一种激光熔覆制备的梯度材料钢轨辙叉制造技术

一种激光熔覆制备的梯度复合材料钢轨道岔涂层。材料质量百分比如下：过渡层采用Fe基合金材料，其化学成分为Cr：13‑17wt％、Ni：3‑6wt％、Si：1‑1.5wt％、Mn：0.5‑1wt％、Nb：0.3‑1.2wt％、B：1‑1.5wt％、C：0.05‑0.7wt％，V：0.5‑1.2％，余量为Fe；强化层置于过渡层之上，采用Fe基金属纳米相复合材料。制备方法如下：将制备得到Fe基金属粉末和Fe基金属纳米相复合材料涂层，使用激光扫描加热对钢轨进行预热减少温度梯度，利用激光熔覆技术在钢轨表面制备梯度复合材料涂层并进行激光扫描热处理，降低激光熔覆后的冷却速率，避免热影响区的马氏体产生，使涂层开裂性能降低，硬度曲线光滑，整体韧性和承载性能较好，比普通重载铁路辙叉有更高的强度和硬度，有更长的寿命和较强的制造集成性。

A Gradient Material Rail Frog Prepared by Laser Cladding

【技术实现步骤摘要】
一种激光熔覆制备的梯度材料钢轨辙叉
本专利技术涉及一种激光熔覆制备的梯度材料钢轨辙叉，特别涉及一种新型梯度材料制备的高耐磨、高承载性能钢轨辙叉，属于激光材料加工制造领域。
技术介绍
铁路运输是我国的重要交通方式，而随着铁路运输量的持续增加，钢轨辙叉使用寿命明显降低，主要由U75V、U71Mn等构成的铁路造价高，对轨道及线下部分要求高。而辙叉是列车在运行中，由一股轨道进入另一股轨道时的线路装置，其结构复杂、零部件多、受冲击力大是重载铁路系统中的最容易受破坏环节，而破损的局部就需要更换整体钢轨，频繁的更换辙叉不仅浪费大量成本，同时也影响了铁路运输的流畅和安全。激光熔覆技术在金属材料表面强化,提高耐磨性有着广泛的应用前景。但对钢轨进行传统单种合金粉末的激光熔覆时，会导致钢轨界面冶金结合性能较差，熔覆层与基体间存在较大的硬度差，影响综合使用性能。本过渡层材料中Fe基、Ni基粉末材料由于经济适用比高且耐磨性好,同时与常用钢轨碳钢材料成分相近，该新型复合粉末可使熔覆层、热影响区和钢轨之间的性能合理匹配，因此,将过渡层粉末熔覆在钢轨表面,能有效的与界面进行冶金结合；Fe基金属纳米相复合粉末的硬度较高，能提高钢轨道岔表面硬度和耐磨性,掺杂的稀土元素以及纳米颗粒可促进熔覆层形核，细化枝晶间距，有效的缓解钢轨损伤。激光熔覆Fe基材料的过程熔化及凝固速度很快,比较容易产生马氏体结构，但由于马氏体硬度高但是韧性很低，在铁路行业标准TB/T2344-2003中禁止钢轨中出现马氏体组织。因此，将激光扫描热处理技术与激光熔覆以数字化方式结合起来，制备出成分均匀且不含马氏体结构涂层，该粉末制备的涂层具有良好的耐磨性、承载性、抗腐蚀性和较高的硬度。
技术实现思路
本专利技术目的是为了研制具有较高的表面接触疲劳性能、承载性能的钢轨辙叉。采用激光熔覆新型Fe基梯度合金粉末和激光扫描加热结合方法处理后的钢轨辙叉性能显著提升，使用寿命较长。一种激光熔覆制备的梯度材料钢轨辙叉，其特征在于质量百分比如下：过渡层采用Fe基合金材料，其化学成分为Cr：13-17wt％、Ni：3-6wt％、Si：1-1.5wt％、Mn：0.5-1wt％、Nb：0.3-1.2wt％、B：1-1.5wt％、C：0.05-0.7wt％，V：0.5-1.2％，余量为Fe；强化层置于过渡层之上，采用Fe基金属纳米相复合材料，其化学成分如下Cr：15-20wt％、Ni：5-7wt％、Mo：2-4wt％、Mn：1-3wt％、V：1-1.5wt％、C：0.05-0.6wt％、纳米相WC：0.5-2wt％、纳米相TiC：0.5-0.8wt％、纳米相NbC：0.3-0.9wt％、纳米相La2O3：0.5-1.0wt％、纳米相Al2O3：0.5-0.8wt％，余量为Fe。按上述粉末的质量百分比进行合金材料选取，将过渡层合金粉末熔炼后采用气雾化方式分别得到Fe基合金粉体,实现粉体的均匀化；再将强化层Fe基金属纳米相复合材料的非纳米相粉末熔炼后采用气雾化方式制粉，再将制得的粉末与纳米相材料采用机械混合的方式得到均匀粉体。再将两种粉末过筛后得到直径约为53-150um的粉末，在干燥箱内烘干1小时,烘干温度为100℃。申请人专利技术这种新型辙叉表面涂层配比的过渡层铁基合金粉末能通过激光熔覆在钢轨(U75V、U71Mn等)的顶面以及侧面形成优良、致密的熔覆组织结构，呈现良好的冶金结合，组成的物相与基体较为接近，提升抗弯性能，性能曲线平滑；强化层Fe基多元合金粉末中的纳米相WC/TiC/NbC可提升表面硬度，添加的纳米颗粒Al2O3促进熔覆层形核，细化枝晶间距，加入的纳米相稀土元素La2O3弥散强化能延缓疲劳裂纹的扩展，缓解表面磨损损伤，改善表面加工硬化现象，此新型铁基金属纳米相复合粉末有效降低轮轨间的摩擦系数和磨损量。本新型钢轨辙叉通用性强，涂层可应用在多种钢轨材料基体上，使力学性能与熔覆区域形成良好匹配性，钢轨整体顶面、侧面都具有良好的抗弯性能。其制备过程包括以下步骤：根据设计的Fe基合金粉末配备均匀粉末，其中粉末颗粒尺寸为53-150um，选取铁路钢轨(U75V、U71Mn等)为基体，采用半导体光纤激光器激光功率1-5KW，圆形光斑尺寸为6-8mm，扫描速度10-50mm/s进行预热处理，多次扫描后钢轨温度达到300-500℃，整个过程采用温度监控系统红外影像仪进行实时监测分析；再利用激光熔覆表面技术在钢轨基体表面制备过渡层，实现新型钢轨表面的强化：过渡层激光器熔覆功率2-8KW，圆形光斑尺寸为3-8mm，光束扫描速度300-2500mm/min，搭接率为20％-55％，送粉速度18-60g/min，激光熔覆过程采用流量为15～20L/min的氩气保护。过渡层制备层数为1-2层，厚度为0.5-1.5mm；强化层采用上述成分的Fe基金属纳米相复合材料，采用激光熔覆复合材料层于过渡层之上，激光器熔覆功率2-8KW，光束扫描速度400-3000mm/min，搭接率20-60％，圆形光斑尺寸为3-8mm，送粉速度15-55g/min，激光熔覆过程采用流量为15-20L/min的氩气保护，激光熔覆强化层为2-3层，厚度为2-4mm。熔覆完成后进行激光扫描去应力处理，加热缓冷，激光退火处理参数：激光功率2-6KW，圆形光斑尺寸为6-8mm，扫描速度8-20mm/s进行预热处理，钢轨温度达到400-650℃并保持温度30-60min，在钢轨表面制备2.5-5.5mm厚的激光熔覆合金涂层，去除内部残余应力并使热影响区有效避免马氏体产生，主要组织为索氏体结构，硬度介于熔覆层和基体之间,使强化层、过渡层、热影响区和基体三者之间力学性能合理匹配,硬度曲线分布光滑,整体疲劳性能良好。按照此专利技术得到的梯度材料熔覆层特征为：表面无裂纹夹杂和气孔等明显缺陷，组织致密，涂层与基体完全冶金结合，过渡层层合金分布呈胞晶和枝晶分布，主要由Fe-Cr等物相组成，硬度为400-450HV；强化层由细小枝晶组成，物相包括Cr7C3、W2C、Fe3W3C，Fe-Ni相等组成，硬度为450-550HV。本专利技术的熔覆层数为3～5层，总厚度为2.5-5.5mm，有效的提高了钢轨辙叉的耐磨性和承载性能，延长了钢轨的使用寿命。本专利技术的集成性强,可直接在钢轨辙叉加工现场表面制备出材料均匀、力学性能优异的耐磨、高承载熔覆层。强化后的钢轨纵截面方向硬度曲线平滑,强化层、过渡层、热影响区和基体间性能过渡平滑,整体使用性能良好。同时,本专利技术方法所采用的各个工艺机器便于移动，可进行集成加工，激光扫描热处理结合红外测温仪温控系统，可使激光熔覆层、激光热影响区及钢轨基底进行快速有效热处理,以降低冷却速率去除内部残余应力,进行热输入控制，避免热影响区形成马氏体相变以及在激光高扫描速率下熔覆层及热影响区的裂纹产生现象。本专利技术主要利用激光熔覆技术制备新型高承载钢轨辙叉，与原始钢轨辙叉相比提升耐磨性能5～10倍；并采用创新性的熔覆层抗弯性能测试，使用钢轨顶弯机，钢轨辙叉矫直(顶弯)的抗弯角度经测试为2-4°。附图说明图1是Fe基合金梯度熔覆层的硬度分布曲线图2是扫描电镜下熔覆层的过渡层扫描电镜组织形貌图3是考察梯度复合材料耐磨承载性能的原理图图4是考察梯度复合材料熔覆层的抗弯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光熔覆制备的梯度材料钢轨辙叉，其特征在于：在钢轨基体上进行激光熔覆多层梯度材料，过渡层采用Fe基合金材料，其化学成分为Cr：13‑17wt％、Ni：3‑6wt％、Si：1‑1.5wt％、Mn：0.5‑1wt％、Nb：0.3‑1.2wt％、B：1‑1.5wt％、C：0.05‑0.7wt％，V：0.5‑1.2％，余量为Fe；强化层置于过渡层之上，采用Fe基金属纳米相复合材料，其化学成分如下Cr：15‑20wt％、Ni：5‑7wt％、Mo：2‑4wt％、Mn：1‑3wt％、V：1‑1.5wt％、C：0.05‑0.6wt％、纳米相WC：0.5‑2wt％、纳米相TiC：0.5‑0.8wt％、纳米相NbC：0.3‑0.9wt％、纳米相La2O3：0.5‑1.0wt％、纳米相Al2O3：0.5‑0.8wt％，余量为Fe。

【技术特征摘要】
1.一种激光熔覆制备的梯度材料钢轨辙叉，其特征在于：在钢轨基体上进行激光熔覆多层梯度材料，过渡层采用Fe基合金材料，其化学成分为Cr：13-17wt％、Ni：3-6wt％、Si：1-1.5wt％、Mn：0.5-1wt％、Nb：0.3-1.2wt％、B：1-1.5wt％、C：0.05-0.7wt％，V：0.5-1.2％，余量为Fe；强化层置于过渡层之上，采用Fe基金属纳米相复合材料，其化学成分如下Cr：15-20wt％、Ni：5-7wt％、Mo：2-4wt％、Mn：1-3wt％、V：1-1.5wt％、C：0.05-0.6wt％、纳米相WC：0.5-2wt％、纳米相TiC：0.5-0.8wt％、纳米相NbC：0.3-0.9wt％、纳米相La2O3：0.5-1.0wt％、纳米相Al2O3：0.5-0.8wt％，余量为Fe。2.根据权利要求1所述的一种激光熔覆制备的梯度材料钢轨辙叉，其特征在于包括以下制备步骤：(1)按上述组分的质量百分比选取Fe基材料，所述铁基合金粉末直径为53-150μm；(2)选取铁路钢轨为基体，以激光扫描预热作为预热处理的手段，激光功率1-5KW，圆形光斑尺寸为6-8mm，扫描速度10-50mm/...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨胶溪，张文韬，周正，武飞宇，白兵，王高生，杨磊，崔哲，柯华，吴文亮，肖俊恒，
申请(专利权)人：北京工业大学，中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，中国铁道科学研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11