CN110846942A - 一种层流等离子技术处理的铁路钢轨 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钢轨处理加工领域，涉及一种使用层流等离子技术处理的铁路钢轨，能大幅提高钢轨耐磨损性能及使用寿命，一种层流等离子技术处理的铁路钢轨，其特征在于包括：钢轨主体、强化点侧剖面、强化带、强化区、钢轨顶面和钢轨侧面，所述钢轨主体包括钢轨顶面和钢轨侧面，所述钢轨顶面和钢轨侧面设置有多条经过层流等离子处理的强化带，所述上下左右相邻的任意三条强化带之间的几何中心连线形成一个强化区，所述强化区为三角形结构。
Description
技术领域
本发明属于钢轨处理加工领域，涉及一种使用层流等离子技术处理的铁路钢轨，能大幅提高钢轨耐磨损性能及使用寿命。
背景技术
钢轨是铁路线路的重要组成部分，其主要作用是支持并引导车轮沿运行方向前进，直接承受来自车轮的压力、震动和冲击。随着我国重载货运铁路、高速铁路、客运专线、快速客货混跑铁路以及城市轨道交通的大规模建设与发展，对钢轨的耐磨性和使用寿命的要求不断提高。
目前，我国铁路钢轨一般采用钢厂轧制成型，其强度和硬度都难以适应现代重载铁路发展的需要，造成使用中出现磨耗量大、剥离掉块、轨面压溃等损伤。在重载荷、年通过量大等地段，钢轨磨耗和损伤更快、寿命更短，导致其更换频繁，严重影响行车安全和运输秩序，同时也增加了运营成本。
铁路钢轨的损伤大致可以分为磨损和滚动接触疲劳。磨损的主要损伤类型包括钢轨侧磨、钢轨压溃、钢轨剥离、钢轨波磨，占到钢轨磨损损伤量的80%以上。滚动接触疲劳会诱发棘齿裂纹和垂直裂纹，根据接触疲劳裂纹在钢轨踏面处形成的位置和形状，可以将疲劳裂纹分为鱼鳞状剥离裂纹和斜裂纹。几种常见的损伤模式如下：
侧磨：磨耗常表现为在钢轨头部发生的沿全长的磨损，以侧面磨耗为主，一般出现在曲线外股钢轨的头部。列车运行过程中，车轮与钢轨之间的粘着、螺滑及滑动，车轮与钢轨之间由于存在冲击角而造成的对钢轨的冲击，都会严重磨损钢轨。同时，由于车体离心力和向心力得不到平衡而造成的内外轨偏载，也会加剧钢轨的侧磨。例如在一些山区的铁路线上，决定曲线钢轨是否需要更换的主要因素就是钢轨侧磨。车轮在直线钢轨上运行时，车轮和钢轨是一点接触，也就是说，钢轨的顶面和车轮踏面之间接触。然而，如果钢轨的曲率半径比较小，车轮通过钢轨的时候，由于惯性的原因，车轮的轮缘会向钢轨的一侧贴靠，也就是两点接触。如果车轮在钢轨上纯滚动，则滑动必然存在于另一个远离回转轴线的轮缘与轨侧的接触点上，导致剧烈磨损出现在轮缘与轨侧之间。研究认为，横向水平力的大小是决定钢轨侧磨的主要因素。线路几何尺寸不达标会加重钢轨侧磨，具体体现在外轨超高、轨底坡、曲线半径、曲线圆顺度、轨距等几何参数上的影响。此外，钢轨材质和线路道床的清洁程度也会对侧磨带来影响。
波磨：钢轨投入使用后，轨顶面沿纵向出现有一定规律性的凸凹不平现象被称为波浪型磨损，简称波磨。较大的轮轨载荷导致钢轨塑性变形不均匀是钢轨产生波磨的主要原因。波磨的形成与钢轨材料的安定极限值有关，其安定值越大，波磨越不易形成。波磨可以分为重载波磨、轻轨波磨、轨枕振动、车轮压痕和响轨，对应损伤机理为波谷塑性变形、塑性弯曲、波谷侧面磨损和波峰塑性变形、波谷纵向振动磨损、波谷纵向滑动磨损。线路上出现波磨，会加剧轮轨垂向振动，引起钢轨扣件松动、枕轨下沉、路基破坏等后果，这不仅缩短钢轨使用寿命，而且损坏运行车辆零部件。同时，波磨将导致轮轨作用力的急剧增加，这可能引起钢轨和车轴的断裂，增加列车行车风险。
压溃：钢轨连续塑性变形会引起钢轨的压溃。所谓钢轨压溃，是指发生在轨头踏面处由被压溃的金属所形成的飞边。钢轨压溃已经成为重载线路钢轨的一种主要损伤类型，常见于重载线路曲线低股钢轨上，表现为钢轨内轨角处轨头被挤压成蘑菇状。造成钢轨压溃的原因可归结为：轨道材料强度不足，硬度不够，曲线超高过高或过低，或者低股钢轨轨底坡不合适，有害夹杂物和元素偏析。
剥离：剥离是指发生在钢轨踏面上一种呈薄片状或块状剥离母体的损伤，常见于线路曲线区段。轮轨接触区塑性变形的累积在形成这类损伤的过程中起到很大作用。轮轨间过大的接触应力一旦超过轨道材料的屈服极限，塑性变形就将发生在轮轨接触处附近。在循环载荷的作用下，塑性变形会累积增加，进而在钢轨表面和次表面形成微观裂纹。这类微观裂纹如果得不到及时地处理将会逐渐发展呈薄片状剥离或局部发展成剥离掉块。
目前，国内钢轨主要采用的是880MPa级的U71Mn和980MPa级的U75V微合金钢，其中U75V由于具有更高的强度和硬度，是主要的钢轨用钢。然而，由于U75V等珠光体共析钢含碳量较高，塑韧性略差，使用寿命仍待提高。
近年来，也出现对钢轨表面进行强化处理技术，现有技术中的表面强化处理是使用激光对钢轨表面进行强化。激光相变硬化是以高能密度的激光束快速照射工件，使其表面产生光电子，光电子吸收光场能量并作用于工件表面，产生热处理效应。
然而，由于金属固体材料对激光吸收率较低，激光实际能量利用率低。虽然对试样材料进行磷化处理可提高材料表面对激光的吸收率，但其对钢轨表面存在污染的风险。同时，由于激光产生的非热电子云与钢轨作用易形成非平衡结构体，较易碎裂，存在热处理斑点压碎、脱落等风险。激光表面处理技术存在设备成本高、一次性投资大、功率受限等问题，大批量生产时效率仍待提高、成本有待降低，以至于截止目前激光表面处理技术仍无法形成大规模产业化应用。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种使用层流等离子技术处理的铁路钢轨。
一种层流等离子技术处理的铁路钢轨，其特征在于包括：钢轨主体、强化点侧剖面、强化带、强化区、钢轨顶面和钢轨侧面，所述钢轨主体包括钢轨顶面和钢轨侧面，所述钢轨顶面和钢轨侧面设置有多条经过层流等离子处理的强化带，所述上下左右相邻的任意三条强化带之间的几何中心连线形成一个强化区，所述强化区为三角形结构。
所述钢轨顶面设置有多条经过层流等离子处理的强化带，强化带采用条状或点状结构，具体长度根据钢轨的长度来计算。
所述钢轨侧面设置有多条经过层流等离子处理的强化带，强化带采用条状或点状结构，具体长度根据钢轨的长度来计算。
所述上下左右相邻的任意三条强化带之间的几何中心连线形成一个强化区，所述强化区为等边角形结构。
所述强化带侧剖面为月牙形结构。
所述强化带侧剖面的深度为0.2～3.0mm。
所述强化带的宽度4.0-8.0mm。
本发明的有益效果：
1.本发明通过层流等离子体束对钢轨进行快速加热，使钢轨表层温度达到相变临界点以上、熔点以下，当等离子体束移开后，通过钢轨自身的急冷作用，由于钢轨金属材料良好的导热性，使加热表层区域形成超细、均匀的淬硬组织，并不改变基体内部组织和性能，从而达到强化钢轨表层的目的。
2.本发明涉及到的层流等离子体强化加工应用便捷、设备成本低、生产自动化程度高，生产效率高，将此技术运用于铁路钢轨的表面强化处理中，具有显著的经济及社会效益。
3.本发明将钢轨通过层流等离子强化处理后，其硬度和耐磨性大幅提高，使用寿命为未处理前的3倍以上，延长使用时间效果明显。
附图标记
1、钢轨主体，2、强化带侧剖面，3、强化带，4、强化区，5、钢轨顶面，6、钢轨侧面。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例1的剖面结构示意图；
图3为本发明实施例2的结构示意图；
图4为本发明实施例2的剖面结构示意图；
图5为本发明实施例3的结构示意图；
图6为本发明实施例3的剖面结构示意图；
图7为本发明实施例4的结构示意图；
图8为本发明实施例4的剖面结构示意图；
图9为本发明中钢轨表面的放大图。
具体实施方式：
实施例1：
当发明结构应用到铁路道岔基本轨，同时基本轨需要兼顾韧性和耐磨性平衡的时候，此时此基本轨适用于正常铁路道岔：
一种层流等离子技术处理的铁路钢轨，其特征在于包括：钢轨主体、强化带侧剖面、强化带、强化区、钢轨顶面和钢轨侧面，所述钢轨主体包括钢轨顶面和钢轨侧面，所述钢轨顶面和钢轨侧面设置有多条经过层流等离子处理的强化带，所述上下左右相邻的任意三条强化带之间的几何中心连线形成一个强化区，所述强化区为三角形结构。
所述钢轨顶面设置有多条经过层流等离子处理的强化带，具体长度根据基本轨的长度来计算。
所述钢轨侧面设置有多条经过层流等离子处理的强化带，具体长度根据基本轨的长度来计算。
所述上下左右相邻的任意三条强化带之间的几何中心连线形成一个强化区，所述强化区为等腰三角形。
所述强化带侧剖面为月牙形。
所述强化带侧剖面的深度为0.4～1.0mm。
所述强化带的长度宽度5.0-5.5mm。
实施例2：
当发明结构应用到铁路道岔尖轨的时候，同时尖轨需要兼顾韧性和耐磨性平衡的时候，此时此尖轨适用于铁路道岔：
一种层流等离子技术处理的铁路钢轨，其特征在于包括：尖轨主体、强化带侧剖面、强化带、强化区、尖轨顶面和尖轨侧面，所述尖轨主体包括尖轨顶面和尖轨侧面，所述尖轨顶面和尖轨侧面设置有多条经过层流等离子处理的强化带，所述上下左右相邻的任意三条强化带之间的几何中心连线形成一个强化区，所述强化区为三角形结构。
所述尖轨顶面设置有多条经过层流等离子处理的强化带，具体长度根据尖轨的长度来计算。
所述尖轨侧面设置有多条经过层流等离子处理的强化带，具体长度根据尖轨的长度来计算。
所述上下左右相邻的任意三条强化带之间的几何中心连线形成一个强化区，所述强化区为等腰三角形。
所述强化带侧剖面为月牙形。
所述强化带侧剖面的深度为0.4～2.0mm。
所述强化带的长度宽度4.0-7.0mm。
实施例3：
当发明结构应用到铁路道岔导曲轨、翼轨以及线路钢轨。此铁路道岔导曲轨、翼轨适用于正常铁路道岔；线路钢轨适用于正常普通铁路、重载铁路、小半径曲线铁路：
一种层流等离子技术处理的铁路钢轨，其特征在于包括：钢轨主体、强化点侧剖面、强化带、强化区、钢轨顶面和钢轨侧面，所述钢轨主体包括钢轨顶面和钢轨侧面，所述钢轨顶面和钢轨侧面设置有多条经过层流等离子处理的强化带，强化带为点状结构。所述上下左右相邻的任意三条强化带之间的几何中心连线形成一个强化区，所述强化区为三角形结构。
所述钢轨顶面设置有多条经过层流等离子处理的强化带，强化带为点状结构，具体长度根据钢轨的长度来计算。
所述钢轨侧面设置有多条经过层流等离子处理的强化带，强化带为点状结构，具体长度根据钢轨的长度来计算。
所述上下左右相邻的任意三条强化带之间的几何中心连线形成一个强化区，所述强化区为等边角形结构。
所述强化带侧剖面为月牙形结构。
所述强化带侧剖面的深度为0.4～3.0mm。
所述强化带的宽度4.0-6.0mm。
实施例4：
当发明结构应用到道岔护轨的时候，此护轨适用于正常铁路道岔：
一种层流等离子技术处理的铁路钢轨，其特征在于包括：护轨主体、强化带侧剖面、强化带、强化区、护轨侧面，所述护轨主体包括护轨顶面和护轨侧面，所述护轨侧面设置有多条经过层流等离子处理的强化带，所述上下左右相邻的任意三条强化带之间的几何中心连线形成一个强化区，所述强化区为三角形结构。
所述护轨侧面设置有多条经过层流等离子处理的强化带，具体长度根据护轨的长度来计算。
所述上下左右相邻的任意三条强化带之间的几何中心连线形成一个强化区，所述强化区为等腰三角形。
所述强化带侧剖面为月牙形。
所述强化带侧剖面的深度为0.6～1.0mm。
所述强化带的长度宽度6.0-7.0mm。
Claims (7)
1.一种层流等离子技术处理的铁路钢轨，其特征在于包括：钢轨主体（1）、强化点侧剖面（2）、强化带（3）、强化区（4）、钢轨顶面（5）和钢轨侧面（6），所述钢轨主体（1）包括钢轨顶面（5）和钢轨侧面（6），所述钢轨顶面（5）和钢轨侧面（6）设置有多条经过层流等离子处理的强化带（3），所述上下左右相邻的任意三条强化带（3）之间的几何中心连线形成一个强化区（4），所述强化区（4）为三角形结构。
2.根据权利要求1所述一种层流等离子技术处理的铁路钢轨，其特征在于：所述钢轨顶面（5）设置有多条经过层流等离子处理的强化带（3），强化带（3）采用条状或点状结构，具体长度根据钢轨的长度来计算。
3.根据权利要求1所述一种层流等离子技术处理的铁路钢轨，其特征在于：所述钢轨侧面（6）设置有多条经过层流等离子处理的强化带（3），强化带（3）采用条状或点状结构，具体长度根据钢轨的长度来计算。
4.根据权利要求1所述一种层流等离子技术处理的铁路钢轨，其特征在于：所述强化区（4）为等边角形结构。
5.根据权利要求1所述一种层流等离子技术处理的铁路钢轨，其特征在于：所述强化带侧剖面（2）为月牙形结构。
6.根据权利要求1所述一种层流等离子技术处理的铁路钢轨，其特征在于：所述强化带侧剖面（2）的深度为0.2～3.0mm。
7.根据权利要求1所述一种层流等离子技术处理的铁路钢轨，其特征在于：所述强化带（3）的宽度4.0-8.0mm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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