一种新型钢轨修复用合金丝材及钢轨表面损伤修复的方法与流程

本发明涉及一种新型钢轨修复用合金丝材及钢轨表面损伤修复的方法，属于增材制造技术领域。

背景技术：

增材制造(additivemanufacturing，am)俗称3d打印，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。

熔覆技术是现代制造业中最为重要的结构修复技术之一。熔覆的目的就是在基体材料表面生成具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀、热障碍等的功能层，从当前熔覆的应用情况来看，其主要应用于两个方面：一，对材料的表面改性，如燃汽轮机叶片，轧辊，齿轮等；二，对产品的表面修复，如转子，模具等。有关资料表明，修复后的部件强度可达到原强度的90％以上，其修复费用不到重置价格的1/5，更重要的是缩短了维修时间，解决了大型企业重大成套设备连续可靠运行所必须解决的转动部件快速抢修难题。

我国铁路运营高速化、重载化，钢轨伤损日益严重，目前磨损钢轨表面在线修复过程中具有工作效率低、资源浪费大、焊补层冲击韧性不够、修复质量不易保证等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种新型钢轨修复用合金丝材及钢轨表面损伤修复的方法，该新型钢轨修复用合金丝材具有较高的强度、硬度和韧性，且具有较好的抗腐蚀能力，该钢轨表面损伤修复的方法中，利用该合金丝材作为熔覆材料，在钢轨的受损面上熔覆形成的熔覆层组织致密、晶粒细小均匀、无柱状晶组织形态，具有较好的抗拉强度和屈服强度，且具有较高的冲击吸收功，保证了钢轨表面损伤的修复质量，且该钢轨表面损伤修复的方法工作效率高、资源利用率高。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种新型钢轨修复用合金丝材，所述新型钢轨修复用合金丝材包括如下重量百分比的组分：0.6-1.5％的硅、0.1-0.6％的锰、0.01-0.1％的钒、0.01-0.5％的铜和小于等于0.45％的碳，其余为铁。

进一步地，所述新型钢轨修复用合金丝材包括如下重量百分比的组分：0.4％的碳、0.8％的硅、0.4％的锰和0.1％的钒和0.3％的铜，其余为铁。

进一步地，所述新型钢轨修复用合金丝材包括如下重量百分比的组分：0.4％的碳、1.2％的硅、0.4％的锰、0.05％的钒和0.5％的铜，其余为铁。

另一方面，本发明还提供了一种利用上述的新型钢轨修复用合金丝材进行钢轨表面损伤修复的方法，包括如下步骤：

(1)将上述新型钢轨修复用合金丝材的钢铸件锻成盘条，并由丝材拉拔工艺冷拔成直径为0.5-1.2mm的熔覆丝材。

(2)清理受损的表面，去除浮锈、灰尘、油污等杂质，保证修复面的洁净，避免杂质影响结合处成分组成，而降低结合处综合性能。

(3)建立三维模型，利用图像分层软件对所述三维模型进行切片分层，然后使用路径规划软件进行成型路径设计；

(4)根据步骤(3)中的成型路径设计，以所述新型钢轨修复用合金丝材作为熔覆材料，采用激光电弧复合成形工艺在钢轨的受损面熔覆熔覆层以进行修复；

(5)对步骤(4)中所得的熔覆有熔覆层的钢轨的受损面进行表面清理打磨，得到修复后的钢轨表面。

进一步地，所述熔覆材料为熔覆丝材，所述熔覆丝材由丝材拉拔工艺制得，所述丝材拉拔工艺包括多个道次拉拔，在所述道次拉拔之前去应力的方法为：在670-720℃下保温8小时后空冷。

进一步地，所述电弧熔覆工艺中，在熔池的外围形成有以形成惰性气体保护气氛的惰性保护气帘。

进一步地，形成所述惰性保护气帘的惰性保护气体为氩气，所述氩气的纯度为≥99.99％。

进一步地，所述电弧熔覆工艺参数为：电流80-132a，电压10.9-14.6v，扫描速度6mm/s。

进一步地，所述电弧熔覆工艺中，所述熔覆丝材的送丝速度为3-5m/min。

进一步地，所述步骤(1)中，对所述三维模型进行切片分层使每层的高度为0.5-1mm。

本发明的有益效果在于：硅主要用于提高合金丝材的成型工艺性，少量的硅具有固溶强化的作用，利于提高合金丝材的强度和硬度，同时还可以降低合金熔点提高熔池抗氧化性能；锰易于与合金丝材中的硫生成mns塑性夹杂物，从而降低合金丝材的热脆性；钒是合金丝材的优良脱氧剂，合金丝材中的钒可细化组织细粒，提高合金丝材的强度和韧性，且钒与合金丝材中的碳形成的碳化物，在高温高压下可提高合金丝材的抗氢腐蚀能力；铜具有细化晶粒的作用，且有助于改善合金丝材的抗腐蚀能力。本发明的新型钢轨修复用合金丝材在特定配比的各组分作用下，具有较高的强度、硬度和韧性，且具有好的抗腐蚀能力，利用该新型钢轨修复用合金丝材作为熔覆材料，在钢轨的受损面上熔覆形成的熔覆层组织致密、晶粒细小均匀、无柱状晶组织形态，具有较好的抗拉强度和屈服强度，且具有较高的冲击吸收功，保证了钢轨表面损伤的修复质量，另外，该钢轨表面损伤修复的方法工作效率高，且极大的节约了资源。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。

附图说明

图1a-b为本发明实施例三所得的熔覆于钢轨的受损面的熔覆层的微观组织图；

图2为本发明实施例四所得的熔覆于钢轨的受损面的熔覆层的微观组织图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

新型钢轨修复用合金丝材包括如下重量百分比的组分：0.6％的硅、0.1％的锰、0.01％的钒、0.01％的铜和0.2％的碳，其余为铁。

上述新型钢轨修复用合金丝材通过以下方法制得：配料、熔炼和铸造。

具体如下：

(1)配料：采用金属锰、金属铜、金属钒、金属铁、碳块、原料硅作为原材料按照目标组分进行配料。

(2)熔炼：

(2.1)将配好的金属锰、金属铜、金属钒、金属铁加入中频感应炉中，通电加热使其熔化，然后将配置好的碳块和原料硅依次加入，得到合金熔液。

(2.2)将步骤2.1得到的合金熔液进行脱氧，脱氧时间为1～2min。

(2.3)控制碳含量和合金含量达到要求，调整成分合格后，出炉，出炉温度为1450～1500℃。

(2.4)铸造成型，即得到新型钢轨修复用合金丝材。

利用上述新型钢轨修复用合金丝材进行钢轨表面损伤修复的方法，包括如下步骤：(1)将上述新型钢轨修复用合金丝材的钢铸件锻成盘条，并由丝材拉拔工艺冷拔成直径为1.0mm的熔覆丝材，丝材拉拔工艺包括多个道次拉拔，在每个道次拉拔之前去应力的方法为在670℃下保温8小时后空冷。(2)清理受损的表面，去除浮锈、灰尘、油污等杂质，保证修复面的洁净，避免杂质影响结合处成分组成，而降低结合处综合性能。(3)建立三维模型，利用图像分层软件对所述三维模型进行切片分层，每层高度为1mm，然后使用路径规划软件进行成型路径设计；(4)根据步骤(3)中的成型路径设计，以所述新型钢轨修复用合金丝材作为熔覆材料，将得到的熔覆丝材通过送丝装置送丝，采用激光电弧复合成形工艺，通电放射电弧使钢轨的受损面上形成熔池，并使熔覆丝材熔化并在熔池内熔覆形成熔覆层，以对钢轨的受损面进行修复，该电弧熔覆工艺参数为：电弧电流为80a，电弧电压为10.9v，熔覆丝材的送丝速度为5m/min，扫描速度为6mm/s；(5)完成所有分层的熔覆沉积后，对熔覆有熔覆层的钢轨的受损面进行表面清理打磨，得到修复后的理想的钢轨表面。

本实施例中，电弧熔覆工艺中，在熔池的外围形成有惰性保护气帘，从而在熔池的外围形成惰性气体保护气氛，形成惰性保护气帘的惰性保护气体为氩气，氩气的纯度为≥99.99％。

实施例二

新型钢轨修复用合金丝材包括如下重量百分比的组分：1.5％的硅、0.6％的锰、0.1％的钒、0.5％的铜和0.1％的碳，其余为铁。

上述新型钢轨修复用合金丝材的制备方法根据实施例一中的新型钢轨修复用合金丝材的制备方法。

利用上述新型钢轨修复用合金丝材进行钢轨表面损伤修复的方法，包括如下步骤：(1)将上述新型钢轨修复用合金丝材的钢铸件锻成盘条，并由丝材拉拔工艺冷拔成直径为1.0mm的熔覆丝材，丝材拉拔工艺包括多个道次拉拔，在每个道次拉拔之前去应力的方法为在670℃下保温8小时后空冷。(2)清理受损的表面，去除浮锈、灰尘、油污等杂质，保证修复面的洁净，避免杂质影响结合处成分组成，降低结合处综合性能。(3)建立三维模型，利用图像分层软件对所述三维模型进行切片分层，每层高度为1mm，然后使用路径规划软件进行成型路径设计；(4)根据步骤(3)中的成型路径设计，以所述新型钢轨修复用合金丝材作为熔覆材料，将得到的熔覆丝材通过送丝装置送丝，采用激光电弧复合成形工艺，通电放射电弧使钢轨的受损面上形成熔池，并使熔覆丝材熔化并在熔池内熔覆形成熔覆层，以对钢轨的受损面进行修复，该电弧熔覆工艺参数为：电弧电流为132a，电弧电压为14.6v，熔覆丝材的送丝速度为3m/min，扫描速度为6mm/s；(5)完成所有分层的熔覆沉积后，对熔覆有熔覆层的钢轨的受损面进行表面清理打磨，得到修复后的理想的钢轨表面。

本实施例中，电弧熔覆工艺中，在熔池的外围形成有惰性保护气帘，从而在熔池的外围形成惰性气体保护气氛，形成惰性保护气帘的惰性保护气体为氩气，氩气的纯度为≥99.99％。

实施例三

新型钢轨修复用合金丝材包括如下重量百分比的组分：1.2％的硅、0.4％的锰、0.5％的铜和0.4％的碳，其余为铁。

上述新型钢轨修复用合金丝材的制备方法根据实施例一中的新型钢轨修复用合金丝材的制备方法。

利用上述新型钢轨修复用合金丝材进行钢轨表面损伤修复的方法，包括如下步骤：(1)将上述新型钢轨修复用合金丝材的钢铸件锻成盘条，并由丝材拉拔工艺冷拔成直径为1.0mm的熔覆丝材，丝材拉拔工艺包括多个道次拉拔，在每个道次拉拔之前去应力的方法为在670℃下保温8小时后空冷。(2)清理受损的表面，去除浮锈、灰尘、油污等杂质，保证修复面的洁净，避免杂质影响结合处成分组成，降低结合处综合性能。(3)建立三维模型，利用图像分层软件对所述三维模型进行切片分层，每层高度为1mm，然后使用路径规划软件进行成型路径设计；(4)根据步骤(3)中的成型路径设计，以所述新型钢轨修复用合金丝材作为熔覆材料，将得到的熔覆丝材通过送丝装置送丝，采用激光电弧复合成形工艺，通电放射电弧使钢轨的受损面上形成熔池，并使熔覆丝材熔化并在熔池内熔覆形成熔覆层，以对钢轨的受损面进行修复，该激光电弧熔覆工艺参数为：电弧电流为105a，电弧电压为12.5v，熔覆丝材的送丝速度为4m/min，扫描速度为6mm/s；(5)完成所有分层的熔覆沉积后，对熔覆有熔覆层的钢轨的受损面进行表面清理打磨，得到修复后的理想的钢轨表面。

本实施例中，电弧熔覆工艺中，在熔池的外围形成有惰性保护气帘，从而在熔池的外围形成惰性气体保护气氛，形成惰性保护气帘的惰性保护气体为氩气，氩气的纯度为≥99.99％。

实施例四

根据实施例二所述的利用新型钢轨修复用合金丝材进行钢轨表面损伤修复的方法，本实施例四所述的钢轨表面损伤修复的方法与实施例二所述的钢轨表面损伤修复的方法所不同的在于，钢轨表面损伤修复的方法所利用的新型钢轨修复用合金丝材包括如下重量百分比的组分：0.8％的硅、0.4％的锰、0.1％的钒、0.3％的铜和0.4％的碳，其余为铁。

实施例五

对实施例一至实施例四的熔覆于钢轨的受损面的熔覆层进行切片、研磨、抛光和腐蚀后进行微观组织观察，所得到的熔覆于钢轨的受损面的熔覆层均组织致密、晶粒细小均匀、无柱状晶组织形态，成型的组织为珠光体或贝氏体，对所得的熔覆于钢轨的受损面的熔覆层取样并进行力学性能测试，均具有较好的抗拉强度和屈服强度，且具有较高的冲击吸收功，尤其实施例三和实施例四所得的熔覆于钢轨的受损面的熔覆层，其组织更为致密，抗拉强度、屈服强度和冲击吸收功表现更佳，实施例三所得的熔覆于钢轨的受损面的熔覆层的微观组织图如图1a和图1b所示，实施例四所得的熔覆于钢轨的受损面的熔覆层的微观组织图如图2所示，实施例三和实施例四所得的熔覆于钢轨的受损面的熔覆层的力学性能测试结果如下表1所示：

表1

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。