[发明专利]铁路高速重轨激光淬火硬化工艺

说明书

技术领域

本发明属于激光淬火技术领域，特别涉及铁路高速重轨激光淬火硬化工艺。

背景技术

铁路是关系到国计民生的重要交通设施，钢轨是铁路轨道的重要组成部分，直接承受列车载荷并引导车轮运行，因此钢轨的质量是非常重要的。在列车行驶中，钢轨的内侧面由于受到车轮的撞击和摩擦的双重作用，其磨损相当严重，特别是小半径曲线外股侧磨尤为重要。随着铁路上重载牵引需求的增加，车轮和钢轨之间的磨损问题更加严重。每年因磨损损坏而必须更换的轨道的数量是相当大的。因此，提高钢轨的耐磨性，延长钢轨的使用寿命和更换周期，从而可达到节省资源、降低成本、提高经济效益的目的。

目前，世界上强化钢轨的方法主要有两种：一是合金强化，二是热处理强化。我国铁路在20世纪80年代前基本使用U71Mn和U74钢轨。为解决这两种钢轨寿命短的问题，铁道、冶金部门通过合金强化的方法联合开发了PD2、PD3和稀土轨。现在大多数厂家都采用中国铁道科学研究院20世纪90年代末开发的中频感应加热淬火技术对钢辊进行强化处理。美国阿贡国家研究所推出了用激光降低铁表面摩擦的技术，该技术应用于铁轨，可减少铁轨与车轮的摩擦。国内也有不少学者对钢轨进行了圆形光斑激光淬火处理实验，但未见实际应用的报道。

发明内容

本发明的目的是提供铁路高速重轨激光淬火硬化工艺。

其具体工艺过程如下：

(1)用汽油或酒精去油、去污溶剂去除钢轨表面油污和锈，然后用砂纸打磨钢轨表面进一步去除污物，以便于均匀喷涂吸光涂层。

(2)用喷枪或刷子将与粘接剂混合均匀好的SiO₂吸光涂料均匀地涂在钢轨表面，以提高金属表面对CO₂激光的吸收率，涂料与粘接剂的配比为：80～100gSiO₂+500～600ml酒精+15ml漆片，预涂厚度为0.02～0.05mm。

(3)风干涂层。

(4)用DL-HL-10000型CO₂激光器快速扫描涂有吸光涂层的钢轨表面，使钢轨表面实现快速加热和冷却。

具体工艺参数如下：

激光功率为1.5～10kW

用宽带积分镜技术将圆形光斑转变成矩形光斑，其带宽尺寸为长×宽＝30mm×1mm

搭接宽度为0.5～1mm

扫描速度V＝200～1000mm/min

本发明在于利用高功率CO₂激光器通过选取合适的的激光淬火硬化工艺参数，实现硬金化层和钢轨基体的良好的冶金结合。激光淬火技术是利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料的表面，使其温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。从而增加工件的使用寿命并降低材料损耗。其相对于中频感应加热淬火的优点是加热速度快、淬火硬度高、工件变形小、淬火部位可控、不需淬火介质、生产率高、无氧化、无污染。

淬硬层组织为高碳马氏体、细晶混合马氏体和少量奥氏体。激光淬火造成组织细化，并形成大量高碳马氏体，从而提高硬度，有效抑制表层的快速磨损。本发明由于采用宽带光束模式不仅可以增加淬硬带的宽度，而且激光束斑快速局部摆动可使硬化层表面温度的最高点快速变化，导致合硬化区中央区域的温度梯度下降，硬化层组织和性能得到很好的改善。用该方法对70MnV钢轨进行激光淬火硬化处理后，可得到厚度为0.5～1mm，硬度为800～1100HV的硬化层。

利用激光淬火强化的方法可用普通铁路钢轨材料取代高合金重轨，从而降低钢轨成本；也可修复失效钢轨，减少材料浪费，带来较大经济效益。

具体实施方式

实施例一

用汽油去油、去污溶剂去除钢轨表面油污和锈，然后用砂纸打磨钢轨表面进一步去除污物，便于均匀喷涂吸光涂层；然后用喷枪或刷子将与粘接剂混合均匀的SiO₂吸光涂料均匀地涂在钢轨表面，以提高金属表面对CO₂激光的吸收率，预涂厚度为0.02mm；待涂层风干后打开DL-HL-10000型CO₂激光器，快速扫描钢轨表面，使钢轨表面实现快速加热和冷却。具体工艺参数如下：激光功率P＝1.7kW，带宽尺寸为长×宽＝30mm×1mm，搭接宽度为0.5mm，扫描速度V＝300mm/min。

实施例二