CN102121217A - 一种用于钢轨表面强化处理的在线激光淬火工艺 - Google Patents
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Abstract
一种用于钢轨表面处理的在线激光淬火工艺，其步骤包括：首先在钢轨表面涂覆一层吸光涂料，然后利用脉冲半导体激光在钢轨表面沿长度方向以一定速度扫描，在钢轨表面得到呈网格状布置的组织为细小马氏体的激光淬火点，所述激光淬火点面积为钢轨表面面积的50-80％，淬火点最深深度0.6-1.5mm。本发明中由马氏体和珠光体的复相组织，具有良好的强韧性，能显著提高钢轨的使用寿命。同时，激光淬火工艺方便调控、不需要淬火介质、不需要回火、工件变形小，并且半导体激光器体积小，可以方便推动，因此可以实现钢轨表面的在线激光淬火处理。
Description
技术领域
本发明涉及激光表面强化领域，具体是指一种用于钢轨表面强化处理的在线激光淬火工艺。
技术背景
钢轨是轨道交通的主要部件，钢轨与列车的车轮直接接触，其质量的好坏直接影响到行车的安全性和平稳性。我国铁路主要钢轨钢种主要是U71Mn和U75V，均为普通碳钢钢轨。随着列车速度、运量以及轴重的提高，这两种钢轨损伤的速率越来越快，已暴露出承载力不足，耐磨性不够，使用寿命不长的问题，使得钢轨损伤导致的安全事故时有发生，而我国每年用于更换和维修损伤钢轨的直接费用高达数十亿元。钢轨损伤一直是铁路运输中的一个关键问题，损伤类型主要是钢轨压溃、侧磨、波磨和剥离，占钢轨损伤量的80％以上。迄今为止，如何有效缓解和消除这些轨道伤损还没有行之有效的解决方法，只有采用直接更换钢轨的方式，使得铁路运营成本居高不下。
目前，有研究者探讨了这几种钢轨的损伤形式，认为钢轨损伤加剧主要是因为轮轨之间表面摩擦力的增加所致，而提高钢轨质量是预防钢轨损伤、延长钢轨寿命的最主要方法。为了提高铁道钢轨的使用寿命，国内外一般采取三种方法：第一，采用感应全长淬火工艺，控制冷速，获得细片状珠光体组织，增强钢轨韧性；第二，采用低合金高碳钢取代普通碳素钢；第三，采用贝氏体钢或者低碳马氏体钢取代高碳钢，进一步提高钢轨的表面硬度等。
但是上述方法各有不足。在过去几年中，全长淬火技术取得了显著的效果，使钢轨的耐磨性分别提高了50％(直道)和100％(弯道)。但是，大量实践表明，感应全长淬火钢轨的表面不能够出现马氏体甚至贝氏体组织，否则将大幅度降低钢轨的断裂韧性，导致钢轨在服役过程中出现断轨等事故，严重影响到铁道的安全运行。因此，全长淬火钢轨硬度一般控制在HV320-390之间，其耐磨性潜力的挖掘已经接近极限。低合金高碳钢钢轨与全长淬火技术相结合，可以进一步提高钢轨耐磨性，但是效果并不显著。低碳马氏体钢轨和贝氏体钢轨尚处于研发阶段，钢轨的焊接性方面还存在很大的问题和难度。
激光表面强化技术是近二十年发展十分迅速的金属材料表面强化之一，它包括激光淬火、熔凝淬火、表面合金化和表面熔覆技术等工艺，其共同特点是加热速度快、热影响区小、工件变形小，因此有望取代感应全长淬火工艺，成为新一代的钢轨表面强化工艺。
公告号为CN101109034的中国发明专利《铁路高速重轨激光淬火硬化工艺》中公开了一种铁路高速重轨激光淬火硬化工艺，通过在重轨表面喷涂混合好的SiO2吸光涂料提高金属表面对CO2激光的吸收率，采用宽带积分镜将激光光斑转变为矩形光斑，利用CO2激光器快速扫描钢轨表面，使钢轨表面实现快速加热和冷却，从而得到厚度为0.5-1.0mm，硬度为800-1100HV，组织为高碳马氏体和少量奥氏体的淬硬层。
但是上述工艺所提出的重轨激光淬火硬化工艺具有以下不足：第一、采用激光对钢轨进行整面淬火，提高钢轨硬度的同时，降低了钢轨的韧性，使得道岔部分的主要部件(如尖轨、护轮轨、基本轨、岔心)淬火后容易出现开裂现象。第二、该设备采用高功率CO2激光器作为光源，但是CO2激光器体积庞大，结构复杂，不易移动，不适用于钢轨的在线激光淬火技术。
发明内容
本发明的目的是针对上述背景技术存在的不足，提供一种用于钢轨表面强化处理的在线激光淬火工艺，它可以同时提高钢轨硬度和韧性，并且还可以实现在线的激光淬火。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于钢轨表面处理的在线激光淬火工艺，其步骤包括：首先在钢轨表面涂覆一层吸光涂料，然后利用脉冲半导体激光在钢轨表面沿长度方向以一定速度扫描，在钢轨表面得到呈网格状布置的组织为细小马氏体的激光淬火点，所述激光淬火点面积为钢轨表面面积的50-80％，淬火点最深深度0.6-1.5mm。
在上述方案中，所述淬火点为圆形或椭圆形。
优选地，所述吸光涂料采用质量分数为70-80％的石墨颗粒、质量分数为10-15％的ZnO颗粒和质量分数为10-15％的TiO2颗粒，用水混合均匀。
优选地，所述石磨颗粒、ZnO颗粒和TiO2颗粒为粒径小于1微米的亚微米颗粒。
优选地，所述涂覆在钢轨表面吸光涂料的厚度为0.01-0.1mm。
在上述方案中，所述脉冲半导体激光是指从半导体激光器发出的功率为0.8-2kW，脉宽为0.1-1s的脉冲激光。
优选地，所述脉冲半导体激光光斑为圆形，直径为3-10mm。
在上述方案中，所述半导体激光器固定在能沿钢轨以一定速度运动装载小车上，装载小车通过在钢轨上的运动实现脉冲半导体激光在钢轨表面沿长度方向以一定速度扫描的功能。
在本发明所述的在线激光淬火工艺中，由于脉冲半导体激光在钢轨表面以一定速度扫描，扫描处在激光作用下快速加热并快速冷却，可以在钢轨表面形成网格状布置的淬火点，淬火点组织为马氏体组织，淬火层深h为0.6-1.5mm，硬度HV700以上，激光淬火点的细小马氏体具有高的硬度和耐磨性。未处理区为珠光体具有较高的韧性，这种由马氏体加珠光体的复相组织，具有良好的强韧性，能显著提高钢轨的使用寿命。同时，本发明在激光扫描之前利用喷枪或毛刷在钢轨表面涂覆一层吸光涂料，能提高钢轨对激光的吸收效率，该配比的吸光涂料对半导体激光的吸收效率最好。
本发明所述的在线激光淬火工艺方便调控、不需要淬火介质、不需要回火、工件变形小，并且半导体激光器体积小，重量轻，可以方便地在钢轨上运动，因此可以实现钢轨表面的在线激光淬火处理。
本发明利用脉冲激光对钢轨表面进行点状淬火强化处理，通过控制激光功率、扫描速度以及圆形光斑直径等参数，在钢轨表面形成网格状布置的淬火点，同时由于钢轨本身的韧性，使得道岔部分的主要部件(如尖轨、护轮轨、基本轨、岔心)耐磨性提高的同时，降低了开裂的风险。
附图说明
图1为网格状淬火区示意图；
图2为淬火点的截面示意图；
图3为实施例1中淬火点处不同深度与硬度的关系曲线图；
图4为实施例2中淬火点处不同深度与硬度的关系曲线图；
1.淬火点、2.钢轨基材未处理区、3.激光淬火硬化层、4.激光淬火热影响区。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及相关特征做进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解。
实施例1：
首先用砂纸打磨钢轨表面去除钢轨表面铁锈等氧化物及污物后，用酒精进一步去除钢轨表面油污，以便于吸光涂层吸附。再将质量分数为70％的石墨颗粒、质量分数为15％的ZnO颗粒和质量分数为15％的TiO2颗粒与水混合得到吸光涂料。所述石磨颗粒、ZnO颗粒和TiO2颗粒为粒径小于1微米的亚微米颗粒。然后在清洁后的U71Mn钢轨表面用喷枪喷涂一层吸光涂料，使之形成厚度为0.01mm的喷涂层。最后将装载在小车上能发出脉冲激光的半导体激光器沿钢轨长度方向以2mm/s的速度扫描，在钢轨表面形成网格状的点状淬火区。所述脉冲激光是通过风扇叶片式斩光器实现的，所述风扇叶片式斩光器安装在半导体激光器的输出光路上，斩断半导体激光器发出的连续激光。控制叶片钢轴使其匀速转动，当风扇叶片运动到激光光路上时，光路被挡住无法出光；当风扇叶片离开激光光路时，光路正常出光，风扇叶片连续运动形成脉冲激光。所述脉冲半导体激光为功率为0.8kW，脉宽为1s的脉冲激光，激光光斑为圆形，直径为3mm。
如图1所示，本发明的淬火点1为圆形，直径为3mm，网格状布置，淬火点间沿激光器移动方向的间隔为激光脉宽1s与脉冲半导体激光器移动速度2mm/s、光斑直径3mm。淬火点1的截面示意图如图2所示，淬火点的硬度与淬火点至表面距离的关系如图3所示，可以获得硬度HV720以上，层深1.5mm的淬火硬化层。
实施例2
用砂纸打磨钢轨表面去除钢轨表面铁锈等氧化物及污物后，再用酒精进一步去除钢轨表面油污，以便于吸光涂层吸附。再将质量分数为80％的石墨颗粒、质量分数为10％的ZnO颗粒和质量分数为10％的TiO2颗粒与水混合得到吸光涂料。所述石磨颗粒、ZnO颗粒和TiO2颗粒为粒径小于1微米的亚微米颗粒。然后在清洁后的U75V钢轨表面用毛刷涂上一层吸光涂料，使之形成厚度为0.01mm的喷涂层。最后将装载在小车上能发出脉冲激光的半导体激光器沿钢轨长度方向以6mm/s的速度扫描，在钢轨表面形成网格状的点状淬火区。所述脉冲激光是通过风扇叶片式斩光器实现的，所述风扇叶片式斩光器安装在半导体激光器的输出光路上，斩断半导体激光器发出的连续激光。控制叶片钢轴使其匀速转动，当风扇叶片运动到激光光路上时，光路被挡住无法出光；当风扇叶片离开激光光路时，光路正常出光，风扇叶片连续运动形成脉冲激光。所述脉冲半导体激光为功率为1.2kW，脉宽为0.1s的脉冲激光，激光光斑为圆形，直径为5mm，淬火点间沿激光器移动方向的间隔为0.6mm。
在此工艺条件下，淬火点的硬度与淬火点至表面距离的关系如图4所示，可以获得硬度HV750以上，层深1.2mm的淬火硬化层。
实施例3
用砂纸打磨钢轨表面去除钢轨表面铁锈等氧化物及污物后，再用酒精进一步去除钢轨表面油污，以便于吸光涂层吸附。再将质量分数为75％的石墨颗粒、质量分数为12％的ZnO颗粒和质量分数为13％的TiO2颗粒与水混合得到吸光涂料。所述石磨颗粒、ZnO颗粒和TiO2颗粒为粒径小于1微米的亚微米颗粒。然后在清洁后的U71Mn钢轨表面用喷枪喷涂一层吸光涂料，使之形成厚度为0.1mm的喷涂层。最后将装载在小车上能发出脉冲激光的半导体激光器沿钢轨长度方向以10mm/s的速度扫描，在钢轨表面形成网格状的点状淬火区。所述脉冲激光是通过风扇叶片式斩光器实现的，所述风扇叶片式斩光器安装在半导体激光器的输出光路上，斩断半导体激光器发出的连续激光。控制叶片钢轴使其匀速转动，当风扇叶片运动到激光光路上时，光路被挡住无法出光；当风扇叶片离开激光光路时，光路正常出光，风扇叶片连续运动形成脉冲激光。所述脉冲半导体激光为功率为1.5kW，脉宽为0.1s的脉冲激光，激光光斑为圆形，直径为8mm，淬火点间沿激光器移动方向的间隔为1mm。
在此工艺条件下，得到的淬火点硬度可达HV700，硬化层深度可达0.8mm的钢轨。
Claims (8)
1.一种用于钢轨表面处理的在线激光淬火工艺，其步骤包括：首先在钢轨表面涂覆一层吸光涂料，然后利用脉冲半导体激光在钢轨表面沿长度方向以一定速度扫描，在钢轨表面得到呈网格状布置的组织为细小马氏体的激光淬火点，所述激光淬火点面积为钢轨表面面积的50-80％，淬火点最深深度0.6-1.5mm。
2.根据权利要求1所述的用于钢轨表面处理的在线激光淬火工艺，其特征在于：所述淬火点为圆形或椭圆形。
3.根据权利要求1所述的用于钢轨表面处理的在线激光淬火工艺，其特征在于：所述吸光涂料采用质量分数为70-80％的石墨颗粒、质量分数为10-15％的ZnO颗粒和质量分数为10-15％的TiO2颗粒，用水混合均匀。
4.根据权利要求3所述的用于钢轨表面处理的在线激光淬火工艺，其特征在于：所述石磨颗粒、ZnO颗粒和TiO2颗粒为粒径小于1微米的亚微米颗粒。
5.根据权利要求3所述的用于钢轨表面处理的在线激光淬火工艺，其特征在于：所述涂覆在钢轨表面吸光涂料的厚度为0.01-0.1mm。
6.根据权利要求1所述的用于钢轨表面处理的在线激光淬火工艺，其特征在于：所述脉冲半导体激光是指从半导体激光器发出的功率为0.8-2kW，脉宽为0.1-1s的脉冲激光。
7.根据权利要求6所述的用于钢轨表面处理的在线激光淬火工艺，其特征在于：所述脉冲半导体激光光斑为圆形，直径为3-10mm。
8.根据权利要求6所述的用于钢轨表面处理的在线激光淬火工艺，其特征在于：所述半导体激光器固定在能沿钢轨以一定速度运动装载小车上，装载小车通过在钢轨上的运动实现脉冲半导体激光在钢轨表面沿长度方向以一定速度扫描的功能。
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