一种高铁制动盘超厚梯度耐磨层及其制备方法

本发明涉及金属材料表面加工技术领域，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。

背景技术：

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，发明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。

技术实现要素：

本发明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，本发明针对制动盘的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，本发明设计了耐磨层，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，本发明采取的技术方案是：

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。

本发明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12-20mm/s，搭接率为40～50％，扫描同时通入保护气体进行气氛保护，粉末层完全熔化并凝固，形成crnimo+wc+tic+nbc耐磨层，硬度600-750hv。

步骤五：硬度及摩擦磨损测试：工件处理完毕冷却至室温后，获得3-5mm的超厚梯度耐磨层。将试样经线切割切制合适尺寸，镶嵌、研磨、抛光、腐蚀。试样处理后表面平均硬度可达硬度600-750hv，对试样进行摩擦磨损实验，耐磨性提高2-4倍，明显改善24crnimo制动盘基体的耐磨性能。

本发明的有益效果：

1、本发明针对制动盘要求的超厚耐磨层，设计了过渡层加耐磨层的成分和结构。首先，本发明针对制动盘的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；其次，本发明设计了耐磨层，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。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。

2、该方法中过渡层的成分与制动盘基体24crnimo钢中合金元素一致，经过等离子熔覆，利用等离子束能量密度比激光低的特点，使得cr、ni、mo元素进入基体，在基体和合金过渡层之间形成有效的成分和硬度梯度，实现crnimo合金过渡层的冶金结合,厚度2-3mm，硬度300-350hv；再用激光熔覆方式获得crnimo+wc+tic+nbc耐磨层中，金属成分与合金过渡层一致，皆为crnimo，而且陶瓷增强相wc、tic、nbc是在激光熔覆过程中分别由粉体中的w+c→wc、ti+c→tic、nb+c→nbc原位反应形成，通过原位反应形成颗粒粒径为3-5μm，细小均匀，避免了增强相颗粒尺寸大，易拔出脱落，而造成的第三体磨损，同步提高涂层的耐磨性和强韧性，厚度1-2mm，硬度650-750hv。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，提高熔覆的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为制动盘表面超厚梯度耐磨层制备过程示意图。

图2为本发明熔覆层剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例中以在24crnimo钢基体上制备本发明涂层为例，制备过程如附图1所示。24crnimo钢的摩擦磨损测试采用往复球盘式，试验条件为：室温、干摩擦，氧化铝陶瓷球作为对磨副，磨损时间为60min，磨损体积损失为：1.0×10⁸μm³，为了具有可比性，下面实施例中的自腐蚀电流和耐磨性测试是在和24crnimo钢同等试验条件下测出来的。

实施例一：

步骤一：粉体准备

所用粉体为cr、ni、mo、w、ti、nb、c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。

根据质量比配比粉末，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，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30％质量比加入，w、ti、nb粉末分别按照2％、2％、1％质量比加入，c粉按照5％质量比加入。

按照配比比例称取粉末，通过三维混料机将过渡层和耐磨层粉末分别混合处理，再进行烘干。

步骤二：基体表面预处理

首先用砂轮对24crnimo钢表面进行处理，去除油污及氧化物，增加粗糙度，如果不清除直接使用，则会影响熔覆的质量，然后用无水乙醇脱脂，在空气中干燥。在磨削过程中，按顺序使用400、800和1200目砂纸将基体表面打磨光亮备熔覆使用。

步骤三：等离子熔覆crnimo合金过渡层(见图1)

等离子设备电流200a，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crnimo合金过渡层，cr、ni、mo粉末均按照等质量比加入；获得的合金过渡层呈冶金结合。等离子熔覆过渡层厚度为3mm，硬度350hv。

步骤四：激光熔覆crnimo+wc+tic+nbc耐磨层(见图1)

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。所用工艺参数为：激光功率为2000w，光斑直径为5mm，扫描速率为15mm/s，搭接率为40％，扫描同时通入保护气体进行气氛保护，粉末层完全熔化并凝固，形成crnimo+wc+tic+nbc耐磨层，厚度1mm，硬度650hv。熔覆层组织结构如附图2所示，等离子熔覆过渡层与激光熔覆耐磨层之间形成良好的过渡。

步骤五：硬度及摩擦磨损测试

工件处理完毕冷却至室温后，获得4mm的超厚梯度耐磨层。将试样经线切割切制合适尺寸，镶嵌、研磨、抛光、腐蚀。试样处理后表面平均硬度可达硬度650hv，对试样进行摩擦磨损实验，磨损体积损失为0.40×10⁸μm³，耐磨性是基体的2.5倍，明显改善24crnimo制动盘基体的耐磨性能。

实施例二：

除步骤一粉体准备中crnimo+wc+tic+nbc耐磨层，所用粉体cr、ni、mo粉末，分别按照25％、25％、20％质量比加入，w、ti、nb粉末分别按照10％、5％、5％质量比加入，c粉按照10％质量比加入；步骤三等离子熔覆crnimo合金过渡层：等离子设备电流150a；步骤四激光熔覆中，激光功率为4000w，扫描速率为15mm/s，耐磨层厚度2mm，硬度750hv；步骤五硬度及摩擦磨损测试中，获得5mm的超厚梯度耐磨层，硬度700hv，磨损体积损失为0.38×10⁸μm³，耐磨性是基体的2.6倍以上，其他与实施例一相同。

实施例三：

除步骤三等离子熔覆crnimo合金过渡层，厚度2mm，步骤四激光熔覆中激光功率为2000w，crnimo+wc+tic+nbc耐磨层，厚度1mm，步骤五硬度及摩擦磨损测试中，获得3mm的超厚梯度耐磨层，硬度达到600hv，磨损体积损失为0.55×10⁸μm³，耐磨性是基体的1.8倍以上，其他与实施例二相同。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。