車軸表面改性合金粉末新材料的研制

張銘樺，余果，劉琴

（1.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201100； 2.四川有色金源粉冶材料有限公司，四川廣漢 618300；3.四川省有色科技集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610037 ）

中國作為世界人口大國，為了解決城市交通擁擠問題，人們普遍認(rèn)為應(yīng)該發(fā)展新型軌道交通。而城市軌道具有安全、保護(hù)環(huán)境、高效率、舒適、準(zhǔn)時、節(jié)能等優(yōu)點［1］。目前城市軌道已成為利用軌道列車進(jìn)行城市人員運(yùn)輸?shù)闹髁鞣绞?，并被列入我國在“十二五”交通建設(shè)規(guī)劃中，這項未來的低碳環(huán)保交通系統(tǒng)必將成為一款主要的交通工具。

車軸作為軌道列車走行部的重要部件之一。車軸在軌道列車運(yùn)行中既與制動盤采用過盈配合連接，同時還與車輪、軸承等零件也采用過盈配合連接［2］，這種典型的過盈配合導(dǎo)致過盈配合表面在運(yùn)行中產(chǎn)生微動，而這種微動會造成軌道列車走行部表面損傷［3］，不但會降低過盈量和退輪力，還會在循環(huán)應(yīng)力作用下引起裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致車軸疲勞強(qiáng)度降低或早期斷裂。因此提高車軸基體材料表面強(qiáng)化及修復(fù)具有非常重要的意義。

1 試驗

1.1 研究方法

（1）車軸表面強(qiáng)化與修復(fù)合金粉末材料成分設(shè)計

經(jīng)過研究，在基體合金中添加適量的硼、硅、銅、鉬、鉻、稀土元素形成近共晶合金，可以大大降低修復(fù)合金的熔點。同時，利用硼、硅等元素在高溫下與氧親和力強(qiáng)的特點，可在一定溫度下與車軸基體及表面強(qiáng)化材料的氧化物反應(yīng)，脫去車軸基體表面及結(jié)合層中的氧，在結(jié)合層表面形成薄薄的氧化膜保護(hù)使其不再氧化，進(jìn)而得到結(jié)合強(qiáng)度高的表面強(qiáng)化層。在合金中添加銅、鉻等元素將進(jìn)一步降低合金熔點和提高合金的熱噴焊性能。同時添加的鉻還能結(jié)合合金中的其它金屬碳化物晶粒，不但提高合金的韌性，同時減少合金對沖擊的敏感性。這種合金粉末噴涂在車軸表面，可大大提高車軸的使用壽命（3-7倍）［4］。通過對強(qiáng)化合金粉末材料各元素成分的合理搭配，便可滿足高表面硬度、高結(jié)合強(qiáng)度的車軸表面處理要求，顯著提高車軸的耐磨性。

（2）合金粉末材料制備技術(shù)

設(shè)計好組分的合金經(jīng)過充分的熔煉和制備成粉末后才能進(jìn)行熱噴焊加工。原料采用純金屬與中間合金相結(jié)合，在中頻爐里熔煉，同時添加少量的熔煉凈化劑得到清潔的合金熔液，然后采用國際領(lǐng)先的超音速拉瓦爾噴嘴系統(tǒng)對合金熔液進(jìn)行霧化，制備出高質(zhì)量的表面強(qiáng)化合金粉末。

根據(jù)空氣動力學(xué)原理設(shè)計拉瓦爾結(jié)構(gòu)環(huán)孔組成噴嘴系統(tǒng)，在保證氣體穩(wěn)定流動狀態(tài)下，單位時間內(nèi)氣體經(jīng)過噴嘴的每一個截面的氣體質(zhì)量均相等。所以氣體由噴嘴進(jìn)口處A進(jìn)入后，噴嘴開始一段由大到小逐漸收縮，而氣流速度逐漸增大，當(dāng)沿氣流流動方向截面收縮到最小處K時，流速達(dá)到臨界速度即音速，此時壓力近似為噴嘴進(jìn)口處的壓力之半，即PR≈0.5P1。為了使噴嘴出口處的壓力P2低于PR，在噴嘴臨界面以后再加上一段漸擴(kuò)段，這樣可以在噴嘴出口處獲得氣流速度達(dá)5倍音速［5］。制備的合金粉末粒度細(xì)、球形度高（＞85%），易于冶金結(jié)合，對車軸基體影響小及可以按照客戶指定粉末粒度范圍實現(xiàn)較高的一次成品率（-150目/+300目粒度范圍其一次成品率可達(dá)65%）等優(yōu)點。

拉瓦爾噴嘴系統(tǒng)、原理和霧化效果分別如圖1、圖2、圖3所示：

圖1 拉瓦爾噴嘴系統(tǒng)圖

圖2 拉瓦爾噴嘴原理示意圖

圖3 霧化效果圖

（3）采用相應(yīng)熱噴焊技術(shù)進(jìn)行表面處理

當(dāng)今熱噴焊技術(shù)主要有手工火焰噴焊、等離子噴焊、爆炸噴焊、激光噴焊、電弧噴焊、超音速火焰噴焊等工藝。本文車軸表面強(qiáng)化與修復(fù)主要采用手工火焰噴焊、電弧噴焊和等離子噴焊三種。其中手工火焰噴焊最高溫度在3200℃，適用于小范圍的表面強(qiáng)化與修復(fù)，對熱源的溫度要求不高；電弧噴焊最高溫度可到5000℃，適合于車軸較大范圍的表面強(qiáng)化與修復(fù)操作；而等離子噴焊最高溫度則可高達(dá)12000℃，滿足車軸快速、大面積表面強(qiáng)化與修復(fù)。針對不同種類車軸，表面強(qiáng)化與修復(fù)將采用不同的熱噴焊工藝進(jìn)行操作。

1.2 技術(shù)路線

工藝路線見圖4：

圖4 工藝路線

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

車軸表面改性金屬粉末的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 技術(shù)指標(biāo)

2 結(jié)論

（1）將航天發(fā)動機(jī)噴口技術(shù)應(yīng)用于合金粉末的制備。根據(jù)空氣動力學(xué)原理設(shè)計拉瓦爾結(jié)構(gòu)環(huán)孔組成噴嘴系統(tǒng)，霧化氣流速度達(dá)5倍音速，對熔煉充分的合金熔液進(jìn)行霧化。該技術(shù)霧化效率高，制備的合金粉末粒度細(xì)、球形度高，易于冶金結(jié)合，對車軸基體影響小。該技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，是國內(nèi)獨有技術(shù)。

（2）將熱噴焊技術(shù)用于車軸的表面強(qiáng)化與修復(fù)?？刹捎檬止せ鹧鎳姾浮㈦娀姾敢约暗入x子噴焊等技術(shù)對車軸表面進(jìn)行加工處理，達(dá)到強(qiáng)化與修復(fù)的目的。并且由于添加微量的低熔點合金元素降低了產(chǎn)品的熔點，使其在較低的溫度下便可與車軸基體材料發(fā)生冶金反應(yīng)形成復(fù)合層，在保持車軸基體材料高韌性的同時較大的提高了車軸表面硬度，且具有較好的抗腐蝕性，從而實現(xiàn)車軸表面增強(qiáng)的同時達(dá)到防腐的目的。