专利名称：激光表面合金化铁道钢轨的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种铁道钢轨，特别是涉及一种激光表面合金化的铁道钢轨。
钢轨是铁路轨道的重要组成部分。为适应国民经济的需要，铁路的速度、载重不断提高。我国铁路年均通过总重已超过3000万吨公里，特别区段已达1.5-2亿吨公里；主要干线客车速度将逐步提高到140-160Km/h，货车速度将达到80-85Km/h。铁道钢轨直接承受列车荷载的反复作用，是适应高速重载、强化轨道结构的关键部件，研究具有优异使用性能的铁道钢轨，是目前铁路系统急待解决的重大问题。
我国铁路主要干线目前使用的钢轨是50型、60型，已超过6万公里，约占全部干线的90％。国产这两种钢轨钢种主要是U71Mn和U74，均为普通碳钢钢轨。在目前的运输条件下，这两种钢轨伤损日益严重，已暴露出承载力不足、使用寿命不长的问题，使重轨的优越性得不到充分发挥。钢轨在使用中出现的伤损主要是轨头侧磨，波磨，剥离和压溃，尤以侧磨伤损最为严重。繁忙线路上小曲线上目前钢轨一年左右就需更换。
钢轨伤损的主要原因是在接触应力作用下形成的接触疲劳伤损，主要的伤损形式是金属的塑性变形引起的塑性剥离。为解决钢轨伤损问题，提高钢轨使用寿命，国内外对钢轨的研究向着两个方向一个途径是热处理强化，日、美、独联体主要走热处理强化的途径，对钢轨进行全长淬火处理；另一个途径是合金化，西欧一些国家主要是采取对钢轨合金强化的方法。共同的目的是提高钢轨材质的强度与耐磨性。我国钢轨在这二个途径上已做了大量的试验探索。
近年来铁道部、冶金部联合试制了PD2钢轨、PD3钢轨和稀土钢轨，并进口日本等12个国家的钢轨80万吨铺设试验。铁道部经过对国内外钢轨大量试验的结论意见认为普通碳素轨耐磨性差，韧性好，使用性能、可焊接性好，没有脆断现象，安全，全长淬火后，可延长寿命0.5倍，应大力推广全长淬火钢轨；合金钢轨耐磨性好，但使用中可焊接性差，冲击韧性差，有脆性断裂现象，有安全隐患，尚需进一步试验。
本实用新型的目的，是利用激光加工技术，融合普通碳素钢轨和合金钢轨的优点，抑制其弊端，提供一种激光表面合金化钢轨，以适应铁路运输对钢轨的要求。
本实用新型是这样实现的；一种激光表面合金化的铁道钢轨，包括钢轨表面(1)，合金层(2)，热影响层(3)，钢轨基体(4)，轨头(5)，轨腰(6)，轨底(7)，磨耗示意曲线(8)，其中，轨头(5)，轨腰(6)，轨底(7)几何尺寸均与目前国产轨相同，钢轨基体(4)的材质与目前国产轨相同，为普通碳素钢。合金层(2)在轨头表面一定深度与范围内，是通过激光束熔化钢轨表面，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，熔池中的碳素钢与合金元素相互作用，生成新的合金，移动激光束，在轨头(5)表面一定深度内形成合金层(2)。合金层(2)与钢轨基体(4)间有热影响层(3)。合金层(2)与钢轨基体(4)有着不同的化学成分。合金层(2)在轨头(5)中有一定的空间形状，可以是连续的或不连续的。合金层(2)在轨头(5)上有一定的平面形状，可以是网状，点状，直线状，曲线状，平面状。合金层(2)在轨头(5)中有特定的微观组织结构，这种特定的微观组织结构有着特定的物理形状与特性。
本实用新型的优点为激光表面合金化钢轨的主要特征是用激光束在钢轨表面一定深度与范围内产生合金层(2)。合金层(2)与钢轨基体(4)有着不同的化学成分与金相结构，也有着优异的物理特性。激光表面合金化钢轨不更动现有钢轨的几何尺寸，不更动现有钢轨的生产工艺。激光表面合金化钢轨仅在轨头(5)轮轨接触面下局部用激光束进行合金化，轨腰(6)、轨底(7)仍为普通碳素钢。这样，就充分发挥了合金钢耐磨性好及碳素钢抗冲击韧性优良的特点，抑制了普通碳素钢轨抗磨性差及合金钢轨抗冲击性差的弱点，形成了一种手段独特，造价经济，性能优异的新钢轨。
以下结合附图对本实用新型激光表面合金化钢轨进行详细描述
图1为本实用新型激光表面合金化钢轨横断面示意图。
图2为本实用新型激光表面合金化钢轨平面图。
图3为本实用新型激光表面合金化钢轨侧面图。
参照
图1、图2、图3，标号(4)为普通碳素钢轨，标号(5)为钢轨轨头，标号(6)为钢轨轨腰，标号(7)为钢轨轨底，标号(8)为轮轨长期摩擦后轨头(5)的实际表面示意曲线，标号(2)为用激光在轨头(5)上形成的合金层，标号(3)为激光合金层与钢轨基体间的热影响层。
钢轨(4)目前使用主要钢种是国产型号U74、U71Mn，其主要成分为C,Mn,Si。剧烈磨耗的小曲线钢轨，轮轨摩擦运动的结果在轨头上形成实际的表面如示意曲线(8)。在U71Mn的成分基础上，增加C含量，减少Mn含量，形成一种国产新钢轨品种为PD2。在U71Mn的成分基础上，调整C、Mn、Si含量，同时增加V元素，形成一种国产新钢轨品种为PD3，简称钒轨。在U71Mn的成分基础上，调整C、Mn、Si含量，增加Nb、Re元素，形成一种国产新钢轨品种为BNbRe轨，简称稀土轨。U71Mn,PD2为普通碳素钢轨，PD3为钒合金钢轨，RNbRe为稀土合金钢轨。国内外大量实践证明，普通碳素钢轨韧性好，耐磨性差；合金钢轨耐磨性好，韧性差。钢轨(4)在使用中损坏报废主要由轨头(5)的磨耗控制，在轨头(5)磨耗到示意曲线(8)的状态时，轨腰(6)、轨底(7)仍可正常工作。为增加耐磨性，在整个断面上使用合金钢，不仅增加成本，更重要的是增加了轨头(5)、轨腰(6)、轨底(7)的脆性，降低了韧性。利用传统的轧钢技术，只能生产出全断面的合金钢轨，不可能在轨头(5)示意曲线(8)之内，即轮轨接触面下局部制造合金钢。而本实用新型提供这样一种钢轨，利用激光技术可根据需要，在钢轨(4)上局部制造出耐磨性能优良的合金钢。
钢轨(4)在激光合金化前，要进行予处理，将合金材料用刷涂，喷涂等方法予置在钢轨(4)表面，或采用气动送粉装置，调整激光光头，透镜与钢轨(4)表面的距离，使钢轨(4)表面处于近焦处或透镜焦点处，激光功率密度可达108W/cm2，激光熔池温度可达1200℃，熔池冷却速度可达106℃/S，合金层深度可达3-5mm。为避免氧化影响合金质量，钢轨(4)表面的激光熔池要用惰性气体保护，可采用自动气流送粉系统，在向激光熔池吹入惰性气体的同时，气流可把预先配制好的金属粉末喷入熔池，这样可以精确控制合金成分。
激光合金化钢轨合金层(2)有独特的化学成分。激光合金化粉末有非金属、合金、陶瓷粉末几种，可根据设计合金性能选取。非金属元素的合金化有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，如难熔金属碳化物TiC,VC,WC,TiN,B4C等。
激光合金化钢轨合金层(2)有着独特的微观结构。用激光束照射钢轨(4)表面，同时加入设计的合金粉末，钢轨(4)表面基体与合金粉末熔化形成激光熔池，激光熔池温度分布不均匀且存在很大温差，因此熔池表面产生很大的张力梯度，形成熔池自然对流。合金元素在激光熔池中混合搅拌，就得到合金成分均匀的合金层(2)。合金层(2)金相组织呈多元共晶体，晶粒细小，组织细密。在合金层(2)与基体(4)之间存在热影响层(3)。由于在激光熔池中，合金熔体与基体间有极大的浓度梯度，合金元素短程扩散，合金层(2)与热影响层(3)分界面的显微组织树枝晶与热影响层(3)与钢轨基体(4)界面的马氏体交错排列，界面结合为冶金结合。
激光合金化钢轨合金层(2)有特定的空间结构与平面形状。激光合金化钢轨存在着合金层(2)，热影响层(3)，层间均为冶金结合。为克服激光合金化钢轨中合金钢的脆性，防止合金化部位裂纹产生、发展，激光合金化钢轨合金层(2)可以加工成各种平面形状，如图2所示的点状，图3所示的网状。这样可将耐磨性好、有脆性的合金层镶固在耐磨性差、但韧性好的钢轨基体(4)中，有效地阻止了热应力产生的裂纹，防止了合金层(2)的裂纹扩展与脱落，而又不降低合金层的耐磨性。根据实际需要，合金层(2)可以加工成点状，直线状(包括平行线、横线、斜线)，曲线状，平面状。
激光表面合金化钢轨可在工厂生产，也可用激光车在轨道上就地生产。工厂生产激光表面合金化钢轨需激光数控机床，该机床由二氧化碳气体激光器，导光系统，数控机床组成。激光加工参数如激光光斑直径，相对运动速度，激光功率密度要认真试验确定。激光光斑可为圆形，矩形，线形。激光器输出功率确定后，可通过调整光头与工件的距离来调整激光功率。
激光表面合金化钢轨有着独特的物理特性。根据设计的合金层(2)的不同，合金层的极限强度可超过1100MPa，屈服强度可超过820MPa，硬度可超过1200HV以上，是一种超高强耐磨钢轨，适用于高速重载的主要铁道干线，尤其是运煤专线与小曲线。
权利要求1．一种激光表面合金化钢轨，包括钢轨表面(1)，合金层(2)，热影响层(3)，钢轨基体(4)，其特征在于，合金层(2)是用激光束熔化钢轨基体(4)材料与合金材料形成的，合金层(2)与钢轨基体(4)间存在热影响层(3)，各层间为冶金结合。
2．根据权利要求1所述的激光表面合金化钢轨，其特征在于，合金层(2)在钢轨基体(4)中可以是连续的或者是不连续的。
3．根据权利要求1所述的激光表面合金化钢轨，其特征在于，合金层(2)在钢轨表面(1)上可以是点状，直线状，曲线状，网状，平面状。
专利摘要本实用新型提供一种激光表面合金化钢轨,包括:激光合金层、热影响层、钢轨基体。激光合金层由激光束熔化钢轨表面基体材料与添加的合金材料而成,位于钢轨表面与热影响层间;热影响层位于激光合金层与钢轨基体间。钢轨表面的激光合金层可用激光束加工成连续的或不连续的,形状可有点状,直线状,曲线状,网状,平面状。激光合金层化学成分和金相结构特异,激光表面合金化钢轨耐磨性和韧性均优。
文档编号B23K26/00GK2460547SQ0120195
公开日2001年11月21日 申请日期2001年2月5日 优先权日2001年2月5日
发明者张准胜 申请人:张准胜, 吕杰胜