一种高铁制动盘超厚梯度耐磨层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高铁制动盘超厚梯度耐磨层及其制备方法，它是在高铁制动盘基体上等离子熔覆有与高铁制动盘材料成分相同的CrNiMo合金过渡层，在CrNiMo合金过渡层上再激光熔覆有CrNiMo+WC+TiC+NbC组成的耐磨层，最终形成3‑5mm的超厚梯度耐磨层。本发明专利技术解决了目前高铁制动盘高速紧急制动带来的表层高温磨耗和热疲劳失效问题。

【技术实现步骤摘要】
一种高铁制动盘超厚梯度耐磨层及其制备方法
本专利技术涉及金属材料表面加工
，具体涉及一种针对高铁制动盘，设计了过渡层加耐磨层的成分和结构。利用等离子熔覆表面强化技术制备CrNiMo合金金过渡层，再用激光熔覆方式获得CrNiMo+WC+TiC+NbC耐磨层，最终在制动盘的磨损部位获得3-5mm厚梯度耐磨层的方法，既可以依靠等离子熔覆技术在制动盘基体和合金过渡层之间形成成分相互扩散的冶金结合区域，又可以缓解各层之间成分差异引起的热膨胀、弹性模量失配而造成的热应力和热疲劳，最终获得的是与基体结合强度高、耐磨又强韧的超厚梯度耐磨层，方法大幅提高了制动盘的耐磨性、抗热疲劳性能。
技术介绍
高铁制动盘的耐磨性、抗热疲劳性能直接影响高铁的高速运行制动。目前我国动车组制动盘材料为24CrNiMo铸钢材料，多依赖于国外进口。专利201810616625.9公开了一种采用多元合金化和多种热处理工艺生产高铁制动盘的方法，性能优于国外同类产品，实现制动盘的国产化。而高铁制动盘在服役过程中反复拉伸、压缩，制动盘摩擦面发生热疲劳产生裂纹，并且产生的摩擦损耗、热斑、冷热疲劳裂纹等损伤形式均发生在制动盘表层，对表面损耗严重。针对制动盘表面严酷的服役环境，可采用表面强化的方式对高铁制动盘进行表面改性。中国专利202010328479.7连续采用激光熔覆多层材料，实现高温合金基体与粘结层之间、粘结层与热障涂层之间的冶金结合，通过粘结层的成分梯度结构设计缓解基体与热障涂层的热膨胀失配，且热障涂层与基底结合强度高，涂层致密性高，裂纹少，同时提高热障涂层的寿命。专利201310747265.3公开了一种激光熔覆WC耐磨涂层的新型滚刀的制作工艺，它采用激光同步送粉熔覆技术对工件表面进行熔覆耐磨强化处理，得到了含有WC陶瓷强化相的耐磨涂层，涂层表面成型性好，涂层厚度可控。采用以上涂层体系设计及表面强化技术，可对工件表层根据不同服役环境提高工件使用寿命。但是针对高铁制动盘服役严酷，表面损耗严重，单面深度达到3-5mm，一方面要进行表面耐磨强化，另一方面需要设计表面耐磨强化层与基体之间的结合方式，需要缓解耐磨层与合金过渡层之间的热膨胀、弹性模量等失配，减少热应力和热疲劳裂纹。此类技术还尚未见到报道。因此，迫切需要针对制动盘表面高温磨耗和热疲劳失效等现象，专利技术具有高耐磨和抗热疲劳性能的强化层及其制备方法，满足高铁提速对制动盘表层耐磨性能和抗热疲劳性能更好的需求，大幅提高制动盘的服役寿命。中国专利申请号201110351156.0公开了一种激光熔覆纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层制备方法，包括下列步骤：采用机械复合法把若干组具有一定配比的微米金属粉末与纳米陶瓷颗粒的混合粉末制备成纳米粒子分散均匀的包覆型复合粉末，若干组具有一定配比的微米金属粉末与纳米陶瓷颗粒的混合粉末中，纳米陶瓷颗粒的含量逐渐增加；利用模压法压制激光熔覆薄片；利用多层激光熔覆的方法制备纳米颗粒沿厚度方向逐渐增加的金属基梯度涂层。该文献为了制备韧性好的涂层，采用多层激光熔覆的方法，每层的粉末配比不同，工艺参数也会影响涂层的成形性，进而操作不便、无法工业化实施。目前也有制备超厚耐磨涂层的技术，比如申请人曾经申请并授权的2018113868472一种层片状和柱状复合结构的耐蚀耐磨涂层及制备方法，是利用等离子喷射和等离子熔射交替重复，从而获得沿厚度方向性能连续变化的多层的层、柱交替梯度结构。该技术可以提高涂层材料的抗冲击性能和耐腐蚀性，但是如果想获得超厚、强冶金结合强的涂层，需要等离子喷射和等离子熔射交替重复才可以实现，成本高，不易操作。
技术实现思路
本专利技术为解决目前高铁制动盘高速紧急制动带来的表层高温磨耗和热疲劳失效问题，在不提高成本的前提下，提供了一种操作简单的高铁制动盘超厚梯度耐磨层及其制备方法。首先，本专利技术针对制动盘的24CrNiMo铸钢材料，设计了第一层过渡层，成分为CrNiMo，以便减少成分变化带来的两层之间膨胀系数及导热率差异，采用等离子熔覆表面强化技术制备CrNiMo合金过渡层，所用粉体为Cr、Ni、Mo粉末，均按照等摩尔比加入；其次，本专利技术设计了耐磨层，成分为CrNiMo+WC+TiC+NbC，除了陶瓷相之外，金属基体的成分与过渡区一致，以便减少成分变化带来的两层之间膨胀系数及导热率差异，采用激光熔覆方式获得CrNiMo+WC+TiC+NbC耐磨层，所用粉体为Cr、Ni、Mo、W、Ti、Nb、C粉末，其中Cr、Ni、Mo粉末，均按照20-30％粉末加入，W、Ti、Nb粉末均按照0-10％质量比加入，C粉按照5-10％质量比加入。最终在制动盘的磨损部位获得3-5mm的超厚梯度耐磨层的方法，既可以依靠等离子熔覆技术在制动盘基体和合金过渡层之间形成成分相互扩散的冶金结合区域，又可以缓解耐磨层与合金过渡层之间的热膨胀、弹性模量等失配而造成的热应力和热疲劳，最终获得的是与基体结合强度高、耐磨又强韧的超厚梯度耐磨层，该方法大幅提高了制动盘的耐磨性、抗热疲劳性能。等离子熔覆与激光熔覆配合，既可以在制动盘的磨损部位获得3-5mm的超厚梯度耐磨层，又能减小变形。同时，因为等离子的高输出功率，提高超厚熔覆层的熔覆效率，再进行激光熔覆，减小制动盘变形。具体地，为达到上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种超厚梯度耐磨层，它是在高铁制动盘基体上等离子熔覆有与高铁制动盘材料成分相同的CrNiMo合金过渡层，在CrNiMo合金过渡层上再激光熔覆有CrNiMo+WC+TiC+NbC组成的耐磨层，最终形成3-5mm的超厚梯度耐磨层。进一步：所述的CrNiMo合金过渡层所用粉体为Cr、Ni、Mo粉末，均按照等摩尔比加入；所述的CrNiMo+WC+TiC+NbC耐磨层所用粉体为Cr、Ni、Mo、W、Ti、Nb、C粉末，其中Cr、Ni、Mo粉末，均按照20-30％粉末加入，W、Ti、Nb粉末均按照0-10％质量比加入，C粉按照5-10％质量比加入。本专利技术超厚梯度耐磨层的制备方法具体包括以下步骤：步骤一：粉体准备根据配比比例分别称取合金过渡层粉末和耐磨层粉末，其中Cr、Ni、Mo、W、Ti、Nb合金粉末粒度为45～75μm，C粉末粒度为10～20μm，通过三维混料机混合处理，再进行烘干；步骤二：基体表面预处理首先用砂轮对高铁制动盘基体表面进行处理，去除油污及氧化物，增加粗糙度；步骤三：等离子熔覆CrNiMo合金过渡层等离子设备电流150-250A，当等离子束流水平移动时，通过连续送粉，在制动盘表面制备出2-3mm厚的CrNiMo合金过渡层，Cr、Ni、Mo粉末均按照等摩尔比加入，获得的合金过渡层呈冶金结合，硬度300-350HV；步骤四：激光熔覆CrNiMo+WC+TiC+NbC耐磨层将带有CrNiMo合金过渡层的制动盘样品放置于激光熔覆设备工作台上，利用激光熔覆技术在CrNiMo过渡层上熔覆耐磨层粉末形成耐磨层，厚度1-2mm；所用工艺参数为：激光功率为2000-4000W，光斑直径为5mm，扫描速率为12本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高铁制动盘超厚梯度耐磨层，其特征在于，它是在高铁制动盘基体上等离子熔覆有与高铁制动盘材料成分相同的CrNiMo合金过渡层，在CrNiMo合金过渡层上再激光熔覆有CrNiMo+WC+TiC+NbC组成的耐磨层，最终形成3-5mm的超厚梯度耐磨层。/n

【技术特征摘要】
1.一种高铁制动盘超厚梯度耐磨层，其特征在于，它是在高铁制动盘基体上等离子熔覆有与高铁制动盘材料成分相同的CrNiMo合金过渡层，在CrNiMo合金过渡层上再激光熔覆有CrNiMo+WC+TiC+NbC组成的耐磨层，最终形成3-5mm的超厚梯度耐磨层。


2.如权利要求1所述的高铁制动盘超厚梯度耐磨层，其特征在于，所述的CrNiMo合金过渡层所用粉体为Cr、Ni、Mo粉末，均按照等摩尔比加入；所述的CrNiMo+WC+TiC+NbC耐磨层所用粉体为Cr、Ni、Mo、W、Ti、Nb、C粉末，其中Cr、Ni、Mo粉末，均按照20-30％粉末加入，W、Ti、Nb粉末均按照0-10％质量比加入，C粉按照5-10％质量比加入。


3.一种如权利要求1所述的高铁制动盘超厚梯度耐磨层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：粉体准备
根据配比比例分别称取合金过渡层粉末和耐磨层粉末，其中Cr、Ni、Mo、W、Ti、Nb合金粉末粒度为45～7...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔洪芝，宋晓杰，毕勇，马国梁，崔中雨，满成，逄昆，张宏伟，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东;37