一种提高钢轨的耐磨性与滚动接触疲劳性能的方法与流程

本发明涉及一种提高钢轨的耐磨性与滚动接触疲劳性能的方法。

背景技术：

为保证铁路系统的安全运行，钢轨的磨损必须分别控制在13mm以内，所以增加钢轨的耐磨性能有效减少钢轨更换次数，降低运营成本。激光熔覆技术在金属材料表面强化，提高耐磨性及抗疲劳性能方面有着广泛的应用前景。fe基粉末材料由于成本低且耐磨性好，同时与常用碳钢材料成分相近，因此，将fe基粉末熔覆在钢轨表面，能有效提高其耐磨性。但是，将纯fe基粉末作为熔覆材料时，由于激光熔覆时纯fe基粉末材料的熔化及凝固速度很快，会导致熔覆层中组织不均匀，容易产生裂纹和气孔率偏大。导致其滚动接触疲劳性能耐磨性有待提高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种提高钢轨的耐磨性与滚动接触疲劳性能的方法，用该方法处理得到的钢轨，耐磨性高、滚动接触疲劳性能好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种提高钢轨的耐磨性与滚动接触疲劳性能的方法，是在氩气保护下，利用激光器将fe基粉末熔覆在钢轨的表面，其特征在于:所述的fe基粉末为fe基粉末中加入了质量含量为0.4-2％的氧化镧粉末构成的fe基合金粉末。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

试验结果表明，添加的0.4-2％的氧化镧显著细化了fe基激光熔覆涂层中的共晶和枝晶组织，且使共晶组织分布更加均匀，可以抑制熔覆层中气孔的产生，细化熔覆组织，晶界附近的晶粒位错较强，晶粒之间能量传递较容易，这有利于降低表层组织中裂纹尖端的应力，从而阻止裂纹扩展从而提高了钢轨的耐磨性和滚动接触疲劳性能。

测试表明，1、采用本发明处理后的钢轨试样在经过57.6万次滚动接触循环后未发现明显裂纹。而用纯fe基材料激光熔覆后的钢轨试样在相同次数滚动接触循环后出现明显裂纹。2、采用本发明处理后的钢轨试样在经过57.6万次滚动接触循环后的磨损率约为0.5х10^-5g/m，较用纯fe基材料激光熔覆后的钢轨试样在相同次数滚动接触循环后的磨损率(约1х10-5g/m)降低一倍。

上述的利用激光器将fe基合金粉末熔覆在钢轨的表面的具体做法是：激光器为多模横流co2激光器，激光功率2.8-3.0kw，扫描速度200-220mm/min，激光束矩形光斑尺寸为1mm×7mm，离焦量为30-32mm，送粉速度为10～20g/min。

这样在所述的参数下，能保证fe基合金粉末在多模横流co2激光器的作用下能够充分的熔化并能均匀地熔覆在钢轨试样表面。

上述的fe基合金粉末的粒度为50～200目。

这样，既可以减少过细(＜50目)的fe基合金粉末的成本，又可以避免过粗(＞200目)fe基合金粉末熔化不均匀而导致材料熔覆层出现气孔等缺陷。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1a是对比例处理后的钢轨表面的激光熔覆组织金相图。

图1b是实施例1处理后的钢轨表面的激光熔覆组织金相图。

图1c是实施例2处理后的钢轨表面的激光熔覆组织金相图。

图1d是实施例3处理后的钢轨表面的激光熔覆组织金相图。

图2是未经处理的钢轨、对比例、实施例1、实施例2、实施例3方法处理后的钢轨在磨损试验后测试得到的磨损率。

图3a是未经处理的钢轨在磨损试验后的剖面疲劳裂纹图；

图3b是对比例方法处理后的钢轨在磨损试验后的剖面疲劳裂纹图；

图3c是实施例1方法处理后的钢轨在磨损试验后的剖面疲劳裂纹图；

图3d是实施例2方法处理后的钢轨在磨损试验后的剖面疲劳裂纹图；

图3e是实施例3方法处理后的钢轨在磨损试验后的剖面疲劳裂纹图。

具体实施方式

实施例1

一种提高钢轨的耐磨性与滚动接触疲劳性能的方法，是在氩气保护下，利用激光器将fe基粉末熔覆在钢轨的表面，其特征在于:所述的fe基合金粉末为fe基粉末中加入了质量含量为0.4％的氧化镧粉末构成的fe基合金粉末；fe基合金粉末的粒度为50目。

本例利用激光器将fe基粉末熔覆在钢轨的表面的具体做法是：激光器为多模横流co2激光器，激光功率2.8kw，扫描速度200mm/min，激光束矩形光斑尺寸为1mm×7mm，离焦量为31mm，送粉速度为15g/min。

实施例2

一种提高钢轨的耐磨性与滚动接触疲劳性能的方法，是在氩气保护下，利用激光器将fe基粉末熔覆在钢轨的表面，其特征在于:所述的fe基合金粉末为fe基粉末中加入了质量含量为1.2％的氧化镧粉末构成的fe基合金粉末；其粒度为100目。

本例利用激光器将fe基粉末熔覆在钢轨的表面的具体做法是：激光器为多模横流co2激光器，激光功率3.0kw，扫描速度220mm/min，激光束矩形光斑尺寸为1mm×7mm，离焦量为30mm，送粉速度为10g/min。

实施例3

一种提高钢轨的耐磨性与滚动接触疲劳性能的方法，是在氩气保护下，利用激光器将fe基粉末熔覆在钢轨的表面，其特征在于:所述的fe基合金粉末为fe基粉末中加入了质量含量为2％的氧化镧粉末构成的fe基合金粉末；其粒度为200目。

本例利用激光器将fe基粉末熔覆在钢轨的表面的具体做法是：激光器为多模横流co2激光器，激光功率2.9kw，扫描速度210mm/min，激光束矩形光斑尺寸为1mm×7mm，离焦量为32mm，送粉速度为20g/min。

对比例

本对比例的作法和实施例2基本相同，唯一不同的仅仅是将fe基合金粉末改为不含氧化镧的纯fe基粉末。

图1a、图1b、图1c和图1d分别是对比例、实施例1、实施例2、实施例3处理后的钢轨表面的激光熔覆组织金相图。

从图1a可以看出，对比例(未添加氧化镧)的纯铁涂层结合区为粗大组织，且涂层中组织生长有较大的方向性，组织分布不够均匀。从图1b、图1c、图1d可看出，添加有氧化镧的fe基合金粉末熔覆层的微观组织形态细化、致密，组织生长的方向性减弱，枝晶分散度增大，枝晶间间隙减小，熔覆层的晶粒细化。

耐磨性和滚动接触疲劳性能测试试验：

为了测试本发明方法提高钢轨的耐磨性与滚动接触疲劳性能的效果，将实施例1、实施例2、实施例3、对比例方法处理后的钢轨及未经处理的钢轨，在滚动磨损试验机上进行滚动磨损试验。测试时的模拟转速400r/min，试验滑差为3.83％，试验力为1003n，试验时间为24小时。

图2是试验测试得到的未经处理的钢轨、对比例、实施例1、实施例2、实施例3方法处理后的钢轨磨损率；

图2表明：对比例(未添加氧化镧的纯铁基)熔覆处理的钢轨的磨损率较未经处理的钢轨显著降低，磨损率降低41％。而实施例1、实施例2、实施例3方法处理后的钢轨磨损率进一步降低，实施例2(添加1.2％氧化镧)的磨损率最低，降低约75％，实施例1、实施例3、方法处理后的钢轨磨损率降低约60％。可见本发明的方法，可以明显提高钢轨的耐磨性，降低其磨损率。

图3a、图3b、图3c、图3d和图3e是试验得到的未经处理的钢轨、对比例、实施例1、实施例2、实施例3方法处理后的钢轨表层磨损图；

由图3a可知，未处理的钢轨表层存在较大裂纹。

由图3b可知，对比例处理后的钢轨表层剖面裂纹有所减小；

由图3c可知，实施例1处理后的钢轨，其裂纹明显减少；

由图3d可知，实施例2处理后的钢轨，几乎未发现裂纹。

由图3e可知，实施例3处理后的钢轨，其裂纹也明显减少。