CN110344048B - 高锰钢辙叉的激光熔覆层及其制备方法和高锰钢辙叉 - Google Patents

Abstract

本发明公开的高锰钢辙叉的激光熔覆层，由431‑Co‑40粉末熔覆至高锰钢辙叉的轨顶面制成，所述激光熔覆层的单层熔覆厚度为0.5~1.0mm，所述激光熔覆层的厚度为5~7mm。该激光熔覆层能与高锰钢辙叉基体紧密结合，具有较强的硬度和耐磨性，能承受火车车轮的冲击载荷的需求。同时公开高锰钢辙叉的激光熔覆层的制备方法，使用上述激光熔覆层对高锰钢辙叉进行表面改性，其方法易于操作，适用于工业生产与推广，熔覆后的产品稳定性强，从而阶跃性提升超高速熔覆技术的市场可适性，可有效解决传统经固溶强化处理刚高锰钢辙叉，在刚上线时，因硬度较低，在列车的高载荷冲击下易出现磨损，使用寿命短的问题。

Description

高锰钢辙叉的激光熔覆层及其制备方法和高锰钢辙叉

技术领域

本发明属于激光表面改性技术领域，具体地，涉及一种高锰钢辙叉的激光熔覆层及其制备方法和高锰钢辙叉。

背景技术

高锰钢辙叉是指使火车车轮由一股钢轨越过另一股钢轨的设备，在工作过程中承受较大的冲击载荷。为提高其使用寿命，现有高锰钢辙叉采用固溶强化方式来提高其韧性及耐磨性。高锰钢固溶强化后硬度约为HB180～225，在高载荷冲击下硬度达到HB500～800。高锰钢辙叉经固溶强化处理上线后，随着列车的高载荷冲击，硬度提高，耐磨性及韧性增加。但在刚上线时，因硬度较低，在列车的高载荷冲击下易出现磨损，缩短辙叉的使用周期。

激光熔覆是利用高能量密度的激光束，将粉末材料熔覆在零件的表面，以获得优良力学性能涂层的一种激光表面改性技术。激光束将粉末熔化后形成的液态合金由于基体材料的迅速导热而产生极高的冷却速度而快速凝固结晶，不但产生牢固、良好的冶金结合，而且还获得细小均匀的显微组织(即涂层微观组织优良)，因此可获得具有非常优异力学性能和耐磨、耐蚀性能的表面涂层。

针对高锰钢材料的激光表面改性问题，《激光与红外》第48卷第9期，南昌大学机电工程学院公开了对Mn13Cr2表面激光熔覆Ni60A+WC钨涂层的研究，制备高硬度、耐磨性良好的涂层，提高Mn13Cr2材料的使用寿命。但因激光熔覆Ni60A+WC涂层易产生龟裂，加工过程中需采用特殊工艺来避免裂纹产生，较难实现工程化应用。且涂层脆性较大，在高载荷冲击过程中易产生剥落。不适用与批量生产和普遍推广。

经检索，暂未发现公开适应于工业生产的高锰钢材料表面耐磨性和硬度的激光表面改性方法。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种高锰钢辙叉的激光熔覆层，该激光熔覆层能与高锰钢辙叉基体紧密结合，具有较强的硬度和耐磨性，能承受火车车轮的冲击载荷的需求。

本发明的另一目的在于，公开一种高锰钢辙叉的激光熔覆层的制备方法，使用上述激光熔覆层对高锰钢辙叉进行表面改性，其方法易于操作，适用于工业生产与推广，从而阶跃性提升超高速熔覆技术的市场可适性，熔覆后的产品稳定性强，可有效解决传统经固溶强化处理刚高锰钢辙叉，在刚上线时，因硬度较低，在列车的高载荷冲击下易出现磨损，使用寿命短的问题。

另外，本发明还提供了使用上述制备方法得到的高锰钢辙叉产品。

本发明目的通过以下技术方案实现：

公开的高锰钢辙叉的激光熔覆层，所述激光熔覆层由431-Co-40粉末熔覆至高锰钢辙叉的轨顶面制成，所述激光熔覆层的单层熔覆厚度为0.5～1.0mm，所述激光熔覆层的厚度为5～7mm。

进一步地，所述高锰钢辙叉的材料为ZGMn13，所述ZGMn13具体为：w(C)＝0.9％～1.2％，w(Mn)＝11％～14％，w(Si)＝0.3％～0.8％，w(P)≤0.7％，w(S)≤0.05％，w(Fe)为余量。

进一步地，所述431-Co-40粉末具体为：w(C)＝0.2％，w(Si)＝0.75％，w(Cr)＝16％，w(Ni)＝1.8％，w(Mn)＜1.0％，w(Fe)为余量。

本高锰钢辙叉的激光熔覆层，创造性地使用431-Co-40粉末作为原料，该原料在激光熔覆时与高锰钢辙叉基体易形成冶金结合的熔覆层，极大提高熔覆速率，保证涂覆质量。

本发明的另一目的在于高锰钢辙叉的激光熔覆层的制备方法，包括以下步骤：

S1.高锰钢辙叉的轨顶面的预处理；

S2.探伤检测：使用着色探伤剂对预处理后的高锰钢辙叉的轨顶面着色探伤，确认轨顶面无裂纹缺陷；

S3.激光熔覆：在惰性气体气氛下，通过送粉器将431-Co-40粉末输送到待熔覆区域后，采用激光器发射激光照射高锰钢辙叉的轨顶面，配合机械手设定好的路径开始熔覆，采用逐层熔覆的方式完成钛合金表面改性；所述激光熔覆工艺参数具体为：激光功率2000～3800W；光斑10*2mm；扫描速度6～40mm/s；送粉速度5～45g/min。

进一步地，步骤S1中所述预处理是先将轨顶面用角磨机清除表面锈蚀，再用酒精清洗表面污物。

进一步地，步骤S2中所述431-Co-40粉末的粉末颗粒为53～150μm。

本发明公开了一种由上述高锰钢辙叉的激光熔覆层的制备方法制备得到的高锰钢辙叉，所述高锰钢辙叉的激光熔覆层硬度大于34HRC。

本发明的激光熔覆是采用高能量密度激光，使合金材料熔化并与基体冶金结合的一种节能环保新工艺。熔覆层及其界面组织致密，晶粒细小，无气孔、夹渣、裂纹等缺陷。激光加工过程中基体温升不超过80℃，激光加工后无热变形。基材与熔覆材料为冶金结合，结合强度与母材相当。可以根据零部件工况情况，设计配置特定性能的特殊材料，提高零部件的机械性能及使用寿命。由于可以在零部件的关键部位进行熔覆修复，因此可以节约大量材料甚至战略材，具有巨大的经济效益。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的高锰钢辙叉的激光熔覆层，创造性地使用431-Co-40粉末作为原料，该原料在激光熔覆时与高锰钢辙叉基体易形成冶金结合的熔覆层，极大提高熔覆速率，保证涂覆质量。形成的激光熔覆层具有较强的硬度和耐磨性，能承受火车车轮的冲击载荷的需求。

本发明的高锰钢辙叉的激光熔覆层的制备方法，易于操作，适用于工业生产与推广，熔覆后的产品稳定性强，从而阶跃性提升超高速熔覆技术的市场可适性，可有效解决传统经固溶强化处理刚高锰钢辙叉，在刚上线时，因硬度较低，在列车的高载荷冲击下易出现磨损，使用寿命短的问题。

激光熔覆后高锰钢辙叉的硬度约为固溶强化后辙叉的二倍以上，剪切强度约提高了13％。在零件使用过程中将极大的提高零件的耐磨性及抗冲击性能，避免辙叉刚上线时因为硬度偏低而产生磨损导致零件失效，延长零件使用寿命。

附图说明

图1为实施例1所述的高锰钢辙叉的激光熔覆层的结构示意图。

图2为本发明的激光熔覆后的高锰钢辙叉的实物图。

图3为本发明的激光熔覆后的高锰钢辙叉的剪切试样示意图。

图4为本发明的激光熔覆后的高锰钢辙叉的剪切试样实物图。

图5为实施例1中熔覆有激光熔覆层1的高锰钢叉截取试样1#的金相组织图片。

图6为实施例1中熔覆有激光熔覆层1的高锰钢截叉取试样2#的金相组织图片。

图7为实施例1中熔覆有激光熔覆层1的高锰钢叉截取试样3#的金相组织图片。

图8为实施例1中熔覆有激光熔覆层1的高锰钢叉截取试样4#的金相组织图片。

图9为剪切断口的断口截面金相图片。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本实施例中采用原料如下：

高锰钢辙叉的材料为ZGMn13，具体成分组成为：w(C)＝0.9％～1.2％，w(Mn)＝11％～14％，w(Si)＝0.3％～0.8％，w(P)≤0.7％，w(S)≤0.05％，w(Fe)为余量。

激光熔覆层的材料为431-Co-40粉末，具体成分组成为：w(C)＝0.2％，w(Si)＝0.75％，w(Cr)＝16％，w(Ni)＝1.8％，w(Mn)＜1.0％，w(Fe)为余量。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例的高锰钢辙叉的激光熔覆层1的制备方法，包括以下步骤：

S1.截取高锰钢辙叉实物约100mm，高锰钢辙叉的轨顶面2的预处理；具体为先将轨顶面2用角磨机清除表面锈蚀，再用酒精清洗表面污物。

S2.探伤检测：使用着色探伤剂对预处理后的高锰钢辙叉的轨顶面着色探伤，确认轨顶面2无裂纹缺陷；

S3.激光熔覆：在常温下，采用laserrline4kw移动修复设备，在高锰钢辙叉上熔覆约5～7mm厚的431-Co-40粉末，即在惰性气体气氛下，通过送粉器将粒径为53～150μm的431-Co-40粉末输送到待熔覆区域后，采用激光器发射激光照射高锰钢辙叉的轨顶面2，配合机械手设定好的路径开始熔覆，采用逐层熔覆的方式完成钛合金表面改性；其激光熔覆工艺参数具体为：激光功率3500W；光斑10*2mm；扫描速度30～45mm/s；送粉速度5～15g/min。

其中，激光熔覆层的单层熔覆厚度为0.5～1.0mm。

实施例2

本实施例的高锰钢辙叉的激光熔覆层1的制备方法与实施例1基本相同，其不同之处在于，步骤S3的激光熔覆工艺参数具体为：激光功率2000W；光斑10*2mm；扫描速度6～15mm/s；送粉速度30～45g/min。

实施例3

本实施例的高锰钢辙叉的激光熔覆层1的制备方法与实施例1基本相同，其不同之处在于，步骤S3的激光熔覆工艺参数具体为：激光功率2500W；光斑10*2mm；扫描速度20～35mm/s；送粉速度20～30g/min。

将实施例1的熔覆有激光熔覆层1的高锰钢截取试样，并对高锰钢辙叉的轨顶面激光熔覆层进行剪切强度测试，剪切强度性能试验按照《GB/T 6396-2008复合钢板力学及工艺性能试验方法》，按照图3所示的方式对高锰钢辙叉进行分割，抽取剪切4组试样；分别标号为1#～4#，如图4。其激光熔覆试样剪切强度试验结果见表1，高锰钢试样剪切强度试验结果见表2。

表1

表2

由上表可知，431-Co-40粉末激光熔覆层与高锰钢的结合面剪切强度相对于高锰钢本体剪切强度提高了约13％。

对激光熔覆层和结合层进行洛氏硬度测试，由于高锰钢侧硬度较小，故对高锰钢侧进行布氏硬度测试，试验结果分别如表3和表4所示。

表3

表4

由表3和表4所知，激光熔覆后样品不同区域布氏硬度分布趋势为：熔覆层(HB347)>结合层(HB258)>高锰钢基体(HB193)。

对上述微观组织观察测试，每个试样的熔覆层经王水腐蚀，高锰钢侧经硝酸酒精腐蚀，分别观察了4个试样(1#～4#)不同区域(分别为熔覆层、熔覆层侧结合处、高锰钢侧结合处和高锰钢基体)对应的金相组织，具体形态见图5～图8，其中图5～图8中，a)和b)分别为实施例1中熔覆有激光熔覆层1的高锰钢叉截取试样1#～试样4#的熔覆层和覆层侧结合处的金相组织图片。由图片中可以看出，熔覆层和结合层组织为柱状奥氏体+δ铁素体或马氏体；高锰钢侧结合处组织均为奥氏体+碳化物；高锰钢本体组织均为奥氏体+少量碳化物。

切样断口截面金相分析，取做完剪切试验的试样，沿剪切断口切开观察断口截面金相，如图9所示，9a)和9b)均为偏向于基体侧。由图可知，剪切断口以下均为奥氏体组织，证明熔覆层剪切强度高于本体。

从检验结果可以看出，激光熔覆后辙叉的硬度约为固溶强化后辙叉的二倍以上，剪切强度约提高了13％。在零件使用过程中将极大的提高零件的耐磨性及抗冲击性能，避免辙叉刚上线时因为硬度偏低而产生磨损导致零件失效，延长零件使用寿命。

本发明的激光熔覆是采用高能量密度激光，使合金材料熔化并与基体冶金结合的一种节能环保新工艺。熔覆层及其界面组织致密，晶粒细小，无气孔、夹渣、裂纹等缺陷。激光加工过程中基体温升不超过80℃，激光加工后无热变形。基材与熔覆材料为冶金结合，结合强度与母材相当。可以根据零部件工况情况，设计配置特定性能的特殊材料，提高零部件的机械性能及使用寿命。由于可以在零部件的关键部位进行熔覆修复，因此可以节约大量材料甚至战略材，具有巨大的经济效益。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高锰钢辙叉的激光熔覆层，其特征在于，所述激光熔覆层由431-Co-40粉末熔覆至高锰钢辙叉的轨顶面制成，所述激光熔覆层的单层熔覆厚度为0.5～1.0mm，所述激光熔覆层的厚度为5～7mm；所述431-Co-40粉末具体为：w(C)＝0.2％，w(Si)＝0.75％，w(Cr)＝16％，w(Ni)＝1.8％，w(Mn)＜1.0％，w(Fe)为余量；所述431-Co-40粉末的粉末颗粒为53～150μm。

2.根据权利要求1所述高锰钢辙叉的激光熔覆层，其特征在于，所述高锰钢辙叉的材料为ZGMn13，所述ZGMn13具体为：w(C)＝0.9％～1.2％，w(Mn)＝11％～14％，w(Si)＝0.3％～0.8％，w(P)≤0.7％，w(S)≤0.05％，w(Fe)为余量。

3.一种高锰钢辙叉的激光熔覆层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.高锰钢辙叉的轨顶面的预处理；

S2.探伤检测：使用着色探伤剂对预处理后的高锰钢辙叉的轨顶面着色探伤，确认轨顶面无裂纹缺陷；

S3.激光熔覆：在惰性气体气氛下，通过送粉器将431-Co-40粉末输送到待熔覆区域后，所述431-Co-40粉末具体为：w(C)＝0.2％，w(Si)＝0.75％，w(Cr)＝16％，w(Ni)＝1.8％，w(Mn)＜1.0％，w(Fe)为余量；采用激光器发射激光照射高锰钢辙叉的轨顶面，配合机械手设定好的路径开始熔覆，采用逐层熔覆的方式完成高锰钢辙叉表面改性；所述激光熔覆工艺参数具体为：激光功率2000～3800W；光斑10*2mm；扫描速度6～40mm/s；送粉速度5～45g/min。

4.根据权利要求3所述高锰钢辙叉的激光熔覆层的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述预处理是先将轨顶面用角磨机清除表面锈蚀，再用酒精清洗表面污物。

5.一种高锰钢辙叉，其特征在于，由权利要求4所述高锰钢辙叉的激光熔覆层的制备方法制备得到，所述高锰钢辙叉的激光熔覆层硬度大于34HRC。

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