高錳鋼翼軌表面激光熔覆合金化及機制研究

1、高錳鋼翼軌表面激光熔覆合金化及機制研究燕山大學(xué) 劉瑾 祁榮欣指導(dǎo)教師：張靜武 曲明貴 摘要：在翼軌所使用的高錳鋼試樣表面利用激光熔覆一層合金粉末，對所得試樣進(jìn)行了金相、硬度及耐磨性測試。實驗結(jié)果表明：進(jìn)行激光熔覆后，在試樣表面形成了0.3mm左右的合金化層，合金化層的組織為奧氏體和合金碳化物形成的急冷凝固組織,使硬度、耐磨性大為提高。 關(guān)鍵詞：高錳鋼；翼軌；激光熔覆；硬度；耐磨性前言 高錳鋼是世界各國通用的一種耐磨鋼。這種奧氏體鋼具有加工硬化性質(zhì)，在沖擊或重力擠壓下，其表層發(fā)生加工硬化現(xiàn)象，硬度可達(dá)到450550HBW。而鑄件內(nèi)部由于沒有受到加工硬化，仍保持其原有的硬度和韌性。當(dāng)鑄件表面的工作

2、層被磨掉一層后，顯露出來的一層又被加工硬化，而同樣獲得了高硬度。因此高錳鋼適用于在重力沖擊或擠壓的工作條件下經(jīng)受摩擦的零件。鐵路道岔中高錳鋼轍岔鑄件就是利用其加工硬化特性制造的。但是高錳鋼轍叉在實際運營過程中, 往往在受重載車輪強烈沖擊、碾壓而被加工硬化之前就受到不同程度的磨損, 甚至發(fā)生龜裂剝落而失效, 從而影響其使用壽命。這主要是因為高錳鋼轍叉的基體組織為奧氏體, 在使用初期表面較軟, 工況為低應(yīng)力條件時, 來不及充分加工硬化而使其耐磨性不足, 磨損快, 使之使用壽命縮短。 本文對高錳鋼進(jìn)行了表面激光熔覆，對其進(jìn)行了金相組織以及力學(xué)性能的實驗。實驗材料與試驗方法 實驗基體材料為經(jīng)水韌處理的

3、高錳鋼。將高錳鋼材料制成Ø20×30的圓柱，用600號砂紙對欲熔覆面進(jìn)行打磨，并用丙酮清洗干凈。采取相同工藝對各試樣進(jìn)行逐一處理。熔覆層成分為：Fe:58%; Cr:25.5%; Ni:3.5%; Mo:8.0%; Mn:2.0%; Si:2.0%；C:1.0%。之后對各試樣的熔覆層進(jìn)行金相組織分析，測試其硬度及耐磨性。實驗結(jié)果與分析 實驗基體材料組織為奧氏體，經(jīng)金相組織檢驗，晶界、晶內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)未溶解的碳化物；未發(fā)現(xiàn)過熱碳化物；析出碳化物為X1級。對各試樣依次進(jìn)行金相、硬度及耐磨性測試：1. 金相檢驗結(jié)果：圖1為經(jīng)過納米碳化物陶瓷復(fù)合粉末激光熔覆合金化試件的顯微金相組織：

4、圖1 高錳鋼激光熔覆合金化試件的金相組織從以上金相照片可以看出，在試樣表面形成了0.3mm左右的合金化層，合金化層的組織為奧氏體和合金碳化物形成的急冷凝固組織。稀釋度較低，熔覆層與基體呈冶金結(jié)合。2. 硬度檢驗結(jié)果： 表1 高錳鋼激光熔覆層的硬度深度硬度0.030.080.130.180.230.280.330.380.430.530.631.431.68HV102910081008966927946272255255257275275275HRC70.069.569.568.067.567.527.525.025.025.528.028.028.0 圖2 合金化層的硬度隨深度變化 硬度試驗結(jié)

5、果表明：激光熔覆合金化層表面的硬度可達(dá)1000HV以上，隨著深度的增加，其硬度也有所下降。在合金化層與基體熔合區(qū)硬度急劇下降，以至達(dá)到高錳鋼基體的硬度。3. 耐磨性檢驗結(jié)果：激光熔覆合金化層的耐磨性試驗從磨損試驗機上進(jìn)行，以試件單位面積在單位時間的失重來衡量涂層的耐磨性。 表二 激光熔覆前后試樣磨損量對照時間（min）0306090120150180激光熔覆前磨損量（mg）0818-激光熔覆后磨損量（mg）01235711 圖3 激光熔覆前、后試件磨損量比照表 從圖表中可以看出：隨著時間的延長，涂層的磨損失重不斷增加，隨磨損由表層向底層推移，其耐磨性能呈下降趨勢。從磨損失重情況來看，由于開始磨

6、損的陶瓷層完全由陶瓷相組分組成，涂層磨損困難，失重量小。隨著磨損時間的延長，磨損將向涂層內(nèi)部發(fā)展，一方面，涂層微凸體被磨掉，摩擦接觸面積增大；另一方面，磨損過程中，部分剝落的硬質(zhì)陶瓷相顆粒將作為磨粒，產(chǎn)生磨粒磨損，從而試件磨損失重增加。參考文獻(xiàn)：2. 胡貴平. 60CrMnMo激光表面處理的組織與性能.南方金屬，2008，160：25-274. Chengyun Cui,Zuoxing Guo. Characteristics of cobalt-based alloy coating on tool steel prepared bypowder feeding laser cladding. Optics & Laser Technology, 39 (2007):15441550 5. C.P. Paul , H. Alemohammad. Cladding of WC12 Co on