火車(chē)輪對(duì)再制造用ER6車(chē)輪鋼粉末的制備及其性能表征

顧文鍵,朱協(xié)彬*,程敬卿,汪 超,韓順順

(1．安徽工程大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2．安徽鼎恒再制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，安徽 蕪湖 241000)

隨著我國(guó)軌道交通的高速發(fā)展，火車(chē)的每日運(yùn)行公里數(shù)與日俱增導(dǎo)致火車(chē)輪對(duì)的日常摩擦磨損十分嚴(yán)重，從而使輪對(duì)踏面輪廓產(chǎn)生變化，這很可能對(duì)火車(chē)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性帶來(lái)嚴(yán)重影響?；疖?chē)輪對(duì)再制造是一種通過(guò)再制造技術(shù)將損傷的火車(chē)輪對(duì)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(dá)到修復(fù)火車(chē)輪對(duì)摩擦磨損目的的手段。對(duì)火車(chē)輪對(duì)進(jìn)行再制造修復(fù)避免了傳統(tǒng)鏇修方式造成的輪對(duì)使用壽命減少和維修成本過(guò)高的問(wèn)題，且提高了輪對(duì)的耐磨性及硬度等各種力學(xué)性能。由于ER6車(chē)輪鋼粉末是以火車(chē)輪對(duì)為基材制成，因此該金屬粉末與火車(chē)輪對(duì)的熱膨脹系數(shù)、潤(rùn)濕性等指標(biāo)相同，是一種優(yōu)秀的火車(chē)輪對(duì)再制造用金屬粉末。

目前，氣霧化法已經(jīng)在粉末生產(chǎn)應(yīng)用中十分成熟，利用現(xiàn)有的氣體霧化制粉系統(tǒng)可以高效地制備出一系列的球形金屬粉末，因此,火車(chē)輪對(duì)再制造用ER6車(chē)輪鋼粉末主要運(yùn)用氣霧化法制備。其制粉過(guò)程可以概括為：通過(guò)霧化噴嘴噴出的高速高壓氣流沖擊熔融態(tài)的金屬，使熔融態(tài)的金屬受氣流的沖擊作用破碎成無(wú)數(shù)細(xì)小的金屬熔滴，隨后經(jīng)過(guò)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(guò)程中能夠獲得較大的冷卻速率和過(guò)冷度，使得凝固之后形成的金屬粉末通常具有粒度細(xì)小、分布均勻、球形度較高等突出優(yōu)點(diǎn)，在微細(xì)、球形金屬粉末制備領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(chǎn)業(yè)化，同時(shí)現(xiàn)階段對(duì)于ER6車(chē)輪鋼粉末適用于火車(chē)輪對(duì)再制造的粒徑選擇沒(méi)有系統(tǒng)研究。因此，研究利用公司自研的霧化設(shè)備和企業(yè)產(chǎn)業(yè)化制粉工藝進(jìn)行ER6車(chē)輪鋼粉末的制備，提高粉末的收粉率，降低成本，并通過(guò)對(duì)氮?dú)忪F化制備所得粉末進(jìn)行粒度分布、流動(dòng)性及松裝密度的測(cè)試，和對(duì)粉末的整體和表面形貌、微觀組織及物相組成進(jìn)行觀察，分析粉末形成機(jī)理，為ER6車(chē)輪鋼粉末的制備，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展及適用于火車(chē)輪對(duì)再制造粉末的粒徑選擇提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 粉末制備

氣霧化制備原材料為ER6車(chē)輪鋼的火車(chē)輪對(duì)，成分如表1所示。霧化實(shí)驗(yàn)采用安徽鼎恒實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司自研的VIGA-100型真空感應(yīng)氣霧化設(shè)備。為了使粉末中雜質(zhì)最少化，在原材料熔化和粉末霧化開(kāi)始前將融化室和霧化室內(nèi)排空，霧化室真空度為1×10Pa，熔煉溫度為1 688 ℃，霧化時(shí)采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，濃度為99.99%，由普萊克斯(上海)工業(yè)氣體有限公司生產(chǎn)，霧化壓力約為3.5 MPa。霧化結(jié)束后，采用配備80 目、140 目、250 目的粉末泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)的JJS400小型電動(dòng)振篩機(jī)對(duì)所制備的粉末進(jìn)行粒度分級(jí)，分成4個(gè)粒徑范圍(>180 μm、109～180 μm、58～109 μm、<58 μm)，然后依據(jù)不同粒徑的粉末進(jìn)行測(cè)試與表征。

測(cè)得ER6車(chē)輪鋼粉末如表1所示，與原材料化學(xué)成分無(wú)明顯差別，說(shuō)明霧化設(shè)備的真空系統(tǒng)和氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)對(duì)制粉過(guò)程起到了良好的保護(hù)作用。

表1 ER6火車(chē)輪對(duì)及粉末化學(xué)成分表

不同粒徑ER6車(chē)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(zhì)量與原材料質(zhì)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(shè)備損耗約為40.08%。在該設(shè)備下生產(chǎn)的粉末總收得率較GW-0.25-250/1型中頻無(wú)芯感應(yīng)霧化設(shè)備生產(chǎn)粉末收得率提高10%左右，且在該工藝下生產(chǎn)的粉末較目前工藝生產(chǎn)的粉末粒度分布范圍更窄，球形度更高。

表2 不同粒徑ER6車(chē)輪鋼粉末收粉率

1.2 粉末測(cè)試與表征

采用BT-9300ST激光粒度分布儀對(duì)氮?dú)忪F化制備的粉末進(jìn)行粒徑分布檢測(cè)；采用日立S-4800掃描電子顯微鏡對(duì)4種不同粒徑的粉末進(jìn)行整體和表面形貌觀察；通過(guò)冷鑲嵌的方法將4種不同粒徑的粉末制備成4個(gè)試樣，并用金剛石拋光膏和4%硝酸酒精溶液分別對(duì)4個(gè)試樣的鑲嵌面進(jìn)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(guò)于細(xì)小，則考慮用基恩士VH-5000超景深光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察；分別取少量的4種不同粒徑的粉末采用德國(guó)布魯克D8型X射線(xiàn)衍射儀進(jìn)行物相測(cè)試，測(cè)試參數(shù)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(jì)分別按照國(guó)標(biāo)GB/T1482-2010和GB/T1479.2-2011對(duì)4種不同粒徑的粉末進(jìn)行流動(dòng)性和松裝密度的測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 粉末粒度分布

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

圖1 氮?dú)忪F化制備ER6車(chē)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(guò)掃描電鏡對(duì)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(chē)輪鋼粉末進(jìn)行表面形貌顯微分析。不同粒徑下ER6車(chē)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(jiàn)，少量的兩頭較大的啞鈴狀粉末顆粒，粉末顆粒呈現(xiàn)出這種現(xiàn)象的原因是金屬熔滴在距離噴頭位置較遠(yuǎn)時(shí)，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(xiàn)大顆粒粉末表面吸附較小顆粒形成衛(wèi)星球的現(xiàn)象。在霧化過(guò)程中，粉末粒徑和所處位置的不同會(huì)導(dǎo)致粉末呈不同的凝固狀態(tài)，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(dāng)粒徑較小的粉末顆粒完成凝固時(shí)，粒徑較大的粉末顆粒可能還處于熔融態(tài)或半凝固態(tài)，在重力和霧化氣流的作用下兩者發(fā)生碰撞，就會(huì)引起顆粒之間的鑲嵌，當(dāng)粒徑較大的粉末顆粒完成凝固后形成衛(wèi)星顆粒。

圖2 不同粒徑下ER6車(chē)輪鋼粉末的SEM整體形貌圖

不同粒徑下ER6車(chē)輪鋼粉末顆粒的SEM表面形貌圖如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，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(wèi)星顆粒；粒徑在109～180 μm的粉末樹(shù)枝晶減少，胞狀晶增多，表面開(kāi)始呈光滑趨勢(shì)，但仍有少量的衛(wèi)星顆粒；粒徑小于58 μm的粉末晶粒明顯更為細(xì)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(guò)程中金屬熔滴破碎后球化時(shí)間和凝固時(shí)間的相對(duì)長(zhǎng)短。當(dāng)金屬熔滴球化時(shí)間較凝固時(shí)間短時(shí)，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(rèn)為粒徑小的金屬熔滴具有較高的減小表面能的驅(qū)動(dòng)力，使金屬熔滴在凝固收縮時(shí)產(chǎn)生的體積變化小是造成細(xì)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(huì)導(dǎo)致其冷卻速率發(fā)生改變，粒徑越小的金屬熔滴在霧化過(guò)程中能夠獲得更大的冷卻速率和過(guò)冷度，因此當(dāng)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(xì)小。

圖3 不同粒徑下ER6車(chē)輪鋼粉末顆粒的SEM表面形貌圖

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

T

)來(lái)表示粉末在凝固過(guò)程中的冷卻速率。一些研究者通過(guò)測(cè)定粉末粒徑(

d

)與二次枝晶臂間距的關(guān)系來(lái)研究粉末粒徑與平均冷卻速率的關(guān)系, 從而發(fā)現(xiàn)平均冷卻速率與粉末粒徑之間的聯(lián)系可以通過(guò)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(guò)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(chē)輪鋼粉末的內(nèi)部組織圖如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，粒徑較大的粉末顆粒內(nèi)部由細(xì)小的胞狀晶和枝狀晶組成，粒徑最小的粉末顆粒內(nèi)部為細(xì)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(shí)間讓粉末顆粒中的樹(shù)枝晶長(zhǎng)大，而當(dāng)金屬粉末粒徑較小時(shí)，其冷卻速率增大，內(nèi)部樹(shù)枝晶來(lái)不及生長(zhǎng)，從而形成更多的胞狀晶。由圖4a可見(jiàn)，由于粉末粒徑較大，冷卻速率較小，過(guò)冷度較小，因此在顆粒邊緣呈現(xiàn)細(xì)小的胞狀晶，接著枝狀晶逐漸生長(zhǎng)向顆粒內(nèi)部延伸；由圖4b、圖4c可見(jiàn)，隨著粉末粒徑的減小，顆粒內(nèi)部細(xì)小的胞狀晶逐漸增多，枝狀晶逐漸減少；由圖4d可見(jiàn)，由于粉末粒徑較小，粉末顆粒在霧化過(guò)程中的冷卻速率較高，過(guò)冷度較大，粉末顆粒內(nèi)部多為細(xì)小的胞狀晶。粒徑較大的粉末顆粒在霧化室內(nèi)受渦流的影響不可避免地發(fā)生碰撞，進(jìn)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(nèi)部為細(xì)小的胞狀晶和枝狀晶的混合組織。此外，圖4b中粉末顆粒內(nèi)部出現(xiàn)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(nèi)部組織時(shí)，觀察到孔洞的現(xiàn)象。

圖4 ER6車(chē)輪鋼粉末的內(nèi)部組織圖

2.3 粉末物相分析

不同粒徑下的ER6車(chē)輪鋼粉末的X射線(xiàn)衍射圖譜如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，不同粒徑下的ER6車(chē)輪鋼粉末均在2θ≈45°處出現(xiàn)銳化程度較低的衍射峰，同時(shí)并沒(méi)有出現(xiàn)明顯寬化的“饅頭峰”，說(shuō)明由該氣霧化制備的粉末為非晶+晶體的雙相結(jié)構(gòu)，這可能是由于部分金屬液滴在霧化飛行過(guò)程中，在氮?dú)獾睦鋮s作用下獲得很大的冷卻速度，使形核生長(zhǎng)來(lái)不及進(jìn)行，同時(shí)溫度驟降導(dǎo)致液相黏度大大增加，使原子的遷移難以進(jìn)行，處于凍結(jié)的狀態(tài)，故結(jié)晶過(guò)程被抑制而進(jìn)入非晶態(tài)。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(xiàn)了更為明顯的峰寬化，說(shuō)明當(dāng)粉末粒徑減小到58 μm以下時(shí)出現(xiàn)了更多的非晶顆粒。粒徑越小的金屬熔滴在霧化過(guò)程中傳熱系數(shù)越大，冷卻速率越快，因此當(dāng)金屬熔滴足夠小時(shí)，更有可能獲得可以實(shí)現(xiàn)非晶化的臨界冷卻速率，從而形成更多的非晶顆粒。非晶態(tài)金屬粉末擁有比晶態(tài)金屬粉末更加均勻的結(jié)構(gòu)和成分，用于再制造后形成的熔覆層具有更為優(yōu)異的硬度和耐磨性能。

圖5 不同粒徑的ER6車(chē)輪鋼粉末XRD圖譜

2.4 粉末流動(dòng)性和松裝密度測(cè)試

ER6車(chē)輪鋼粉末流動(dòng)性和松裝密度測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3可見(jiàn)，隨著粉末粒徑的減小，粉末的流動(dòng)性呈先增大后減小的趨勢(shì)。這主要是跟粉末粒徑和表面形貌有關(guān)，粉末粒徑較大時(shí)，受力后較粒徑小的粉末不易移動(dòng)，再結(jié)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(dòng)過(guò)程中的接觸點(diǎn)數(shù)從而增大了摩擦力，不利于粉末的流動(dòng)，因此流動(dòng)性隨粉末粒徑減小呈增大的趨勢(shì)。但是當(dāng)粉末粒徑小于58 μm時(shí)，流動(dòng)性卻出現(xiàn)減小的情況，這主要是因?yàn)榱捷^小的顆粒比表面積較大，相互間作用力增強(qiáng)，顆粒之間更容易發(fā)生粘附、團(tuán)聚等現(xiàn)象，在流動(dòng)過(guò)程中增加了摩擦力，從而流動(dòng)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(shì)。這主要是由于粉末粒徑減小時(shí)，粉末顆粒自身體積也會(huì)減小，相應(yīng)的粉末之間的孔隙率也會(huì)隨之減小，因此粉末的松裝密度呈增大的趨勢(shì)。但是當(dāng)粉末粒徑小于58 μm時(shí)，粉末之間因相互間作用力增大，產(chǎn)生粉末間團(tuán)聚，導(dǎo)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(chē)輪鋼粉末流動(dòng)性、松裝密度及比表面積

3 結(jié)論

采用氮?dú)忪F化制備的ER6車(chē)輪鋼粉末為非晶+晶體的雙相結(jié)構(gòu)，粉末粒徑為單峰分布且呈正態(tài)分布趨勢(shì)，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(wèi)星顆粒更多，金屬粉末表面和內(nèi)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(xì)化。

58～109 μm粒徑的粉末流動(dòng)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(dòng)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(qiáng)，產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致流動(dòng)性和松裝密度相對(duì)較差。58～109 μm粒徑的粉末為非晶+晶體的雙相結(jié)構(gòu)，因此較晶態(tài)金屬粉末具有更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和成分，其化學(xué)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(wèi)星球顆粒少，表面形貌光滑，流動(dòng)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(gè)粒度區(qū)間內(nèi)更適用于火車(chē)輪對(duì)再制造使用。