孫丙巖 高 華 康昊杰 劉雄波 張彬彬

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

隨著國(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)的不斷發(fā)展及車輛運(yùn)營(yíng)里程的增加，車輛零部件的檢修及維修業(yè)務(wù)需求也在不斷增加。車鉤緩沖裝置用于動(dòng)車組車輛之間的連接，是主要的承載受力部件。車鉤是車鉤緩沖裝置的重要組成部件，在服役過程中車鉤間的連掛面因金屬腐蝕、磨損，在檢修環(huán)節(jié)需要打磨修整，隨著車鉤檢修輪次的增加，如圖1所示的車鉤間的連掛面的間隙逐漸增大至超過標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致部分產(chǎn)品報(bào)廢。利用激光熔覆修復(fù)技術(shù)對(duì)磨損的車鉤進(jìn)行再制造修復(fù)，能夠節(jié)省資源、提高重復(fù)利用率，因此密接式車鉤的激光熔覆再制造修復(fù)研究具有重要的應(yīng)用意義。

圖1 密接車鉤連掛圖

激光熔覆技術(shù)是通過在基材表面以預(yù)置粉末或同步送粉的填料方式添加熔覆材料，經(jīng)高能密度的激光束將熔覆合金粉末加熱，使粉末與基材表層快速熔化并快速凝固結(jié)晶，在基體表面形成一層具有耐磨損、耐腐蝕、抗高溫氧化和耐熱性能的熔覆層。與傳統(tǒng)的堆焊和噴涂工藝相比，激光熔覆具有更低的稀釋率、較少的氣孔和裂紋缺陷，同時(shí)還具備組織致密、熔覆層與基體結(jié)合性好、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)，因而在修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-3]。

本文針對(duì)動(dòng)車組密接式車鉤磨損面進(jìn)行激光熔覆修復(fù)工藝研究，通過分析母材性能及激光熔覆技術(shù)的特點(diǎn)，確定激光熔覆修復(fù)工藝。為動(dòng)車組密接式車鉤的修復(fù)提供技術(shù)方案，有效提高零部件修復(fù)率及使用率，在降本增效方面具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 車鉤母材18MnNiV性能分析

動(dòng)車組密接式車鉤材料牌號(hào)為18MnNiV，該材料不僅成本低、強(qiáng)韌性好，而且具有優(yōu)良的鑄造和焊接工藝性能，滿足了我國(guó)動(dòng)車組關(guān)鍵零部件的發(fā)展需求[4]。其化學(xué)成分、力學(xué)性能如表1、表2所示。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) /%

表2 力學(xué)性能

1.2 激光熔覆工藝分析

鎳基合金是以Mo、Nb為主要強(qiáng)化元素的固溶強(qiáng)化型合金，具有良好的潤(rùn)濕性、耐蝕性、高溫自潤(rùn)滑作用，在激光熔覆材料中被廣泛地應(yīng)用于要求具有耐磨、抗疲勞及耐腐蝕的工件表面[5]，本試驗(yàn)選擇鎳基合金粉末修復(fù)車鉤磨損面。為確定合理的激光熔覆修復(fù)工藝，在試板表面制備激光熔覆層，試板尺寸為350 mm×350 mm×30 mm。激光熔覆前先用砂紙打磨試板表面去除表面的氧化皮，然后用乙醇和丙酮清洗去除油污。激光熔覆工藝參數(shù)設(shè)置如下：激光功率為2 000 W、掃描速度為5 mm/s、搭接率為0.4。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 宏觀金相及微觀組織分析

圖2為試板激光熔覆后不同區(qū)域的宏觀金相圖，即基體、熱影響區(qū)和熔覆區(qū)。從圖中宏觀金相可以看出：熔覆區(qū)組織致密，未出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，粉末與基體冶金結(jié)合良好，組織致密無未熔化粉末顆粒，基體組織為正火+回火后的典型金相組織。熱影響區(qū)至熔覆區(qū)組織依次為平面晶、柱狀樹枝晶。

圖2 試板熔覆后金相圖

2.2 硬度試驗(yàn)

對(duì)基體、熱影響區(qū)及熔覆區(qū)進(jìn)行硬度測(cè)量,結(jié)果如圖3 所示。熔覆區(qū)平均硬度為253 HB，硬度變化范圍不大。熱影響區(qū)硬度變化較大，硬度值由基體至熔覆區(qū)先下降再逐漸升高。熱影響區(qū)硬度值有一個(gè)下降過程，主要是因?yàn)榧す馊鄹矃^(qū)域的冷卻方式為熱傳導(dǎo)，熔池底部先凝固，再向上擴(kuò)散凝固。而熔池頂部的二次熱傳導(dǎo)會(huì)對(duì)底部凝固區(qū)域再次加熱，促進(jìn)了組織生長(zhǎng)，導(dǎo)致晶粒粗大，降低了硬度值。隨著熔覆層厚度的增加，合金元素含量不斷增加，Mo、Nb固溶強(qiáng)化作用增強(qiáng)，使得硬度值逐漸升高。

圖3 硬度檢測(cè)值

2.3 化學(xué)成分分析

為了測(cè)定修復(fù)后合金元素的分布，選定4個(gè)區(qū)域進(jìn)行EDS 點(diǎn)掃(見圖4)，測(cè)量的元素結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，基體到熔覆區(qū)的 Fe 含量急劇降低，Ni、Cr 含量逐漸升高，且隨熔覆層厚度的增加而增加，Ni、Cr含量元素分布逐漸穩(wěn)定。

圖4 EDS 點(diǎn)掃位置示意圖

表3 各區(qū)域的EDS 點(diǎn)掃元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) /%

2.4 拉伸性能

為了獲得車鉤熔覆層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，采用上述相同工藝參數(shù)熔覆了V形坡口試板，坡口形式如圖5所示。試驗(yàn)過程中采用多層、多道送粉工藝，將試驗(yàn)樣件的V形坡口凹槽完全填充。

圖5 V形坡口截面圖

按照ISO 4136—2012《金屬材料焊接點(diǎn)的破壞性試驗(yàn)橫向拉伸試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，截取拉伸試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，分析V形坡口內(nèi)熔覆金屬與基體的結(jié)合強(qiáng)度。拉伸宏觀斷裂試樣如圖6所示，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由圖6可見拉伸斷裂處基本位于基體部分，說明激光熔覆層與母材結(jié)合良好。拉伸測(cè)試結(jié)果表明，由于坡口填充熔覆材料較多、激光輸入的熱量較多，導(dǎo)致母材中部分區(qū)域軟化，試樣抗拉強(qiáng)度略低于母材，平均值為591.2 MPa。

圖6 拉伸試樣宏觀金相圖

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.5 激光熔覆再制造車鉤磨損面工藝分析

激光熔覆的關(guān)鍵工藝參數(shù)包括激光功率、掃描速度、搭接率等，為了滿足車鉤連掛磨損面(見圖7)的尺寸修復(fù)要求，結(jié)合以上工藝試驗(yàn)的結(jié)果選用工藝參數(shù)如下：激光功率為2 000 W，掃描速度為5 mm/s，搭接率為0.4。為滿足車鉤外形曲面的修復(fù)，采用機(jī)械手配合變位機(jī)完成車鉤樣件修復(fù)。車鉤磨損面修復(fù)后要求熔覆層具有良好的冶金結(jié)合性能及硬度要求，因而填充材料選擇鎳基合金粉末。

圖7 車鉤磨損面

修復(fù)前對(duì)待熔覆區(qū)域進(jìn)行表面除銹處理，通過程序設(shè)定機(jī)械手的熔覆路徑后進(jìn)行激光熔覆修復(fù)。熔覆后觀察熔覆層表面平整無缺陷搭接良好，層高d不小于2 mm。表面按照ISO 23277—2015 《焊縫無損檢測(cè) 焊縫滲透檢測(cè)驗(yàn)收等級(jí)》2X級(jí)別進(jìn)行滲透探傷檢驗(yàn)，探傷結(jié)果滿足2X級(jí)別要求，表明激光熔覆區(qū)域質(zhì)量良好。對(duì)熔覆后的表面進(jìn)行機(jī)加工，保證熔覆層厚度1.5 mm。對(duì)加工后表面進(jìn)行硬度檢測(cè)，平均硬度為254 HB。

3 結(jié)論

本文針對(duì)動(dòng)車組用密接式車鉤的連掛磨損面尺寸修復(fù)再制造進(jìn)行了工藝研究。利用激光熔覆修復(fù)技術(shù)在18MnNiV試板表面制備了鎳基合金熔覆層，通過分析熔覆層與基體的微觀金相、顯微硬度及力學(xué)性能對(duì)熔覆層的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明采用激光功率為2 000 W，掃描速度為5 mm/s，搭接率為0.4的工藝制備的熔覆層與基體冶金結(jié)合良好，微觀致密無未熔化粉末顆粒；基體至母材硬度逐漸增加，主要是由合金元素Mo、Nb固溶強(qiáng)化作用增強(qiáng)，使得硬度值逐漸升高。熔覆層抗拉強(qiáng)度與母材接近。通過機(jī)械手配合變位機(jī)對(duì)車鉤試樣進(jìn)行了激光熔覆修復(fù)，修復(fù)后的表面硬度值與母材接近。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，采用鎳基合金粉末利用激光熔覆技術(shù)驗(yàn)證了動(dòng)車組密接式車鉤的修復(fù)工藝，通過多種測(cè)試方法對(duì)試樣的顯微組織、硬度、化學(xué)成分及力學(xué)性能進(jìn)行了驗(yàn)證分析，為進(jìn)一步探索和研究動(dòng)車組密接式車鉤的修復(fù)提供了技術(shù)支持。