專利名稱：一種用于鋼軌表面強(qiáng)化處理的在線激光淬火工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光表面強(qiáng)化領(lǐng)域，具體是指一種用于鋼軌表面強(qiáng)化處理的在線激光 淬火工藝。
背景技術(shù)：
鋼軌是軌道交通的主要部件，鋼軌與列車的車輪直接接觸，其質(zhì)量的好壞直接影 響到行車的安全性和平穩(wěn)性。我國鐵路主要鋼軌鋼種主要是U71Mn和U75V，均為普通碳鋼 鋼軌。隨著列車速度、運(yùn)量以及軸重的提高，這兩種鋼軌損傷的速率越來越快，已暴露出承 載力不足，耐磨性不夠，使用壽命不長的問題，使得鋼軌損傷導(dǎo)致的安全事故時(shí)有發(fā)生，而 我國每年用于更換和維修損傷鋼軌的直接費(fèi)用高達(dá)數(shù)十億元。鋼軌損傷一直是鐵路運(yùn)輸中 的一個(gè)關(guān)鍵問題，損傷類型主要是鋼軌壓潰、側(cè)磨、波磨和剝離，占鋼軌損傷量的80%以上。 迄今為止，如何有效緩解和消除這些軌道傷損還沒有行之有效的解決方法，只有采用直接 更換鋼軌的方式，使得鐵路運(yùn)營成本居高不下。目前，有研究者探討了這幾種鋼軌的損傷形式，認(rèn)為鋼軌損傷加劇主要是因?yàn)檩?軌之間表面摩擦力的增加所致，而提高鋼軌質(zhì)量是預(yù)防鋼軌損傷、延長鋼軌壽命的最主要 方法。為了提高鐵道鋼軌的使用壽命，國內(nèi)外一般采取三種方法第一，采用感應(yīng)全長淬火 工藝，控制冷速，獲得細(xì)片狀珠光體組織，增強(qiáng)鋼軌韌性；第二，采用低合金高碳鋼取代普通 碳素鋼；第三，采用貝氏體鋼或者低碳馬氏體鋼取代高碳鋼，進(jìn)一步提高鋼軌的表面硬度寸。但是上述方法各有不足。在過去幾年中，全長淬火技術(shù)取得了顯著的效果，使鋼軌 的耐磨性分別提高了 50% (直道)和100% (彎道)。但是，大量實(shí)踐表明，感應(yīng)全長淬火 鋼軌的表面不能夠出現(xiàn)馬氏體甚至貝氏體組織，否則將大幅度降低鋼軌的斷裂韌性，導(dǎo)致 鋼軌在服役過程中出現(xiàn)斷軌等事故，嚴(yán)重影響到鐵道的安全運(yùn)行。因此，全長淬火鋼軌硬度 一般控制在HV320-390之間，其耐磨性潛力的挖掘已經(jīng)接近極限。低合金高碳鋼鋼軌與全 長淬火技術(shù)相結(jié)合，可以進(jìn)一步提高鋼軌耐磨性，但是效果并不顯著。低碳馬氏體鋼軌和貝 氏體鋼軌尚處于研發(fā)階段，鋼軌的焊接性方面還存在很大的問題和難度。激光表面強(qiáng)化技術(shù)是近二十年發(fā)展十分迅速的金屬材料表面強(qiáng)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術(shù)等工藝，其共同特點(diǎn)是加熱速度快、熱影響 區(qū)小、工件變形小，因此有望取代感應(yīng)全長淬火工藝，成為新一代的鋼軌表面強(qiáng)化工藝。公告號(hào)為CN101109034的中國發(fā)明專利《鐵路高速重軌激光淬火硬化工藝》中公 開了一種鐵路高速重軌激光淬火硬化工藝，通過在重軌表面噴涂混合好的SiO2吸光涂料提 高金屬表面對(duì)(X)2激光的吸收率，采用寬帶積分鏡將激光光斑轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦喂獍?，利?X)2激 光器快速掃描鋼軌表面，使鋼軌表面實(shí)現(xiàn)快速加熱和冷卻，從而得到厚度為0. 5-1. 0mm，硬 度為800-1100HV，組織為高碳馬氏體和少量奧氏體的淬硬層。但是上述工藝所提出的重軌激光淬火硬化工藝具有以下不足第一、采用激光對(duì) 鋼軌進(jìn)行整面淬火，提高鋼軌硬度的同時(shí)，降低了鋼軌的韌性，使得道岔部分的主要部件(如尖軌、護(hù)輪軌、基本軌、岔心)淬火后容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。第二、該設(shè)備采用高功率CO2 激光器作為光源，但是(X)2激光器體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易移動(dòng)，不適用于鋼軌的在線激光 淬火技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述背景技術(shù)存在的不足，提供一種用于鋼軌表面強(qiáng)化處理 的在線激光淬火工藝，它可以同時(shí)提高鋼軌硬度和韌性，并且還可以實(shí)現(xiàn)在線的激光淬火。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種用于鋼軌表面處理的在線激 光淬火工藝，其步驟包括首先在鋼軌表面涂覆一層吸光涂料，然后利用脈沖半導(dǎo)體激光 在鋼軌表面沿長度方向以一定速度掃描，在鋼軌表面得到呈網(wǎng)格狀布置的組織為細(xì)小馬 氏體的激光淬火點(diǎn)，所述激光淬火點(diǎn)面積為鋼軌表面面積的50-80%，淬火點(diǎn)最深深度 0. 6-1. 5mm。在上述方案中，所述淬火點(diǎn)為圓形或橢圓形。優(yōu)選地，所述吸光涂料采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70-80%的石墨顆粒、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-15% 的ZnO顆粒和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-15%的TW2顆粒，用水混合均勻。優(yōu)選地，所述石磨顆粒、ZnO顆粒和TW2顆粒為粒徑小于1微米的亞微米顆粒。優(yōu)選地，所述涂覆在鋼軌表面吸光涂料的厚度為0. 01-0. 1mm。在上述方案中，所述脈沖半導(dǎo)體激光是指從半導(dǎo)體激光器發(fā)出的功率為0. 8-2kff, 脈寬為0. I-Is的脈沖激光。優(yōu)選地，所述脈沖半導(dǎo)體激光光斑為圓形，直徑為3-10mm。在上述方案中，所述半導(dǎo)體激光器固定在能沿鋼軌以一定速度運(yùn)動(dòng)裝載小車上， 裝載小車通過在鋼軌上的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)脈沖半導(dǎo)體激光在鋼軌表面沿長度方向以一定速度掃 描的功能。在本發(fā)明所述的在線激光淬火工藝中，由于脈沖半導(dǎo)體激光在鋼軌表面以一定速 度掃描，掃描處在激光作用下快速加熱并快速冷卻，可以在鋼軌表面形成網(wǎng)格狀布置的淬 火點(diǎn)，淬火點(diǎn)組織為馬氏體組織，淬火層深h為0. 6-1. 5mm,硬度HV700以上，激光淬火點(diǎn)的 細(xì)小馬氏體具有高的硬度和耐磨性。未處理區(qū)為珠光體具有較高的韌性，這種由馬氏體加 珠光體的復(fù)相組織，具有良好的強(qiáng)韌性，能顯著提高鋼軌的使用壽命。同時(shí)，本發(fā)明在激光 掃描之前利用噴槍或毛刷在鋼軌表面涂覆一層吸光涂料，能提高鋼軌對(duì)激光的吸收效率， 該配比的吸光涂料對(duì)半導(dǎo)體激光的吸收效率最好。本發(fā)明所述的在線激光淬火工藝方便調(diào)控、不需要淬火介質(zhì)、不需要回火、工件變 形小，并且半導(dǎo)體激光器體積小，重量輕，可以方便地在鋼軌上運(yùn)動(dòng)，因此可以實(shí)現(xiàn)鋼軌表 面的在線激光淬火處理。本發(fā)明利用脈沖激光對(duì)鋼軌表面進(jìn)行點(diǎn)狀淬火強(qiáng)化處理，通過控制激光功率、掃 描速度以及圓形光斑直徑等參數(shù)，在鋼軌表面形成網(wǎng)格狀布置的淬火點(diǎn)，同時(shí)由于鋼軌本 身的韌性，使得道岔部分的主要部件(如尖軌、護(hù)輪軌、基本軌、岔心)耐磨性提高的同時(shí)， 降低了開裂的風(fēng)險(xiǎn)。


圖1為網(wǎng)格狀淬火區(qū)示意圖；圖2為淬火點(diǎn)的截面示意圖；圖3為實(shí)施例1中淬火點(diǎn)處不同深度與硬度的關(guān)系曲線圖；圖4為實(shí)施例2中淬火點(diǎn)處不同深度與硬度的關(guān)系曲線圖；1.淬火點(diǎn)、2.鋼軌基材未處理區(qū)、3.激光淬火硬化層、4.激光淬火熱影響區(qū)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的特征及相關(guān)特征做進(jìn)一步詳細(xì)說明，以便于 同行業(yè)技術(shù)人員的理解。實(shí)施例1 首先用砂紙打磨鋼軌表面去除鋼軌表面鐵銹等氧化物及污物后，用酒精進(jìn)一步 去除鋼軌表面油污，以便于吸光涂層吸附。再將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的石墨顆粒、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 15%的ZnO顆粒和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的TW2顆粒與水混合得到吸光涂料。所述石磨顆粒、ZnO 顆粒和TW2顆粒為粒徑小于1微米的亞微米顆粒。然后在清潔后的U71Mn鋼軌表面用噴槍 噴涂一層吸光涂料，使之形成厚度為0. Olmm的噴涂層。最后將裝載在小車上能發(fā)出脈沖激 光的半導(dǎo)體激光器沿鋼軌長度方向以2mm/s的速度掃描，在鋼軌表面形成網(wǎng)格狀的點(diǎn)狀淬 火區(qū)。所述脈沖激光是通過風(fēng)扇葉片式斬光器實(shí)現(xiàn)的，所述風(fēng)扇葉片式斬光器安裝在半導(dǎo) 體激光器的輸出光路上，斬?cái)喟雽?dǎo)體激光器發(fā)出的連續(xù)激光?？刂迫~片鋼軸使其勻速轉(zhuǎn)動(dòng)， 當(dāng)風(fēng)扇葉片運(yùn)動(dòng)到激光光路上時(shí)，光路被擋住無法出光；當(dāng)風(fēng)扇葉片離開激光光路時(shí)，光路 正常出光，風(fēng)扇葉片連續(xù)運(yùn)動(dòng)形成脈沖激光。所述脈沖半導(dǎo)體激光為功率為0. 8kW，脈寬為 Is的脈沖激光，激光光斑為圓形，直徑為3mm。如圖1所示，本發(fā)明的淬火點(diǎn)1為圓形，直徑為3mm，網(wǎng)格狀布置，淬火點(diǎn)間沿激光 器移動(dòng)方向的間隔為激光脈寬Is與脈沖半導(dǎo)體激光器移動(dòng)速度2mm/s、光斑直徑3mm。淬 火點(diǎn)1的截面示意圖如圖2所示，淬火點(diǎn)的硬度與淬火點(diǎn)至表面距離的關(guān)系如圖3所示，可 以獲得硬度HV720以上，層深1. 5mm的淬火硬化層。實(shí)施例2用砂紙打磨鋼軌表面去除鋼軌表面鐵銹等氧化物及污物后，再用酒精進(jìn)一步去除 鋼軌表面油污，以便于吸光涂層吸附。再將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的石墨顆粒、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的 ZnO顆粒和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的TiO2顆粒與水混合得到吸光涂料。所述石磨顆粒、ZnO顆粒和 TiO2顆粒為粒徑小于1微米的亞微米顆粒。然后在清潔后的U75V鋼軌表面用毛刷涂上一層 吸光涂料，使之形成厚度為0. Olmm的噴涂層。最后將裝載在小車上能發(fā)出脈沖激光的半導(dǎo)體 激光器沿鋼軌長度方向以6mm/s的速度掃描，在鋼軌表面形成網(wǎng)格狀的點(diǎn)狀淬火區(qū)。所述脈 沖激光是通過風(fēng)扇葉片式斬光器實(shí)現(xiàn)的，所述風(fēng)扇葉片式斬光器安裝在半導(dǎo)體激光器的輸出 光路上，斬?cái)喟雽?dǎo)體激光器發(fā)出的連續(xù)激光?？刂迫~片鋼軸使其勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)風(fēng)扇葉片運(yùn)動(dòng) 到激光光路上時(shí)，光路被擋住無法出光；當(dāng)風(fēng)扇葉片離開激光光路時(shí)，光路正常出光，風(fēng)扇 葉片連續(xù)運(yùn)動(dòng)形成脈沖激光。所述脈沖半導(dǎo)體激光為功率為1. 2kW，脈寬為0. Is的脈沖激 光，激光光斑為圓形，直徑為5mm，淬火點(diǎn)間沿激光器移動(dòng)方向的間隔為0. 6mm。在此工藝條件下，淬火點(diǎn)的硬度與淬火點(diǎn)至表面距離的關(guān)系如圖4所示，可以獲得硬度HV750以上，層深1. 2mm的淬火硬化層。實(shí)施例3用砂紙打磨鋼軌表面去除鋼軌表面鐵銹等氧化物及污物后，再用酒精進(jìn)一步去除 鋼軌表面油污，以便于吸光涂層吸附。再將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的石墨顆粒、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12% 的ZnO顆粒和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的TiO2顆粒與水混合得到吸光涂料。所述石磨顆粒、ZnO顆 粒和TiO2顆粒為粒徑小于1微米的亞微米顆粒。然后在清潔后的U71Mn鋼軌表面用噴槍噴 涂一層吸光涂料，使之形成厚度為0. Imm的噴涂層。最后將裝載在小車上能發(fā)出脈沖激光 的半導(dǎo)體激光器沿鋼軌長度方向以10mm/S的速度掃描，在鋼軌表面形成網(wǎng)格狀的點(diǎn)狀淬 火區(qū)。所述脈沖激光是通過風(fēng)扇葉片式斬光器實(shí)現(xiàn)的，所述風(fēng)扇葉片式斬光器安裝在半導(dǎo) 體激光器的輸出光路上，斬?cái)喟雽?dǎo)體激光器發(fā)出的連續(xù)激光。控制葉片鋼軸使其勻速轉(zhuǎn)動(dòng)， 當(dāng)風(fēng)扇葉片運(yùn)動(dòng)到激光光路上時(shí)，光路被擋住無法出光；當(dāng)風(fēng)扇葉片離開激光光路時(shí)，光路 正常出光，風(fēng)扇葉片連續(xù)運(yùn)動(dòng)形成脈沖激光。所述脈沖半導(dǎo)體激光為功率為1.5kW，脈寬為 0. Is的脈沖激光，激光光斑為圓形，直徑為8mm，淬火點(diǎn)間沿激光器移動(dòng)方向的間隔為1mm。在此工藝條件下，得到的淬火點(diǎn)硬度可達(dá)HV700，硬化層深度可達(dá)0. 8mm的鋼軌。
權(quán)利要求
1.一種用于鋼軌表面處理的在線激光淬火工藝，其步驟包括首先在鋼軌表面涂覆一 層吸光涂料，然后利用脈沖半導(dǎo)體激光在鋼軌表面沿長度方向以一定速度掃描，在鋼軌表 面得到呈網(wǎng)格狀布置的組織為細(xì)小馬氏體的激光淬火點(diǎn)，所述激光淬火點(diǎn)面積為鋼軌表面 面積的50-80%，淬火點(diǎn)最深深度0. 6-1. 5_。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋼軌表面處理的在線激光淬火工藝，其特征在于所述 淬火點(diǎn)為圓形或橢圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋼軌表面處理的在線激光淬火工藝，其特征在于所述 吸光涂料采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70-80%的石墨顆粒、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-15%的SiO顆粒和質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為10-15%的TiO2顆粒，用水混合均勻。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于鋼軌表面處理的在線激光淬火工藝，其特征在于所述 石磨顆粒、ZnO顆粒和TW2顆粒為粒徑小于1微米的亞微米顆粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于鋼軌表面處理的在線激光淬火工藝，其特征在于所述 涂覆在鋼軌表面吸光涂料的厚度為0. 01-0. 1mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋼軌表面處理的在線激光淬火工藝，其特征在于所述 脈沖半導(dǎo)體激光是指從半導(dǎo)體激光器發(fā)出的功率為0. 8-2kW，脈寬為0. I-Is的脈沖激光。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于鋼軌表面處理的在線激光淬火工藝，其特征在于所述 脈沖半導(dǎo)體激光光斑為圓形，直徑為3-10mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于鋼軌表面處理的在線激光淬火工藝，其特征在于所述 半導(dǎo)體激光器固定在能沿鋼軌以一定速度運(yùn)動(dòng)裝載小車上，裝載小車通過在鋼軌上的運(yùn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)脈沖半導(dǎo)體激光在鋼軌表面沿長度方向以一定速度掃描的功能。
全文摘要
一種用于鋼軌表面處理的在線激光淬火工藝，其步驟包括首先在鋼軌表面涂覆一層吸光涂料，然后利用脈沖半導(dǎo)體激光在鋼軌表面沿長度方向以一定速度掃描，在鋼軌表面得到呈網(wǎng)格狀布置的組織為細(xì)小馬氏體的激光淬火點(diǎn)，所述激光淬火點(diǎn)面積為鋼軌表面面積的50-80％，淬火點(diǎn)最深深度0.6-1.5mm。本發(fā)明中由馬氏體和珠光體的復(fù)相組織，具有良好的強(qiáng)韌性，能顯著提高鋼軌的使用壽命。同時(shí)，激光淬火工藝方便調(diào)控、不需要淬火介質(zhì)、不需要回火、工件變形小，并且半導(dǎo)體激光器體積小，可以方便推動(dòng)，因此可以實(shí)現(xiàn)鋼軌表面的在線激光淬火處理。
文檔編號(hào)E01B31/18GK102121217SQ20111003468
公開日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2011年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月30日
發(fā)明者萬濤, 葉兵, 熊志紅, 王愛華 申請(qǐng)人:武漢華工激光工程有限責(zé)任公司