一种钢基制动盘激光熔覆粉末及激光熔覆涂层制备方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其是一种钢基制动盘激光熔覆粉末及激光熔覆涂层制备方法。

背景技术

高速动车组用钢基制动盘24CrNiMo材料具有优良的强韧性，应用于轨道车辆的制动系统关键零部件，其对列车的可靠性与安全性具有非常重要的作用。然而，随着高速列车速度的不断提高，对制动盘的制动性能要求也越来越高。现有的钢基制动盘热容小，强韧性较低，且耐磨性和热疲劳性能较差，目前我国所用的钢基制动盘已不能满足时速400公里及以上高速列车需求。为了提高铸钢制动盘摩擦面的制动性能，需要一种在基体表面制备强度和塑韧性比原始基体高的熔覆涂层材料。即以现有钢基制动盘，通过激光熔覆技术在其表面制备大热容、高强韧、高耐磨、耐热疲劳、摩擦系数稳定的激光熔覆涂层，以满足时速400公里高速列车高速高能制动的需求，进一步提升制动盘的性能及使用寿命，实现关键部件整体性能的优化和提升并满足时速400公里高速列车需求。

发明内容

针对当前钢基制动盘已不能满足时速400公里及以上高速列车需求的问题，本发明提供一种钢基制动盘激光熔覆粉末，以及配合使用的激光熔覆涂层制备方法。

本发明提供了一种与钢基制动盘界面结合好、强韧性匹配高于母材、耐热疲劳性能和大热容的熔覆粉末材料，并对所制备的粉末进行了制动盘激光熔覆涂层制备方法设计，以满足钢基制动盘摩擦面性能要求。

本发明提供的钢基制动盘激光熔覆粉末，由如下质量百分比的原料组分制成：

Cr：24.0～30.0wt％、Ni：1.5～3.5wt％、Mo：4.5～6.0wt％、Mn：3.0～5.5wt％、Si：0.5～1.2wt％、C：0.23～0.3wt％、余量为Co。

按照上述原料比例，通过气雾化制粉法进行制粉，得到熔覆粉末。

一种优选的钢基制动盘激光熔覆粉末，由如下质量百分比的原料组分制成：

Cr：27wt％、Ni：2.8wt％、Mo：5.5wt％、Mn：1.0wt％、Si：1.0％、C：0.25wt％、余量为Co。

进一步优选的钢基制动盘激光熔覆粉末，由如下质量百分比的原料组分制成：

Cr：27wt％、Ni：2.8wt％、Mo：5.5wt％、Mn：5.0wt％、Si：1.0％、C：0.25wt％、余量为Co。

熔覆粉末中各元素在熔覆涂层中起到的作用：Co元素提高熔覆层高温强度和良好的高温力学性能，并能提高热疲劳性能；Si元素提高耐酸性能；Mo元素能提高材料高温强度和耐磨性能；Mn元素主要固溶强化作用，提高合金的抗拉强度；Ni元素改善熔覆层的塑性和韧性，并提高耐腐蚀性能；Cr元素提高熔覆耐腐蚀性和耐磨性。熔覆粉末各元素匹配合理，兼顾了熔覆层的高温性能、强度、耐磨性和塑性，满足制动盘性能要求。

本发明还提供了一种采用上述钢基制动盘激光熔覆粉末制备激光熔覆涂层的制备方法，步骤如下：

S1、将烘干后的熔覆粉末装入激光熔覆装置的送粉器中，备用。

S2、安装防变形圆盘和制动盘，具体如下：

S21、在激光熔覆前，首先将制动盘预热到300℃～350℃，保温1.5～2h；然后采用堵头将制动盘上的所有螺纹孔封堵；所述堵头底部设置螺纹孔。

S22、将防变形圆盘安装固定在变位机的转盘上，制动盘固定于防变形圆盘上，防变形圆盘直径大小与制动盘相等，防变形圆盘上沿着圆周方向设置有多个螺纹孔，螺纹孔数量与制动盘的螺纹孔数量相等，且螺纹孔的位置上下一一对应重合，采用螺栓由下向上穿过防变形圆盘的螺纹孔后插入制动盘的螺纹孔内且与堵头底部螺纹连接，实现防变形圆盘与制动盘的固定连接；通过螺栓之间的力控制制动盘熔覆后摩擦面的变形。

S3、激光熔覆时，在变位机的转盘转动条件下，第一层和第三层采用的熔覆方向为由制动盘摩擦面内侧到外，第二层和第四层的熔覆方向与第一层和第三层相反，转盘旋转方向不变，而激光熔覆头改变熔覆方向。激光熔覆工艺参数如下：激光功率4000～5000W，扫描速度16～28mm/s，激光光斑直径4.5～7mm，送粉率25～60g/min，氩气流量25～35L/min。

S4、激光熔覆完成后，将取下的防变形圆盘和制动盘整体放置于350℃～450℃的保温箱中保温至少4h。

S5、将防变形圆盘取下，采用反压变形夹具对熔覆后制动盘进行施压处理，直至制动盘变形量低于±0.2mm时为止。所述反压变形夹具包括一圆环和一圆盘，圆环外径大于制动盘外径，而内径小于制动盘外径，制动盘放置于圆环上表面，制动盘上表面放置圆盘，圆盘直径大于制动盘内径，小于制动盘外径；在圆盘上方对圆盘施加载荷，达到对制动盘形变的矫正，直至制动盘变形量低于±0.2mm时为止。

S6、对反压变形后的制动盘进行加工，保证加工面平整度小于Ra0.8。

上述方法中，所述变位机包括机架、机架上设置转轴，转轴顶端连接转盘，转轴底部与电机连接，在电机驱动下转轴转动，带动转盘转动，进而带动制动盘转动进行激光熔覆。

优选的一种方式，所述防变形圆盘与转盘之间的连接方式如下：

所述防变形圆盘设置为圆环形，所述转盘的上表面开设至少两个条形凹槽，两个凹槽左右对称设置。凹槽由转盘中心位置延伸至转盘边缘，每个凹槽内设置螺杆A，凹槽内壁面设置与螺杆A匹配的螺纹，螺杆A长度大于凹槽的长度，且螺杆A一端延伸至转盘的边缘外侧，作为螺杆A的旋钮A；螺杆A另一端上设置有L型的卡柱A，卡柱A的横向底板上设置有与螺杆A匹配的螺纹；通过旋转旋钮A使螺杆A在凹槽内左右移动，进而带动卡柱A的移动；安装防变形圆盘之前，旋转旋钮A使卡柱A向转盘中心的方向移动，保证防变形圆盘放置于转盘上后所有卡柱A均位于防变形圆盘的内腔中，防变形圆盘放置于转盘上后，旋转旋钮A使卡柱A向远离转盘中心的方向移动，使卡柱A的上部竖直挡板与防变形圆盘的内腔边缘紧靠，实现对防变形圆盘的限位固定。

进一步优选的是，按照上述相似的方法对制动盘在防变形圆盘上的位置进行进一步限位固定。所述防变形圆盘的上表面开设至少两个条形凹槽，两个凹槽左右对称设置，凹槽由防变形圆盘中心位置延伸至边缘，每个凹槽内设置螺杆B，凹槽内壁面设置与螺杆B匹配的螺纹，螺杆B长度大于凹槽的长度，且螺杆B一端延伸至防变形圆盘的边缘外侧，作为螺杆B的旋钮B；螺杆B另一端上设置有竖直的卡柱B，卡柱B的底面上设置有与螺杆B匹配的螺纹；通过旋转旋钮B使螺杆B在凹槽内左右移动，进而带动卡柱B的移动；安装制动盘之前，旋转旋钮B使卡柱B向靠近防变形圆盘中心的方向移动，保证制动盘放置于防变形圆盘上后所有卡柱B均位于制动盘的内腔中，制动盘放置于防变形圆盘上后，旋转旋钮B使卡柱B向远离防变形圆盘中心的方向移动，使卡柱B与制动盘的内腔边缘紧靠，实现对制动盘的限位固定。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

(1)强韧性匹配良好，明显优于钢基制动盘。通过本发明的熔覆粉末配合特定的制备方法得到的涂层，抗拉强度和屈服强度分别可达1135MPa和820MPa以上，断裂后延伸率可达20％以上。

(2)结合强度大。本发明所用的粉末，在优佳激光熔覆工艺下可与基体较好的冶金结合，涂层与基体熔合区剪切强度可达563MPa。

(3)耐磨性好。本发明的熔覆粉末具有良好的耐磨性，耐磨性优于基体，且具有稳定的摩擦系数，摩擦系数稳定在0.25-0.40。

(4)热疲劳性能好。本发明的熔覆粉末具有良好的热疲劳性能，明显优于钢基制动盘，使制动盘摩擦面寿命大大提高。在成形无缺陷和其他力学性能优于基体的情况下，热疲劳性能显著提升(1500次热疲劳下，基体热疲劳裂纹约是涂层的18倍)。

(5)比热容高。本发明的熔覆粉末制备的熔覆涂层常温下热容可达3800kJ/(℃*m

(6)本发明的激光熔覆方法中采用防变形圆盘和堵头，既防止熔覆过程较大的变形量，同时保证了成形质量。熔覆完成后采用反变形夹具对熔覆变形后制动盘进行变形量矫正，提高了激光熔覆制动盘的可行性。通过对激光熔覆过程和熔覆完成后制动盘的变形进行了控制，使变形量控制到约0.15mm。

总之，本发明制备的熔覆涂层具有大热容、高强韧、高耐磨、耐热疲劳和摩擦系数稳定等特点，可提升制动盘性能，满足时速400公里及以上高速列车需求。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1、实施例2制备的熔覆粉末的微观形貌图。

图2、实施例1和2，对比例1和2制备的熔覆粉末制成的熔覆涂层的截面微观组织图。

图3、实施例2的熔覆粉末制成的熔覆涂层的表面宏观形貌图。

图4、实施例2的熔覆粉末制成的熔覆涂层与制动盘基体结合横截面图。

图5、实施例2的熔覆粉末制成的熔覆涂层和制动盘基体的拉伸性能与剪切强度图。其中图(a)是拉伸曲线。图(b)是不同区域微剪切强度图。

图6、熔覆涂层拉伸断口形貌图。

图7、实施例2的熔覆粉末制成的熔覆涂层和基体进行热疲劳1500次的形貌图。

图8、实施例2的熔覆粉末制成的熔覆涂层和制动盘基体的磨损损失重量和摩擦系数图。

其中(a)是磨损损失重量图，(b)是摩擦系数图。

图9、实施例2的熔覆粉末制成的熔覆涂层比热容测试结果图。

图10、激光熔覆时制动盘的安装示意图。

图11、激光熔覆时制动盘的安装结构截面图。

图12、制动盘激光熔覆顺序示意图。

图13、熔覆后制动盘反变形示意图。

图14、激光熔覆前后制动盘形貌及局部剖视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种钢基制动盘激光熔覆粉末，由如下质量百分比的原料组分制成：

Cr：27wt％、Ni：2.8wt％、Mo：5.5wt％、Mn：1.0wt％、Si：1.0％、C：0.25wt％、余量为Co。

按照上述原料比例，通过气雾化制粉法进行制粉，得到熔覆粉末。

实施例2

一种钢基制动盘激光熔覆粉末，由如下质量百分比的原料组分制成：

Cr：27wt％、Ni：2.8wt％、Mo：5.5wt％、Mn：5.0wt％、Si：1.0％、C：0.25wt％、余量为Co。

对比例1

一种钢基制动盘激光熔覆粉末(未加入Mn)，由如下质量百分比的原料组分制成：

Cr：27wt％、Ni：2.8wt％、Mo：5.5wt％、Si：1.0％、C：0.25wt％、余量为Co。

按照上述原料比例，通过气雾化制粉法进行制粉，得到熔覆粉末。

对比例2

一种钢基制动盘激光熔覆粉末(Al含量为2.0％)，由如下质量百分比的原料组分制成：

Cr：27wt％、Ni：2.8wt％、Mo：5.5wt％、Mn：5.0wt％、Si：1.0％、C：0.25wt％、Al：2.0％、余量为Co。

按照上述原料比例，通过气雾化制粉法进行制粉，得到熔覆粉末。

实施例2制备的熔覆粉末的微观形貌见图1。从图中看出，熔覆粉末的微观形貌呈球形。同样的，实施例1制备的熔覆粉末也是呈球形。

分别采用实施例1和2，对比例1和2制备的熔覆粉末，并结合本发明的熔覆涂层制备方法，在钢基制动盘上制成熔覆涂层，得到熔覆后的制动盘。本发明采用的钢基制动盘的化学成分和力学性能见表1和表2。

表1、24CrNiMo基体的化学成分

表2、24CrNiMo基体的力学性能

制备得到的熔覆后制动盘的性能测试结果见表3。

表3、熔覆后制动盘的性能测试结果

实施例1和2，对比例1和2制备的熔覆粉末制成的熔覆涂层的截面微观组织如图2所示。图(a)、(b)、(c)、(d)分别代表对比例1、实施例1、实施例2、对比例2的熔覆粉末制成的涂层。从图中可以看出，比例1(即对比例1)组织主要是枝晶组织，而图(c)，即实施例2组织具有网状的共晶组织(碳化物与钴基体的共晶)，晶界清晰度增加，说明相比于比例1，加入约5％Mn以后可以在晶界处稳定碳化物或相的效果。此外，晶粒尺寸明显小于实施例1和比例2(对比例2)，这说明对性能具有提升作用。

图3是实施例2的熔覆粉末制成的熔覆涂层的表面宏观形貌图，光学显微镜低倍情况下观察得到。由图可以看出，表面成形良好，未发现裂纹气孔等缺陷。图4是实施例2的熔覆粉末制成的熔覆涂层与制动盘基体结合横截面图，可以看出涂层与基体冶金结合良好，未见裂纹和未熔合等缺陷。

图5是实施例2的熔覆粉末制成的熔覆涂层和制动盘基体的拉伸性能与剪切强度图。其中图(a)是拉伸曲线。图(b)是不同区域微剪切强度图。由图可以得出，涂层的抗拉强度与基体相当，但延伸率提高约46％。此外，涂层和结合区的微剪切强度均高于基体，表明涂层与基体冶金结合良好。熔覆涂层拉伸断口形貌见图6。

图7是实施例2的熔覆粉末制成的熔覆涂层进行热疲劳1500次的形貌图，可以看出，基体热疲劳裂纹长度约为涂层的18倍，说明涂层热疲劳性能大幅度提升。

图8是实施例2的熔覆粉末制成的熔覆涂层和制动盘基体的磨损损失重量和摩擦系数图。其中(a)是磨损损失重量图，(b)是摩擦系数图。由图可以看出，涂层磨损性能明显优于基体，且摩擦系数符合制动盘要求。

图9是实施例2的熔覆粉末制成的熔覆涂层比热容测试结果图。由图可以看出，涂层比热容常温下可达0.477J/(g*K)，热容可达3800kJ/(℃*m

如图10-14所示，采用上述钢基制动盘激光熔覆粉末制备激光熔覆涂层的制备方法，步骤如下：

S1、将熔覆粉末放入烘烤箱中烘干2～4h，主要目的是去除粉末中的水分，提高成形质量。将烘干后的熔覆粉末装入激光熔覆装置的送粉器中，备用。

S2、安装防变形圆盘和制动盘，具体如下：

S21、在激光熔覆前，首先将制动盘预热到300℃～350℃，保温1.5～2h。为了保证激光熔覆成形效果，优选搭接率为40％，可选范围为30％～55％。同时为了保证螺纹孔熔覆成形质量，设计了一个堵头，采用堵头将制动盘上的所有螺纹孔封堵；所述堵头底部设置螺纹孔。

S22、为了保证熔覆后变形量，设计了一个防变形圆盘，圆盘直径大小与制动盘相当，厚度为50～80mm，将防变形圆盘安装固定在变位机的转盘上，制动盘固定于防变形圆盘上，防变形圆盘直径大小与制动盘相等，防变形圆盘上沿着圆周方向设置有多个螺纹孔，螺纹孔数量与制动盘的螺纹孔数量相等，且螺纹孔的位置上下一一对应重合，采用螺栓由下向上穿过防变形圆盘的螺纹孔后插入制动盘的螺纹孔内且与堵头底部螺纹连接(见图10)，实现防变形圆盘与制动盘的固定连接；通过螺栓之间的力控制制动盘熔覆后摩擦面的变形。

所述变位机包括机架、机架上设置转轴，转轴顶端连接转盘，转轴底部与电机连接，在电机驱动下转轴转动，带动转盘转动，进而带动制动盘转动进行激光熔覆。

如图11所示，所述防变形圆盘与转盘之间的连接方式为：所述防变形圆盘设置为圆环形，所述转盘的上表面开设两个条形凹槽，凹槽由转盘中心位置延伸至转盘边缘，每个凹槽内设置螺杆A，凹槽内壁面设置与螺杆A匹配的螺纹，螺杆A长度大于凹槽的长度，且螺杆A一端延伸至转盘的边缘外侧，作为螺杆A的旋钮A；螺杆A另一端上设置有L型的卡柱A，卡柱A的横向底板上设置有与螺杆A匹配的螺纹；通过旋转旋钮A使螺杆A在凹槽内左右移动，进而带动卡柱A的移动；安装防变形圆盘之前，旋转旋钮A使卡柱A向转盘中心的方向移动，保证防变形圆盘放置于转盘上后两个卡柱A均位于防变形圆盘的内腔中，防变形圆盘放置于转盘上后，旋转旋钮A使卡柱A向远离转盘中心的方向移动，使卡柱A的上部竖直挡板与防变形圆盘的内腔边缘紧靠，实现对防变形圆盘的限位固定。在另一实施例中，所述转盘的上表面也可以开设三个条形凹槽，三个条形凹槽呈三爪形分布，相邻两个凹槽所在直线的延长线的夹角为120°。

按照上述相似的方法对制动盘在防变形圆盘上的位置进行进一步限位固定。所述防变形圆盘的上表面开设两个条形凹槽，凹槽由防变形圆盘中心位置延伸至边缘，每个凹槽内设置螺杆B，凹槽内壁面设置与螺杆B匹配的螺纹，螺杆B长度大于凹槽的长度，且螺杆B一端延伸至防变形圆盘的边缘外侧，作为螺杆B的旋钮B(图11中未示出)；螺杆B另一端上设置有卡柱B，卡柱B的底面上设置有与螺杆B匹配的螺纹；通过旋转旋钮B使螺杆B在凹槽内左右移动，进而带动卡柱B的移动；安装制动盘之前，旋转旋钮B使卡柱B向靠近防变形圆盘中心的方向移动，保证制动盘放置于防变形圆盘上后所有卡柱B均位于制动盘的内腔中，制动盘放置于防变形圆盘上后，旋转旋钮B使卡柱B向远离防变形圆盘中心的方向移动，使卡柱B与制动盘的内腔边缘紧靠，实现对制动盘的限位固定。在另一实施例中，所述防变形圆盘上表面也可以开设三个条形凹槽，三个条形凹槽呈三爪形分布，相邻两个凹槽所在直线的延长线的夹角为120度。

S3、激光熔覆时，采用熔覆装置，熔覆粉末在保护气(99.999％的氩气)和送粉器的共同作用下将其送到激光熔覆头中。如图12所示，在变位机的转盘转动条件下，第一层和第三层采用的熔覆方向为由制动盘摩擦面内侧到外，第二层和第四层的熔覆方向与第一层和第三层相反，转盘旋转方向不变，而激光熔覆头改变熔覆方向。在保证成形无气孔、未熔合和裂纹等缺陷存在的情况下选择激光熔覆工艺选择为：激光功率4000～5000W，扫描速度16～28mm/s，激光光斑直径4.5～7mm，送粉率25～60g/min，氩气流量25～35L/min。

S4、激光熔覆完成后，将取下的防变形圆盘和制动盘整体放置于350℃～450℃的保温箱中保温至少4h，优选4-5h。目的是进一步降低激光熔覆制动盘的变形量和残余应力。

S5、将防变形圆盘取下，将防变形圆盘取下，变形量约5mm。为了控制激光熔覆制动盘变形量在±0.2mm，采用反压变形夹具对熔覆后制动盘进行施压处理，直至制动盘变形量低于±0.2mm时为止。如图13所示，所述反压变形夹具包括一圆环和一圆盘，圆环外径大于制动盘外径，而内径小于制动盘外径，制动盘放置于圆环上表面，制动盘上表面放置圆盘，圆盘直径大于制动盘内径，小于制动盘外径；在圆盘上方对圆盘施加载荷，达到对制动盘形变的矫正，直至制动盘变形量低于±0.2mm时为止。

S6、对反压变形后的制动盘进行加工，保证加工面平整度小于Ra 0.8，最终对加工后熔覆制动盘进行了变形量测试，变形量约为0.15mm。

图14是激光熔覆前后制动盘形貌及局部剖视图。熔覆前制动盘的表面为平面，熔覆后制动盘的表面变为弧面。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。