CN105506233A - 激光淬火表面处理修复钢轨的方法 - Google Patents

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王�华
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Abstract

本发明涉及一种激光淬火表面处理修复钢轨的方法，该方法在钢轨表面涂覆研磨稀释的吸光材料，利用CO2激光器在钢轨表面沿着扫描轴向(任意X，Y，Z轴方向)进行激光扫描，使钢轨需要修复的部位得到激光淬火淬硬层。修复的钢轨可以继续使用，更换后的钢轨硬度、耐磨性及耐腐蚀性比基体更好，可以减少钢轨的更换和修复，增加了钢轨的使用寿命，大大降低了钢轨的使用成本。

Description

激光淬火表面处理修复钢轨的方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料的表面处理方法，特别涉及一种激光淬火表面处理修复钢轨的方法。
背景技术
中国城市轨道交通设备发展迅速，特别是轻轨交通，地铁交通，高速铁路交通，钢轨建设价值占整体轨道交通建设费用的高达2％价值。但是，由于钢铁材料的腐蚀和摩擦磨损，造成大量经济损失。特别是，由于频繁轨道交通运转，导致钢轨的磨损严重。这种磨损主要包括，钢轨间轮轨间因摩擦情况而导致钢轨踏面及接触面“失重”损伤的磨损损伤，以及钢轨踏面因受到列车车轮的循环载荷作用下累计损伤的疲劳损伤(裂纹)。因此，目前对于因上述磨损和裂纹造成钢轨不能正常使用的，采用热喷涂、等离子喷涂等的表面热处理方法进行修复，这些方法由于是在钢轨表面进行层层堆焊，其修复的组织不致密，孔洞多，强度低。疲劳磨损后易失效，容易断裂，维修成本高。
因此，如何降低钢轨踏面及接触面的磨损损耗，增加钢轨服役时间，减少钢轨的更换和修复，成为本领域技术人员关注的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光淬火表面处理修复钢轨的方法，该方法在钢轨表面涂覆研磨稀释的吸光材料，利用CO2激光器在钢轨表面沿着扫描轴向(任意X，Y，Z轴方向)进行激光扫描，使钢轨需要修复的部位得到激光淬火淬硬层，修复的钢轨可以继续使用，更换后的钢轨硬度、耐磨性及耐腐蚀性比基体更好，可以减少钢轨的更换和修复，增加了钢轨的使用寿命，大大降低了钢轨的使用成本。
本发明的技术方案是：
激光淬火表面处理修复钢轨的方法，有以下步骤：
1)钢轨的表面预处理
去除表面油污和杂质，超声清洗钢轨表面，随后打磨钢轨表面；
2)钢轨表面涂覆ZnOCeO2吸光材料
配制ZnO-CeO2吸光材料：
溶液1：取ZnSO4溶于去离子水中，30℃下搅拌；加入5％(NH4)2CO3溶液调节溶液的pH值为8，以利于与CeO2反应生成ZnO-CeO2吸光材料；溶液2：取CeO2粉末溶解于去离子水中；将溶液2缓慢倒入溶液1中反应，得到淡黄色沉淀，沉淀先用去离子水洗涤，再用无水乙醇洗涤，至沉淀褪色；然后，采用超声波分散，使沉淀物质颗粒的粘结度下降，形成大量颗粒状物质；最后，置于恒温箱干燥后再高温1000℃焙烧15-25分钟，制得ZnO-CeO2前驱粉；
取ZnO-CeO2前驱粉研磨0.4-0.6小时，加酒精制得ZnO-CeO2吸光材料，将ZnO-CeO2吸光材料涂覆于经表面预处理的钢轨表面；
3)激光淬火
调整激光淬火器中的光斑为圆形光斑，扫描功率为2500-4000W，使激光器在钢轨表面沿着扫描轴向以恒定速度进行激光扫描，得到经激光淬火表面处理的钢轨。
步骤2)所述ZnO-CeO2：酒精的质量：体积为1∶5。
步骤2)所述ZnO-CeO2前驱粉为六方晶系纳米颗粒
步骤2)所述的钢轨表面涂覆ZnO-CeO2吸光材料涂覆的厚度为0.02mm-0.05mm。
步骤3)所述的调整激光淬火器中的光斑，是在激光淬火器中的CO2，N2和He气氛运转稳定后进行。
步骤3)所述的恒定速度为扫描速率10mm/s或20mm/s。
步骤3)所述的扫描功率为2500W，3000W，3500W，4000W。
优选技术方案是，激光器为CO2激光器，激光器所使用光斑为直径4mm2的圆形光斑。
质量与体积的单位对应为，当质量的单位为克，体积的单位为毫升；当质量的单位为千克，体积的单位为升。
采用本发明所述方法，激光淬火工艺能量分布密集，变形量小，孔洞率低，与基体材料结合优秀，残余应力小。实验结果表明，采用本发明方法修复的钢轨，在钢轨修复部分的表面可以获得高强度高硬度马氏体和柔韧性奥氏体混合的组织结构，使钢轨表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性比钢轨基体更高，其硬度为800HV，摩擦系数为0.179。
采用本发明方法修复钢轨的磨损和裂纹，修复后的钢轨其表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性比钢轨基体更高，增加了钢轨服役时间，更换后的钢轨硬度、耐磨性及耐腐蚀性比基体更好，可以减少钢轨的更换和修复，大大降低了钢轨的生产和使用成本。因此，本发明所述方法相比热喷涂、等离子喷涂等的表面热处理方法，快速凝固孔洞率较低，激光高能光束热变形量小，粉末与基体粘接良好无明显分界线，实现优秀的修复效果。
本发明所述酒精为工业酒精，酒精含量为95％。
附图说明
图1为激光表面淬火试样和基体试样的电极电位曲线；
图2为U75V钢轨基体材料摩擦磨损前(a)、后(b)情况对比；
图3为U75V钢轨淬火表面材料摩擦磨损前(a)、后(b)情况对比；
图4为U75V钢轨表面激光淬火微观显微组织。
具体实施方式
本发明所述激光淬火表面处理修复钢轨的方法，有以下步骤：
1)钢轨的表面预处理
首先，使用酒精去除需要修复的钢轨(以下简称钢轨)表面油污和杂质，然后，采用超声波清洗设备清洗钢轨表面，超声波清洗设备使用洗衣粉溶液去除钢轨表面的油污，洗至钢轨表面光泽均匀，即为钢轨表面洗净。最后，采用粗中细砂纸打磨钢轨表面，降低表面的粗糙度，以利于摩擦磨损实验的要求。同时，减少表面氧化物对淬火区域成分的干扰，影响力学性能和耐腐蚀性能。
2)钢轨表面涂覆ZnO-CeO2吸光材料
配制ZnO-CeO2吸光材料：
溶液1：取10克ZnSO4溶于去离子水中，30℃下搅拌，加入5％(NH4)2CO3溶液调节溶液的pH值为8，以利于与CeO2反应生成ZnO-CeO2吸光材料；溶液2：取CeO2粉末100克溶解于去离子水中，将溶液2缓慢倒入溶液1中反应，得到淡黄色沉淀，沉淀先用去离子水洗涤5-8次，再用无水乙醇洗涤5-8次，至沉淀褪色；然后，采用超声波分散，使沉淀物质颗粒的粘结度下降，形成大量颗粒状物质；最后，置于恒温箱干燥12小时后，再置于马弗炉中高温1000℃下焙烧15-25分钟，制得ZnO-CeO2前驱粉，所述ZnO-CeO2前驱粉为六方晶系纳米颗粒。所述ZnO-CeO2的酒精质量：体积为1∶5。
取100克ZnO-CeO2前驱粉用研磨棒研磨0.4-0.6小时，加500ml酒精制得ZnO-CeO2吸光材料，将ZnO-CeO2吸光材料预涂厚度为0.02mm至0.05mm覆于经上述表面预处理的钢轨表面，吸光材料涂覆的厚度根据需要钢轨损坏的程度确定，损坏程度大，涂覆厚度大，损坏程度小，涂覆厚度小，根据实际情况确定激光修复参数和涂覆粉末效果，提高钢轨金属表面对CO2激光的吸收率，达到最优激光对金属材料修复的效果。
需要注意的是，在进行表面处理时，要保持吸光材料的相对湿度，以避免过早龟裂导致激光淬火过程中出现由于激光光斑能量密度过高导致燃烧甚至爆炸。吸光材料的相对湿度，采用目视方法判断，当溶液是固液混合状态，即为需要控制的相对湿度。若湿度太小，导致表面出现龟裂；若湿度太大，表面呈液体状态分布。
3)激光淬火
激光淬火器采用华中激光设备有限公司的HGL-6000(CO2激光淬火器)和Siemens(西门子控制模块)，激光设备参数如表1所示：
表1.华中激光HGL-6000激光表面处理设备
开启CO2激光设备中的气体反应装置，待激光淬火器中的CO2，N2和He气氛运转稳定后(大约1个小时左右)，使用Siemens(西门子控制模块)调节光斑大小和激光扫描位置-位移关系(任意X，Y，Z轴方向)后，进行激光淬火表面处理。其中，调整激光光斑为圆形光斑，光斑直径为4mm2，扫描功率为2500W，3000W，3500W，4000W，使激光器在钢轨表面沿着扫描轴向(任意X，Y，Z轴方向)以扫描速率10mm/s或20mm/s的恒定速度进行激光扫描，得到经激光淬火表面处理的钢轨。激光扫描参数如下表2所示：
如图4所示，当扫描功率为3500W时，扫描速率为10mm/s，显微组织效果最优，孔洞率最低，结合效果最好。
表2激光表面淬火工艺参数
样品序号 激光扫描功率(W) 激光扫描速度(mm/s)
1 2500 10
2 2500 20
3 3000 10
4 3000 20
5 3500 10
6 3500 20
7 4000 10
8 4000 20
采用U75V钢轨进行以下测试：
1.硬度
U75V钢轨基体材料的平均采样硬度值约为315HV，采样次数为15；采用本发明方法进行激光淬火修复的U75V钢轨试样的平均采样硬度值约为800HV，采样次数为15；说明，采用本发明所述方法修复的钢轨表面硬度提高。
2.耐腐蚀性
将激光淬火U75V和基体U75V放入质量分数为3.5％的NaCl溶液中，浸泡1天后，显示出的极化曲线。
如图1所示，激光淬火U75V试样电势，与U75V基体相比，电势下降较小，表明激光淬火U75V的腐蚀比例小，与传统U75V基体材料相比，证明耐腐蚀性优秀。
3.耐磨损性能
电子天平称量，未修复的U75V基体材料和采用本发明所述方法修复的U75V钢轨的重量分别为20.35g和20.45g，如图2，通过SQ34球磨损试样设备进行10000次摩擦磨损实验，磨损后的U75V基体材料和修复后的U75V材料的重量分别为19.45g和20.05g，如图3。这说明，U75V基体材料磨损0.9g，U75V激光淬火区域磨损0.4g。说明采用本发明所述方法修复的钢轨表面通过激光淬火处理后，耐磨性得到提高。
通过磨损曲线得知，U75V基体表面和修复的U75V淬火表面的摩擦系数分别为0.198和0.179。说明采用本发明所述方法修复的U75V钢轨表面的摩擦系数相对较低，耐磨性得到提高。
通过对比2500W，3000W，3500W，4000W条件下，扫描速度为10mm/s或者20mm/s，光斑直径为4mm2的硬度参数，耐腐蚀性得到提高和耐磨损性能提升。
结论：
当CO2激光器的功率为3500W，光斑直径为4mm2，扫描速率为10mm/s条件下，由于钢轨表面具有高强度高硬度马氏体和柔韧性奥氏体混合的组织结构，导致钢轨既具备一定硬度，也具备一定柔韧性。如图4所示，金相组织晶粒组织致密，无明显孔洞，晶粒细小，获得最佳硬度平均值约为820HV，采样次数为15次，达到优秀耐磨性能。由图1知道，激光淬火U75V钢轨微观显微组织致密，相比U75V钢轨基体材料，激光淬火U75V钢实现优秀耐腐蚀性。

Claims (8)

1.一种激光淬火表面处理修复钢轨的方法，其特征在于，有以下步骤：
1)钢轨的表面预处理
去除表面油污和杂质，超声清洗钢轨表面，随后打磨钢轨表面；
2)钢轨表面涂覆ZnOCeO2吸光材料
配制ZnO-CeO2吸光材料：
溶液1：取ZnSO4溶于去离子水中，30℃下搅拌；加入5％(NH4)2CO3溶液调节溶液的pH值为8，以利于与CeO2反应生成ZnO-CeO2吸光材料；溶液2：取CeO2粉末溶解于去离子水中；将溶液2缓慢倒入溶液1中反应，得到淡黄色沉淀，沉淀先用去离子水洗涤，再用无水乙醇洗涤，至沉淀褪色；然后，采用超声波分散，使沉淀物质颗粒的粘结度下降，形成大量颗粒状物质；最后，置于恒温箱干燥后再高温1000℃焙烧15-25分钟，制得ZnO-CeO2前驱粉；
取ZnO-CeO2前驱粉研磨0.4-0.6小时，加酒精制得ZnO-CeO2吸光材料，将ZnO-CeO2吸光材料涂覆于经表面预处理的钢轨表面；
3)激光淬火
调整激光淬火器中的光斑为圆形光斑，扫描功率为2500-4000W，使激光器在钢轨表面沿着扫描轴向以恒定速度进行激光扫描，得到经激光淬火表面处理的钢轨。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)所述ZnO-CeO2∶酒精的质量∶体积为1∶5。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)所述ZnO-CeO2前驱粉为六方晶系纳米颗粒
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)所述的钢轨表面涂覆ZnO-CeO2吸光材料涂覆的厚度为0.02mm-0.05mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)所述的调整激光淬火器中的光斑，是在激光淬火器中的CO2，N2和He气氛运转稳定后进行。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其特征在于：步骤3)所述的恒定速度为扫描速率10mm/s或20mm/s。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)所述的扫描功率为3500W，扫描速率为10mm/s。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)所述的圆形光斑直径为4mm2。
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