高锰钢辙叉增材制造工艺研究

2024-02-27李明刚吴海斌李成浩

山西建筑 2024年5期

李明刚，吴海斌，李成浩，程亮

(中铁宝桥集团有限公司,陕西宝鸡 721006)

1 研究背景

高锰钢辙叉是铁路交通线上的重要设备之一[1],是一种高消耗量的部件,也是铁路结构中损伤最严重的部件。高锰钢由于具有韧性好、加工硬化和耐磨性好等优点,广泛应用于铁路辙叉的制造中,固定型高锰钢辙叉结构设计中存在有害空间,车轮通过时对心轨小断面进行反复轮载冲击,小断面结构单薄,易形成早期鱼鳞纹、剥落掉块等缺陷,如该区域存在夹杂、气孔等缺陷,高锰钢辙叉提前失效,心轨小断面内部质量对其在线服役寿命产生一定影响,辙叉在服役过程中承受着车轮强大的碾压力、冲击力和振动力等复杂作用力,致使辙叉产生接触疲劳达不到设计寿命而失效下道[2-4]。同时,近些年随着铁路线路运量的增加,对高锰钢辙叉的磨损显著加剧,在车辆的交变载荷下,以致高锰钢辙叉出现伤损缺陷导致提前报废。

2 试验方法

增材过程中如何抑制碳化物的析出和消除析出碳化物成为高锰钢增材的关键。高锰钢重新加热到300 ℃～900 ℃内,钢中过饱和的碳会以碳化物的形式析出,尤其在500 ℃～700 ℃范围内较为突出。一般受热温度越高,析出速度越快。随着受热时间的延长,碳化物析出的数量随之增多。高锰钢的热膨胀系数较大,导热性较差,在焊接热循环作用下会产生较大应力,导致产生液化裂纹。过程中时应尽量减少热输入量,缩短焊后300 ℃～900 ℃高温停留时间,快速冷却增材区域[5]。

铸态高锰钢的组织通常由奥氏体、网状渗碳体和部分珠光体构成,由于网状碳化物是沿奥氏体晶界析出,铸态高锰钢力学性能极差,塑性低、脆性大,因此,铸态高锰钢未经水韧处理不能使用[6]。高锰钢水韧处理的目的是获得单一奥氏体组织,而不适当的水韧处理过程很容易导致多相组织的生成,水韧温度过低、保温时间过短及冷却速度过慢等都会导致碳化物的存留或析出[7],这些都不利于高锰钢衬板力学性能的优化。一般水韧处理过程为:将ZGMn13钢材加热至Ac3临界温度以上充分保温后快冷(水冷)获得单一奥氏体组织[8]。

本次选用ZGMn13生产的高锰钢辙叉进行试验,高锰钢辙叉化学成分符合TB/T 447中的规定,具体为:C:1%～1.3%,Si:0.3%～0.8%,Mn:12%～14%,P:<0.045%,S:<0.03%。增材制造材料选用美国制造Postalloy2850焊丝φ1.2或Frog Tuff φ4焊条,增材金属为单相奥氏体,具有高强度、韧性和抗裂性,受力作用迅速产生工作硬化。

对热处理后的高锰钢辙叉从实际尖端至心轨60断面机械加工去除H高度(H=10 mm,12 mm,15 mm),通过设定符合高锰钢的增材制造工艺参数,将去除区域增材制造。因此可以获得比铸态高锰钢更加致密、纯净度更高的组织,有利于提高高锰钢屈服强度、抗拉强度和冲击韧性等机械性能,从而提高高锰钢辙叉的服役寿命。

机加工完成后,采用自动增材设备或人工方式进行高锰钢辙叉心轨增材,工艺及要求如下:采用小电流、快速增材、断续增材、短弧增材的方法。工艺参数如表1所示。

表1 补焊工艺参数

每道分2次～3次施作完,每道增材长度不超过150 mm,每层堆高不大于3 mm;每增材完一段后,应在1 min内对增材部位用水壶浇水进行快速冷却,防止碳化物析出,采用测温仪进行测温,待温度降低至100 ℃以下后,用手锤锤击增材区域进行表面硬化,待增材部位表面水分完全蒸发后,清除表面杂质后继续施作,增材采用在对称位置分层、分段、间跳的方式制造。每增材一段灭弧时,应回一小段,并填满凹坑,起点和终点应避开母材与增材材料交界处。两相邻增材焊道在宽度方向重叠不超过1/2。

3 试验结果分析

首先对高锰钢辙叉增材部位进行力学性能试验。如表2所示铸态高锰钢、不同深度增材所得到的抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击吸收功、硬度平均值,在拉伸试验过程中,断裂位置均为试样平直段部分,从试验结果可知增材制造部位力学性能相比铸态高锰钢具有明显提高趋势,这是由于增材材料纯净度高,力学性能均高于铸态高锰钢,内部杂质相比铸态高锰钢大幅减少,进而提高了强度、硬度,力学性能对比如表2所示。

表2 力学性能对比表

图1—图4为试样增材区域组织表征结果,铸态高锰钢、增材区域均为单相奥氏体组织形貌,增材区域组织中未见裂纹、夹杂以及气孔等焊接缺陷,晶界处存在少量碳化物,均区别不大,由于快速凝固过程中,各元素溶质分配系数不同,导致一部分元素扩散,并通过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较小,凝固界面平直,说明了二者成分差异度较小,各试样碳化物晶界析出程度大致相同,由于增材制造后快速凝固导致碳化物析出程度大致相同。