CN1542224A - 激光表面强化的铁路道岔尖轨 - Google Patents
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Abstract
一种激光强化的铁路道岔尖轨，其表面可以制作一种或多种激光强化的硬化层，比普通铁路道岔尖轨有更高的强度、硬度、维修的机动性和更长的使用寿命，克服了目前铁路道岔尖轨使用中存在多种弊端，可满足铁路提速对道岔尖轨提出的要求。
Description
本发明涉及一种铁路道岔尖轨，特别是涉及一种用激光表面强化的铁路道岔尖轨。
道岔是铁路轨道的重要组成部分，随着铁路高速的发展，高的运输强度与低的轨道结构强度的矛盾日益突出。道岔作为轨道三大薄弱环节之一，其技术性能，质量成为强化轨道结构，提高列车行车速度及运输安全的关键限制因素。尖轨是道岔的重要部件，尖轨病害和使用寿命是道岔使用寿命与运营成本的关键限制因素。尖轨的主要伤损部位及使用寿命取决于尖轨轨尖部分的磨损剥离，其伤损部位大部分在横截面10cm以前的尖端部位。轨尖部分在剥离掉块之前、一般先出现比较明显的金属塑性变形，压辗而出现飞边现象。尖轨使用1-3个月就会出现飞边，提速道岔尖轨磨损严重区段使用二个月就必须更换。
为了解决这个问题，我国实用新型专利(00209840.7)根据尖轨生产工艺存在的问题和尖轨现场病害情况，提出用激光相变硬化工艺在尖轨工作面形成一个硬化层，以增加尖轨的耐磨性并延长使用寿命。经过本发明人实验室研究和长达一年的现场中试，证明这种方法对增加尖轨的耐磨性是有效的；但是对延长尖轨的使用寿命效果不甚理想。因为目前的激光相变硬化工艺在尖轨工作面形成的硬化层不到1mm，太薄；而且激光相变硬化工艺不能改变尖轨表面的成分，不能在尖轨表面制作超强的耐磨材料；一旦尖轨工作面在现场使用中发生剥离、掉块等病害，激光相变硬化工艺无法进行修复，结果只能是整根尖轨报废。
针对激光表面相变硬化尖轨存在的问题，本发明提供了一种新型的激光表面强化的铁路道岔尖轨，该尖轨有着厚且各种激光强化工艺形成的硬化层，利用激光强化工艺能够改变尖轨表面的成分并制成超强的耐磨材料，当尖轨工作面在现场使用中发生剥离、掉块等病害时，利用激光强化工艺能够有效地进行修理并恢复尖轨的使用性能，这样就大大增加了尖轨的耐磨性并大大延长了尖轨的使用寿命。
本发明的目的是提供一种激光表面强化的铁路道岔尖轨，克服目前道岔尖轨和激光表面相变硬化道岔尖轨使用中的弊端，以适应铁路提速对道岔尖轨的要求。
本发明是这样实现的：
一种激光表面强化的铁路道岔尖轨，包括：尖轨表面激光相变硬化层，尖轨表面激光熔凝硬化层，尖轨表面激光合金化硬化层，尖轨表面激光熔覆硬化层，尖轨表面层下的相变层、热影响层和尖轨基体。用激光束照射尖轨表面，依据不同的激光加工参数和作业程序，可在尖轨表面形成：激光表面相变硬化层，激光表面熔凝硬化层，激光表面合金化硬化层，激光表面熔覆硬化层；上述硬化层与尖轨基体间存在着过渡层，过渡层为相变层和热影响层。激光强化的尖轨几何尺寸与目前国产尖轨相同，尖轨基体的材质与目前国产尖轨相同。各种硬化层、过渡层，在尖轨表面下一定深度与范围内，是通过激光束照射尖轨表面形成的。各种硬化层在尖轨表面上有一定的平面形状，可以是网状，点状，直线状，曲线状，平面状；各种硬化层在尖轨基体中有一定的空间形状，可以是连续的或不连续的；各种硬化层在尖轨基体中有特定的微观组织结构，这种特定的微观组织结构有着特定的物理性状与特性。
激光强化道岔尖轨的主要技术特征是用激光束在尖轨表面及表面下一定深度与范围内产生硬化层。硬化层与尖轨基体有着相同的或不同的化学成分，不同的显微组织结构，也有着优异的物理特性。激光强化的道岔尖轨仅在轮轨接触面下局部用激光束进行强化形成硬化层，也可根据道岔尖轨的病害情况局部用激光束进行强化修理。利用激光设备，激光强化的道岔尖轨可以在工厂生产线上生产，也可以在轨道上就地对既有道岔尖轨进行激光强化。当轨道上激光强化的道岔尖轨硬化层磨损或疲劳破坏时，还可以利用激光设备在激光强化过的道岔尖轨上重新形成新的硬化层。
本发明的优点为：激光强化的道岔尖轨耐磨性好，抗冲击韧性优良，通过总重比普通的道岔尖轨可增加1倍，是一种手段独特、造价经济、性能优异的新尖轨。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述：
图1为本发明的横断面图。
图2为本发明的各种激光强化硬化层示意图。
参照图1、图2，标号(1)为道岔基本轨，标号(2)为道岔尖轨，标号(3)为道岔尖轨表面的各种激光强化硬化层，标号(4)为道岔尖轨表面的激光相变硬化层，标号(5)为道岔尖轨表面的激光熔凝硬化层，标号(6)为道岔尖轨表面的激光合金化硬化层，标号(7)为道岔尖轨表面的激光熔覆硬化层，标号(4’)为道岔尖轨表面的激光熔凝硬化层、激光合金化硬化层、激光熔覆硬化层与热影响层间的激光相变硬化层，标号(8)为激光相变硬化层与尖轨基体间的热影响硬化层。
实施例1：
用激光束照射道岔尖轨(2)表面轮轨工作边，调整激光器输出功率和光头的运动速度，使道岔尖轨(2)表面轮轨工作边不致熔化又能获得设计的硬化深度，移动激光束，原照射点热量在道岔尖轨(2)基体中迅速散发而快速自冷而淬火，这样可在道岔尖轨(2)表面轮轨工作边上获得需要的激光相变硬化硬化层(4)。
工厂生产这种激光强化的道岔尖轨(2)需激光数控机床。该机床由二氧化碳气体激光器、导光系统、数控机床组成。首先将道岔尖轨(2)表面轮轨工作边进行予处理，涂专门的涂料，以提高道岔尖轨(2)表面对激光的吸收率。激光光斑直经D，相对运动速度V，功率密度P0等加工参数要认真试验确定。激光光斑可为圆形，也可为矩形，也可为线形。当激光器输出功率确定后，可通过调整光头与工件的距离L来调整功率密度。过大的功率密度会使道岔尖轨(2)表面溶化，道岔尖轨(2)表面相变硬化可取功率密度为104-105W/cm2。激光照射道岔尖轨(2)表面，迅速加热到相变温度以上形成高温相，激光加热速度为103--104℃/S。当激光束移开，热量迅速在道岔尖轨(2)基体内传导而冷却，冷却速度可达104--106℃/S。激光表面加热极快，奥氏体晶粒来不及长大，所以在道岔尖轨(2)表面的奥氏体晶粒很细，自淬火后形成的马氏体尺寸极小，可形成超细化的隐晶马氏体，表面硬度可达900--1100HV，耐磨性很好。调整有关参数，硬化层深度可达5mm。尤其是道岔尖轨(2)用传统淬火方法难以处理的轨尖部位，用激光相变硬化可很方便的进行处理。
激光束可在道岔尖轨(2)表面产生连续的相变硬化层，也可以扫描成不连续的、具有一定表面形状或空间形状的硬化层，如网状，直线状，曲线状，平面状，点状。道岔尖轨(2)表面上获得需要的激光相变硬化硬化层(4)，可在新道岔尖轨(2)表面上形成，也可在修理的道岔尖轨(2)表面上形成；可在工厂生产，也可用激光车在轨道上就地生产。
实施例2：
用激光束照射道岔尖轨(2)表面，调整激光光头与道岔尖轨(2)表面的距离，用近于聚焦的激光束照射道岔尖轨(2)表面，其表面迅速溶化，产生熔池，激光束移动后，熔池靠道岔尖轨(2)自身快速冷却凝固，这样在道岔尖轨(2)表面上得到激光熔凝硬化层(5)。
激光熔凝硬化比激光相变硬化所用的激光能量密度高，约109W/cm2，为提高道岔尖轨(2)表面对激光的吸收率，在处理表面涂掺石墨的硅酸钠或其他材料，熔池温度达1200℃以上。激光束照射道岔尖轨(2)表面的同时，在熔池上方要用惰性气体保护，以避免熔池氧化。
调整激光束功率密度P0，扫描速度V，作用时间T，光头与道岔尖轨(2)表面的距离L，光斑直径等参数，道岔尖轨(2)表面激光熔凝后熔凝层的金相组织会出现超细共晶，细树枝晶，非晶态组织。道岔尖轨(2)表面熔凝层为共晶组织，这是由于予涂层碳向熔池渗入熔池在激光束作用下高速对流的结果。共晶组织极为细密，内部主要由马氏体和渗碳体构成，硬度高达1100HV。共晶层下方为枝晶区，枝晶区底部存在一层薄的白色区，往下是相变区，相变区与基体区间存在着热影响区。熔凝区，相变区，热影响区，总厚可达1--5mm，调整参数可得更厚的5--15mm处理层。由于激光熔凝区组织极其细密，均匀，硬度很高，所以激光强化的道岔尖轨(2)表面激光熔凝硬化层(5)有很好的耐磨性。由于激光熔凝道岔尖轨(2)表面到基体有很好的各种组织过渡，处理层与基体有很好的冶金结合，内有残余压应力，所以激光强化的道岔尖轨(2)表面激光熔凝硬化层(5)有很好的韧性，耐接触疲劳，不宜剥离掉块。
激光束可在道岔尖轨(2)表面产生连续的激光表面熔凝硬化层(5)，也可以扫描成不连续的、具有一定表面形状或空间形状的激光表面熔凝硬化层(5)，如网状，直线状，曲线状，平面状，点状。道岔尖轨(2)表面上获得需要的激光表面熔凝硬化层(5)，可在新道岔尖轨(2)表面上形成，也可在修理的道岔尖轨(2)表面上形成；可在工厂生产，也可用激光车在轨道上就地生产。
实施例3：
用激光束照射道岔尖轨(2)表面，道岔尖轨(2)表面上产生熔池，同时将合金粉末送入熔池，迅速熔化、混合、凝固，在道岔尖轨(2)表面上形成一层新的合金。新合金改变了道岔尖轨(2)基体的化学成分，又改变了组织结构和物理状态，这样在道岔尖轨(2)表面上形成激光表面合金化硬化层(6)。
道岔尖轨(2)在激光合金化前，要进行予处理，将合金材料用刷、喷涂等方法予置到道岔尖轨(2)的表面，调整激光光头透镜与道岔尖轨(2)表面的距离，使其处于透镜焦点或近焦点处，激光功率密度108w/cm2，熔池温度1200℃以上，冷却速度106℃/s，合金层深度在道岔尖轨(2)表面下可达5--15mm。
道岔尖轨(2)表面的激光熔池需用惰性气体保护，以免氧化而影响合金质量。可以采用自动气流送粉系统，在向熔池表面吹入惰性气体的同时，用气流把予先配好的合金粉末喷入熔池，这样省去了涂刷工序，而且可以精确控制合金成分。激光合金化的粉末有非金属、合金、陶瓷粉末几种。激光强化道岔尖轨(2)表面激光合金化硬化层(6)用的合金粉末含有Cr，Ni，W，Ti，Mo，B，V，Co，Nb等。
激光表面合金化硬化层(6)由三层组成，第一层为合金层，由于合金粉末在激光熔池里迅速熔化、混合，所得的合金层成分均匀，金相组织呈多元共晶体，组织细密。第二层为相变层(4’)，第三层为热影响层(8)，由于在激光熔池中，合金熔体与基体间有极大的浓度梯度，合金元素短程扩散，合金层与相变区(4’)、热影响区(8)界面的显微组织呈树枝晶，与基体热影响层(8)的马氏体交错排列，界面结合为冶金结合。
激光束可在道岔尖轨(2)表面产生连续的激光表面合金化硬化层(6)，也可以扫描成不连续的、具有一定表面形状或空间形状的激光表面合金化硬化层(6)，如网状，直线状，曲线状，平面状，点状。道岔尖轨(2)表面上获得需要的激光表面合金化硬化层(6)，可在新道岔尖轨(2)表面上形成，也可在修理的道岔尖轨(2)表面上形成；可在工厂生产，也可用激光车在轨道上就地生产。
实施例4：
用激光束照射道岔尖轨(2)表面，道岔尖轨(2)表面上产生熔池，将合金粉末予置或送粉到熔池，合金粉末与少量道岔尖轨(2)基体熔化、混合后迅速凝固，在道岔尖轨(2)表面上形成一层新的合金。新合金改变了道岔尖轨(2)基体的化学成分，又改变了组织结构和物理状态，这样在道岔尖轨(2)表面上形成一层与合金粉末基本一致的激光表面熔覆硬化层(7)。
激光强化的道岔尖轨(2)表面激光熔覆硬化层(7)与的激光表面合金化硬化层(6)的区别是：激光表面熔覆硬化层(7)要求道岔尖轨(2)表面微熔而予复层全部熔化，予复层合金成分基本不变，仅在与道岔尖轨(2)结合面处受到稀释；而激光表面合金化硬化层(6)是使添加合金元素与道岔尖轨(2)基体局部混合而形成新的合金层。
激光表面熔覆硬化层(7)加工的工艺参数除了前述的工艺参数外，还有粉末粒度，送粉速率，保护气体流量，搭接宽度等。粉末粒度取100～300目，搭接率40％左右，送粉量选取合适时，熔覆层断面呈半月形。激光表面熔覆硬化层(7)用的粉末有镍基自熔合金，钴基自熔合金，铁基自熔合金，陶瓷型自熔合金以及品种繁多的复合粉末；也可自行开发新的耐磨合金粉末或专用粉末。
激光强化的道岔尖轨(2)在激光熔覆前，要进行予处理，熔覆材料可用刷涂、喷涂等方法予置到道岔尖轨(2)表面，激光功率密度106w/cm2，熔池温度1200℃以上，冷却速度106C/s，熔覆层深度可达5mm。表面的激光熔池需用惰性气体保护，采用自动送粉系统可同时将粉末与惰性气体送进熔池。
采用不同的合金粉末在激光表面熔覆硬化层(7)可形成不同的金相组织，熔覆层组织晶粒细小，熔覆层与基体间有相变硬化层和热影响层且界面间有良好的冶金结合。
激光束可在道岔尖轨(2)表面产生连续的激光表面熔覆硬化层(7)，也可以扫描成不连续的、具有一定表面形状或空间形状的激光表面熔覆硬化层(7)，如网状，直线状，曲线状，平面状，点状。道岔尖轨(2)表面上获得需要的激光表面熔覆硬化层(7)，可在新道岔尖轨(2)表面上形成，也可在修理的道岔尖轨(2)表面上形成；可在工厂生产，也可用激光车在轨道上就地生产。
上述的激光强化道岔尖轨(2)表面的各种硬化层在实际应用中，用激光车在轨道上就地生产一般在道岔尖轨(2)表面形成激光表面相变硬化层(4)、激光表面熔凝硬化层(5)，在工厂新道岔尖轨(2)表面一般形成激光合金化硬化层(6)，旧道岔尖轨(2)在工厂修理时其表面一般形成激光熔覆硬化层(7)。上述的道岔尖轨(2)的表面主要是指道岔尖轨(2)表面的轮轨工作边。利用激光车就地强化铁路道岔尖轨(2)，不仅可以消除因轮轨接触应力造成的道岔尖轨(2)表面轮轨工作边的疲劳裂纹，而且可以根据运量和道岔尖轨(2)的伤损情况，合理选择的激光强化道岔尖轨(2)的修理周期和激光维修的作业参数，对道岔尖轨(2)进行周期性的激光强化；道岔尖轨(2)可以多次形成激光强化硬化层；这样将大大延长道岔尖轨(2)的在线服役时间和通过总重。激光强化铁路道岔尖轨(2)有着独特的物理特性，根据设计的硬化层的不同，其抗拉强度可在800--1300Mpa间，硬度可在600--1100HV间，是一种超高强耐磨的铁路道岔尖轨。激光强化铁路道岔尖轨广泛适用于国铁路网线路和站场、地方铁路、城市轻轨、地铁，厂矿专用线，尤其是运煤专线和高速重载的主要铁道干线。
Claims (5)
1.一种铁路道岔尖轨，其特征在于，用激光束照射尖轨表面，依据不同的激光加工参数和加工工艺，可在尖轨表面形成激光表面相变硬化层、激光表面熔凝硬化层、激光表面合金化硬化层、激光表面熔覆硬化层，上述尖轨表面硬化层与尖轨基体间存在着过渡的相变层和热影响层，硬化层和过渡层有着特定的微观组织结构，这种特定的微观组织结构有着特定的物理性状与特性。
2.根据权利要求1所述的激光强化铁路道岔尖轨，其特征在于，激光强化硬化层在尖轨表面上有一定的平面形状，可以是网状、点状、直线状、曲线状、平面状，在尖轨基体中有一定的空间形状，可以是连续的或不连续的。
3.根据权利要求1所述的激光强化铁路道岔尖轨，其特征在于，激光强化硬化层可在工厂由激光机床加工形成，也可由轨道激光维修车在轨道上就地加工形成。
4.根据权利要求1所述的激光强化铁路道岔尖轨，其特征在于，尖轨表面激光强化硬化层的厚度可达10mm，
5.根据权利要求1所述的激光强化铁路道岔尖轨，其特征在于，根据运量和尖轨的伤损情况，可进行周期性的激光强化维修和随时的激光在线急修。
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| CNA031230431A CN1542224A (zh) | 2003-04-28 | 2003-04-28 | 激光表面强化的铁路道岔尖轨 |
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