CN102179613B

CN102179613B - 钢轨表面制备焊接层和涂层的方法及其焊料

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Publication number: CN102179613B
Application number: CN201110061029.7A
Authority: CN
Inventors: 张昆
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2011-03-08
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2031-03-08
Also published as: CN102179613A

Abstract

本发明公开了一种钢轨表面制备焊接层和涂层的方法及其焊料，其制备方法包括如下步骤：(1)采用电阻滚焊法将合金粉末与氧化物陶瓷粉末或与镍包氧化物陶瓷粉末混合的焊料焊接在钢轨的上表面，形成一层或两层结构重叠的焊接层；(2)对钢轨表面缓冷处理；(3)对钢轨表面采用机械或化学处理及烘干处理；(4)在钢轨上表面用添加了镍包或铝包氧化物颗粒的冷喷锌或冷喷铝或富锌或富铝涂料涂覆76-650μm厚的涂层，在钢轨的剩余表面涂覆10nm-5mm的反光隔热降温涂层或智能调温涂层。本发明使钢轨隔热降温，大幅度降低了钢轨的温度应力，使列车运行安全，并使钢轨防腐耐侯，导电性好，使用寿命长。

Description

钢轨表面制备焊接层和涂层的方法及其焊料

技术领域

本发明涉及一种钢轨表面制备焊接层和涂层的方法及其焊接材料。

背景技术

随着我国经济的快速发展，加快了铁路列车提速的趋势。相应产生了铁路的安全问题。

铁路的安全问题之一，在于因钢轨的温度变化产生的钢轨伸缩力和温度应力，造成了对行车的安全隐患。具体地说，钢轨的温度随着一年春夏秋冬的环境气温的变化而变化，相应地会产生钢轨的纵向伸缩力和随之产生的巨大温度力，这会对铁路线路产生巨大的破坏性影响。

为了控制钢轨的自由伸缩量和钢轨全断面上巨大的温度力，在铁路工程中，人们通过钢轨扣件、夹板、螺钉以及相关的轨枕、碎石等设施和部件，需要对钢轨逐段固定，并把钢轨的伸缩相应限制在一个很小的、许可的安全范围内。也就是说，在保证列车安全行驶的同时，不得不增大线路设施施工成本和管理、养护维修的成本。

铁路的安全问题之二，在于保证重载高速行车的运行平衡状态的同时，要保证高速、重载列车所用钢轨质量和钢轨表面伤损后的修复质量，必要时还要保证列车回路电流信号的畅通而使钢轨表面具有良好的导电性能，为此要保证钢轨表面金属焊接层的质量。同样，为避免再用低速列车用过的钢轨及其配件材料造成的安全隐患，无疑还要增加购买新钢轨的成本和管理费用。

本发明专利申请者的发明思想，是通过发明一种钢轨表面制备焊接层和涂层的方法及其焊接材料，减小现有有缝铁路线路和无缝铁路线路内的温度力，降低线路的部分成本，提高铁路运行的安全性。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一，在于提出了一种减小铁路线路温度力的耐磨隔热、降温、耐腐蚀钢轨的制备方法。

本发明的另一目的，在于提出了与一种钢轨表面制备焊接层和涂层的方法相配套的焊接材料。

本发明的技术思路是：先以镍基自溶性粉末与掺入氧化物陶瓷粉末或镍包氧化物陶瓷粉末的混合物粉末为焊料，采用电阻滚焊的装置和方法，在钢轨的上表面制备以该焊料构成的一层或两层结构重叠的焊接层，再在钢轨的表面喷涂导电耐腐的隔热涂层；或者先在钢轨的上表面喷涂导电耐磨隔热涂层，再在除钢轨的上表面以外的钢轨表面上喷涂耐磨隔热、降温的涂层。

本发明采用的技术方案是：利用电阻滚焊的方法在钢轨上表面(轨顶)制备导电隔热的焊接层；采用喷涂法或辊涂法或刷涂法在钢轨的其余表面涂覆隔热、降温的耐腐耐磨涂层；其制备方法包括如下步骤：

①焊接

先在钢轨表面上经过机械处理或化学处理，使其除锈除油和烘干，并在露出新鲜金属光泽表面设置一层合金粉末与氧化物陶瓷粉末或与镍包氧化物陶瓷粉末的混合粉末，或者设置两层合金粉末与氧化物陶瓷粉末的混合粉末；第一层混合粉末的化学质量百分比(wt％)的组成为C 0.1～0.5，B 0.5～5，Si 1～5，Cr 4～16，Cu 3～18，Fe 3～14，纳米Ni 2～10，在Ni/纳米ZrO₂(Ni 2～3，Y₂O₃ 0.3～0.4，纳米ZrO₂ 5～12)、Ni/纳米AI₂O₃(Ni 2～5，纳米AI₂O₃ 4.3～12)、Ni/TiO₂(Ni 2～6，TiO₂ 4～10)中选择一种或两种，Ni余量；第二层混合粉末的化学质量百分比(wt％)的组成为C 0.3～0.4，B 2.3～2.5，Si 2.4～2.6，Cr 8.4～10.6，Cu 4.8～10.2，Fe 6.2～6.4，SiO₂ 0.2～1.2，TiO₂ 1.0～3.0，Ni余量。

再在电阻滚焊装置系统中，连接好从电阻滚焊脉冲电源的正、负极分别到滚轮电极的火线、到钢轨表面间构成回路的地线，涂布在钢轨上表面(轨顶)的混合粉末宽度为2.5～3.0mm，第一层粉层或第一层与第二层粉层厚度均为0.2～0.3mm，将宽度为5mm的滚轮电极压在混合粉末上，使加载30～50kg的负荷后的滚轮电极向前移动。

然后接通电流峰值为3000A、工频为20Hz的低脉冲电源，进行电阻滚焊。

②缓冷处理

完成焊接过程后，用保温毡或保温毯覆盖在钢轨表面上，进行缓冷处理，以便在保护性温度气氛下扩散退火，减小钢轨的热应力。

③表面处理

在缓冷处理了的钢轨表面(除焊接层表面外)，经过轻度或适度的机械处理或化学处理的除锈过程，再次除掉自第一次熔覆前对钢轨表面处理后超过4小时的钢轨表面又会产生的氧化薄膜，使钢轨表面重新露出洁净的金属光泽，再经表面清理整形及烘干，使烘干干燥温度≤50℃。

④喷涂

选用喷涂法或人工刷涂法或辊涂法，在钢轨表面涂覆厚度为20～600μm或者厚度为76～650mm的涂层，该冷镀层是冷喷锌涂料、冷喷铝涂料、富锌涂料、富铝涂料、富锌铝涂料中的任意一种或任意两种混合涂料与添加化学质量百分比为2～22％的镍包纳米氧化物(或镍包氧化物)或2～22％的铝包纳米氧化物(或铝包氧化物)中的纳米氧化锆(或氧化锆)、纳米氧化铝(或氧化铝)、纳米二氧化钛(或二氧化钛)、纳米氧化锌(或氧化锌)、镍包纳米氧化锆、镍包纳米氧化铝、镍包二氧化钛、镍包氧化锆、镍包氧化铝粉末的任意一种或任意两种粉末并掺入适量稀释剂，再经过充分搅拌均匀后的混合涂料，涂覆到钢轨的表面上；喷涂前在焊接层的表面盖上遮盖条(板)，喷涂后取掉遮盖条(板)；并按上述喷涂涂料及喷涂方法，在钢轨的上表面喷涂厚度为76～300μm的涂层，然后在剩余的钢轨表面喷涂厚度为76～100μm的涂层(或不喷涂76～100mm厚的涂层)；紧接着，将焊接层表面或将包括焊接层在内的焊接层附近的表面用2.5～15mm宽的条(板)遮盖掉后，再在钢轨的表面喷涂10nm～5mm厚的反射隔热保温涂料或防晒降温涂料或散热降温涂料或智能调温涂料；同样，喷涂前在焊接层表面盖上遮盖条(板)，喷涂后取掉遮盖条(板)。这里及本文中的遮盖条(板)是遮盖条或遮盖板。

根据不同的环境条件要求，还可在上述钢轨涂层的表面，再用喷涂法或刷涂法或辊涂法涂覆上相配套的面漆。例如抗冲击性、隔热的YNMT-939G钢结构隔热防腐漆 (南宁外墙保温厂生产)，透明、隔热的RPM(智能液晶)隔热涂料(佛山市璀佩姆智能涂料有限公司生产)等。当然，也可以不涂覆面漆。

最后，完成按本发明制备的成品钢轨的吊装、堆垛和入库工作。

完成本发明所产生的如下有益的实际效果是：

1、在环境温度下，全面降低了钢轨本身在春夏、夏天、夏秋间的温度(冬天可减少钢轨的热量损失)，从而避免了钢轨温度应力过大造成的钢轨胀轨跑道、列车运行安全事故等，降低了铁路线的维修成本。

2、制备在钢轨上表面的焊接层及涂层具有良好的导电性能，保证了列车电路信号的正常接收和发送，保障了行车的安全性。

3、所选择焊接层的材料成分、焊接方法将焊接层的熔点控制在970℃～1160℃的范围，从而避免了因焊接温度过高(不锈钢带焊接法及电弧焊接法易使钢轨表面形成1100℃～1350℃的高温)带来的导致钢轨变形及脆性裂纹等损害。

4、由于焊接层具有一定的硬度范围(HRC 28～50)，因而拓宽了钢轨的使用范围，降低了钢轨上表面的磨损，延长了钢轨的使用寿命。

5、耐腐蚀涂层对钢轨表面具有防锈防腐蚀作用，从而延长了钢轨的使用寿命，节约了铁路线路成本。

附图说明

图1是钢轨表面电阻焊滚焊合金粉末与氧化物陶瓷粉末或与镍包氧化物陶瓷粉末的混合粉末示意图。

在图1中显示了焊接装置系统中大电流脉冲电阻滚焊电源(1)，电焊机输出电缆(2)，行走小车及机架(3)，安装在随行走小车及机架下的滚轮电极(4)，行走小车及机架上的加载机构(5)，钢轨(6)，焊接层(7)，合金粉末与镍包氧化物粉末的混合粉末(8)，形成焊接层的焊接方向(9)。

图2是放置焊接用粉末的矩形粉末槽示意图。它依次由左视图、正视图、右视图和俯视图构成。

下面通过具体实施方式进一步说明但并不限定本发明。

具体实施方式

实施例一：在钢轨上表面焊接材料的制备

本实施例包括焊接准备、焊接及缓冷处理三个步骤。

(1)焊接准备

首先，要准备好焊接用粉末。

由于合金粉末及氧化物陶瓷粉末的粒径与焊接层熔点、硬度及涂覆质量与性能均有密切关系，所以本发明先利用常规的机械研磨粉末技术和氧化物陶瓷粉末、镍包氧化物粉末的制备技术，再采用所需粉末间按质量比的混合技术，可制备该焊接材料粉末。实际制备时，可在镍基自熔性合金粉牌号中，先选用硬度为HRC 35～50、粉体粒径为53μm～110μm的NiCrBSi系粉作为A₀组分，再选用53μm以上的常规产品Cu粉作为B₀组分，然后按照重量比为

或者重量比为

分别称出A₀、B₀粉末，最后在研磨机上研磨。制备出A组分的成品粉体粒径为23μm～53μm，B组分的成品粉体粒径为13μm～23μm，混合A、B组分，使A+B的混合物成品粉体粒径达到13μm～53μm，备用。使用时按焊接材料的化学质量百分比添入。

同样，纳米Ni的粒径研制为10～20nm，使用时按焊接材料的化学质量百分比(wt％)单独添加。

具有隔热、降温性能的镍包氧化物陶瓷粉末有Ni/AI₂O₃，Ni/TiO₂、Ni/ZrO₂等，分别表示镍包氧化铝(或镍包纳米氧化铝)、镍包二氧化钛(或镍包纳米二氧化钛)、镍包稳定的或部分稳定的氧化锆(或镍包纳米氧化锆)，其粒径为20μm～100μm。也可由北京矿治研究总院、先导(益阳)等粒子粉末有限公司等提供，上述镍包氧化物的粉体粒径一般为44μm～104μm。牌号有KF-45型、PR4431型等(商家按用户需求可提供不同的粒径尺寸)，可按焊接材料的化学质量百分比混合使用。

所添加的氧化物陶瓷粉末，例如SiO₂、AI₂O₃、ZrO₂和TiO₂等，可以是微米级，或纳米级。

镍包氧化物陶瓷粉末也可用镍包纳米氧化铝和镍包纳米氧化锆等，它们的核心粉末粒径为10nm～850nm。包括超细粉体、纳米粉体均可由北京矿冶研究总院、合肥翔正化学科技有限公司等研制和提供。外包层的镍粒粒径与前述的A组分、B组分的粉体粒径及A+B的混合物粉体粒径相同，使用时按焊接材料的化学质量百分比添加。

上述添加后的粉末是配好的合金粉末和氧化物陶瓷粉末的复合粉末，将该复合粉末倒入球磨机中混合均匀，干燥100℃，干燥2h。

实施结果表明，粉体粒径大小是制备熔点为970℃～1160℃焊接材料的主要条件。

其次，处理好钢轨表面

焊接前，对各种钢轨(包括新生产的钢轨、旧钢轨以及符合再生产标准的回收钢轨)的表面进行机械处理：可以利用喷砂除锈法将硬质颗粒高速喷射到钢轨表面，以便去锈去油污，直到露出钢轨表面新鲜金属光泽为标准；或者采用匀速的电动砂布轮装置(例如MBC-14-L型钢轨除锈机)，打磨掉钢轨表面的氧化层或油污层(一般刷锈打磨，深度不超过0.2mm)，直到露出新鲜的金属光泽为止。

最后，在钢轨的上表面，放置上焊接用粉末的矩形粉末槽。

如图2所示，本发明用板材围成一个上下连通的细长矩形粉末槽。将该粉末槽沿钢轨纵向轴线的方向放置在钢轨的上表面，该粉末槽的前后板材可以挡住粉末，而其左右板材的下部留有与预设粉体厚度相同高度的空档，以便连续铺设焊接用粉末。该粉末槽长约10～25cm，宽约2～15mm，空档高0～0.3mm。本实施例中可用长20cm、宽3mm、空档高0.3mm、左右板材高0.5～5mm的矩形粉末槽。使用时，每次把备好的焊接用粉末(如前述段号[0012]中混合粉末的具体化学质量比例的组成)放置在钢轨上表面的矩形粉末槽内(两侧的空档便于使已铺在钢轨上表面的粉末与槽内的粉末衔接在一起)，再用毛刷刷平(或用刮板、刮条刮平)粉末，然后轻轻向上提起并拿开矩形粉末槽。于是，细长的矩形焊接用粉末被放置在沿钢轨上表面纵向轴线的方向上了。或者，锦上添花的做法是，在未提起并拿开矩形粉末槽前，还可以用滴管向粉末槽内滴些无水乙醇，使粉末颗粒间粘接在一起，再轻轻向上提起并拿开矩形粉末槽。其效果是：焊接中未挥发掉的乙醇，在高温电阻热的作用下迅速分散成水气和二氧化碳，以便在焊接层与滚轮电极间自然形成一层保护气层，即减少了空气对熔融与焊接层的入侵，又保护了电极表面不被焊接层熔蚀，还能在遇到刮风天气时，钢轨上表面的焊接用粉末不被吹散，便于作业。当然，也可以不用矩形粉末未槽，而用无水乙醇将焊接用粉末调成浆糊状粉末，再用毛刷、刮板及刮刀像泥瓦匠抹灰浆一样，把糊状粉末涂覆在钢轨的上表面。

(2)焊接

为了防止焊接部位的热影响区在焊接时产生裂纹，可以在焊接前对钢轨预热，预热温度达到350～450℃。具体焊接程序如图1所示，先连接好从电阻滚焊电源(1)上的正极到滚轮电极(4)的火线(电缆线)(2)，连接好从电阻滚焊电源(1)上的负极到钢轨表面间构成的回路地线(电缆线)(2)；再将滚轮电极(4)压在焊接用粉末层(8)上；然后适当调整加载机构(5)上的载荷为30kg，并使行走小车开始行走，同时行走小车带动滚轮电极(4)向前移动；最后接通电流峰值为3000A、工频为20Hz的低脉冲电阻滚焊电源(1)的开关，开始焊接。电阻滚焊的原理和过程是：从火线到地线间流经滚轮电极上的巨大脉冲电流，通过压在滚轮电极(4)下的粉末层(8)时，将在该粉末层接触面上形成很大的接触电阻，瞬间会产生大量的电阻热，该电阻热会逐步熔融接触面及邻近区域的焊接用粉末。随着滚轮电极(4)的向前移动，已经熔融了的粉末物质，将在滚轮电极(4)的后面迅速凝固，形成所要制备的焊接层(7)。由于电阻滚焊是动态焊接过程，因而电阻热不断在接触面上释放出来，并同时向前扩散，防止了静态接触面上的热量过度累积及温度骡然升高现象。其熔点为970℃～1160℃，普遍低于电弧焊和不锈钢带材的熔点(1100℃～1350℃)，这就大大降低了钢轨焊接后产生脆性裂纹、焊接应力和焊接变形等风险的可能性。

(3)缓冷处理

完成焊接过程后，为了防止高温钢轨暴露在环境温度下骤然遇冷而发生形变和出现裂纹，用保温毯、保温毡等覆盖在钢轨表面上，进行缓冷处理。例如，保护性气芬下的温度可选择在650～760℃，保温8-10小时，最后直到轨温接近环境温度为止。

当然，还应根据钢轨的种类、型号及焊接环境条件等情况，控制缓冷温度和缓冷时间；也可以不对钢轨进行缓冷处理。

实施例二：钢轨表面制备焊接层和涂层的方法

(1)完全重复实施例一中的焊接准备、焊接过程的操作步骤、操作方法和工艺参数，其中不同的一点是，向矩形粉末槽中倒入作为第一层的约0.2mm厚的混合粉末(实施例一中约为0.3mm厚)，用毛刷刷平或用刮条刮平，然后向矩形粉末槽中再倒入作为第二层的约0.1mm厚的混合粉末，用毛刷刷平或用刮条刮平。混合粉末的化学质量百分比(wt％)的组成为C 0.3～0.4，B 2.3～2.5，Si 2.4～2.6，Cr 8.4～10.6，Cu 4.8～5.2，Fe 6.2～10.4，SiO₂ 0.2～1.2，TiO₂ 0.5～1.0，Ni余量。

(2)焊接

完全重复实施例一中焊接的操作步骤、操作方法、操作过程和工艺参数。

(3)缓冷处理

完全重复实施例一中缓冷处理的过程和操作方法。

(4)表面的再处理

再次用砂布轻度磨擦或用电动砂布轮适度打磨掉经缓冷处理后超过4小时的钢轨表面又产生的极薄的氧化膜层，使其再次露出洁净的金属光泽；清理尘土，然后用热风干燥，干燥温度≤50℃。

(5)表面的喷涂

紧接着，用2.5～3mm宽的遮盖条(板)遮盖掉焊接层，仍将正置(轨底朝下)的钢轨送入喷涂室，用喷涂法或辊涂法或刷涂法在钢轨表面涂覆厚度为0.1～0.3mm的散热降温涂料，例如ZS-411新型散热涂料(北京志盛华威科技发展有限公司生产)；紧接着，将倒置(轨底朝上)的钢轨表面，同样采用喷涂法或辊涂法或刷涂法，涂覆厚度为0.1～0.8mm的散热降温涂料，例如ZS-411新型散热涂料。

涂装完成后，取下遮盖条(板)。

最后，完成钢轨的吊装、堆垛、入库工作。

下面通过实验组和对照组的比较来得出不同的检验结果。

实验组-用电阻滚焊法在U71Mn旧钢轨表面上焊接混合粉末层

焊接装置：如图1、如图2所示。

第一层混合粉末的化学质量百分比(wt％)的组成为C 0.3～0.4，B 2.3～2.6，Si 2.4～2.6，Cr 6.4～6.6，Fe 6.2～6.4，Cu 9～11，纳米Ni 5～8，Ni/纳米ZrO₂(Ni3.2～4.2，Y₂O₃ 0.5～0.6，纳米ZrO₂ 5～12)，余量Ni，厚为0.2mm；第二层混合粉末的化学质量百分比(wt％)的组成为C 0.3～0.4，B 2.3～2.5，Si 2.4～2.6，Cr 8.4～10.6，Cu 4.8～5.2，Fe 6.2～8.4，SiO₂ 0.2～3.2，TiO₂ 0.5～1.0，Ni余量，厚为0.1mm。

第一层混合粉末粒径：其中纳米Ni、纳米ZrO₂的粒径为10～50nm，其余粉末的粒径为13～53μm；第二层混合粉末粒径：SiO₂、TiO₂是微米极，其余粉末的粒径为12～53μm。

焊接过程：采用匀速移动的电动砂布轮装置，打磨掉钢轨上表面(轨顶)及其余钢轨表面上的锈蚀层，直到露出新鲜的金属光泽；分别连接好从电阻滚焊电源的正极到钢轨上表面的火线、电源的负极到钢轨侧面的回路地线；将长20cm、宽3mm、空档高0.3mm的矩形粉末槽放在沿钢轨纵向轴线方向的钢轨上表面的中央位置上，再向矩形槽内放入第一层和第二层总厚为0.3mm的混合粉末，用刮条刮平(或用细毛刷刷平)，往矩形槽内滴入无水乙醇，再轻轻向上提起并拿开矩形粉末槽；将宽为5mm滚轮电极(4)压在混合粉末上，加载30kg的载重并向前移动滚轮电极(4)；接通电流峰值为3000A、工频为20Hz的低脉冲电阻滚焊电源(1)的开关，开始焊接。

焊接后的检验结果：

A、在钢轨上表面的焊接层的实际宽度为2～2.5mm；

B、焊接层的硬度为HRC＞30；

C、在焊接层的侧面用钢锉平端面剔除焊接层时，钢轨表面不留剥离坑；

D、滚轮电极表面没有出现氧化变黑现象和烧蚀变形现象；

E、纳米氧化锆对于太阳光具有高反射性能，它可使夏天钢轨轨温降低5～10℃以上，焊接层具有良好的隔热效果。

对照组-用电阻滚焊法在U71Mn旧钢轨表面上焊接不锈钢带

焊接装置：在图1中用不锈钢带(8)替代混合粉末(8)，则图1就是电阻滚焊法在钢轨表面上焊接不锈钢带的示意图。

不锈钢带：宽度3mm，厚度0.30mm，材质为1Cr18Ni9Ti。

焊接过程：采用匀速移动的电动砂布轮装置或者利用除锈刷面机，打磨掉钢轨表面上的锈蚀层，直到露出新鲜的金属光泽；分别连接好从电阻滚焊电源的正极到钢轨上表面的火线、电源的负极到钢轨侧面的回路地线；将不锈钢带放在沿钢轨纵向轴线方向的钢轨上表面的中央位置上，并用焊机先把其起始端焊在钢轨上；然后将宽为5mm的滚轮电极(4)压在不锈钢带上，加载30kg的载重并向前移动滚轮电极(4)；继续接通电流峰值为3000A、工频为20Hz的低脉冲电阻滚焊电源(1)的开关，开始焊接。

焊接层的检验结果：

A、钢轨上表面与不锈钢带间的实际熔焊宽度为1.5～2.0mm；

B、不锈钢焊接层的硬度为HRC17(或HB170)；

C、用钳子夹紧不锈钢带的一端，并重直于钢轨上表面，用力向上撕开焊接层，发现与焊点处对应的钢轨上表面存在剥离坑，并在焊点区存在微裂纹；

D、在滚轮电极表面有多处的氧化变黑现象和烧蚀变形现象；

E、不锈钢带不含隔热物质，因而不具备隔热效果。

比较实验组和对照组后，可以得出显而易见的结论：

a、同等焊接输出功率下，实验组比对照组的实际熔焊宽度从1.5～2.0mm增加到2～2.5mm，对应增加了0.5mm，从而提高了焊接材料的熔化效率；

b、实验组比对照组的焊接层的硬度大幅度增加，从而提高了焊接层的耐磨性；

c、实验组的滚轮电极几乎无损，这可减少维修和更换滚轮电极的成本，从而提高了焊接效率；

d、当强行拆除焊接层及不锈钢带后，实验组对钢轨表面产生的损害远比对照组小；

e、实验组较之对照组使焊接层具有了隔热作用。

实施例三：钢轨表面的焊接层和涂层的制备方法

在实施例一的基础上，本实施例是将经冷却的钢轨再通过表面处理和表面喷涂两个步骤完成本发明的任务。

(1)表面处理

①钢轨表面的化学处理和机械处理

钢轨表面处理方法可以从化学处理和机械处理中任选一种。

化学处理：由传送钢轨装置和吊放钢轨装置，依次把一根或数根正置(轨底朝下)的钢轨水平放入化学处理槽(即盛有化学处理液的洗涤槽)内，并使钢轨的上表面(其中至少是将焊接层)露出化学处理液面，然后经过无声波或超声波振荡洗涤处理，可以在其表面达到实施喷涂的标准为止。

机械处理：除钢轨上表面的焊接层外，利用砂布轮装置或者利用除锈刷面机对钢轨的表面进行除锈，经过刷锈打磨后使钢轨表面露出金属光泽(一般焊前作了彻底除锈，熔焊后再进行稍微的轻度打磨)。MBC-14-L型钢轨除锈机按钮的自动操作程序一般为：A、完成操作前的准备程序，使机器处于初始状态。B、操作盘上的手动状态按钮灯亮，若除锈机内没有钢轨，输入和长轨头按钮灯闪亮。C、若按长轨头按钮，长轨头按灯亮，按自动状态按钮，按钮灯亮，接通钢轨传送选择开关和控制开关，待除锈钢轨由操作人员控制，从传送辊进入钢轨除锈机，钢轨的尾端被停止于位置2，下一根待除锈钢轨的前端停在位置1。D自动进入水平除锈、间隙控制、重直除锈、圆弧处除锈作业。E、除锈作业完成后，前根钢轨被自动移出除锈机。后一根钢轨由操作人员控制向出口移动，钢轨尾端自动停止位置2。F、输入按钮灯亮，准备进行下一作业循环。G、自动作业中，在水平或垂直按钮灯闪亮时，可再次重复前次的作业。

②钢轨表面的清理和干燥

将化学处理后的钢轨，通过吊放、传送钢轨装置，可置入水漂洗槽内清洗(当然也可以不需水洗处理)；再用电动砂布轮或用砂布适度或轻度打磨实施例一中打磨过的钢轨表面，使其再次露出金属光泽；然后用不高于50℃的干燥热风干燥。

或用钢轨除锈机打磨除锈后，也可将钢轨表面用不高于50℃的干燥热风干燥。

(2)表面喷涂

紧接着，用2.5～3mm宽的遮盖条(板)把焊接表面遮盖掉后，仍将正置(轨底朝下)的钢轨送入喷涂室。

用无气喷涂法、有气喷涂法、静电喷涂法中的一种喷涂法(也可以用人工刷涂法或辊涂法)在钢轨表面涂覆厚度为76～350μm的涂层，该冷镀层是冷喷锌涂料、冷喷铝涂料、富锌涂料、富铝涂料中的任意一种或任意两种混合涂料与添加化学质量百分比(Wt％)为2～17％的镍包或2～15％的铝包纳米氧化锆、镍包钠米氧化铝、镍包纳米氧化钛、镍包纳米氧化锆、镍包氧化锌中的一种或两种粉末的混合粉末经混合后的混合物涂层。所述的镍包或铝包的核芯氧化物陶瓷粉末，当然也可以是氧化锆、氧化铝、氧化钛、氧化锌粉末，例如在上述每一种涂料中按化学质量百分比(wt％)的组成添加2～15％的氧化锆粉末、氧化钛粉末、氧化铝粉末、氧化锌粉末中的一种或两种。

具体在上述每一种涂料中添加氧化物陶瓷粉末或镍包、铝包氧化物粉末时，可以用相应涂料的稀释剂配制成混合涂料。

上述所用涂料包括无机类硅酸盐、无机类磷酸盐、有机类涂料。作为本发明的应用例，依次面市的有冷喷锌涂料和冷喷铝涂料(上海仲钰新实业有限公司)和托伦牌冷喷锌及冷喷铝涂料(深圳市天驰防腐涂料有限公司)以及ZD96-1牌锌盾冷喷锌涂料(无锡华东锌盾科技有限公司)、ET-98牌涂料(杨州金陵公司)、HI--PON20牌涂料(立邦公司)等。

紧接着，依据上述涂料和涂覆方法将倒置(轨底朝上)的钢轨送入喷涂室内喷涂。具体涂覆掉包括钢轨的上表面、上表面与轨腰之间的表面、轨腰表面、轨腰表面到钢轨下颚至轨底的表面，必要时涂覆掉钢轨轨头的横截面，即涂覆掉除焊接层以外的钢轨表面。最后，完成钢轨的吊装堆垛和入库工作。

实施例三的检验结果举例

用牌号为ZT/SGW-10210型的数字存储钢轨温度记录仪，测量出钢轨表面的温度为(56.2±0.1)℃。

选用牌号为GZH204无机磷酸富锌涂料，推荐用单组份的GZH207无机磷酸盐富锌涂料(成都天合宏业科技有限公司生产)，并按化学质量组成成分为6～8％的比例添加纳米氧化锆粉末或镍包纳米氧化锆颗粒，并掺入适量XL-1富锌涂料专用稀释剂经充分搅拌均匀后，用无气高压喷涂装置在钢轨表面喷涂厚度为80～100μm的涂层。

A、力学试验结果

冷度涂层硬度≥2H(GB/T6739-96)；涂层与钢轨表面的附着力为1级 (GB/1720-79)；涂层的柔韧性≤1mm(GB/T1731-93)；耐冲击性为50·cm(GB/T1732-93)。

B、防锈试验结果

涂层的防水性良好，耐盐雾的测试时间为100h，涂层无剥落，无起泡，未出现锈斑。

C、降温试验结果

仍用上述涂料和无气高压喷涂装置在除焊接层外的钢轨表面再喷涂250μm厚的涂层，使总厚度达到80～350μm，按350μm厚喷涂，并测量钢轨的表面温度降至(46.1+0.1)℃以下。同比表面温度至少降低了10度。

实施例四钢轨表面的焊接层和涂层的制备方法

仍然完成实施例一和实施例三中的表面处理。紧接着完成下述表面喷涂步骤：

(2)表面喷涂

紧接着，将正置(轨底朝下)的钢轨送入喷涂室内，并按实施例三的喷涂涂料及喷涂方法在钢轨的上表面喷涂厚度为76～300μm的涂层；然后倒置钢轨(轨底朝上)，在剩余的钢轨表面喷涂厚度为76～100μm的实施例三中的涂料(也可以在剩余的钢轨表面上不喷涂)。

紧接着，用2.5～5mm宽的遮条(板)或用5～15mm的遮条(板)遮盖掉焊接层表面或包括焊接层在内的焊接层两边附近的表面后，再在钢轨的表面喷涂10nm～5mm厚的反射隔热保温涂料或防晒降温涂料或智能调温涂料等。

最后，取掉遮条(板)，完成钢轨的吊装、堆垛和入库工作。

实施例四的检验结果举例：

用牌号为ZT/SGW-10312型的数字存储钢轨温度记录仪，测量出钢轨表面的温度为(59.8±0.1)℃。

例1：涂层的力热、防锈试验结果

在除了焊接层外的钢轨表面上，用无气高压喷涂法(或涂刷法)直接喷涂厚度为0.8mm、牌号为ZS-211型的反射隔热保温涂料(北京志盛威华科技发展有限公司生产)。

A、力学试验结果

冷度涂层硬度为6H；涂层与钢轨表面的粘结力强，附着力为1级；抗拉强度≥2.5Mpa。

B、防锈试验结果

涂层的防止水汽凝结性好，有效地隔离水汽，耐候性强，涂层无裂纹，久不粉化，寿命长；抗酸碱，耐盐雾环境实验＞500h，其表面无腐蚀性变化。

C、降温试验结果

涂料的导热系数达到0.04W/m.K；当涂料厚度为0.3mm时，同比钢轨表面温度为(47.6±0.1)℃，厚度为0.8mm时，同比钢轨表面温度为(36.8±0.1)℃，同比表面温度分别下降了12.2℃、23.8℃。

当涂料厚度为0.8mm时，经测算，钢轨内空间温度降低4.8～7℃。

按轨温下降1℃，60kg/m钢轨全断面(截面积77.45m²)上受到的应力为19362.5N计算，当下降至少4.8℃时，钢轨全断面上至少减少9.29吨的温度应力！

例2：在除了包括钢轨焊接层表面在内的焊接层附近2.5～15mm以外的剩余表面(该剩余表面上已涂覆了76～100μm的涂层)上，再喷涂300μm厚的牌号为RL-02型的日光热反射温控涂料(西安天元化工有限责任公司提供)，涂层总厚度为76～400μm。

A、力学试验结果

涂层与钢轨表面的粘结力强，附着力为1级(划圈法GB1720)；抗冲击强度(J)＞4(GB/T1732)。

B、防锈试验

在高温(温度≥95％R·H)、环境温度为50℃以下时，测试时间≥3000h，涂层无锈斑、锈迹出现。

C、降温试验结果

当涂料总厚度达到400μm时，同比钢轨表面温度≥(49.8±0.1)℃。同比表面温度下降了10度以上。经测算，钢轨内空间温度下降低5～7℃。按轨温下降1℃、60kg/m钢轨全断面(截面积77.5cm²)上受到的应力为19362.5N计算，则当下降至少5℃时，钢轨全断面上至少减少9.681吨的温度应力！

实施例五：钢轨表面的并列焊接层和涂层的制备方法

在完成实施例一的过程中，事先将长20cm、宽3mm、空档高0.3mm的矩形粉末槽放在沿钢轨上表面中心线一侧，例如左侧，然后仍然按照实施例一的操作步骤和操作方法，完成焊接层的焊接工作；紧接着，在尚未冷却的钢轨表面中心线的另一侧，例如右侧，继续按照实施例一的操作步骤和操作方法，对称地焊接合金层，并完成焊接层的焊接工作。然后按照实施例三的操作步骤和操作方法，完成表面处理和表面喷涂的两个步骤，完成本发明的任务。

在本实施例中，制备在钢轨上表面的焊接层的宽度是原来焊接层宽度的2倍，即焊接层宽度由原来的2.5mm变为5mm，在钢轨上表面形成了并列的焊接层。其优点是避免了频繁运行列车的一个车体的四组车轮可能都与熔覆层接触不上，导致白光带现象的发生。当然，另一方面，增加了熔覆成本，这也是它的缺点。

Claims

1.一种钢轨表面制备焊接层和涂层的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、焊接，在经过机械处理或化学处理并露出新鲜金属光泽的钢轨上表面设置一层或两层厚度为0.2～0.3mm、宽度为2.0～5mm的合金粉末与氧化物陶瓷粉末或与镍包氧化物粉末的混合粉末；采用电阻滚焊法，将一层或二层混合粉末焊接在钢轨的上表面，并形成焊接熔点为970～1160℃的焊接层；在钢轨上表面设置的混合粉末是下列一层或两层混合粉末中的任意一种：

a、所设置的一层混合粉末的质量百分比(wt％)的组成为C 0.1～0.5，B 0.5～5，Si 1～5，Cr 4～16，Cu 3～18，Fe 3～14，纳米Ni 2～10，在包含Ni 2～3、Y₂O₃ 0.3～0.4、纳米ZrO₂ 5～12的Ni/纳米ZrO₂、包含Ni 2～5、纳米Al₂O₃ 4.3～12的Ni/纳米Al₂O₃、包含Ni 2～6、TiO₂ 4～10的Ni/TiO₂中任意选择一种或两种，Ni余量；

b、所设置的第一层混合粉末的质量百分比(wt％)的组成为C 0.3～0.4，B 2.3～2.6，Si 2.4～2.6，Cr 6.4～6.6，Cu 9～11，Fe 6.2～6.4，纳米Ni 5～8，包含Ni 3.2～4.2、Y₂O₃ 0.5～0.6、纳米ZrO₂ 5～12的Ni/纳米ZrO₂，Ni余量，厚为0.2mm；第二层混合粉末的质量百分比(wt％)的组成为C 0.3～0.4，B 2.3～2.5，Si 2.4～2.6，Cr 8.4～10.6，Cu 4.8～5.2，Fe 6.2～8.4，SiO₂ 0.2～3.2，TiO₂ 0.5～1.0，Ni余量，厚0.1mm；

c、第一层混合粉末的质量百分比(wt％)的组成为C 0.1～0.5，B 0.5～5，Si 1～5，Cr 4～16，Cu 3～18，Fe 3～14，纳米Ni 2～10，在包含Ni 2～3、Y₂O₃ 0.3～0.4、纳米ZrO₂ 5～12的Ni/纳米ZrO₂、包含Ni 2～5、纳米Al₂O₃ 4.3～12的Ni/纳米Al₂O₃、包含Ni 2～6、TiO₂ 4～10的Ni/TiO₂中任意选择一种或两种，Ni余量；第二层混合粉末的质量百分比(wt％)的组成为C 0.3～0.4，B 2.3～2.5，Si 2.4～2.6，Cr 8.4～10.6，Cu 4.8～10.2，Fe 6.2～10.4，SiO₂ 0.2～1.2，TiO₂ 0.5～3.0，Ni余量；

d、所设置的一层混合粉末的质量百分比(wt％)的组成为C 0.3～0.4，B 2.3～2.5，Si 2.4～2.6，Cr 8.4～10.6，Cu 4.8～5.2，Fe 6.2～10.4，SiO₂ 0.2～1.2，TiO₂ 0.5～1.0，Ni余量；

(2)缓冷处理，用保温毯或保温毡覆盖在钢轨表面上，进行保护性温度气氛下的缓冷降温处理；

(3)表面处理，对除焊接层表面以外的钢轨表面采用轻度的机械处理或化学处理及烘干处理，使烘干干燥温度≤50℃；

(4)喷涂，选用无气喷涂、有气喷涂、静电喷涂、人工刷涂、辊涂中的一种涂覆方法，在钢轨表面涂覆20～600μm厚或者65～650μm厚的混合涂料，或者涂覆10nm～5mm厚的反射隔热保温涂料或防晒降温涂料或智能调温涂料或散热涂料，或者先在钢轨表面涂覆一层混合涂料，再涂覆一层反射隔热保温涂料或防晒降温涂料或散热涂料或智能调温涂料。

2.如权利要求1所述的钢轨表面制备焊接层和涂层的方法，其特征在于：所述涂覆在钢轨表面上的混合涂料，是富锌涂料、富铝涂料中的任意一种或两种混合涂料与添加质量百分比(wt％)为2～15％的氧化物陶瓷粉末或与添加质量百分比(wt％)为2～22％的镍包氧化物或2～20％的铝包氧化物粉末的任意一种或任意两种，并添加适量相应涂料的稀释剂，经过充分搅拌均匀后的混合涂料，所述镍包氧化物、铝包氧化物中的氧化物是氧化锆、氧化铝、二氧化钛、氧化锌粉末中的任意一种或两种。

3.如权利要求1或2所述的钢轨表面制备焊接层和涂层的方法，其特征在于：所述涂覆在钢轨表面上的混合涂料，是在富锌涂料、富铝涂料中的一种或两种混合涂料中，按质量百分比(wt％)的组成添加2～15％的氧化锆粉末、二氧化钛粉末、氧化铝粉末、氧化锌粉末中的一种或两种粉末，并添加相应涂料的稀释剂，经过充分搅拌均匀后形成的混合涂料。

4.如权利要求1或2所述的钢轨表面制备焊接层和涂层的方法，其特征在于：在钢轨的表面喷涂厚度为76～350μm的混合涂料形成的冷镀层。

5.如权利要求1或2所述的钢轨表面制备焊接层和涂层的方法，其特征在于：在钢轨的上表面涂覆厚度为76～350μm的混合涂料形成的冷镀层，在剩余的钢轨表面涂覆厚度为10nm～5mm的反射隔热保温涂料或防晒降温涂料或智能调温涂料。

6.如权利要求1或2所述的钢轨表面制备焊接层和涂层的方法，其特征在于：在钢轨的上表面喷涂厚度为76～350μm或20～300μm的混合涂料形成的冷镀层，在剩余的钢轨表面先涂覆厚度为76～100μm的混合涂料形成的冷镀层，再涂覆厚度为10nm～5mm的反射隔热保温涂料或防晒降温涂料或智能调温涂料。

7.如权利要求1或2所述的钢轨表面制备焊接层和涂层的方法，其特征在于：在每次涂覆钢轨表面前，用宽为2～15mm的遮盖条或遮盖板盖上焊接层表面或盖上包括焊接层和在焊接层两边附近的钢轨上表面，涂覆完毕后取掉遮盖条或遮盖板。

8.如权利要求1所述的钢轨表面制备焊接层和涂层的方法，其特征在于：所述的金属粉末纳米Ni的粒径及纳米氧化物的粉体粒径为10～50nm。

9.如权利要求1所述的钢轨表面制备焊接层和涂层的方法，其特征在于：除钢轨的焊接层外，用喷涂法或辊涂法或刷涂法，在钢轨表面涂覆厚度为0.1～2.0mm的散热降温涂料。