[发明专利]列车车轮组合激光强化方法

说明书

技术领域

本发明涉及列车零部件及激光加工组织技术领域。

背景技术

车轮是关系列车服役经济性、安全性、乘坐舒适性和环境噪音的关键部件，与车轴、轴承等部件组装在一起后组成轮对，在复杂轮轨滚动接触冲击力作用下，会出现了冲击、滑动噪音等环境问题；其踏面部位承受复杂滚动接触疲劳载荷，出现剥离与磨耗等损伤问题；而其非踏面部位承受复杂三维交变疲劳载荷，呈现疲劳累积损伤问题。同时，为提高列车综合运行性能，对车轮提出了低质量、低噪音、长寿命、高可靠性与安全性的苛刻科技要求。

依照世界列车车轮制造技术特点，列车车轮可区分为整体车轮、弹性组合车轮和激光踏面车轮：

整体车轮，现有材料主要有优质碳素钢和优质低合金钢两种，制造工艺分为连铸工艺和连轧工艺，包含钢水精炼-轮坯锻轧/铸造-热处理/表面强化-精加工等过程；热处理/表面强化工艺包括调质、表面淬火、表面喷丸等，由于材料组织结构没有发生实质性转变，材料服役能力几乎达到制造能力的极限，但能力仍然有限：车轮踏面的磨损速度达0.2～2[g/cm²·10km/h]；西欧高铁低合金钢车轮，抗断裂韧度在50～80MPa.m^0.5(标准EN 13262)，对应疲劳寿命N＝10⁷cycles的疲劳强度仅为300MPa左右；美国优质碳素钢车轮，其断裂韧度值仅为50～100MPa.m^0.5，对应疲劳寿命N＝10⁷cycles的拉压疲劳强度约为270MPa，扭转载荷状态则为170MPa；车轮踏面亚表层裂纹(a，c≤5mm)扩展寿命仅约2×10⁵cycles。因此，列车服役中车轮踏面磨损快，不均匀性损伤大，导致轮轨冲击载荷与冲击噪音增加快，维修寿命与总体服役寿命短。

弹性组合车轮，把整体车轮的轮辋区域与轮幅及轮毂区域分离成为轮箍，在轮箍与轮辐之间填装弹性吸振元件，组装在一起成为弹性车轮。具有吸振降噪功能。规范对各部位的强度能力要求与整体车轮基本一致，但由于造成TGV高速列车车轮疲劳裂纹，导致1998年6月3日德国TGV高速列车脱轨，酿成101人遇难、200多人重伤事故的车轮，正是弹性车轮，证明：组装结构，带来了轮箍与轮辐结合部疲劳裂纹萌生。该技术是在整体车轮技术方法基础上的结构改进技术，但对如何解决弹性组合车轮的疲劳断裂安全问题的途径尚未解决，世界各国基本上不再使用该类车轮。

激光踏面车轮，上世纪90年代后期，俄罗斯机器制造科学研究院联合高尔基铁路局，率先应用CO 2激光器直接熔炼轮-轨接触面基体材料(未添加耐磨颗粒)，获得相变强化轮轨接触面，使材料微观组织微纳米化，取得了车轮踏面磨损速度降低67％～80％、延长钢轨寿命0.8～1.0的效果[Chkalov LA.Laser strengthening of wheel and rail.Railway Transport，1988，(2)：31-36]。Lennart OJ(1995)、刘豫等(2006)和Timakova等(2008)各自公开了车轮踏面的激光相变强化方法，即激光熔凝方法专利。张准胜(2001)公开了车轮踏面激光组合强化方法专利。浙江大学生产工程研究所对机车车轮轮缘开展了激光淬火工艺强化机车车轮轮缘，使磨耗率降低70％[李凤旺.机车车轮轮缘强化技术.金属热处理，1997，(10)：41-42]；济钢第一炼钢厂对行车车轮踏面进行相变激光硬化处理，提高车轮磨耗寿命达6倍[吕秀萍，徐红艳，王世勇.应用激光相变硬化技术提高天车车轮的使用寿命.设备管理与维修，2008，(10)：37]；沈阳大陆激光技术有限公司开展了CL60碾钢车轮辐板孔边裂纹进行了激光熔覆修复方法，使材料延伸率提高90％、疲劳强度提高2倍[陈常义，陈江.铁路货车轮辐板孔裂纹激光再制造.中国表面工程，2011，24(2)：92-96]，是在现有整体车轮技术上的改进技术。

但是，现有车轮激光表面强化方法，仅针对车轮踏面和车轮辐板孔局部；匹配和解决列车综合性能(牵引能力、节能、运行冲击噪音、乘坐舒适性)、踏面磨耗、运行疲劳安全等科学问题，尚有许多不完善和需要改进之处：

1、现有的强化方法不考虑激光强化的深度，也没有激光强化深度的概念。但，车轮踏面的失效形式是与轨道接触部分的磨耗失效，属于滚动接触疲劳损伤累积后果，具有亚表面损伤的特征；不考虑亚表面最大剥离切应力范围的强化，不能有效的消除亚表面剥离损伤，从而其强化效果差。

2、非踏面部分的科学强化方法问题