CN104087722A - 钢轨及其表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢轨，钢轨的表面经强化处理后在长度方向上具有阶梯硬度，钢轨的长度方向上分布有多个硬度周期，每一硬度周期包括依次分布的第一硬度带、第二硬度带和第三硬度带，每一硬度周期的第三硬度带与相邻的硬度周期的第一硬度带连接，第一硬度带的长度为第一预设长度，布氏硬度为A～B；第二硬度带的长度为第二预设长度，布氏硬度为C～D；第三硬度带的长度为第三预设长度，布氏硬度为E～F，A大于C，E大于C，C大于470HB，D和F均小于550HB。本发明进一步公开一种钢轨的表面处理方法。本发明提出的钢轨，可大幅度提高钢轨耐磨性和使用寿命，还可减少钢轨表面出现裂纹和剥离掉块和断轨现象，提高钢轨的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及铁路运输设备及生产领域，尤其涉及一种具有阶梯硬度的钢轨及其表面处理方法。
背景技术
近几年，我国铁路正处于高速发展阶段，新建现代化铁路里程越来越多。随着火车运行速度的提升和载重量的增加，钢轨在使用过程中出现的暴露出许多新的问题。
在客货混匀铁路，我国通常采用硬度较高的U75V钢轨或者热处理钢轨，U75V钢轨表面布氏硬度(HBW10/3000)为280～320HB，热处理钢轨表面布氏硬度(HBW10/3000)为320～420HB。钢轨在客货混匀铁路小曲线半径线路(曲线半径≤800m)铺设运行一段时间后，钢轨上会出现间断性交替接触疲劳裂纹，表现为钢轨踏面或轨角处出现与车轮滚动方向约成45°角的斜裂纹，裂纹长一般为10～25mm，深度为2～5mm，严重时可达10mm以上，钢轨上的这种裂纹会进一步发展为剥离脱落、掉块，甚至导致钢轨断裂，从而严重影响钢轨使用寿命和行车安全。针对上述问题，每年铁路系统都将花费大量的财力和人力对出现裂纹的钢轨进行维护和更换。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种钢轨及其表面处理方法，旨在提高钢轨的使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供一种钢轨，所述钢轨的表面经强化处理后在长度方向上具有阶梯硬度，所述钢轨的长度方向上分布有多个硬度周期，其中，每一所述硬度周期包括至少三种硬度带，每一所述硬度周期包括依次分布的第一硬度带、第二硬度带和第三硬度带，每一所述硬度周期的第三硬度带与相邻的硬度周期的第一硬度带连接，所述第一硬度带的长度为第一预设长度，布氏硬度为A～B；所述第二硬度带的长度为第二预设长度，布氏硬度为C～D；所述第三硬度带的长度为第三预设长度，布氏硬度为E～F；A大于C，E大于C，C大于470HB，D和F均小于550HB，所述第一预设长度、第二预设长度和第三预设长度均大于500mm。
优选地，所述钢轨的多个硬度周期依次首尾连接。
优选地，所述钢轨的长度方向上分布的每一硬度周期均由五条硬度带组成。
优选地，所述钢轨的表面的阶梯硬度的厚度位于3～5mm之间。
优选地，所述第一硬度带与所述第二硬度带之间还设有第四硬度带，所述第二硬度带与所述第三硬度带之间还设有第五硬度带，其中，所述第一硬度带长度为1000～1500mm，深度3～5mm，布氏硬度为530～550HB；所述第四硬度带长度为1000～1200mm，深度3mm～5mm，布氏硬度为500～530HB；所述第二硬度带长度为500～600mm，深度3～5mm，布氏硬度为470～500HB；第五硬度带长度为1000～1200mm，深度3mm～5mm，布氏硬度为500～530HB；第三硬度带长度为1000～1500mm，深度3～5mm，布氏硬度为530～550HB，所述第一预设长度、第二预设长度和第三预设长度均大于500mm。
本发明进一步提出一种钢轨的表面处理方法，包括：在钢轨的表面使用激光淬火技术对钢轨表面进行强化处理，使所述钢轨在长度方向上具有阶梯硬度，所述钢轨的长度方向上分布有多个硬度周期，其中，每一所述硬度周期包括至少三种硬度带，每一所述硬度周期包括依次分布的第一硬度带、第二硬度带和第三硬度带，每一所述硬度周期的第三硬度带与相邻的硬度周期的第一硬度带连接，所述第一硬度带的长度为第一预设长度，布氏硬度为A～B；所述第二硬度带的长度为第二预设长度，布氏硬度为C～D；所述第三硬度带的长度为第三预设长度，布氏硬度为E～F；A大于C，E大于C，C大于470HB，D和F均小于550HB。
优选地，所述钢轨的多个硬度周期依次首尾连接。
优选地，所述钢轨的长度方向上分布的每一硬度周期均由五条硬度带组成。
优选地，所述钢轨的表面的阶梯硬度的厚度位于3～5mm之间。
优选地，所述第一硬度带与所述第二硬度带之间还设有第四硬度带，所述第二硬度带与所述第三硬度带之间还设有第五硬度带，其中，所述第一硬度带长度为1000～1500mm，深度3～5mm，布氏硬度为530～550HB；所述第四硬度带长度为1000～1200mm，深度3mm～5mm，布氏硬度为500～530HB；所述第二硬度带长度为500～600mm，深度3～5mm，布氏硬度为470～500HB；第五硬度带长度为1000～1200mm，深度3mm～5mm，布氏硬度为500～530HB；第三硬度带长度为1000～1500mm，深度3～5mm，布氏硬度为530～550HB。
本发明提出的钢轨，钢轨的表面经强化处理后在长度方向上具有阶梯硬度，一方面可以大幅度提高钢轨耐磨性和使用寿命，减少钢轨维护费用，另一方面还可减少钢轨表面出现裂纹和剥离掉块和断轨现象，提高钢轨的安全性。另外，还可延长与钢轨配套使用的火车车轮使用寿命。与现有的钢轨上配套使用的火车车轮寿命总吨位为7亿吨，而与本钢轨配套使用的火车车轮使用寿命可提高到12～13亿吨。
附图说明
图1为本发明钢轨优选实施例的结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提出一种钢轨。
参照图1，图1为本发明钢轨优选实施例的结构示意图。
本优选实施例中，一种钢轨，钢轨的表面经强化处理后在长度方向上具有阶梯硬度，钢轨的长度方向上分布有多个硬度周期11，其中，每一硬度周期11包括至少三种硬度带，每一硬度周期11包括依次分布的第一硬度带111、第二硬度带112和第三硬度带113，每一硬度周期11的第三硬度带113与相邻的硬度周期11的第一硬度带111连接，第一硬度带111的长度为第一预设长度，布氏硬度为A～B；第二硬度带112的长度为第二预设长度，布氏硬度为C～D，第三硬度带113的长度为第三预设长度，布氏硬度为E～F；A大于C，E大于C，C大于470HB，D和F均小于550HB，第一预设长度、第二预设长度和第三预设长度均大于500mm。
A大于C，E大于C，即说明硬度周期11的硬度带的布氏硬度呈先递减再递增的分布，先递减再递增的阶梯硬度分布使钢轨的布氏硬度实现平缓过度，从而避免因相邻的硬度带布氏硬度相差太大而导致钢轨强度不稳定，容易出现断裂等问题。
本实施例中，钢轨的表面经强化处理成阶梯硬度并不是全部强化成同一种硬度区间的硬度带，是因为钢轨表面硬度越高，车轮的磨损越快，车轮使用寿命降低。因此，本钢轨的表面既具有较高硬度，又保持较好的硬度分布，从而可使钢轨的耐磨性和车轮使用寿命达到较好的平衡。
本实施例提出的钢轨，钢轨的表面经强化处理后在长度方向上具有阶梯硬度，一方面可以大幅度提高钢轨耐磨性和使用寿命，减少钢轨维护费用(可节省30％左右费用)，另一方面还可减少钢轨表面出现裂纹、剥离掉块以及断轨现象，提高钢轨的安全性。另外，还可延长与钢轨配套使用的火车车轮使用寿命。与现有的钢轨上配套使用的火车车轮寿命总吨位为7亿吨左右，而与本钢轨配套使用的火车车轮使用寿命可提高到12～13亿吨。
因组成每一硬度周期11的硬度带数量较少，会使相邻两硬度带之间硬度差太大，从而影响钢轨的结构稳定性；而组成硬度周期11的硬度带的数量过多时，会增加生产的难度，使钢轨的制造成本增加。本实施例中，优选地，设定钢轨的长度方向上分布的每一硬度周期11均由五条硬度带组成。此时，可使钢轨的结构稳定性与钢轨的制造成本达到一较好的平衡。当然，在其他变形实施例中，也可设置成每一硬度周期11均由七条硬度带组成，或者前一个硬度周期11由五条硬度带组成，后一个硬度周期11由七条硬度带组成，本发明对此不作限定。
进一步地，钢轨的表面的阶梯硬度的厚度位于3～5mm之间，也即所有硬度带的厚度均位于3～5mm之间，此时，设定阶梯硬度的厚度的下限值保证了钢轨的结构强度，使其不容易出现接触疲劳裂纹，设定阶梯硬度的厚度的上限值使钢轨在保证其结构强度的情况下容易生产制造。
具体地，本实施例中，钢轨的多个硬度周期11依次首尾连接，即说明多个硬度周期11之间没有间隙，换而言之也就是说钢轨的外表面在其长度方向均进行强化处理，因此，相对于现有技术中的钢轨提高了其硬度，从而提高了钢轨的耐磨性和使用寿命。
具体地，本实施例提出一具体方案，第一硬度带111与第二硬度带112之间还设有第四硬度带114，第二硬度带112与第三硬度带113之间还设有第五硬度带，其中，第一硬度带111长度为1000～1500mm，深度3～5mm，布氏硬度为530～550HB；第四硬度带114长度为1000～1200mm，深度3mm～5mm，布氏硬度为500～530HB；第二硬度带112长度为500～600mm，深度3～5mm，布氏硬度为470～500HB；第五硬度带115长度为1000～1200mm，深度3mm～5mm，布氏硬度为500～530HB；第三硬度带113长度为1000～1500mm，深度3～5mm，布氏硬度为530～550HB。即每一硬度周期11均包括依次分布的第一硬度带111、第四硬度带114、第二硬度带112、第五硬度带115和第三硬度带113。本实施例中，钢轨轨头由5条硬度带形成的1个硬度周期11，总长度为4500mm～6000mm，相当于1～2倍火车车轮与钢轨的接触长度，本实施例中，将钢轨的硬度带的长度设定考虑火车车轮的大小，使钢轨的结构更稳定。
制作本钢轨过程以如下流程为例进行说明：首先选取1根25000mm长，规格为60kg/m钢轨，采用激光淬火技术对钢轨表面进行强化处理。第1条硬度带长度1300mm，激光输出功率5300W，焦距72mm，激光头运动速度0.3m/s，处理后，钢轨轨头布氏硬度HWB为539HB，深度4.1mm；第2条硬度带长度1000mm，激光输出功率5100W，焦距86mm，激光头运动速度0.5m/s，处理后钢轨轨头布氏硬度HWB为523HB，深度3.8mm；第3条硬度带长度500mm，激光输出功率5100W，焦距93mm，激光头运动速度0.6m/s，处理后钢轨轨头布氏硬度HWB为486HB，深度3.3mm；第4条硬度带长度1000mm，激光输出功率5100W，焦距76mm，激光头运动速度0.4m/s，处理后钢轨轨头布氏硬度HWB为528HB，深度3.5mm；第5条硬度带长度1200mm，激光输出功率5300W，焦距83mm，激光头运动速度0.4m/s，处理后钢轨轨头布氏硬度HWB为536HB，深度3.8mm。5条硬度带总长度为5000mm，组成一个硬度周期。在25000mm钢轨轨头部分，沿钢轨长度方向，共分布5个这样的硬度周期，从而形成一根周期阶梯硬度的钢轨。
本发明进一步提出一种钢轨的表面处理方法。
本优选实施例中，钢轨的表面处理方法包括：在钢轨的表面使用激光淬火技术对钢轨表面进行强化处理，使钢轨在长度方向上具有阶梯硬度，钢轨的长度方向上分布有多个硬度周期，其中，每一硬度周期包括至少三种硬度带，每一硬度周期包括依次分布的第一硬度带、第二硬度带和第三硬度带，每一硬度周期的第三硬度带与相邻的硬度周期的第一硬度带连接，第一硬度带的长度为第一预设长度，布氏硬度为A～B；第二硬度带的长度为第二预设长度，布氏硬度为C～D；第一硬度带的长度为第三预设长度，布氏硬度为E～F；A大于C，E大于C，C大于470HB，D和F均小于550HB，第一预设长度、第二预设长度和第三预设长度均大于500mm。
A大于C，E大于C，即说明硬度周期的硬度带的布氏硬度呈先递减再递增的分布，阶梯硬度分布使钢轨的布氏硬度实现平缓过度，从而避免因相邻的硬度带布氏硬度相差太大而导致钢轨强度不稳定，容易出现断裂等问题。
本实施例中，钢轨的表面经强化处理成阶梯硬度并不是全部强化成同一种硬度区间的硬度带，是因为钢轨表面硬度越高，车轮的磨损越快，车轮使用寿命降低。因此，本钢轨的表面既具有较高硬度，又保持较好的硬度分布，从而使钢轨的耐磨性和车轮使用寿命达到较好的平衡。
本实施例提出的钢轨的表面处理方法，在钢轨的表面经激光强化处理后，钢轨在长度方向上具有阶梯硬度，一方面可以大幅度提高钢轨耐磨性和使用寿命，减少钢轨维护费用(可节省30％左右维护费用)，另一方面还可减少钢轨表面出现裂纹、剥离掉块以及断轨现象，提高钢轨的安全性。另外，还可延长与钢轨配套使用的火车车轮使用寿命。与现有的钢轨上配套使用的火车车轮寿命总吨位为7亿吨左右，而与本钢轨配套使用的火车车轮使用寿命可提高到12～13亿吨。
因组成每一硬度周期的硬度带数量较少会使相邻两硬度带之间硬度差太大，从而影响钢轨的结构稳定性，而组成硬度周期的硬度带的数量过多时，会增加生产的难度，使钢轨的制造成本增加。本实施例中，优选地，设定钢轨的长度方向上分布的每一硬度周期均由五条硬度带组成。此时，可使钢轨的结构稳定性与钢轨的制造成本达到一较好的平衡。当然，在其他变形实施例中，也可设置成每一硬度周期均由七条硬度带组成，或者前一个硬度周期由五条硬度带组成，后一个硬度周期由七条硬度带组成。
进一步地，钢轨的表面的阶梯硬度的厚度位于3～5mm之间，也即所有硬度带的厚度均位于3～5mm之间，此时，设定阶梯硬度的厚度的下限值保证了钢轨的结构强度，使其不容易出现接触疲劳裂纹，设定阶梯硬度的厚度的上限值使钢轨在保证其结构强度的情况下容易生产制造。
具体地，本实施例中，钢轨的多个硬度周期依次首尾连接，即说明多个硬度周期之间没有间隙，换而言之也就是说钢轨的外表面在其长度方向均进行强化处理，因此，相对于现有技术中的钢轨提高了其硬度，从而提高了钢轨的耐磨性和使用寿命。
具体地，本实施例提出一具体方案，第一硬度带与第二硬度带之间还设有第四硬度带，第二硬度带与第三硬度带之间还设有第五硬度带，其中，第一硬度带长度为1000～1500mm，深度3～5mm，布氏硬度为530～550HB；第四硬度带长度为1000～1200mm，深度3mm～5mm，布氏硬度为500～530HB；第二硬度带长度为500～600mm，深度3～5mm，布氏硬度为470～500HB；第五硬度带长度为1000～1200mm，深度3mm～5mm，布氏硬度为500～530HB；第三硬度带长度为1000～1500mm，深度3～5mm，布氏硬度为530～550HB。即每一硬度周期均包括依次分布的第一硬度带、第四硬度带、第二硬度带、第五硬度带和第三硬度带。本实施例中，钢轨轨头由5条硬度带形成的1个硬度周期，总长度为4500mm～6000mm，相当于1～2倍火车车轮与钢轨接触长度，，本实施例中，将钢轨的硬度带的长度设定考虑火车车轮的大小，使钢轨的结构更稳定。
制作本钢轨过程以如下流程为例进行说明：首先选取1根25000mm长，规格为60kg/m钢轨，采用激光淬火技术对钢轨表面进行强化处理。第1条硬度带长度1300mm，激光输出功率5300W，焦距72mm，激光头运动速度0.3m/s，处理后，钢轨轨头布氏硬度HWB为539HB，深度4.1mm；第2条硬度带长度1000mm，激光输出功率5100W，焦距86mm，激光头运动速度0.5m/s，处理后钢轨轨头布氏硬度HWB为523HB，深度3.8mm；第3条硬度带长度500mm，激光输出功率5100W，焦距93mm，激光头运动速度0.6m/s，处理后钢轨轨头布氏硬度HWB为486HB，深度3.3mm；第4条硬度带长度1000mm，激光输出功率5100W，焦距76mm，激光头运动速度0.4m/s，处理后钢轨轨头布氏硬度HWB为528HB，深度3.5mm；第5条硬度带长度1200mm，激光输出功率5300W，焦距83mm，激光头运动速度0.4m/s，处理后钢轨轨头布氏硬度HWB为536HB，深度3.8mm。5条硬度带总长度为5000mm，组成一个硬度周期。在25000mm钢轨轨头部分，沿钢轨长度方向，共分布5个这样的硬度周期，从而形成一根周期阶梯硬度的钢轨。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种钢轨，其特征在于，所述钢轨的表面经强化处理后在长度方向上具有阶梯硬度，所述钢轨的长度方向上分布有多个硬度周期，其中，每一所述硬度周期包括至少三种硬度带，每一所述硬度周期包括依次分布的第一硬度带、第二硬度带和第三硬度带，每一所述硬度周期的第三硬度带与相邻的硬度周期的第一硬度带连接，所述第一硬度带的长度为第一预设长度，布氏硬度为A～B；所述第二硬度带的长度为第二预设长度，布氏硬度为C～D；所述第三硬度带的长度为第三预设长度，布氏硬度为E～F；A大于C，E大于C，C大于470HB，D和F均小于550HB，所述第一预设长度、第二预设长度和第三预设长度均大于500mm。
2.如权利要求1所述的钢轨，其特征在于，所述钢轨的多个硬度周期依次首尾连接。
3.如权利要求1所述的钢轨，其特征在于，所述钢轨的长度方向上分布的每一硬度周期均由五条硬度带组成。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的钢轨，其特征在于，所述钢轨的表面的阶梯硬度的厚度位于3～5mm之间。
5.如权利要求2所述的钢轨，其特征在于，所述第一硬度带与所述第二硬度带之间还设有第四硬度带，所述第二硬度带与所述第三硬度带之间还设有第五硬度带，其中，所述第一硬度带长度为1000～1500mm，深度3～5mm，布氏硬度为530～550HB；所述第四硬度带长度为1000～1200mm，深度3mm～5mm，布氏硬度为500～530HB；所述第二硬度带长度为500～600mm，深度3～5mm，布氏硬度为470～500HB；第五硬度带长度为1000～1200mm，深度3mm～5mm，布氏硬度为500～530HB；第三硬度带长度为1000～1500mm，深度3～5mm，布氏硬度为530～550HB。
6.一种钢轨的表面处理方法，其特征在于，包括：
在钢轨的表面使用激光淬火技术对钢轨表面进行强化处理，使所述钢轨在长度方向上具有阶梯硬度，所述钢轨的长度方向上分布有多个硬度周期，其中，每一所述硬度周期包括至少三种硬度带，每一所述硬度周期包括依次分布的第一硬度带、第二硬度带和第三硬度带，每一所述硬度周期的第三硬度带与相邻的硬度周期的第一硬度带连接，所述第一硬度带的长度为第一预设长度，布氏硬度为A～B；所述第二硬度带的长度为第二预设长度，布氏硬度为C～D；所述第三硬度带的长度为第三预设长度，布氏硬度为E～F；A大于C，E大于C，C大于470HB，D和F均小于550HB，所述第一预设长度、第二预设长度和第三预设长度均大于500mm。
7.如权利要求6所述的表面处理方法，其特征在于，所述钢轨的多个硬度周期依次首尾连接。
8.如权利要求6所述的表面处理方法，其特征在于，所述钢轨的长度方向上分布的每一硬度周期均由五条硬度带组成。
9.如权利要求6至9中任意一项所述的表面处理方法，其特征在于，所述钢轨的表面的阶梯硬度的厚度位于3～5mm之间。
10.如权利要求7所述的表面处理方法，其特征在于，所述第一硬度带与所述第二硬度带之间还设有第四硬度带，所述第二硬度带与所述第三硬度带之间还设有第五硬度带，其中，所述第一硬度带长度为1000～1500mm，深度3～5mm，布氏硬度为530～550HB；所述第四硬度带长度为1000～1200mm，深度3mm～5mm，布氏硬度为500～530HB；所述第二硬度带长度为500～600mm，深度3～5mm，布氏硬度为470～500HB；第五硬度带长度为1000～1200mm，深度3mm～5mm，布氏硬度为500～530HB；第三硬度带长度为1000～1500mm，深度3～5mm，布氏硬度为530～550HB。
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| CN201410333056.9A Expired - Fee Related CN104087722B (zh) | 2014-07-14 | 2014-07-14 | 钢轨及其表面处理方法 |
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01116034A (ja) * | 1987-10-29 | 1989-05-09 | Nippon Steel Corp | レールの熱処理方法 |
| CN2496915Y (zh) * | 2001-03-22 | 2002-06-26 | 张准胜 | 激光表面相变硬化的铁道钢轨 |
| CN102121064A (zh) * | 2011-01-30 | 2011-07-13 | 武汉华工激光工程有限责任公司 | 一种用于钢轨表面强化处理的离线激光淬火工艺 |
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2014
- 2014-07-14 CN CN201410333056.9A patent/CN104087722B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01116034A (ja) * | 1987-10-29 | 1989-05-09 | Nippon Steel Corp | レールの熱処理方法 |
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| CN102121064A (zh) * | 2011-01-30 | 2011-07-13 | 武汉华工激光工程有限责任公司 | 一种用于钢轨表面强化处理的离线激光淬火工艺 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 明哲 等: "《工程材料及机械制造基础》", 31 October 2012 * |
| 李涛 等: "《工程材料》", 31 January 2013 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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