專利名稱：激光表面合金化鐵道鋼軌的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種鐵道鋼軌，特別是涉及一種激光表面合金化的鐵道鋼軌。
鋼軌是鐵路軌道的重要組成部分。為適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)的需要，鐵路的速度、載重不斷提高。我國鐵路年均通過總重已超過3000萬噸公里，特別區(qū)段已達(dá)1.5-2億噸公里；主要干線客車速度將逐步提高到140-160Km/h，貨車速度將達(dá)到80-85Km/h。鐵道鋼軌直接承受列車荷載的反復(fù)作用，是適應(yīng)高速重載、強(qiáng)化軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，研究具有優(yōu)異使用性能的鐵道鋼軌，是目前鐵路系統(tǒng)急待解決的重大問題。
我國鐵路主要干線目前使用的鋼軌是50型、60型，已超過6萬公里，約占全部干線的90％。國產(chǎn)這兩種鋼軌鋼種主要是U71Mn和U74，均為普通碳鋼鋼軌。在目前的運(yùn)輸條件下，這兩種鋼軌傷損日益嚴(yán)重，已暴露出承載力不足、使用壽命不長(zhǎng)的問題，使重軌的優(yōu)越性得不到充分發(fā)揮。鋼軌在使用中出現(xiàn)的傷損主要是軌頭側(cè)磨，波磨，剝離和壓潰，尤以側(cè)磨傷損最為嚴(yán)重。繁忙線路上小曲線上目前鋼軌一年左右就需更換。
鋼軌傷損的主要原因是在接觸應(yīng)力作用下形成的接觸疲勞傷損，主要的傷損形式是金屬的塑性變形引起的塑性剝離。為解決鋼軌傷損問題，提高鋼軌使用壽命，國內(nèi)外對(duì)鋼軌的研究向著兩個(gè)方向一個(gè)途徑是熱處理強(qiáng)化，日、美、獨(dú)聯(lián)體主要走熱處理強(qiáng)化的途徑，對(duì)鋼軌進(jìn)行全長(zhǎng)淬火處理；另一個(gè)途徑是合金化，西歐一些國家主要是采取對(duì)鋼軌合金強(qiáng)化的方法。共同的目的是提高鋼軌材質(zhì)的強(qiáng)度與耐磨性。我國鋼軌在這二個(gè)途徑上已做了大量的試驗(yàn)探索。
近年來鐵道部、冶金部聯(lián)合試制了PD2鋼軌、PD3鋼軌和稀土鋼軌，并進(jìn)口日本等12個(gè)國家的鋼軌80萬噸鋪設(shè)試驗(yàn)。鐵道部經(jīng)過對(duì)國內(nèi)外鋼軌大量試驗(yàn)的結(jié)論意見認(rèn)為普通碳素軌耐磨性差，韌性好，使用性能、可焊接性好，沒有脆斷現(xiàn)象，安全，全長(zhǎng)淬火后，可延長(zhǎng)壽命0.5倍，應(yīng)大力推廣全長(zhǎng)淬火鋼軌；合金鋼軌耐磨性好，但使用中可焊接性差，沖擊韌性差，有脆性斷裂現(xiàn)象，有安全隱患，尚需進(jìn)一步試驗(yàn)。
本實(shí)用新型的目的，是利用激光加工技術(shù)，融合普通碳素鋼軌和合金鋼軌的優(yōu)點(diǎn)，抑制其弊端，提供一種激光表面合金化鋼軌，以適應(yīng)鐵路運(yùn)輸對(duì)鋼軌的要求。
本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的；一種激光表面合金化的鐵道鋼軌，包括鋼軌表面(1)，合金層(2)，熱影響層(3)，鋼軌基體(4)，軌頭(5)，軌腰(6)，軌底(7)，磨耗示意曲線(8)，其中，軌頭(5)，軌腰(6)，軌底(7)幾何尺寸均與目前國產(chǎn)軌相同，鋼軌基體(4)的材質(zhì)與目前國產(chǎn)軌相同，為普通碳素鋼。合金層(2)在軌頭表面一定深度與范圍內(nèi)，是通過激光束熔化鋼軌表面，形成一定深度的熔池，向熔池添加一定的合金元素，在激光束的作用下，熔池中的碳素鋼與合金元素相互作用，生成新的合金，移動(dòng)激光束，在軌頭(5)表面一定深度內(nèi)形成合金層(2)。合金層(2)與鋼軌基體(4)間有熱影響層(3)。合金層(2)與鋼軌基體(4)有著不同的化學(xué)成分。合金層(2)在軌頭(5)中有一定的空間形狀，可以是連續(xù)的或不連續(xù)的。合金層(2)在軌頭(5)上有一定的平面形狀，可以是網(wǎng)狀，點(diǎn)狀，直線狀，曲線狀，平面狀。合金層(2)在軌頭(5)中有特定的微觀組織結(jié)構(gòu)，這種特定的微觀組織結(jié)構(gòu)有著特定的物理形狀與特性。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)為激光表面合金化鋼軌的主要特征是用激光束在鋼軌表面一定深度與范圍內(nèi)產(chǎn)生合金層(2)。合金層(2)與鋼軌基體(4)有著不同的化學(xué)成分與金相結(jié)構(gòu)，也有著優(yōu)異的物理特性。激光表面合金化鋼軌不更動(dòng)現(xiàn)有鋼軌的幾何尺寸，不更動(dòng)現(xiàn)有鋼軌的生產(chǎn)工藝。激光表面合金化鋼軌僅在軌頭(5)輪軌接觸面下局部用激光束進(jìn)行合金化，軌腰(6)、軌底(7)仍為普通碳素鋼。這樣，就充分發(fā)揮了合金鋼耐磨性好及碳素鋼抗沖擊韌性優(yōu)良的特點(diǎn)，抑制了普通碳素鋼軌抗磨性差及合金鋼軌抗沖擊性差的弱點(diǎn)，形成了一種手段獨(dú)特，造價(jià)經(jīng)濟(jì)，性能優(yōu)異的新鋼軌。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型激光表面合金化鋼軌進(jìn)行詳細(xì)描述


圖1為本實(shí)用新型激光表面合金化鋼軌橫斷面示意圖。
圖2為本實(shí)用新型激光表面合金化鋼軌平面圖。
圖3為本實(shí)用新型激光表面合金化鋼軌側(cè)面圖。
參照
圖1、圖2、圖3，標(biāo)號(hào)(4)為普通碳素鋼軌，標(biāo)號(hào)(5)為鋼軌軌頭，標(biāo)號(hào)(6)為鋼軌軌腰，標(biāo)號(hào)(7)為鋼軌軌底，標(biāo)號(hào)(8)為輪軌長(zhǎng)期摩擦后軌頭(5)的實(shí)際表面示意曲線，標(biāo)號(hào)(2)為用激光在軌頭(5)上形成的合金層，標(biāo)號(hào)(3)為激光合金層與鋼軌基體間的熱影響層。
鋼軌(4)目前使用主要鋼種是國產(chǎn)型號(hào)U74、U71Mn，其主要成分為C,Mn,Si。劇烈磨耗的小曲線鋼軌，輪軌摩擦運(yùn)動(dòng)的結(jié)果在軌頭上形成實(shí)際的表面如示意曲線(8)。在U71Mn的成分基礎(chǔ)上，增加C含量，減少M(fèi)n含量，形成一種國產(chǎn)新鋼軌品種為PD2。在U71Mn的成分基礎(chǔ)上，調(diào)整C、Mn、Si含量，同時(shí)增加V元素，形成一種國產(chǎn)新鋼軌品種為PD3，簡(jiǎn)稱釩軌。在U71Mn的成分基礎(chǔ)上，調(diào)整C、Mn、Si含量，增加Nb、Re元素，形成一種國產(chǎn)新鋼軌品種為BNbRe軌，簡(jiǎn)稱稀土軌。U71Mn,PD2為普通碳素鋼軌，PD3為釩合金鋼軌，RNbRe為稀土合金鋼軌。國內(nèi)外大量實(shí)踐證明，普通碳素鋼軌韌性好，耐磨性差；合金鋼軌耐磨性好，韌性差。鋼軌(4)在使用中損壞報(bào)廢主要由軌頭(5)的磨耗控制，在軌頭(5)磨耗到示意曲線(8)的狀態(tài)時(shí)，軌腰(6)、軌底(7)仍可正常工作。為增加耐磨性，在整個(gè)斷面上使用合金鋼，不僅增加成本，更重要的是增加了軌頭(5)、軌腰(6)、軌底(7)的脆性，降低了韌性。利用傳統(tǒng)的軋鋼技術(shù)，只能生產(chǎn)出全斷面的合金鋼軌，不可能在軌頭(5)示意曲線(8)之內(nèi)，即輪軌接觸面下局部制造合金鋼。而本實(shí)用新型提供這樣一種鋼軌，利用激光技術(shù)可根據(jù)需要，在鋼軌(4)上局部制造出耐磨性能優(yōu)良的合金鋼。
鋼軌(4)在激光合金化前，要進(jìn)行予處理，將合金材料用刷涂，噴涂等方法予置在鋼軌(4)表面，或采用氣動(dòng)送粉裝置，調(diào)整激光光頭，透鏡與鋼軌(4)表面的距離，使鋼軌(4)表面處于近焦處或透鏡焦點(diǎn)處，激光功率密度可達(dá)108W/cm2，激光熔池溫度可達(dá)1200℃，熔池冷卻速度可達(dá)106℃/S，合金層深度可達(dá)3-5mm。為避免氧化影響合金質(zhì)量，鋼軌(4)表面的激光熔池要用惰性氣體保護(hù)，可采用自動(dòng)氣流送粉系統(tǒng)，在向激光熔池吹入惰性氣體的同時(shí)，氣流可把預(yù)先配制好的金屬粉末噴入熔池，這樣可以精確控制合金成分。
激光合金化鋼軌合金層(2)有獨(dú)特的化學(xué)成分。激光合金化粉末有非金屬、合金、陶瓷粉末幾種，可根據(jù)設(shè)計(jì)合金性能選取。非金屬元素的合金化有C,B,N等。合金元素的合金化，包括Cr,Al,W,CO,Ni,MO,Nb等。陶瓷粉末是化合物的合金化，如難熔金屬碳化物TiC,VC,WC,TiN,B4C等。
激光合金化鋼軌合金層(2)有著獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)。用激光束照射鋼軌(4)表面，同時(shí)加入設(shè)計(jì)的合金粉末，鋼軌(4)表面基體與合金粉末熔化形成激光熔池，激光熔池溫度分布不均勻且存在很大溫差，因此熔池表面產(chǎn)生很大的張力梯度，形成熔池自然對(duì)流。合金元素在激光熔池中混合攪拌，就得到合金成分均勻的合金層(2)。合金層(2)金相組織呈多元共晶體，晶粒細(xì)小，組織細(xì)密。在合金層(2)與基體(4)之間存在熱影響層(3)。由于在激光熔池中，合金熔體與基體間有極大的濃度梯度，合金元素短程擴(kuò)散，合金層(2)與熱影響層(3)分界面的顯微組織樹枝晶與熱影響層(3)與鋼軌基體(4)界面的馬氏體交錯(cuò)排列，界面結(jié)合為冶金結(jié)合。
激光合金化鋼軌合金層(2)有特定的空間結(jié)構(gòu)與平面形狀。激光合金化鋼軌存在著合金層(2)，熱影響層(3)，層間均為冶金結(jié)合。為克服激光合金化鋼軌中合金鋼的脆性，防止合金化部位裂紋產(chǎn)生、發(fā)展，激光合金化鋼軌合金層(2)可以加工成各種平面形狀，如圖2所示的點(diǎn)狀，圖3所示的網(wǎng)狀。這樣可將耐磨性好、有脆性的合金層鑲固在耐磨性差、但韌性好的鋼軌基體(4)中，有效地阻止了熱應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋，防止了合金層(2)的裂紋擴(kuò)展與脫落，而又不降低合金層的耐磨性。根據(jù)實(shí)際需要，合金層(2)可以加工成點(diǎn)狀，直線狀(包括平行線、橫線、斜線)，曲線狀，平面狀。
激光表面合金化鋼軌可在工廠生產(chǎn)，也可用激光車在軌道上就地生產(chǎn)。工廠生產(chǎn)激光表面合金化鋼軌需激光數(shù)控機(jī)床，該機(jī)床由二氧化碳?xì)怏w激光器，導(dǎo)光系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床組成。激光加工參數(shù)如激光光斑直徑，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，激光功率密度要認(rèn)真試驗(yàn)確定。激光光斑可為圓形，矩形，線形。激光器輸出功率確定后，可通過調(diào)整光頭與工件的距離來調(diào)整激光功率。
激光表面合金化鋼軌有著獨(dú)特的物理特性。根據(jù)設(shè)計(jì)的合金層(2)的不同，合金層的極限強(qiáng)度可超過1100MPa，屈服強(qiáng)度可超過820MPa，硬度可超過1200HV以上，是一種超高強(qiáng)耐磨鋼軌，適用于高速重載的主要鐵道干線，尤其是運(yùn)煤專線與小曲線。
權(quán)利要求1．一種激光表面合金化鋼軌，包括鋼軌表面(1)，合金層(2)，熱影響層(3)，鋼軌基體(4)，其特征在于，合金層(2)是用激光束熔化鋼軌基體(4)材料與合金材料形成的，合金層(2)與鋼軌基體(4)間存在熱影響層(3)，各層間為冶金結(jié)合。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光表面合金化鋼軌，其特征在于，合金層(2)在鋼軌基體(4)中可以是連續(xù)的或者是不連續(xù)的。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光表面合金化鋼軌，其特征在于，合金層(2)在鋼軌表面(1)上可以是點(diǎn)狀，直線狀，曲線狀，網(wǎng)狀，平面狀。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種激光表面合金化鋼軌,包括:激光合金層、熱影響層、鋼軌基體。激光合金層由激光束熔化鋼軌表面基體材料與添加的合金材料而成,位于鋼軌表面與熱影響層間;熱影響層位于激光合金層與鋼軌基體間。鋼軌表面的激光合金層可用激光束加工成連續(xù)的或不連續(xù)的,形狀可有點(diǎn)狀,直線狀,曲線狀,網(wǎng)狀,平面狀。激光合金層化學(xué)成分和金相結(jié)構(gòu)特異,激光表面合金化鋼軌耐磨性和韌性均優(yōu)。
文檔編號(hào)B23K26/00GK2460547SQ0120195
公開日2001年11月21日 申請(qǐng)日期2001年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月5日
發(fā)明者張準(zhǔn)勝 申請(qǐng)人:張準(zhǔn)勝, 呂杰勝