一种使用激光渗碳强化处理铁路钢轨的方法与流程

本发明属于铁路钢轨制造技术领域，涉及一种使用激光渗碳强韧化处理铁路钢轨的方法。

背景技术：

随着铁路的发展，轨道的安全要求也相应提高。钢轨磨损主要由于轮轨接触摩擦引起的钢轨失效。伴随着火车运输量的增大、载荷吨位的不断提高，钢轨的磨损程度加深，有效使用时间变短。钢轨磨损检测成为了铁路检测部门钢轨检测的一个重要指标。铁路钢轨按照其用途可分为三种类型：客运专线、货运专线和客货混运。在不同的线路上，客运专线用钢轨向高尺寸精度、高平直度、高表面质量、高强韧性和抗疲劳性方向发展，以60kg/m的U71MnG和U75VG为主；客货混运及其重载货运用钢轨向着高强度、高硬度和高耐磨性发展，以U75V/U77MnCr、U78CrV及其相应的热处理钢轨为主。

在实际生活应用中，货运钢轨承载的重力值远远大于客运钢轨承载的工作重量，而实验发现承受较大重力的钢轨表面也承受了较大的压应力，因此两种钢轨想要合理的延长使用寿命，需要对这两种钢轨表面的压应力进行相应的释放。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种能够对铁路钢轨表面的压应力进行有效释放，提高铁路钢轨使用寿命的使用激光渗碳强韧化处理铁路钢轨的方法，该方法能够合理提高铁路钢轨的抗滚动疲劳磨损性能。

为了解决上述技术问题，本发明的使用激光渗碳强韧化处理铁路钢轨的方法如下：首先按照碳粉与水玻璃质量体积比为20％～30％配置悬浊液；然后将悬浊液均匀涂覆于光洁平整的铁路钢轨表面，待其干燥凝固后进行打磨，使涂覆碳层达到所需厚度；通过激光渗碳处理方法在铁路钢轨表面制作仿生耦合渗碳单元体；最后对具有仿生耦合渗碳单元体的铁路钢轨表面进行后处理，去除多余的涂覆碳层。

所述涂覆碳层的厚度根据未经处理的铁路钢轨基体与经过激光渗碳处理后的铁路钢轨未经处理的基体部分所承受的应力差值确定。

所述涂覆碳层的厚度为0.2-0.7mm。

涂覆碳层厚度的变化影响铁路钢轨表面仿生耦合渗碳单元体硬度值，单元体硬度值的变化导致铁路钢轨表面承受应力的分布不同。随着单元体的硬度增加，桩钉效应的作用愈加明显，铁路钢轨表面所承受的应力更多的作用在仿生耦合渗碳单元体上，未处理的基体材料部分所承受的应力减少，导致磨损程度降低。因此，未经过处理的铁路钢轨基体所承受的应力与经过激光渗碳处理的铁路钢轨未处理的基体材料部分所承受的应力，这两者之间差值与涂覆碳层厚度的对应关系则证明涂覆碳层厚度对磨损程度的影响。通过模拟实验分析可知，当涂覆碳层厚度越大，则仿生耦合渗碳单元体硬度值越大，铁路钢轨上未经过激光渗碳处理的基体材料部分所承受的应力越小。当涂覆碳层厚度超过一定范围后，在铁路钢轨表面通过激光渗碳处理制备出的仿生耦合渗碳单元体，其碳含量提升速度减缓，未能形成更多的高碳马氏体，其硬度值增长减缓，经过激光渗碳处理后未经处理的基体材料部分所承受的应力差值也出现减缓的趋势，导致铁路钢轨的抗滚动疲劳磨损性能增长缓慢。因此本发明根据未处理铁路钢轨基体与经激光渗碳处理后的铁路钢轨未经处理的基体所承受的应力差值确定涂覆碳层的厚度，既能够保证经过激光渗碳处理的铁路钢轨表面满足抗滚动疲劳磨损性能要求，又能够避免不必要的成本增加。

本发明利用仿生理论，在铁路钢轨表面制备类似于生物体体表的软硬相间的特殊结构，使得该结构能够有效提高铁路钢轨的抗磨损和冲击性能。通过在涂覆有特定厚度活性炭的钢轨表面配合使用相应激光能量，进行激光渗碳加工处理，使铁路钢轨表面局部区域的碳层及基体在特定能量下以一定熔化程度进行熔合，然后快速冷却凝固，形成了所需的与原基体组织及机械性能不同的区域，称为仿生耦合渗碳单元体。该单元体的组织性能发生特定改变并与基体材料不同。通过这种激光渗碳方法在铁路钢轨表面加工形成的具有较高硬度的单元体，与较低硬度的基体耦合形成了具有一定硬度梯度的软硬相间耦合的仿生表面，由于这种激光渗碳方法通过改变材料组织所形成的仿生单元体，与传统的通过单纯的激光熔凝方法加工出的单元体相比，从根本上进一步加强了单元体的硬度，这导致相比于通过激光熔凝方法加工形成的软硬相间的仿生表面具有更大的硬度梯度和更优良的抗疲劳磨损能力。本发明根据生物模型简化并设计出对位与错位的点状单元体和间距与角度不同的条纹状单元体，使用较小的成本和较高的加工效率有效的提高了铁路钢轨的使用寿命，更加切合实际加工工作，便于操作。

本发明通过改变单元体组织从根本上提高单元体自身硬度，从而实现了仿生表面具有较高硬度梯度的软硬相间耦合结构。在该结构中，单元体如同在钢轨表层增加了坚固的桩钉或者加强筋，形成桩钉效应，抵抗轮轨的碾压，在钢轨表面形成了较强的保护钢轨的抗压耐磨层，而较软基体材料将单元体包围连成一体，使钢轨表面由于硬相部位能更好的分担软相部位所承受的压力，而较高梯度的硬度变化也将使这种应力分布的更加合理。从而使钢轨表面具有更加优异的力学性能和较高的抗疲劳磨损性能。

通过激光渗碳加工处理，仿生耦合渗碳单元体的组织相比于钢轨基体材料发生了极大的变化。钢轨基体材料主要由片状珠光体组成，其平均硬度较低约为270-300HV。仿生耦合渗碳单元体主要由马氏体组成。其中马氏体又可分为低碳马氏体和高碳马氏体，由于钢轨中碳含量较低，若仅仅只是通过激光熔凝方式加工，所形成单元体中的马氏体则是低碳马氏体，硬度较低，其激光熔凝单元体的平均硬度约为600HV。由于激光渗碳处理过程中碳元素的加入，仿生耦合渗碳单元体中的碳含量增加了14％-28％，并且其中所生成中的马氏体是高碳马氏体，硬度值较高，仿生耦合渗碳单元体的平均硬度约为800-900HV。随着碳层厚度的增加，仿生耦合渗碳单元体中碳含量也逐渐增加。

仿生耦合渗碳单元体的组织主要是由硬度高的片状马氏体组成，相比于由珠光体组成的铁路钢轨，单元体的硬度更高、组织更为致密，使经过激光渗碳处理后的铁路钢轨具有良好的抗滚动疲劳磨损性能。

通过使用不同的碳层厚度和激光能量参数，可以在一定的铁路钢轨应用环境下，制备出相应的具有较高硬度均值的仿生耦合渗碳单元体，从而获得具有不同抗磨损性能的仿生耦合铁路钢轨。

所述的铁路钢轨为客运铁路钢轨，涂覆碳层厚度为0.2～0.4mm；激光渗碳处理方法所用激光参数如下：激光器的功率为300W，电流170-180mA，脉宽7ms，频率5Hz，激光能量密度为165-200J/cm²，离焦量为+7mm，扫描速度0.5mm/s。

所述的涂覆碳层厚度优选为0.3mm。

所述仿生耦合渗碳单元体为点状单元体，相邻单元体圆心间距为a，3mm＜a＜7mm。

所述客运铁路钢轨表面的点状单元体呈对位排列分布或错位排列分布。

上述客运钢轨的仿生耦合渗碳单元体，与经过激光熔凝处理的单元体相比碳含量增加了14％-20％；该仿生耦合渗碳单元体的平均硬度可提升至800HV，较激光熔凝处理的单元体提高20％-30％。

所述的铁路钢轨为货运铁路钢轨，涂覆碳层厚度为0.5-0.7mm；激光渗碳处理方法所用激光参数如下：激光器的功率为300W，电流180-190mA,脉宽6ms，频率5Hz，激光能量密度为210-220J/cm²，离焦量为+7mm，扫描速度0.5mm/s。

所述的涂覆碳层厚度优选为0.6mm。

所述仿生耦合渗碳单元体为条纹状单元体，相邻单元体的间距为b，3mm＜b＜7mm，条纹状单元体与钢轨边缘线的夹角α为，0≤α≤90°。

上述客运钢轨的仿生耦合渗碳单元体，与经过激光熔凝处理的单元体相比碳含量增加了21％-28％；该仿生耦合渗碳单元体的平均硬度可提升至900HV，较激光熔凝处理的单元体提高30％-50％。

货运钢轨的较熔凝处理增加21％-28％，且该单元体的平均硬度提升至900HV，较激光熔凝处理的单元体提高30％-50％。

实验证明，在客运铁路钢轨中，随着涂覆碳层厚度增加，未处理的客运铁路钢轨基体材料与经过激光渗碳处理的客运铁路钢轨基体材料部分，两者之间所承受的应力差值逐渐增大，但是当涂覆碳层厚度超过0.3mm时应力差值的增加趋势逐渐变缓。在货运铁路钢轨中，当涂覆碳层厚度超过0.6mm时应力差值的增加趋势逐渐变缓。

本发明选择在客运铁路钢轨表面制备点状单元体，加工时长少，加工效率较高，能够节省能源，客运铁路钢轨主要是用于人员运输，承受重量相对较轻，使用点状单元体既可以满足提高抗滚动疲劳磨损性能的要求，又节省了能源和材料并提高了加工效率，有利于工业制造。对于货运铁路钢轨，其运输物主要为质量较大的货物，大大的增加了钢轨所承受的载荷，导致钢轨易出现疲劳磨损现象。条纹状单元体加工所需要消耗的能量比点状单元体高，但由于激光能量的增大和涂覆碳层厚度的增加，会导致仿生耦合渗碳单元体在钢轨表面所占面积的比例增大，其抗滚动疲劳磨损性能也会大大的提升，更加符合货运钢轨的所需要性能。

有益效果：本发明通过对铁路钢轨进行激光渗碳处理，钢轨表面形成有一定规律分布的、具有组织致密的、高硬度的仿生耦合渗碳单元体，这些单元体和铁路钢轨未处理的部分共同构成了软硬相间的类似于生物体结构的仿生耦合区域。由于单元体的机械性能、硬度等大大高于基体组织，在承受外力时，单元体承担更多的载荷，起到了类似于桩钉或加强筋的作用，使基体部分承受载荷较少，磨损程度相比于单元体较小。这延长了铁路钢轨的使用寿命，提高了利用率，在铁路运输的节能减排中有巨大的优势。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是客运铁路钢轨表面点状仿生耦合渗碳单元体对位排列示意图。

图2是图1的A-A向剖视图。

图3是客运铁路钢轨表面点状仿生耦合渗碳单元体错位排列示意图。

图4是图3的A-A向剖视图。

图5是货运铁路钢轨表面横条状仿生耦合渗碳单元体分布示意图。

图6是货运铁路钢轨表面斜条状仿生耦合渗碳单元体分布示意图。

图7是图5和图6的A-A向剖视图。

图8是货运铁路钢轨表面竖条状仿生耦合渗碳单元体分布示意图。

图9是图8的A-A向剖视图。

图10是客运铁路钢轨中涂覆碳层厚度与应力差值的对应关系示意图。

图11是货运铁路钢轨中涂覆碳层厚度与应力差值的对应关系示意图。

具体实施方式

实施例1

1、使用激光渗碳方法在客运铁路钢轨上制备点状仿生耦合渗碳单元体具体步骤如下：

步骤一、利用机械磨铣对铁路钢轨表面进行预处理，将其表面打磨至光洁平整，然后按照碳粉与水玻璃的质量体积比为25％配置悬浊液，充分混合搅拌8-15分钟后，均匀地涂覆在铁路钢轨表面，待其自然干燥凝固后，通过轻微打磨，控制涂覆碳层厚度为0.2-0.4mm。

步骤二、将具有涂覆碳层的铁路钢轨放置在工作台上，设定好工作台的工作路线，采用激光渗碳技术，对具有涂覆碳层的铁路钢轨表面进行激光扫描，使扫描过的区域快速熔化和凝结，最终在铁路钢轨表面形成含有碳化物的、高硬度的点状仿生耦合渗碳单元体。其中，使用A-C型激光能量，激光器功率300W，扫描速度0.5mm/s，离焦量+7mm。间隔5mm(对应点状仿生耦合渗碳单元体间距是5mm)发射一次激光脉冲，在铁路钢轨表面生成点状仿生耦合渗碳单元体。确保点状仿生耦合渗碳单元体的完整性，并检查单元体是否达到要求和有无气泡。

步骤三、对具有点状仿生耦合渗碳单元体的铁路钢轨表面进行后处理，将钢轨表面多余的涂覆碳层通过机械加工的方式处理掉。

实施例2

2、使用激光渗碳方法在货运铁路钢轨上制备条状仿生耦合渗碳单元体具体步骤如下：

步骤一、将利用机械磨铣对货运铁路钢轨表面进行预处理，将其表面打磨至光洁平整，然后按照每1g碳粉与4ml水玻璃的比例(碳粉水玻璃的质量体积比为25％)配置悬浊液，充分混合搅拌8-15分钟后，均匀地涂覆在铁路钢轨表面，待其自然干燥凝固后，通过轻微打磨，控制涂覆碳层厚度为0.5-0.7mm。

步骤二、将具有涂覆碳层的铁路钢轨放置在工作台上，设定好工作台的工作路线，采用激光渗碳技术，对具有涂覆碳层的铁路钢轨表面进行激光扫描，使扫描过的区域快速熔化和凝结，最终在铁路钢轨表面形成含有碳化物的、高硬度的条状仿生耦合渗碳单元体。其中，使用D-F型激光能量，激光器功率300W，扫描速度0.5mm/s，离焦量+7mm。激光器连续发射激光脉冲，在铁路钢轨表面生成连续的条状仿生耦合渗碳单元体。当一条条状单元体加工完成后，等待工作台回到距离原点下方5mm处(对应条状仿生耦合渗碳单元体间距)，按照上述方式，加工第二条条纹状单元体。确保仿生耦合渗碳单元体的完整性，并检查单元体是否达到要求和有无气泡。

步骤三、对具有仿生耦合渗碳单元体的铁路钢轨表面进行后处理，将铁路钢轨表面多余的涂覆碳层通过机械加工的方式处理掉。

实验发现涂覆碳层厚度的变化对仿生耦合渗碳单元体组织的变化有一定的影响，且通过对涂覆碳层厚度的控制和协调相应激光参数，可获得所需特定组织的同时实现了对单元体硬度的可控操作，模拟实验发现硬度越大的单元体分担基体材料应力的能力越强。随着涂覆碳层厚度的增加相当于基体应力得到释放，减少了基体磨损程度。因此，涂覆碳层厚度和相应的激光参数的选择必须分别满足两种钢轨在不同工作环境下所承受的应力情况。即客运钢轨需要释放较小的应力值，而货运钢轨需要释放较大的应力值。

轮轨滚动接触过程中多数情况以点接触形式为主，轮轨接触表面挤压变形形成的接触斑约为100mm²左右，而这样的接触斑大约要承受50KN到200KN的载荷，接触应力十分大。本发明中选取客运轨道承受50KN、货运轨道承受100KN为例进行实验获得涂覆碳层厚度与应力差值的对应关系。

如图10所示，对于客运钢轨，随着涂覆碳层厚度的增加，经激光渗碳处理的铁路钢轨表面未经过激光处理的部分与未经过激光处理的铁路钢轨基体材料两者所承受的应力差值逐渐增大，但是当涂覆碳层厚度超过0.3mm时应力差值的增加趋势逐渐变缓。因此本发明优选涂覆碳层厚度为0.3mm。

如图11所示，对于货运钢轨，随着涂覆碳层厚度的增加，经激光渗碳处理的铁路钢轨表面未经过激光处理的部分与未经过激光处理的铁路钢轨基体材料两者所承受的应力差值逐渐增大。但是当涂覆碳层厚度超过0.6mm时应力差值的增加趋势逐渐变缓，因此本发明优选涂覆碳层厚度为0.6mm。

当基体材料表面涂覆碳层厚度一定，激光能量低于165J/cm²时，仿生耦合渗碳单元体深度浅，平均硬度值未能达到900HV，不能与基体材料形成有效的仿生耦合结构，不能达到提高抗滚动疲劳磨损性能的效果；若激光能量高于220J/cm²，激光能量过大，会在加工的过程中使基体材料表面涂覆碳层发生严重的烧损，激光加工后所形成的仿生单元体也会出现裂纹或气泡等缺陷，未能使仿生钢轨达到最佳的抗滚动疲劳磨损性能的效果。因此本发明选择的激光能量密度在165-220J/cm²之间。

碳粉与水玻璃的质量体积比在20～30％范围内对抗滚动疲劳磨损性能影响不大，因此本发明实施例仅给出了最佳值即25％。。

0.2mm厚度涂覆碳层条件下客运铁路钢轨点状仿生耦合渗碳单元体参数见表1。

表1

0.3mm厚度涂覆碳层条件下客运铁路钢轨点状仿生耦合渗碳单元体参数见表2。

表2

0.4mm厚度涂覆碳层条件下客运铁路钢轨点状仿生耦合渗碳单元体参数见表3。

表3

0.5mm厚度涂覆碳层条件下货运铁路钢轨点状仿生耦合渗碳单元体参数见表4

表4

0.6mm厚度涂覆碳层条件下货运铁路钢轨点状仿生耦合渗碳单元体参数见表5

表5

0.7mm厚度涂覆碳层条件下货运铁路钢轨点状仿生耦合渗碳单元体参数见表6

表6

注：表1-6中，寿命提高率均为经激光渗碳处理的铁路钢轨表面寿命相对于未经任何处理的铁路钢轨表面寿命的提高率。

其中激光能量参数如下表5所示：

表5