高錳鋼轍叉增材制造工藝研究

李明剛，吳海斌，李成浩，程 亮

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司,陜西 寶雞 721006)

1 研究背景

高錳鋼轍叉是鐵路交通線上的重要設(shè)備之一[1],是一種高消耗量的部件,也是鐵路結(jié)構(gòu)中損傷最嚴(yán)重的部件。高錳鋼由于具有韌性好、加工硬化和耐磨性好等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于鐵路轍叉的制造中,固定型高錳鋼轍叉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在有害空間,車輪通過時(shí)對心軌小斷面進(jìn)行反復(fù)輪載沖擊,小斷面結(jié)構(gòu)單薄,易形成早期魚鱗紋、剝落掉塊等缺陷,如該區(qū)域存在夾雜、氣孔等缺陷,高錳鋼轍叉提前失效,心軌小斷面內(nèi)部質(zhì)量對其在線服役壽命產(chǎn)生一定影響,轍叉在服役過程中承受著車輪強(qiáng)大的碾壓力、沖擊力和振動(dòng)力等復(fù)雜作用力,致使轍叉產(chǎn)生接觸疲勞達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命而失效下道[2-4]。同時(shí),近些年隨著鐵路線路運(yùn)量的增加,對高錳鋼轍叉的磨損顯著加劇,在車輛的交變載荷下,以致高錳鋼轍叉出現(xiàn)傷損缺陷導(dǎo)致提前報(bào)廢。

2 試驗(yàn)方法

增材過程中如何抑制碳化物的析出和消除析出碳化物成為高錳鋼增材的關(guān)鍵。高錳鋼重新加熱到300 ℃～900 ℃內(nèi),鋼中過飽和的碳會(huì)以碳化物的形式析出,尤其在500 ℃～700 ℃范圍內(nèi)較為突出。一般受熱溫度越高,析出速度越快。隨著受熱時(shí)間的延長,碳化物析出的數(shù)量隨之增多。高錳鋼的熱膨脹系數(shù)較大,導(dǎo)熱性較差,在焊接熱循環(huán)作用下會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力,導(dǎo)致產(chǎn)生液化裂紋。過程中時(shí)應(yīng)盡量減少熱輸入量,縮短焊后300 ℃～900 ℃高溫停留時(shí)間,快速冷卻增材區(qū)域[5]。

鑄態(tài)高錳鋼的組織通常由奧氏體、網(wǎng)狀滲碳體和部分珠光體構(gòu)成,由于網(wǎng)狀碳化物是沿奧氏體晶界析出,鑄態(tài)高錳鋼力學(xué)性能極差,塑性低、脆性大,因此,鑄態(tài)高錳鋼未經(jīng)水韌處理不能使用[6]。高錳鋼水韌處理的目的是獲得單一奧氏體組織,而不適當(dāng)?shù)乃g處理過程很容易導(dǎo)致多相組織的生成,水韌溫度過低、保溫時(shí)間過短及冷卻速度過慢等都會(huì)導(dǎo)致碳化物的存留或析出[7],這些都不利于高錳鋼襯板力學(xué)性能的優(yōu)化。一般水韌處理過程為:將ZGMn13鋼材加熱至Ac3臨界溫度以上充分保溫后快冷(水冷)獲得單一奧氏體組織[8]。

本次選用ZGMn13生產(chǎn)的高錳鋼轍叉進(jìn)行試驗(yàn),高錳鋼轍叉化學(xué)成分符合TB/T 447中的規(guī)定,具體為:C:1%～1.3%,Si:0.3%～0.8%,Mn:12%～14%,P:<0.045%,S:<0.03%。增材制造材料選用美國制造Postalloy2850焊絲φ1.2或Frog Tuff φ4焊條,增材金屬為單相奧氏體,具有高強(qiáng)度、韌性和抗裂性,受力作用迅速產(chǎn)生工作硬化。

對熱處理后的高錳鋼轍叉從實(shí)際尖端至心軌60斷面機(jī)械加工去除H高度(H=10 mm,12 mm,15 mm),通過設(shè)定符合高錳鋼的增材制造工藝參數(shù),將去除區(qū)域增材制造。因此可以獲得比鑄態(tài)高錳鋼更加致密、純凈度更高的組織,有利于提高高錳鋼屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性等機(jī)械性能,從而提高高錳鋼轍叉的服役壽命。

機(jī)加工完成后,采用自動(dòng)增材設(shè)備或人工方式進(jìn)行高錳鋼轍叉心軌增材,工藝及要求如下:采用小電流、快速增材、斷續(xù)增材、短弧增材的方法。工藝參數(shù)如表1所示。

表1 補(bǔ)焊工藝參數(shù)

每道分2次～3次施作完,每道增材長度不超過150 mm,每層堆高不大于3 mm;每增材完一段后,應(yīng)在1 min內(nèi)對增材部位用水壺澆水進(jìn)行快速冷卻,防止碳化物析出,采用測溫儀進(jìn)行測溫,待溫度降低至100 ℃以下后,用手錘錘擊增材區(qū)域進(jìn)行表面硬化,待增材部位表面水分完全蒸發(fā)后,清除表面雜質(zhì)后繼續(xù)施作,增材采用在對稱位置分層、分段、間跳的方式制造。每增材一段滅弧時(shí),應(yīng)回一小段,并填滿凹坑,起點(diǎn)和終點(diǎn)應(yīng)避開母材與增材材料交界處。兩相鄰增材焊道在寬度方向重疊不超過1/2。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

首先對高錳鋼轍叉增材部位進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。如表2所示鑄態(tài)高錳鋼、不同深度增材所得到的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、沖擊吸收功、硬度平均值,在拉伸試驗(yàn)過程中,斷裂位置均為試樣平直段部分,從試驗(yàn)結(jié)果可知增材制造部位力學(xué)性能相比鑄態(tài)高錳鋼具有明顯提高趨勢,這是由于增材材料純凈度高,力學(xué)性能均高于鑄態(tài)高錳鋼,內(nèi)部雜質(zhì)相比鑄態(tài)高錳鋼大幅減少,進(jìn)而提高了強(qiáng)度、硬度,力學(xué)性能對比如表2所示。

表2 力學(xué)性能對比表

圖1—圖4為試樣增材區(qū)域組織表征結(jié)果,鑄態(tài)高錳鋼、增材區(qū)域均為單相奧氏體組織形貌,增材區(qū)域組織中未見裂紋、夾雜以及氣孔等焊接缺陷,晶界處存在少量碳化物,均區(qū)別不大,由于快速凝固過程中,各元素溶質(zhì)分配系數(shù)不同,導(dǎo)致一部分元素?cái)U(kuò)散,并通過快速凝固在界面前沿形成了一定的富集。界面前沿的黑色析出物尺寸較小,凝固界面平直,說明了二者成分差異度較小,各試樣碳化物晶界析出程度大致相同,由于增材制造后快速凝固導(dǎo)致碳化物析出程度大致相同。

增材區(qū)在金相組織、硬度和機(jī)械性能等方面,均符合TB/T 447標(biāo)準(zhǔn)[9]性能,且不低于高錳鋼母材,故還可用于高錳鋼的修復(fù)[10]。

4 結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行轍叉不同深度心軌增材制造工藝研究,獲得了良好的增材工藝力學(xué)性能及顯微組織,為后續(xù)進(jìn)行應(yīng)用提供了研究基礎(chǔ)。主要得出以下結(jié)論和建議:

1)增材材料純凈度高,組織更加致密,轍叉增材區(qū)域力學(xué)性能相比鑄態(tài)高錳鋼明顯提高,均滿足TB/T 447標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)增材區(qū)域與高錳鋼界面中顯微組織無明顯碳化物析出。在施作中采用澆水冷卻和控制溫度的方法,由于嚴(yán)格控制了增材區(qū)在高溫停留時(shí)間從而控制了碳化物的析出造成亞表層碳化物析出,然而這種析出不影響高錳鋼轍叉堆焊層的正常使用[11],在快速冷卻速率下抑制了焊縫中δ-鐵素體的析出和熱影響區(qū)中晶界碳化物的析出。