[发明专利]基于激光-感应热源的钢轨表面功能梯度强化层制备方法

说明书

本发明提供了一种基于激光‑感应热源的钢轨表面功能梯度强化层制备方法，包括如下步骤：1)在钢轨的上方设置激光器和感应加热组件；2)对钢轨表面加热时，激光器和感应加热组件同向同速运动，感应加热组件对钢轨表面预热，激光器对预热的钢轨表面加热至奥氏体化温度；3)冷却钢轨即形成界面硬度梯度分布的功能梯度强化层。该发明将高能量的激光束和感应热源结合起来，一方面提高了激光作用的深度，另一方面创新性改善了淬火层和基材的界面结构，克服了传统激光淬火层界面过渡陡峭，脆性大的缺点，增加了半马氏体过渡区的厚度，实现界面硬度梯度过渡，而且在提高淬火层深度和加工效率的同时，增加了淬火层韧性，实现了高效的钢轨表面的强韧化处理。

技术领域

本发明属于激光表面淬火处理技术领域，具体涉及一种基于激光-感应热源的钢轨表面功能梯度强化层制备方法。

背景技术

激光淬火技术，又称激光热处理或者激光相变硬化工艺，是采用激光束辐照金属工件，使其表层温度高于奥氏体化温度。激光束扫描结束后，依靠基体材料自身导热，使激光加热区域快速冷却，温度迅速降到马氏体相变温度以下，并在工件表面形成马氏体组织的硬化层。激光淬火冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，属于自冷淬火工艺过程。

传统的激光淬火工艺用于轨道表面强化时，主要存在两个问题，一个问题是表面淬硬层硬度过高，界面处硬度梯度陡峭，抗疲劳性能达不到钢轨的使用要求。一般钢轨材料为了兼顾耐磨性和抗接触疲劳性能，采用含碳量>0.7%的高碳钢，热轧态钢轨为珠光体组织（硬度25-30HRC），欠速淬火钢轨为索氏体组织（硬度35-38 HRC），硬度都比较低。而钢轨表面激光淬火后，由于其冷速比传统淬火冷速高2-3个数量级，形成的淬火层硬度非常高，可以达到60-67HRC，而在淬火层界面硬度过渡又非常陡峭。高硬度的淬火层虽然可以提高钢轨表面的耐磨性能，但同时也会产生较大的脆性，尤其在界面处，淬火层的硬度和强度比基材高很多，在受到相同的应力作用时，由于没有过渡层存在，两种材料的应变无法协调，再加上车辆振动的影响，硬脆的激光淬火层会因为滚动接触疲劳而开裂，裂纹会沿着淬硬层界面扩展并最终导致硬化层脱落。

另一个问题是激光淬火的加工效率和深度都比较有限。因为激光淬火材料表面的最高温度受到材料熔点的限制，不能无限提高，同时热量作用的深度受到激光作用时间和材料热导率的限制，导致激光淬火层的深度一般比较有限。当取表面不熔化的临界温度时，淬火层的深度和激光扫描速度相关，激光扫描速度越低，淬火层深度越大。降低淬火扫描速度来提高淬火深度会大大牺牲加工的效率，并且会增加工件变形和表面氧化，因此传统激光淬火工艺获得的层深一般在2mm以内。激光淬火的加工效率受到光斑宽度和扫描速度的限制，淬火加工效率很难超过2m²每小时。