0.54％，相较于现有的用于低合金高强钢的药芯焊丝组织中晶粒更细小，符合车轮再制造技术要求的同时带来更好的耐磨性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝，其特征在于，包括外皮和药芯；

所述外皮采用低碳钢带；

所述药芯由以下质量百分含量的组分组成：C：0.07％～0.15％、Mn：1.00％～1.50％、Si：0.20％～1.00％、Ni：9.50％～20.00％、Cr：12.00％～18.00％、Nb：1.00％～10.00％、W：1.00％～10.00％、V：0.50％～1.5％、Ti：0.20％～1.00％、Mo：0.10％～1.00％、B：0.10％～1.00％、RE：0.50％～1.00％，余量为铁粉。

2.根据权利要求1所述的铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝，其特征在于，所述外皮采用的低碳钢带宽度为10～12mm、厚度为0.6～2.0mm，所述低碳钢带的成分及其质量百分比为：C：0.01％～0.25％、Si：0.01％～0.40％、Mn：0.60％～2.00％、P：0.010％～0.015％、S：0.005％～0.01％、N：0.001％～0.006％、B：0.001％～0.005％、Nb：0.005％～0.100％、V：0.005％～0.100％、Ti：0.005％～0.100％、Mo：0.05％～0.50％，余量为Fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的填充率控制在20％～25％。

4.根据权利要求1所述的铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的组分粒径为80～120目，其中Mn以电解锰的形式加入，C以石墨的形式加入，RE为选自Ce、Y、Nd中一种或多种混合而成，杂质元素S和P的含量均小于0.002％。

5.根据权利要求1所述的铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的组分含量满足：当C的含量为0.07％～0.09％时，Mn的含量为1.0％～1.4％。

6.根据权利要求1所述的铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的组分含量满足：当Mn的含量为1.4％时，Si的含量不超过1％。

7.根据权利要求1所述的铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的组分含量满足：Ti/B＝5～10：1。

8.根据权利要求1所述的铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的组分含量满足：Mn/Mo＝4。

9.权利要求1-8任一项所述铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：按照配比称取原料组分混合均匀，烘干炉中200～260℃烘干3h，得到药芯粉末；

步骤2：将低碳钢带放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将低碳钢带轧制成U型槽，步骤1得到的药芯粉末填入U型槽中，用成型机使U型槽碾压闭合后进行拉拔至直径满足规格要求，最后用脱脂机加烘干机去除焊丝表面上的油污和水分，即得。

10.权利要求1-8任一项所述铁路货车车轮增材制造用药芯焊丝用于电弧、高能束或复合热源增材制造铁路货车车轮的制造或修复。