[发明专利]一种用于钢轨表面强化处理的在线激光淬火工艺

说明书

技术领域

本发明涉及激光表面强化领域，具体是指一种用于钢轨表面强化处理的在线激光淬火工艺。

技术背景

钢轨是轨道交通的主要部件，钢轨与列车的车轮直接接触，其质量的好坏直接影响到行车的安全性和平稳性。我国铁路主要钢轨钢种主要是U71Mn和U75V，均为普通碳钢钢轨。随着列车速度、运量以及轴重的提高，这两种钢轨损伤的速率越来越快，已暴露出承载力不足，耐磨性不够，使用寿命不长的问题，使得钢轨损伤导致的安全事故时有发生，而我国每年用于更换和维修损伤钢轨的直接费用高达数十亿元。钢轨损伤一直是铁路运输中的一个关键问题，损伤类型主要是钢轨压溃、侧磨、波磨和剥离，占钢轨损伤量的80％以上。迄今为止，如何有效缓解和消除这些轨道伤损还没有行之有效的解决方法，只有采用直接更换钢轨的方式，使得铁路运营成本居高不下。

目前，有研究者探讨了这几种钢轨的损伤形式，认为钢轨损伤加剧主要是因为轮轨之间表面摩擦力的增加所致，而提高钢轨质量是预防钢轨损伤、延长钢轨寿命的最主要方法。为了提高铁道钢轨的使用寿命，国内外一般采取三种方法：第一，采用感应全长淬火工艺，控制冷速，获得细片状珠光体组织，增强钢轨韧性；第二，采用低合金高碳钢取代普通碳素钢；第三，采用贝氏体钢或者低碳马氏体钢取代高碳钢，进一步提高钢轨的表面硬度等。

但是上述方法各有不足。在过去几年中，全长淬火技术取得了显著的效果，使钢轨的耐磨性分别提高了50％(直道)和100％(弯道)。但是，大量实践表明，感应全长淬火钢轨的表面不能够出现马氏体甚至贝氏体组织，否则将大幅度降低钢轨的断裂韧性，导致钢轨在服役过程中出现断轨等事故，严重影响到铁道的安全运行。因此，全长淬火钢轨硬度一般控制在HV320-390之间，其耐磨性潜力的挖掘已经接近极限。低合金高碳钢钢轨与全长淬火技术相结合，可以进一步提高钢轨耐磨性，但是效果并不显著。低碳马氏体钢轨和贝氏体钢轨尚处于研发阶段，钢轨的焊接性方面还存在很大的问题和难度。

激光表面强化技术是近二十年发展十分迅速的金属材料表面强化之一，它包括激光淬火、熔凝淬火、表面合金化和表面熔覆技术等工艺，其共同特点是加热速度快、热影响区小、工件变形小，因此有望取代感应全长淬火工艺，成为新一代的钢轨表面强化工艺。

公告号为CN101109034的中国发明专利《铁路高速重轨激光淬火硬化工艺》中公开了一种铁路高速重轨激光淬火硬化工艺，通过在重轨表面喷涂混合好的SiO₂吸光涂料提高金属表面对CO₂激光的吸收率，采用宽带积分镜将激光光斑转变为矩形光斑，利用CO₂激光器快速扫描钢轨表面，使钢轨表面实现快速加热和冷却，从而得到厚度为0.5-1.0mm，硬度为800-1100HV，组织为高碳马氏体和少量奥氏体的淬硬层。

但是上述工艺所提出的重轨激光淬火硬化工艺具有以下不足：第一、采用激光对钢轨进行整面淬火，提高钢轨硬度的同时，降低了钢轨的韧性，使得道岔部分的主要部件(如尖轨、护轮轨、基本轨、岔心)淬火后容易出现开裂现象。第二、该设备采用高功率CO₂激光器作为光源，但是CO₂激光器体积庞大，结构复杂，不易移动，不适用于钢轨的在线激光淬火技术。

发明内容

本发明的目的是针对上述背景技术存在的不足，提供一种用于钢轨表面强化处理的在线激光淬火工艺，它可以同时提高钢轨硬度和韧性，并且还可以实现在线的激光淬火。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于钢轨表面处理的在线激光淬火工艺，其步骤包括：首先在钢轨表面涂覆一层吸光涂料，然后利用脉冲半导体激光在钢轨表面沿长度方向以一定速度扫描，在钢轨表面得到呈网格状布置的组织为细小马氏体的激光淬火点，所述激光淬火点面积为钢轨表面面积的50-80％，淬火点最深深度0.6-1.5mm。

在上述方案中，所述淬火点为圆形或椭圆形。

优选地，所述吸光涂料采用质量分数为70-80％的石墨颗粒、质量分数为10-15％的ZnO颗粒和质量分数为10-15％的TiO₂颗粒，用水混合均匀。

优选地，所述石磨颗粒、ZnO颗粒和TiO₂颗粒为粒径小于1微米的亚微米颗粒。

优选地，所述涂覆在钢轨表面吸光涂料的厚度为0.01-0.1mm。

在上述方案中，所述脉冲半导体激光是指从半导体激光器发出的功率为0.8-2kW，脉宽为0.1-1s的脉冲激光。