一種使用激光滲碳強化處理鐵路鋼軌的方法與流程

本發明屬于鐵路鋼軌制造技術領域，涉及一種使用激光滲碳強韌化處理鐵路鋼軌的方法。

背景技術：

隨著鐵路的發展，軌道的安全要求也相應提高。鋼軌磨損主要由于輪軌接觸摩擦引起的鋼軌失效。伴隨著火車運輸量的增大、載荷噸位的不斷提高，鋼軌的磨損程度加深，有效使用時間變短。鋼軌磨損檢測成為了鐵路檢測部門鋼軌檢測的一個重要指標。鐵路鋼軌按照其用途可分為三種類型：客運專線、貨運專線和客貨混運。在不同的線路上，客運專線用鋼軌向高尺寸精度、高平直度、高表面質量、高強韌性和抗疲勞性方向發展，以60kg/m的U71MnG和U75VG為主；客貨混運及其重載貨運用鋼軌向著高強度、高硬度和高耐磨性發展，以U75V/U77MnCr、U78CrV及其相應的熱處理鋼軌為主。

在實際生活應用中，貨運鋼軌承載的重力值遠遠大于客運鋼軌承載的工作重量，而實驗發現承受較大重力的鋼軌表面也承受了較大的壓應力，因此兩種鋼軌想要合理的延長使用壽命，需要對這兩種鋼軌表面的壓應力進行相應的釋放。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種能夠對鐵路鋼軌表面的壓應力進行有效釋放，提高鐵路鋼軌使用壽命的使用激光滲碳強韌化處理鐵路鋼軌的方法，該方法能夠合理提高鐵路鋼軌的抗滾動疲勞磨損性能。

為了解決上述技術問題，本發明的使用激光滲碳強韌化處理鐵路鋼軌的方法如下：首先按照碳粉與水玻璃質量體積比為20％～30％配置懸濁液；然后將懸濁液均勻涂覆于光潔平整的鐵路鋼軌表面，待其干燥凝固后進行打磨，使涂覆碳層達到所需厚度；通過激光滲碳處理方法在鐵路鋼軌表面制作仿生耦合滲碳單元體；最后對具有仿生耦合滲碳單元體的鐵路鋼軌表面進行后處理，去除多余的涂覆碳層。

所述涂覆碳層的厚度根據未經處理的鐵路鋼軌基體與經過激光滲碳處理后的鐵路鋼軌未經處理的基體部分所承受的應力差值確定。

所述涂覆碳層的厚度為0.2-0.7mm。

涂覆碳層厚度的變化影響鐵路鋼軌表面仿生耦合滲碳單元體硬度值，單元體硬度值的變化導致鐵路鋼軌表面承受應力的分布不同。隨著單元體的硬度增加，樁釘效應的作用愈加明顯，鐵路鋼軌表面所承受的應力更多的作用在仿生耦合滲碳單元體上，未處理的基體材料部分所承受的應力減少，導致磨損程度降低。因此，未經過處理的鐵路鋼軌基體所承受的應力與經過激光滲碳處理的鐵路鋼軌未處理的基體材料部分所承受的應力，這兩者之間差值與涂覆碳層厚度的對應關系則證明涂覆碳層厚度對磨損程度的影響。通過模擬實驗分析可知，當涂覆碳層厚度越大，則仿生耦合滲碳單元體硬度值越大，鐵路鋼軌上未經過激光滲碳處理的基體材料部分所承受的應力越小。當涂覆碳層厚度超過一定范圍后，在鐵路鋼軌表面通過激光滲碳處理制備出的仿生耦合滲碳單元體，其碳含量提升速度減緩，未能形成更多的高碳馬氏體，其硬度值增長減緩，經過激光滲碳處理后未經處理的基體材料部分所承受的應力差值也出現減緩的趨勢，導致鐵路鋼軌的抗滾動疲勞磨損性能增長緩慢。因此本發明根據未處理鐵路鋼軌基體與經激光滲碳處理后的鐵路鋼軌未經處理的基體所承受的應力差值確定涂覆碳層的厚度，既能夠保證經過激光滲碳處理的鐵路鋼軌表面滿足抗滾動疲勞磨損性能要求，又能夠避免不必要的成本增加。

本發明利用仿生理論，在鐵路鋼軌表面制備類似于生物體體表的軟硬相間的特殊結構，使得該結構能夠有效提高鐵路鋼軌的抗磨損和沖擊性能。通過在涂覆有特定厚度活性炭的鋼軌表面配合使用相應激光能量，進行激光滲碳加工處理，使鐵路鋼軌表面局部區域的碳層及基體在特定能量下以一定熔化程度進行熔合，然后快速冷卻凝固，形成了所需的與原基體組織及機械性能不同的區域，稱為仿生耦合滲碳單元體。該單元體的組織性能發生特定改變并與基體材料不同。通過這種激光滲碳方法在鐵路鋼軌表面加工形成的具有較高硬度的單元體，與較低硬度的基體耦合形成了具有一定硬度梯度的軟硬相間耦合的仿生表面，由于這種激光滲碳方法通過改變材料組織所形成的仿生單元體，與傳統的通過單純的激光熔凝方法加工出的單元體相比，從根本上進一步加強了單元體的硬度，這導致相比于通過激光熔凝方法加工形成的軟硬相間的仿生表面具有更大的硬度梯度和更優良的抗疲勞磨損能力。本發明根據生物模型簡化并設計出對位與錯位的點狀單元體和間距與角度不同的條紋狀單元體，使用較小的成本和較高的加工效率有效的提高了鐵路鋼軌的使用壽命，更加切合實際加工工作，便于操作。

本發明通過改變單元體組織從根本上提高單元體自身硬度，從而實現了仿生表面具有較高硬度梯度的軟硬相間耦合結構。在該結構中，單元體如同在鋼軌表層增加了堅固的樁釘或者加強筋，形成樁釘效應，抵抗輪軌的碾壓，在鋼軌表面形成了較強的保護鋼軌的抗壓耐磨層，而較軟基體材料將單元體包圍連成一體，使鋼軌表面由于硬相部位能更好的分擔軟相部位所承受的壓力，而較高梯度的硬度變化也將使這種應力分布的更加合理。從而使鋼軌表面具有更加優異的力學性能和較高的抗疲勞磨損性能。

通過激光滲碳加工處理，仿生耦合滲碳單元體的組織相比于鋼軌基體材料發生了極大的變化。鋼軌基體材料主要由片狀珠光體組成，其平均硬度較低約為270-300HV。仿生耦合滲碳單元體主要由馬氏體組成。其中馬氏體又可分為低碳馬氏體和高碳馬氏體，由于鋼軌中碳含量較低，若僅僅只是通過激光熔凝方式加工，所形成單元體中的馬氏體則是低碳馬氏體，硬度較低，其激光熔凝單元體的平均硬度約為600HV。由于激光滲碳處理過程中碳元素的加入，仿生耦合滲碳單元體中的碳含量增加了14％-28％，并且其中所生成中的馬氏體是高碳馬氏體，硬度值較高，仿生耦合滲碳單元體的平均硬度約為800-900HV。隨著碳層厚度的增加，仿生耦合滲碳單元體中碳含量也逐漸增加。

仿生耦合滲碳單元體的組織主要是由硬度高的片狀馬氏體組成，相比于由珠光體組成的鐵路鋼軌，單元體的硬度更高、組織更為致密，使經過激光滲碳處理后的鐵路鋼軌具有良好的抗滾動疲勞磨損性能。

通過使用不同的碳層厚度和激光能量參數，可以在一定的鐵路鋼軌應用環境下，制備出相應的具有較高硬度均值的仿生耦合滲碳單元體，從而獲得具有不同抗磨損性能的仿生耦合鐵路鋼軌。

所述的鐵路鋼軌為客運鐵路鋼軌，涂覆碳層厚度為0.2～0.4mm；激光滲碳處理方法所用激光參數如下：激光器的功率為300W，電流170-180mA，脈寬7ms，頻率5Hz，激光能量密度為165-200J/cm²，離焦量為+7mm，掃描速度0.5mm/s。

所述的涂覆碳層厚度優選為0.3mm。

所述仿生耦合滲碳單元體為點狀單元體，相鄰單元體圓心間距為a，3mm＜a＜7mm。

所述客運鐵路鋼軌表面的點狀單元體呈對位排列分布或錯位排列分布。

上述客運鋼軌的仿生耦合滲碳單元體，與經過激光熔凝處理的單元體相比碳含量增加了14％-20％；該仿生耦合滲碳單元體的平均硬度可提升至800HV，較激光熔凝處理的單元體提高20％-30％。

所述的鐵路鋼軌為貨運鐵路鋼軌，涂覆碳層厚度為0.5-0.7mm；激光滲碳處理方法所用激光參數如下：激光器的功率為300W，電流180-190mA,脈寬6ms，頻率5Hz，激光能量密度為210-220J/cm²，離焦量為+7mm，掃描速度0.5mm/s。

所述的涂覆碳層厚度優選為0.6mm。

所述仿生耦合滲碳單元體為條紋狀單元體，相鄰單元體的間距為b，3mm＜b＜7mm，條紋狀單元體與鋼軌邊緣線的夾角α為，0≤α≤90°。

上述客運鋼軌的仿生耦合滲碳單元體，與經過激光熔凝處理的單元體相比碳含量增加了21％-28％；該仿生耦合滲碳單元體的平均硬度可提升至900HV，較激光熔凝處理的單元體提高30％-50％。

貨運鋼軌的較熔凝處理增加21％-28％，且該單元體的平均硬度提升至900HV，較激光熔凝處理的單元體提高30％-50％。

實驗證明，在客運鐵路鋼軌中，隨著涂覆碳層厚度增加，未處理的客運鐵路鋼軌基體材料與經過激光滲碳處理的客運鐵路鋼軌基體材料部分，兩者之間所承受的應力差值逐漸增大，但是當涂覆碳層厚度超過0.3mm時應力差值的增加趨勢逐漸變緩。在貨運鐵路鋼軌中，當涂覆碳層厚度超過0.6mm時應力差值的增加趨勢逐漸變緩。

本發明選擇在客運鐵路鋼軌表面制備點狀單元體，加工時長少，加工效率較高，能夠節省能源，客運鐵路鋼軌主要是用于人員運輸，承受重量相對較輕，使用點狀單元體既可以滿足提高抗滾動疲勞磨損性能的要求，又節省了能源和材料并提高了加工效率，有利于工業制造。對于貨運鐵路鋼軌，其運輸物主要為質量較大的貨物，大大的增加了鋼軌所承受的載荷，導致鋼軌易出現疲勞磨損現象。條紋狀單元體加工所需要消耗的能量比點狀單元體高，但由于激光能量的增大和涂覆碳層厚度的增加，會導致仿生耦合滲碳單元體在鋼軌表面所占面積的比例增大，其抗滾動疲勞磨損性能也會大大的提升，更加符合貨運鋼軌的所需要性能。

有益效果：本發明通過對鐵路鋼軌進行激光滲碳處理，鋼軌表面形成有一定規律分布的、具有組織致密的、高硬度的仿生耦合滲碳單元體，這些單元體和鐵路鋼軌未處理的部分共同構成了軟硬相間的類似于生物體結構的仿生耦合區域。由于單元體的機械性能、硬度等大大高于基體組織，在承受外力時，單元體承擔更多的載荷，起到了類似于樁釘或加強筋的作用，使基體部分承受載荷較少，磨損程度相比于單元體較小。這延長了鐵路鋼軌的使用壽命，提高了利用率，在鐵路運輸的節能減排中有巨大的優勢。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。

圖1是客運鐵路鋼軌表面點狀仿生耦合滲碳單元體對位排列示意圖。

圖2是圖1的A-A向剖視圖。

圖3是客運鐵路鋼軌表面點狀仿生耦合滲碳單元體錯位排列示意圖。

圖4是圖3的A-A向剖視圖。

圖5是貨運鐵路鋼軌表面橫條狀仿生耦合滲碳單元體分布示意圖。

圖6是貨運鐵路鋼軌表面斜條狀仿生耦合滲碳單元體分布示意圖。

圖7是圖5和圖6的A-A向剖視圖。

圖8是貨運鐵路鋼軌表面豎條狀仿生耦合滲碳單元體分布示意圖。

圖9是圖8的A-A向剖視圖。

圖10是客運鐵路鋼軌中涂覆碳層厚度與應力差值的對應關系示意圖。

圖11是貨運鐵路鋼軌中涂覆碳層厚度與應力差值的對應關系示意圖。

具體實施方式

實施例1

1、使用激光滲碳方法在客運鐵路鋼軌上制備點狀仿生耦合滲碳單元體具體步驟如下：

步驟一、利用機械磨銑對鐵路鋼軌表面進行預處理，將其表面打磨至光潔平整，然后按照碳粉與水玻璃的質量體積比為25％配置懸濁液，充分混合攪拌8-15分鐘后，均勻地涂覆在鐵路鋼軌表面，待其自然干燥凝固后，通過輕微打磨，控制涂覆碳層厚度為0.2-0.4mm。

步驟二、將具有涂覆碳層的鐵路鋼軌放置在工作臺上，設定好工作臺的工作路線，采用激光滲碳技術，對具有涂覆碳層的鐵路鋼軌表面進行激光掃描，使掃描過的區域快速熔化和凝結，最終在鐵路鋼軌表面形成含有碳化物的、高硬度的點狀仿生耦合滲碳單元體。其中，使用A-C型激光能量，激光器功率300W，掃描速度0.5mm/s，離焦量+7mm。間隔5mm(對應點狀仿生耦合滲碳單元體間距是5mm)發射一次激光脈沖，在鐵路鋼軌表面生成點狀仿生耦合滲碳單元體。確保點狀仿生耦合滲碳單元體的完整性，并檢查單元體是否達到要求和有無氣泡。

步驟三、對具有點狀仿生耦合滲碳單元體的鐵路鋼軌表面進行后處理，將鋼軌表面多余的涂覆碳層通過機械加工的方式處理掉。

實施例2

2、使用激光滲碳方法在貨運鐵路鋼軌上制備條狀仿生耦合滲碳單元體具體步驟如下：

步驟一、將利用機械磨銑對貨運鐵路鋼軌表面進行預處理，將其表面打磨至光潔平整，然后按照每1g碳粉與4ml水玻璃的比例(碳粉水玻璃的質量體積比為25％)配置懸濁液，充分混合攪拌8-15分鐘后，均勻地涂覆在鐵路鋼軌表面，待其自然干燥凝固后，通過輕微打磨，控制涂覆碳層厚度為0.5-0.7mm。

步驟二、將具有涂覆碳層的鐵路鋼軌放置在工作臺上，設定好工作臺的工作路線，采用激光滲碳技術，對具有涂覆碳層的鐵路鋼軌表面進行激光掃描，使掃描過的區域快速熔化和凝結，最終在鐵路鋼軌表面形成含有碳化物的、高硬度的條狀仿生耦合滲碳單元體。其中，使用D-F型激光能量，激光器功率300W，掃描速度0.5mm/s，離焦量+7mm。激光器連續發射激光脈沖，在鐵路鋼軌表面生成連續的條狀仿生耦合滲碳單元體。當一條條狀單元體加工完成后，等待工作臺回到距離原點下方5mm處(對應條狀仿生耦合滲碳單元體間距)，按照上述方式，加工第二條條紋狀單元體。確保仿生耦合滲碳單元體的完整性，并檢查單元體是否達到要求和有無氣泡。

步驟三、對具有仿生耦合滲碳單元體的鐵路鋼軌表面進行后處理，將鐵路鋼軌表面多余的涂覆碳層通過機械加工的方式處理掉。

實驗發現涂覆碳層厚度的變化對仿生耦合滲碳單元體組織的變化有一定的影響，且通過對涂覆碳層厚度的控制和協調相應激光參數，可獲得所需特定組織的同時實現了對單元體硬度的可控操作，模擬實驗發現硬度越大的單元體分擔基體材料應力的能力越強。隨著涂覆碳層厚度的增加相當于基體應力得到釋放，減少了基體磨損程度。因此，涂覆碳層厚度和相應的激光參數的選擇必須分別滿足兩種鋼軌在不同工作環境下所承受的應力情況。即客運鋼軌需要釋放較小的應力值，而貨運鋼軌需要釋放較大的應力值。

輪軌滾動接觸過程中多數情況以點接觸形式為主，輪軌接觸表面擠壓變形形成的接觸斑約為100mm²左右，而這樣的接觸斑大約要承受50KN到200KN的載荷，接觸應力十分大。本發明中選取客運軌道承受50KN、貨運軌道承受100KN為例進行實驗獲得涂覆碳層厚度與應力差值的對應關系。

如圖10所示，對于客運鋼軌，隨著涂覆碳層厚度的增加，經激光滲碳處理的鐵路鋼軌表面未經過激光處理的部分與未經過激光處理的鐵路鋼軌基體材料兩者所承受的應力差值逐漸增大，但是當涂覆碳層厚度超過0.3mm時應力差值的增加趨勢逐漸變緩。因此本發明優選涂覆碳層厚度為0.3mm。

如圖11所示，對于貨運鋼軌，隨著涂覆碳層厚度的增加，經激光滲碳處理的鐵路鋼軌表面未經過激光處理的部分與未經過激光處理的鐵路鋼軌基體材料兩者所承受的應力差值逐漸增大。但是當涂覆碳層厚度超過0.6mm時應力差值的增加趨勢逐漸變緩，因此本發明優選涂覆碳層厚度為0.6mm。

當基體材料表面涂覆碳層厚度一定，激光能量低于165J/cm²時，仿生耦合滲碳單元體深度淺，平均硬度值未能達到900HV，不能與基體材料形成有效的仿生耦合結構，不能達到提高抗滾動疲勞磨損性能的效果；若激光能量高于220J/cm²，激光能量過大，會在加工的過程中使基體材料表面涂覆碳層發生嚴重的燒損，激光加工后所形成的仿生單元體也會出現裂紋或氣泡等缺陷，未能使仿生鋼軌達到最佳的抗滾動疲勞磨損性能的效果。因此本發明選擇的激光能量密度在165-220J/cm²之間。

碳粉與水玻璃的質量體積比在20～30％范圍內對抗滾動疲勞磨損性能影響不大，因此本發明實施例僅給出了最佳值即25％。。

0.2mm厚度涂覆碳層條件下客運鐵路鋼軌點狀仿生耦合滲碳單元體參數見表1。

表1

0.3mm厚度涂覆碳層條件下客運鐵路鋼軌點狀仿生耦合滲碳單元體參數見表2。

表2

0.4mm厚度涂覆碳層條件下客運鐵路鋼軌點狀仿生耦合滲碳單元體參數見表3。

表3

0.5mm厚度涂覆碳層條件下貨運鐵路鋼軌點狀仿生耦合滲碳單元體參數見表4

表4

0.6mm厚度涂覆碳層條件下貨運鐵路鋼軌點狀仿生耦合滲碳單元體參數見表5

表5

0.7mm厚度涂覆碳層條件下貨運鐵路鋼軌點狀仿生耦合滲碳單元體參數見表6

表6

注：表1-6中，壽命提高率均為經激光滲碳處理的鐵路鋼軌表面壽命相對于未經任何處理的鐵路鋼軌表面壽命的提高率。

其中激光能量參數如下表5所示：

表5