CN107881498A - 一种铁路钢轨激光强化合金化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明有关于一种铁路钢轨激光强化合金化方法，是在现有钢轨的基础上，通过激光合金化工艺手段，在钢轨试件表面形成微熔池，使合金涂料与钢轨表层组织发生冶金化学反应，在钢轨的表层形成一层强化层。强化层具有明显不同于原钢轨材料的珠光体微观组织，其组织在显微镜下呈现白亮色，高倍显微镜下可以看出弥散分布的颗粒强化组织和固溶强化组织，具有很高的强度和韧性，综合性能很好。强化层组织与钢轨基体组织形成牢固的冶金结合，共同形成复合强化材料组织，实现了钢轨试件的整体高韧性和表面高强度以及高耐磨性，并且可以有效地承受住铁路轮轨间恶劣的工况。
Description
技术领域
本发明有关于铁路钢轨强化领域,具体涉及一种铁路钢轨激光强化合金化方法。
背景技术
自从19世纪火车发明以来，铁路运输在人类文明前进道路上发挥着无可替代的作用。伴随着社会的不断进步，人们对铁路运输需求也不断增加，人们不断地提高火车的运量和运输速度，因此铁路部件的寿命是制约铁路运输能力的一大重要因素。
铁路钢轨是铁路线路重要部件，线路基本轨、道岔区钢轨(道岔尖轨、护轨、辙叉、翼轨等)、曲线轨等，在列车轮轨间挤压和冲击下，钢轨磨损严重。钢轨的磨损会导致钢轨的失效，钢轨失效需要进行线路大修更换道岔，频繁的更换钢轨不仅耗费大量的材料费、人工费，而且需要占用宝贵的铁路运行时间，造成极大的经济损失，严重影响了铁路的运营能力。
由于铁路钢轨需要承受列车的冲击，为了行车安全，钢轨需要具有较好的冲击韧性，不发生断裂，为此目前的钢轨多采用中碳钢进行热处理，这样牺牲了钢轨的强度和耐磨性。为此，如何在保证钢轨整体高韧性的同时来提高钢轨的强度和耐磨性是铁路部门一直需要解决的难题。
目前铁路上使用的钢轨材料多为U71Mn、U75V等钢轨钢，是中碳珠光体钢，其珠光体结构请参阅图1，其强化处理方式主要是标准钢轨轧制后的全长淬火等热处理方式，得到的组织为整体的片状珠光体组织，具有较好的整体韧性，可以保证钢轨的高韧性。
但是，这样的强化处理的效果受到钢轨材质本身的限制，同时为了保证整根钢轨的冲击韧性，在热处理过程中往往会控制热处理硬度，进而牺牲钢轨的强度和耐磨性。一般，现有钢轨的表层硬度只有30-40HRC，耐磨性能和抗接触疲劳性能都不好，在列车轮轨挤压工况下很容易造成磨损失效。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的铁路钢轨激光强化合金化方法，通过该方法强化后使钢轨具有表面强硬、整体高韧性的特性，可以在保证钢轨试件高韧性的同时提高其工作表面的强度和耐磨性，进而大幅度提高提使用寿命。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种铁路钢轨激光强化合金化方法，包括以下步骤：(1)对出厂的钢轨进行检测，要求钢轨符合钢轨使用标准；(2)清洁钢轨表面：对钢轨表面锈迹进行清理，使钢轨表面无锈迹、油污等；(3)喷涂合金化涂料：用喷枪将调配好的合金化涂料，均匀地喷涂在钢轨试件需要强化的表面，然后用自然风或者风扇吹干，该合金化涂料各组分的质量分数为合金粉末30-50％、酒精20-40％以及粘结剂15-30％；(4)利用激光功率3000W-10000W的高功率半导体激光器对喷涂后的钢轨试件表面进行连续扫描或点状间歇扫描，使钢轨试件表面产生微熔池，涂料中的合金化元素渗入钢轨试件表层。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的铁路钢轨激光强化合金化方法，其特征在于，其中步骤(3)所述的合金化涂料在钢轨表面喷涂的涂层厚度均匀，并达到0.05-0.5mm。
前述的铁路钢轨激光强化合金化方法，其中步骤(3)所述的合金粉末，其各组分的质量分数为：Ni10％-20％、Cr10-25％、WC10-30％、Ti5-20％以及C10-20％。
前述的铁路钢轨激光强化合金化方法，其中步骤(4)中，采用点状间歇扫描方式时，激光光斑使用圆光斑或者椭圆形光斑，其中圆光斑直径2mm-10mm，椭圆形光斑长轴、短轴尺寸在2mm-10mm,方光斑长宽尺寸为2mm-10mm，分布式地在钢轨表面进行打点，光斑与光斑之间有0.1mm-1mm的间隙，且均匀分布。
前述的铁路钢轨激光强化合金化方法，其中激光束在每个所述点的停留时间为0.1-0.4s，激光控制方式为电子开关光闸。
前述的铁路钢轨激光强化合金化方法，其中所述的激光辐射点的面积占钢轨强化预期面积的70％以上。
前述的铁路钢轨激光强化合金化方法，其中所述的步骤(4)中，采用连续激光扫描方式时，激光光斑使用直径1mm-6mm的圆形光斑，激光器对钢轨强化区域进行全面积地多道搭接扫描，扫描速度为0.5m/min-10m/min。
前述的铁路钢轨激光强化合金化方法，其中所述的搭接扫描的搭接率为30％-50％。
前述的铁路钢轨激光强化合金化方法，其中所述的步骤(4)中，采用连续激光扫描方式时，采用宽带光斑，利用特制变焦聚镜，实现矩形光斑的输出，同时调节矩形光斑的长宽尺寸，长度1-3mm，宽度5-30mm，实现一道扫描完成强化区域的全面积合金化,扫描速度为0.5m/min-10m/min。
前述的铁路钢轨激光强化合金化方法，激光强化后的钢轨表面获得一层0.2-1.0mm深的合金强化层，硬度达到HRC45-HRC64，合金强化层之下是钢轨钢的珠光体组织，硬度在HRC30-HRC40。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明铁路钢轨激光强化合金化方法可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：
本发明描述的铁路钢轨激光强化合金化方法是在现有钢轨的基础上，通过激光合金化工艺手段，在钢轨表面形成微熔池，使合金涂料与钢轨表层组织发生冶金化学反应，在钢轨的表层形成一层强化层。强化层具有明显不同于原钢轨材料的珠光体微观组织，其组织在显微镜下呈现白亮色，高倍显微镜下可以看出弥散分布的颗粒强化组织和固溶强化组织，具有很高的强度和韧性，综合性能很好。强化层组织与钢轨基体组织形成牢固的冶金结合，共同形成复合强化材料组织，实现了钢轨试件的整体高韧性和表面高强度以及高耐磨性，并且可以有效地承受住铁路轮轨间恶劣的工况。
本发明方法强化后的钢轨具有以下特点：
1)较现有的全长淬火钢轨，新型的复合材料强化的钢轨在微观组织上具有复合结构，表层的组织与心部的不同，实现了“表面强硬心部韧”的综合强化效果，可以有效地提高钢轨表面的性能，得到高硬度、高抗疲劳、高耐磨的钢轨，可以大幅度地提高其使用寿命，并且不影响钢轨的整体韧性，不会发生断裂。
2)与其他激光强化的钢轨相比，本发明通过材料成分设计以及工艺的优化，得到的钢轨试件表层强化层为颗粒增强的复合强化组织，具有极高的强韧性能；
3)通过材料的设计以及工艺的优化，本发明的钢轨试件在激光处理后，表面平整，没有明显的起伏，无论点状合金化还是连续扫描都没有出现裂纹等缺陷。
4)本发明的新型的复合材料强化的钢轨试件具有极好的综合性能，可以提高寿命达到1倍以上。
附图说明
图1为现有钢轨的珠光体组织的示意图；
图2为本发明强化后钢轨试件组织结构图；
图3为点状间歇扫描强化的光斑分布示意图；
图4为圆形光斑强化的光斑分布示意图；
图5为宽带光斑强化的光斑分布示意图；
图6为钢轨试件的强化区域示意图；
图7(a)和图7(b)为本发明摩擦磨损模拟实验结果；
图8为滚动接触疲劳模拟试验结果，其中(a)、(c)、(e)为激光强化后的试块，(b)、(d)、(f)为未经处理的钢轨钢试块；
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种铁路钢轨激光强化合金化方法其具体实施方式、步骤、特征及其功效，详细说明如后。
本发明铁路钢轨激光强化合金化方法，具体工艺如下：
(1)对出厂的钢轨进行检测，包括钢轨成型尺寸、表面裂纹等，要求钢轨符合钢轨使用标准。
(2)清洁钢轨表面：对钢轨表面锈迹进行清理，使钢轨表面无锈迹、油污等。
(3)喷涂合金化涂料：用喷枪将调配好的钢轨激光强化专用的合金化涂料均匀地喷涂在钢轨需要强化的表面；并用自然风或者风扇吹干；涂层厚度均匀，并达到0.05-0.5mm。
(4)利用高功率半导体激光器对喷涂后的钢轨试件表面进行辐射，使钢轨试件表面产生微熔池，涂料中的合金化元素渗入钢轨试件表层。激光功率3000W-10000W，激光光斑分为圆光斑以及宽带矩形光斑，扫描方式分为连续扫描以及点状间歇扫描。其中当激光器功率更高(超过10000W)或更低(小于3000W)也可以实施本步骤，但是低功率作业效率低，高功率设备成本高，稳定性有待验证，所以3000-10000W是当前条件下的推荐功率。
为了得到高强度、无裂纹且表面成形良好的强化层，同时还要避免强化层组织出现大量马氏体组织，需要对合金涂料的成分进行特殊设计。其中步骤(3)中喷涂的合金化涂料包括以下质量分数的原料：合金粉末30-50％、酒精20-40％以及粘结剂15-30％。其中组成所述合金粉末的各组分的质量分数为：Ni10％-20％、Cr10-25％、WC10-30％、Ti5-20％以及C10-20％。
其中所述的步骤(4)中，采用点状间歇扫描方式时，激光光斑使用圆光斑、椭圆形光斑或者方形光斑，圆光斑直径2mm-10mm，椭圆形光斑长轴、短轴尺寸在2mm-10mm，方形长宽尺寸2mm-10mm，分布式地在钢轨试件表面进行打点，光斑与光斑之间有0.1mm-1mm的间隙，且均匀分布，如图3所示。激光束在每个点的停留时间为0.1-0.4s，控制方式采用电子开关光闸，不需要外部机械结构实现激光出光的不连续性。激光辐射点的面积达到钢轨强化预期的70％以上。
采用连续激光扫描方式时，激光光斑使用圆形光斑或宽带光斑。请参阅图4，当采用圆形光斑时，光斑直径1mm-6mm，对钢轨试件强化区域进行全面积地多道搭接扫描，扫描速度为0.5m/min-10m/min搭接率为30％-50％，根据钢轨试件强化区域的宽度，需要进行3-10道搭接扫描，实现钢轨试件强化区域的全面积合金化。
请参阅图5，当采用宽带光斑时，利用特制变焦聚镜，实现矩形光斑的输出，同时矩形光斑的长宽尺寸可以调节，长度1-3mm，宽度5-30mm，根据钢轨强化区域的尺寸地不同，实现一道扫描完成强化区域的全面积合金化，无需多道搭接，扫描速度为0.5m/min-10m/min。
请参阅图6，本发明钢轨试件的复合强化区域为钢轨磨损严重的区域——钢轨轨头顶面内半侧和钢轨的内侧面，顶部内侧面宽度15-30mm，侧面上侧面宽度15-30mm。激光强化后的钢轨表面获得一层0.2-1.0mm毫米深的合金强化层，硬度达到HRC45-HRC64，之下是钢轨钢的珠光体组织，硬度在HRC30-HRC40。
下面结合具体实施例对本发明进行说明。
实施例1
(1)对出厂的钢轨进行检测，包括钢轨成型尺寸、表面裂纹等，要求钢轨符合钢轨使用标准。
(2)清洁钢轨表面：对钢轨表面锈迹进行清理，使钢轨表面无锈迹、油污等。
(3)喷涂合金化涂料：用喷枪将调配好的包括质量分数为合金粉末30％、酒精40％以及粘结剂30％的钢轨激光强化专用合金化涂料，均匀地喷涂在钢轨需要强化的表面，涂层厚度均匀，并达到0.05-0.2mm；然后用自然风或者风扇吹干。其中所述合金粉末由以下质量分数的原料组成：Ni10％、Cr25％、WC30％、Ti15％以及C20％。
(4)利用功率4000W的高功率半导体激光器，使用光斑直径4mm的圆光斑对喷涂后的钢轨强化区域进行全面积地多道搭接扫描，扫描速度为1m/min，使钢轨试件表面产生微熔池，涂料中的合金化元素渗入钢轨试件表层。其中搭接率为30％-50％，根据钢轨强化区域的宽度，需要进行3-10道搭接扫描，实现钢轨强化区域的全面积合金化。
本实施例利用小光斑连续搭接扫描实现强化区域的全面积强化，具有扫描速度快，强化层深度深等特点，使得强化后的钢轨抗磨损的量更大，可以服役更长时间。
实施例2
(1)对出厂的钢轨进行检测，包括钢轨成型尺寸、表面裂纹等，要求钢轨符合钢轨使用标准。
(2)清洁钢轨表面：对钢轨表面锈迹进行清理，使钢轨表面无锈迹、油污等。
(3)喷涂合金化涂料：用喷枪将调配好的包括质量分数为合金粉末40％、酒精30％以及粘结剂30％的钢轨激光强化专用合金化涂料，均匀地喷涂在钢轨需要强化的表面，涂层厚度均匀，并达到0.05-0.5mm；然后用自然风或者风扇吹干。其中组成所述合金粉末的各组分的质量分数为：Ni15％、Cr20％、WC25％、Ti20％以及C20％。
(4)利用功率5000W的高功率半导体激光器，，使用长度2mm，宽度25mm的宽带光斑通过一道扫描完成对喷涂后的钢轨强化区域的全面积扫描，扫描速度1.5m/min，使钢轨试件表面产生微熔池，涂料中的合金化元素渗入钢轨试件表层，实现一道扫描，全面积合金化，无需多道搭接。
本实施例采用宽带激光合金化方法，通过一道扫描实现强化区域的全部强化，并且没有搭接区域，全面积的组织均匀一致，使得强化后的钢轨试件性能一致性高，不易出现局部提前失效。
实施例3
(1)对出厂的钢轨进行检测，包括钢轨成型尺寸、表面裂纹等，要求钢轨符合钢轨使用标准。
(2)清洁钢轨表面：对钢轨表面锈迹进行清理，使钢轨表面无锈迹、油污等。
(3)喷涂合金化涂料：用喷枪将调配好的包括质量分数为合金粉末35％、酒精40％以及粘结剂25％的钢轨激光强化专用合金化涂料，均匀地喷涂在钢轨需要强化的表面，涂层厚度均匀，并达到0.1-0.5mm；然后用自然风或者风扇吹干。其中组成所述合金粉末的各组分的质量分数为：Ni20％、Cr25％、WC30％、Ti10％以及C15％。
(4)利用功率6000W的高功率半导体激光器，，使用直径5mm的圆形光斑分布式地在喷涂后的钢轨试件强化区域的表面进行打点，光斑与光斑之间由0.1-1mm的间隙，且均匀分布，使用电子开关闸使激光束在每个点的停留时间为0.1-4s，使钢轨试件表面产生微熔池，涂料中的合金化元素渗入钢轨试件表层。在本实施例中，激光辐射点的面积达到钢轨强化预期的70％以上。
本实施例利用点状激光对钢轨试件进行分布式间隙扫描，使得各个强化区域不连续，可以减少裂纹倾向，使得强化后的钢轨试件抗疲劳性更强，不易出现表层剥落现象。
实施例4
(1)对出厂的钢轨进行检测，包括钢轨成型尺寸、表面裂纹等，要求钢轨符合钢轨使用标准。
(2)清洁钢轨表面：对钢轨表面锈迹进行清理，使钢轨表面无锈迹、油污等。
(3)喷涂合金化涂料：用喷枪将调配好的包括质量分数为合金粉末50％、酒精20％以及粘结剂30％的钢轨激光强化专用合金化涂料，均匀地喷涂在钢轨需要强化的表面，涂层厚度均匀，并达到0.1-0.5mm；然后用自然风或者风扇吹干。其中组成所述合金粉末的各组分的质量分数为：Ni20％、Cr15％、WC25％、Ti20％以及C20％。
(4)利用功率6000W的高功率半导体激光器，长轴6mm、短轴4mm的椭圆形光斑分布式地在喷涂后的钢轨试件强化区域的表面进行打点，光斑与光斑之间由0.1-1mm的间隙，且均匀分布，使用电子开关闸使激光束在每个点的停留时间为0.1-4s，使钢轨试件表面产生微熔池，涂料中的合金化元素渗入钢轨试件表层。在本实施例中，激光辐射点的面积达到钢轨强化预期的70％以上。
请参阅图7-8，其为本发明强化处理后的钢轨试件磨损试验试验结果，摩擦磨损模拟试验表明，在与车轮钢制备的陪试块进行环块磨损模拟实验时，经过激光强化的钢轨试件钢试块耐磨性是未经激光强化的钢轨钢试块的6-10倍。
本发明铁路钢轨激光强化合金化方法具有以下特点：
1)本发明强化后的新型铁路钢轨，具有表面强度高、整体韧性高的特性；
2)激光强化的钢轨表面获得一层0.2-1.0mm毫米深的合金强化层，硬度达到HRC45-HRC64，之下是钢轨钢的珠光体组织，硬度在HRC30-HRC40。
3)钢轨表面形貌平整良好，保持钢轨出厂尺寸不变，没有裂纹、坑洼、孔洞等表面缺陷，符合钢轨检测条件；
4)因为通过合金材料成分的设计以及工艺的优化，强化层组织为颗粒增强复合强化组织，在韧性好的粘结相组织中弥散分布颗粒增强相，具有强度和韧性相结合的优点；
5)强化后的钢轨试件因为表面强化层的存在，具有极好的抗疲劳性能，可以有效地抵抗列车的轮轨冲击，不发生剥落强化层，且具有极好的耐磨损性能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种铁路钢轨激光强化合金化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对出厂的钢轨进行检测，要求钢轨符合钢轨使用标准；
(2)清洁钢轨表面：对钢轨表面锈迹进行清理，除锈除污；
(3)喷涂合金化涂料：用喷枪将调配好的合金化涂料，均匀地喷涂在钢轨试件需要强化的表面，然后用自然风或者风扇吹干，该合金化涂料各组分的质量分数为合金粉末30-50％、酒精20-40％以及粘结剂15-30％；
(4)利用激光功率3000W-10000W的高功率半导体激光器对喷涂后的钢轨试件表面进行连续扫描或点状间歇扫描，使钢轨试件表面产生微熔池，涂料中的合金化元素渗入钢轨试件表层。
2.根据权利要求1所示的铁路钢轨激光强化合金化方法，其特征在于，其中步骤(3)所述的合金化涂料在钢轨试件表面喷涂的涂层厚度均匀，并达到0.05-0.5mm。
3.根据权利要求1所示的铁路钢轨激光强化合金化方法，其特征在于，其中步骤(3)所述的合金粉末，其各组分的质量分数为：Ni10％-20％、Cr10-25％、WC10-30％、Ti5-20％以及C10-20％。
4.根据权利要求1所示的铁路钢轨激光强化合金化方法，其特征在于，其中步骤(4)中，采用点状间歇扫描方式时，激光光斑使用圆光斑、椭圆形光斑或方形光斑，其中圆光斑直径2mm-10mm，椭圆形光斑长轴、短轴尺寸在2mm-10mm,方光斑长宽尺寸为2mm-10mm，分布式地在钢轨试件表面进行打点，光斑与光斑之间有0.1mm-1mm的间隙，且均匀分布。
5.根据权利要求4所示的铁路钢轨激光强化合金化方法，其特征在于，其中激光束在每个所述点的停留时间为0.1-0.4s，激光控制方式为电子开关光闸。
6.根据权利要求4所示的铁路钢轨激光强化合金化方法，其特征在于，其中所述的激光辐射点的面积占钢轨试件强化预期面积的70％以上。
7.根据权利要求1所示的铁路钢轨激光强化合金化方法，其特征在于，其中所述的步骤(4)中，采用连续激光扫描方式时，激光光斑使用直径1mm-6mm的圆形光斑，激光器对钢轨试件强化区域进行全面积地多道搭接扫描，扫描速度为0.5m/min-10m/min。
8.根据权利要求7所示的铁路钢轨激光强化合金化方法，其特征在于，其中所述的搭接扫描的搭接率为30％-50％。
9.根据权利要求1所示的铁路钢轨激光强化合金化方法，其特征在于，其中所述的步骤(4)中，采用连续激光扫描方式时，采用宽带光斑，利用特制变焦聚镜，实现矩形光斑的输出，同时调节矩形光斑的长宽尺寸，长度1-3mm，宽度5-30mm，扫描速度为0.5m/min-10m/min，实现一道扫描完成强化区域的全面积合金化。
10.根据权利要求1所示的铁路钢轨激光强化合金化方法，其特征在于，激光强化后的钢轨试件表面获得一层0.2-1mm深的合金强化层，硬度达到HRC45-HRC64，合金强化层之下是钢轨钢的珠光体组织，硬度在HRC30-HRC40。
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