[发明专利]一种使用激光渗碳强化处理铁路钢轨的方法

说明书

技术领域

本发明属于铁路钢轨制造技术领域，涉及一种使用激光渗碳强韧化处理铁路钢轨的方法。

背景技术

随着铁路的发展，轨道的安全要求也相应提高。钢轨磨损主要由于轮轨接触摩擦引起的钢轨失效。伴随着火车运输量的增大、载荷吨位的不断提高，钢轨的磨损程度加深，有效使用时间变短。钢轨磨损检测成为了铁路检测部门钢轨检测的一个重要指标。铁路钢轨按照其用途可分为三种类型：客运专线、货运专线和客货混运。在不同的线路上，客运专线用钢轨向高尺寸精度、高平直度、高表面质量、高强韧性和抗疲劳性方向发展，以60kg/m的U71MnG和U75VG为主；客货混运及其重载货运用钢轨向着高强度、高硬度和高耐磨性发展，以U75V/U77MnCr、U78CrV及其相应的热处理钢轨为主。

在实际生活应用中，货运钢轨承载的重力值远远大于客运钢轨承载的工作重量，而实验发现承受较大重力的钢轨表面也承受了较大的压应力，因此两种钢轨想要合理的延长使用寿命，需要对这两种钢轨表面的压应力进行相应的释放。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够对铁路钢轨表面的压应力进行有效释放，提高铁路钢轨使用寿命的使用激光渗碳强韧化处理铁路钢轨的方法，该方法能够合理提高铁路钢轨的抗滚动疲劳磨损性能。

为了解决上述技术问题，本发明的使用激光渗碳强韧化处理铁路钢轨的方法如下：首先按照碳粉与水玻璃质量体积比为20％～30％配置悬浊液；然后将悬浊液均匀涂覆于光洁平整的铁路钢轨表面，待其干燥凝固后进行打磨，使涂覆碳层达到所需厚度；通过激光渗碳处理方法在铁路钢轨表面制作仿生耦合渗碳单元体；最后对具有仿生耦合渗碳单元体的铁路钢轨表面进行后处理，去除多余的涂覆碳层。

所述涂覆碳层的厚度根据未经处理的铁路钢轨基体与经过激光渗碳处理后的铁路钢轨未经处理的基体部分所承受的应力差值确定。

所述涂覆碳层的厚度为0.2-0.7mm。

涂覆碳层厚度的变化影响铁路钢轨表面仿生耦合渗碳单元体硬度值，单元体硬度值的变化导致铁路钢轨表面承受应力的分布不同。随着单元体的硬度增加，桩钉效应的作用愈加明显，铁路钢轨表面所承受的应力更多的作用在仿生耦合渗碳单元体上，未处理的基体材料部分所承受的应力减少，导致磨损程度降低。因此，未经过处理的铁路钢轨基体所承受的应力与经过激光渗碳处理的铁路钢轨未处理的基体材料部分所承受的应力，这两者之间差值与涂覆碳层厚度的对应关系则证明涂覆碳层厚度对磨损程度的影响。通过模拟实验分析可知，当涂覆碳层厚度越大，则仿生耦合渗碳单元体硬度值越大，铁路钢轨上未经过激光渗碳处理的基体材料部分所承受的应力越小。当涂覆碳层厚度超过一定范围后，在铁路钢轨表面通过激光渗碳处理制备出的仿生耦合渗碳单元体，其碳含量提升速度减缓，未能形成更多的高碳马氏体，其硬度值增长减缓，经过激光渗碳处理后未经处理的基体材料部分所承受的应力差值也出现减缓的趋势，导致铁路钢轨的抗滚动疲劳磨损性能增长缓慢。因此本发明根据未处理铁路钢轨基体与经激光渗碳处理后的铁路钢轨未经处理的基体所承受的应力差值确定涂覆碳层的厚度，既能够保证经过激光渗碳处理的铁路钢轨表面满足抗滚动疲劳磨损性能要求，又能够避免不必要的成本增加。

本发明利用仿生理论，在铁路钢轨表面制备类似于生物体体表的软硬相间的特殊结构，使得该结构能够有效提高铁路钢轨的抗磨损和冲击性能。通过在涂覆有特定厚度活性炭的钢轨表面配合使用相应激光能量，进行激光渗碳加工处理，使铁路钢轨表面局部区域的碳层及基体在特定能量下以一定熔化程度进行熔合，然后快速冷却凝固，形成了所需的与原基体组织及机械性能不同的区域，称为仿生耦合渗碳单元体。该单元体的组织性能发生特定改变并与基体材料不同。通过这种激光渗碳方法在铁路钢轨表面加工形成的具有较高硬度的单元体，与较低硬度的基体耦合形成了具有一定硬度梯度的软硬相间耦合的仿生表面，由于这种激光渗碳方法通过改变材料组织所形成的仿生单元体，与传统的通过单纯的激光熔凝方法加工出的单元体相比，从根本上进一步加强了单元体的硬度，这导致相比于通过激光熔凝方法加工形成的软硬相间的仿生表面具有更大的硬度梯度和更优良的抗疲劳磨损能力。本发明根据生物模型简化并设计出对位与错位的点状单元体和间距与角度不同的条纹状单元体，使用较小的成本和较高的加工效率有效的提高了铁路钢轨的使用寿命，更加切合实际加工工作，便于操作。