火車輪對再制造用ER6車輪鋼粉末的制備及其性能表征

顧文鍵,朱協彬*,程敬卿,汪 超,韓順順

(1．安徽工程大學 材料科學與工程學院，安徽 蕪湖 241000；2．安徽鼎恒再制造產業技術研究院，安徽 蕪湖 241000)

隨著我國軌道交通的高速發展，火車的每日運行公里數與日俱增導致火車輪對的日常摩擦磨損十分嚴重，從而使輪對踏面輪廓產生變化，這很可能對火車運行的穩定性和安全性帶來嚴重影響?；疖囕唽υ僦圃焓且环N通過再制造技術將損傷的火車輪對踏面與金屬粉末完全熔化并快速凝固形成致密冶金層，從而達到修復火車輪對摩擦磨損目的的手段。對火車輪對進行再制造修復避免了傳統鏇修方式造成的輪對使用壽命減少和維修成本過高的問題，且提高了輪對的耐磨性及硬度等各種力學性能。由于ER6車輪鋼粉末是以火車輪對為基材制成，因此該金屬粉末與火車輪對的熱膨脹系數、潤濕性等指標相同，是一種優秀的火車輪對再制造用金屬粉末。

目前，氣霧化法已經在粉末生產應用中十分成熟，利用現有的氣體霧化制粉系統可以高效地制備出一系列的球形金屬粉末，因此,火車輪對再制造用ER6車輪鋼粉末主要運用氣霧化法制備。其制粉過程可以概括為：通過霧化噴嘴噴出的高速高壓氣流沖擊熔融態的金屬，使熔融態的金屬受氣流的沖擊作用破碎成無數細小的金屬熔滴，隨后經過氣體的冷卻作用快速凝固成球形的金屬粉末。目前，由于金屬熔滴在霧化過程中能夠獲得較大的冷卻速率和過冷度，使得凝固之后形成的金屬粉末通常具有粒度細小、分布均勻、球形度較高等突出優點，在微細、球形金屬粉末制備領域得到了廣泛的應用。但是，目前氣霧化法制備的金屬粉末收粉率不高，增加制粉成本不利于產業化，同時現階段對于ER6車輪鋼粉末適用于火車輪對再制造的粒徑選擇沒有系統研究。因此，研究利用公司自研的霧化設備和企業產業化制粉工藝進行ER6車輪鋼粉末的制備，提高粉末的收粉率，降低成本，并通過對氮氣霧化制備所得粉末進行粒度分布、流動性及松裝密度的測試，和對粉末的整體和表面形貌、微觀組織及物相組成進行觀察，分析粉末形成機理，為ER6車輪鋼粉末的制備，產業化發展及適用于火車輪對再制造粉末的粒徑選擇提供理論依據。

1 實驗材料與方法

1.1 粉末制備

氣霧化制備原材料為ER6車輪鋼的火車輪對，成分如表1所示。霧化實驗采用安徽鼎恒實業集團有限公司自研的VIGA-100型真空感應氣霧化設備。為了使粉末中雜質最少化，在原材料熔化和粉末霧化開始前將融化室和霧化室內排空，霧化室真空度為1×10Pa，熔煉溫度為1 688 ℃，霧化時采用氮氣保護，濃度為99.99%，由普萊克斯(上海)工業氣體有限公司生產，霧化壓力約為3.5 MPa。霧化結束后，采用配備80 目、140 目、250 目的粉末泰勒標準篩網的JJS400小型電動振篩機對所制備的粉末進行粒度分級，分成4個粒徑范圍(>180 μm、109～180 μm、58～109 μm、<58 μm)，然后依據不同粒徑的粉末進行測試與表征。

測得ER6車輪鋼粉末如表1所示，與原材料化學成分無明顯差別，說明霧化設備的真空系統和氮氣保護系統對制粉過程起到了良好的保護作用。

表1 ER6火車輪對及粉末化學成分表

不同粒徑ER6車輪鋼粉末的收粉率如表2所示。由表2可知，收粉率(成品粉末質量與原材料質量的比值)最高的粉末粒徑是58～109 μm，最低的小于58 μm，總收粉率約為59.92%，設備損耗約為40.08%。在該設備下生產的粉末總收得率較GW-0.25-250/1型中頻無芯感應霧化設備生產粉末收得率提高10%左右，且在該工藝下生產的粉末較目前工藝生產的粉末粒度分布范圍更窄，球形度更高。

表2 不同粒徑ER6車輪鋼粉末收粉率

1.2 粉末測試與表征

采用BT-9300ST激光粒度分布儀對氮氣霧化制備的粉末進行粒徑分布檢測；采用日立S-4800掃描電子顯微鏡對4種不同粒徑的粉末進行整體和表面形貌觀察；通過冷鑲嵌的方法將4種不同粒徑的粉末制備成4個試樣，并用金剛石拋光膏和4%硝酸酒精溶液分別對4個試樣的鑲嵌面進行拋光腐蝕，然后在日本奧林巴斯BX51金相顯微鏡上觀察其金相組織，但由于小于58 μm的粉末過于細小，則考慮用基恩士VH-5000超景深光學顯微鏡進行觀察；分別取少量的4種不同粒徑的粉末采用德國布魯克D8型X射線衍射儀進行物相測試，測試參數為：電壓為40 kV，電流為40 mA，掃描角度2θ為10°～90°；采用ST-1002霍爾流速計分別按照國標GB/T1482-2010和GB/T1479.2-2011對4種不同粒徑的粉末進行流動性和松裝密度的測試。

2 實驗結果與討論

2.1 粉末粒度分布

自研真空感應氣霧化設備制備的ER6車輪鋼粉末的粒度分布曲線如圖1所示。由圖1可見，粉末粒徑集中在17～158 μm(累積粒度10%～90%)的范圍內，粉末的中粒徑d約為55 μm。從圖1中累計粒度分布曲線可以看出，該粉末粒徑分布為單峰分布，且呈正態分布趨勢。這主要是由于金屬熔滴在霧化階段中遵循破碎機制，當霧化氣流與金屬熔滴之間的相對速度足夠大時，初次被霧化氣流沖擊破碎后粒徑較大的熔滴就會發生二次破碎，形成粒徑細小的熔滴，使得所獲得的粉末粒度呈單峰分布。

圖1 氮氣霧化制備ER6車輪鋼粉末粒度分布

2.2 粉末形貌觀察

(1)表面形貌分析。通過掃描電鏡對氣霧化制備的不同粒徑范圍(>180 μm、109～180 μm、58～109 μm、<58 μm)的ER6車輪鋼粉末進行表面形貌顯微分析。不同粒徑下ER6車輪鋼粉末的SEM整體形貌圖如圖2所示。由圖2可知，不同粒徑下的粉末整體形貌均呈球形或近球形，具有良好的球形度。 由圖2a和圖2b可見，少量的兩頭較大的啞鈴狀粉末顆粒，粉末顆粒呈現出這種現象的原因是金屬熔滴在距離噴頭位置較遠時，高速氣流的沖擊力不足以使其徹底分散，從而形成啞鈴狀顆粒。此外，圖2a、圖2b和圖2c出現大顆粒粉末表面吸附較小顆粒形成衛星球的現象。在霧化過程中，粉末粒徑和所處位置的不同會導致粉末呈不同的凝固狀態，又由于粒徑較大的粉末顆粒相較于粒徑較小的粉末顆粒，凝固更為緩慢，因此當粒徑較小的粉末顆粒完成凝固時，粒徑較大的粉末顆?？赡苓€處于熔融態或半凝固態，在重力和霧化氣流的作用下兩者發生碰撞，就會引起顆粒之間的鑲嵌，當粒徑較大的粉末顆粒完成凝固后形成衛星顆粒。

圖2 不同粒徑下ER6車輪鋼粉末的SEM整體形貌圖

不同粒徑下ER6車輪鋼粉末顆粒的SEM表面形貌圖如圖3所示。由圖3可見，粉末表面組織均由少量枝狀晶和胞狀晶組成，隨著粉末粒徑逐漸減小，粉末球形度更高，表面形貌逐漸光滑。粒徑大于180 μm的粉末表面組織晶界較為明顯，但是表面光滑程度較差且存在著大量的衛星顆粒；粒徑在109～180 μm的粉末樹枝晶減少，胞狀晶增多，表面開始呈光滑趨勢，但仍有少量的衛星顆粒；粒徑小于58 μm的粉末晶粒明顯更為細小，有部分晶界不明顯，但表面形貌較為光滑。氣霧化制備的粉末表面光滑程度取決于在霧化過程中金屬熔滴破碎后球化時間和凝固時間的相對長短。當金屬熔滴球化時間較凝固時間短時，熔滴便能在完全凝固前形成球化，則凝固形成的粉末球形度較高，表面更為光滑。此外，Zhou等認為粒徑小的金屬熔滴具有較高的減小表面能的驅動力，使金屬熔滴在凝固收縮時產生的體積變化小是造成細小粉末顆粒表面光滑的主要原因。金屬熔滴粒徑的不同也會導致其冷卻速率發生改變，粒徑越小的金屬熔滴在霧化過程中能夠獲得更大的冷卻速率和過冷度，因此當金屬熔滴完成凝固后，粒徑較小的粉末相較于粒徑較大的粉末晶粒更為細小。

圖3 不同粒徑下ER6車輪鋼粉末顆粒的SEM表面形貌圖

(2)內部組織分析。在氣霧化法制備粉末過程中直接測量粉末的冷卻速率存在困難，因此通常使用間接測量的方式測量平均冷卻速率(

T

)來表示粉末在凝固過程中的冷卻速率。一些研究者通過測定粉末粒徑(

d

)與二次枝晶臂間距的關系來研究粉末粒徑與平均冷卻速率的關系, 從而發現平均冷卻速率與粉末粒徑之間的聯系可以通過式(1)表示：

T

=

B

·

d

-，

(1)

式中，

d

為粉末的粒徑；

B

和-

m

/n

分別為3

.

54×107( K·s· μm) 和 1. 939。由式(1)可以看出，粉末在凝固過程中的冷卻速率與粉末粒徑成反比，粉末粒徑越小，其冷卻速率越大。

不同粒徑下的ER6車輪鋼粉末的內部組織圖如圖4所示。由圖4可見，粒徑較大的粉末顆粒內部由細小的胞狀晶和枝狀晶組成，粒徑最小的粉末顆粒內部為細小的胞狀晶，枝狀晶幾乎消失。這主要是由于金屬粉末粒徑增大，粉末顆粒的冷卻速度減小，因此有足夠的時間讓粉末顆粒中的樹枝晶長大，而當金屬粉末粒徑較小時，其冷卻速率增大，內部樹枝晶來不及生長，從而形成更多的胞狀晶。由圖4a可見，由于粉末粒徑較大，冷卻速率較小，過冷度較小，因此在顆粒邊緣呈現細小的胞狀晶，接著枝狀晶逐漸生長向顆粒內部延伸；由圖4b、圖4c可見，隨著粉末粒徑的減小，顆粒內部細小的胞狀晶逐漸增多，枝狀晶逐漸減少；由圖4d可見，由于粉末粒徑較小，粉末顆粒在霧化過程中的冷卻速率較高，過冷度較大，粉末顆粒內部多為細小的胞狀晶。粒徑較大的粉末顆粒在霧化室內受渦流的影響不可避免地發生碰撞，進一步降低了粒徑較大的粉末顆粒的冷卻速率，因此粒徑較大的粉末顆粒內部為細小的胞狀晶和枝狀晶的混合組織。此外，圖4b中粉末顆粒內部出現明顯的微小孔洞，這主要是由于金屬熔滴在高速氣流下可能被吹成液膜，然后在表面張力和氣流的共同作用下形成帶有氣體的空心液滴，最后在冷卻作用下凝固成粉末顆粒。因此在觀察粉末內部組織時，觀察到孔洞的現象。

圖4 ER6車輪鋼粉末的內部組織圖

2.3 粉末物相分析

不同粒徑下的ER6車輪鋼粉末的X射線衍射圖譜如圖5所示。由圖5可見，不同粒徑下的ER6車輪鋼粉末均在2θ≈45°處出現銳化程度較低的衍射峰，同時并沒有出現明顯寬化的“饅頭峰”，說明由該氣霧化制備的粉末為非晶+晶體的雙相結構，這可能是由于部分金屬液滴在霧化飛行過程中，在氮氣的冷卻作用下獲得很大的冷卻速度，使形核生長來不及進行，同時溫度驟降導致液相黏度大大增加，使原子的遷移難以進行，處于凍結的狀態，故結晶過程被抑制而進入非晶態。此外，小于58 μm粒徑的粉末XRD圖譜與大于180 μm的粉末相較出現了更為明顯的峰寬化，說明當粉末粒徑減小到58 μm以下時出現了更多的非晶顆粒。粒徑越小的金屬熔滴在霧化過程中傳熱系數越大，冷卻速率越快，因此當金屬熔滴足夠小時，更有可能獲得可以實現非晶化的臨界冷卻速率，從而形成更多的非晶顆粒。非晶態金屬粉末擁有比晶態金屬粉末更加均勻的結構和成分，用于再制造后形成的熔覆層具有更為優異的硬度和耐磨性能。

圖5 不同粒徑的ER6車輪鋼粉末XRD圖譜

2.4 粉末流動性和松裝密度測試

ER6車輪鋼粉末流動性和松裝密度測試結果如表3所示。由表3可見，隨著粉末粒徑的減小，粉末的流動性呈先增大后減小的趨勢。這主要是跟粉末粒徑和表面形貌有關，粉末粒徑較大時，受力后較粒徑小的粉末不易移動，再結合不同粒徑粉末的SEM圖可知，粉末粒徑越大，粉末中存在缺陷的顆粒就越多且表面較為粗糙，增加了粉末流動過程中的接觸點數從而增大了摩擦力，不利于粉末的流動，因此流動性隨粉末粒徑減小呈增大的趨勢。但是當粉末粒徑小于58 μm時，流動性卻出現減小的情況，這主要是因為粒徑較小的顆粒比表面積較大，相互間作用力增強，顆粒之間更容易發生粘附、團聚等現象，在流動過程中增加了摩擦力，從而流動性變差。

由表3可知，粉末的松裝密度隨著粉末粒徑的減小呈先增大后減小的趨勢。這主要是由于粉末粒徑減小時，粉末顆粒自身體積也會減小，相應的粉末之間的孔隙率也會隨之減小，因此粉末的松裝密度呈增大的趨勢。但是當粉末粒徑小于58 μm時，粉末之間因相互間作用力增大，產生粉末間團聚，導致粉末之間的空隙率增加，粉末的松裝密度反而減小。

表3 ER6車輪鋼粉末流動性、松裝密度及比表面積

3 結論

采用氮氣霧化制備的ER6車輪鋼粉末為非晶+晶體的雙相結構，粉末粒徑為單峰分布且呈正態分布趨勢，粉末粒徑主要集中在17～158 μm，中粒徑d≈55 μm。大粒徑粉末的表面形貌因其冷卻速率較低，較小粒徑粉末更為粗糙，且衛星顆粒更多，金屬粉末表面和內部組織主要由枝狀晶和胞狀晶組成，但粒徑較小的粉末因冷卻速率較大，胞狀晶晶粒明顯細化。

58～109 μm粒徑的粉末流動性最好，109～180 μm粒徑的粉末松裝密度最高。大于180 μm粒徑的粉末因其粒徑較大，表面粗糙，流動性和松裝密度都是最差的。而小于58 μm粒徑的粉末，因其粒徑較小，比表面積較大，粉末之間相互作用力增強，產生團聚現象，導致流動性和松裝密度相對較差。58～109 μm粒徑的粉末為非晶+晶體的雙相結構，因此較晶態金屬粉末具有更加穩定的結構和成分，其化學成分主要由Fe、C、Si、Cu等元素組成，其中P、S成分含量較少。該粉末粒度較小，整體球形度高且衛星球顆粒少，表面形貌光滑，流動性為19.22 s/50 g，松裝密度為4.36 g/cm，整體性能良好，在這4個粒度區間內更適用于火車輪對再制造使用。