一种用于U71Mn钢轨道的激光合金化表面强化方法与流程

本发明涉及激光表面强化方法，尤其涉及一种u71mn钢轨道的激光合金化表面强化方法。

背景技术：

轨道的工作面需要承受所承载车轮的往复摩擦，发生过度磨损后即会造成轨道报废。因此，提高工作面抵抗摩擦磨损的能力对于提升轨道整体寿命具有重要意义。

u71mn钢是一种常见的铁路用热轧钢轨钢，同时在起重机轨道、机库大门导轨等工作场合也有大量的应用。以铁路钢轨的制造为例，其典型的制造工艺为连铸连轧，通常以热轧状态交货，硬度大于hrc28.0；必要时可以对轨端进行热处理，常见热处理工艺为欠速淬火工艺，但处理后轨端的表面硬度仅能达到hrc32.5～42.0。

除了常规的热处理工艺外，激光表面强化技术已逐步应用于u71mn轨道的强化。但激光淬火、熔凝等工艺是利用激光束将轨道工作面加热到相变点之上或熔点之上，依靠u71mn钢的自淬火实现强化，其核心机理为马氏体相变，强化效果有限；激光熔覆是利用激光束将外加合金粉末或丝材熔化的同时使轨道工作面微熔，凝固后形成与工作面冶金结合的熔覆层，通过调整外加合金成分可以使熔覆层获得优异的耐摩擦磨损性能，但熔覆层本身产生的应力大，且外形类似堆焊，必须进行全面积的激光熔覆才能后续加工出完整平面，因此熔覆后轨道会发生较大的变形。

激光合金化技术是在使用激光束熔化金属表层形成熔池的同时，加入合金元素作为溶质，使合金元素与基材成分在熔池中发生物理化学冶金反应，熔池凝固后即在金属表面制备出一层成分、组织、性能均不同于基材的强化层。与激光淬火、熔凝等工艺相比，激光合金化工艺可以使轨道获得更好的抵抗摩擦磨损的能力；与激光熔覆工艺相比，激光合金化工艺产生的应力小，且制备的强化层表面平整，可以进行局部精确强化。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种在降低轨道工作面磨损的同时能够保持其整体韧性的用于u71mn钢轨道的激光合金化表面强化方法。

为实现本发明的目的采用的技术方案是：

一种用于u71mn钢轨道的激光合金化表面强化方法，包括以下步骤：

(1)使用清洗剂去除轨道待强化工作面的油污；

(2)将合金粉末预置在待强化的轨道工作面上且覆盖整个待强化工作面，预置粉层的厚度为0.1～0.6mm；所述的合金粉末包含c、si、b粉末以及ti、zr、nb或者v中的至少一种单质的粉末；

(3)自然风干预置粉层；

(4)选用高功率工业激光器对预置粉层进行扫描，在轨道工作面形成表面强化层；扫描参数为：激光功率p＝2000～8000w，扫描速度v＝100～500mm/min；扫描方式为单道直线扫描，两个相邻单道之间平行间隔设置；强化面积占比γ在40～80％之间，所述的γ＝d/(d+a)，其中d为激光单道扫描的宽度，a为两个相邻单道之间的间距；

(5)激光合金化强化完成后，根据工作面的光洁度要求，进行相应的机械加工。

本发明的有益效果是：本发明采用的激光合金化强化工艺，所述的合金粉末中可以包括c、si、b元素，其作用是在合金化层中生成以韧性的fecsib四元共晶化合物为基底，莱氏体为骨架的金相组织；ti及zr、nb、v等碳化物或硼化物陶瓷形成元素，其作用是与c元素形成tic、zrc、nbc、vc或与b元素形成tib、zrb、nbb、vb等尺寸为微米级的高硬度(≥hv2200)陶瓷颗粒。上述陶瓷颗粒弥散分布在合金化层中，在磨损、冲击过程中起到支撑作用，进一步提高合金化层的耐磨抗冲击性能。合金化层下方基材在激光合金化快速加热冷却条件下，会同时发生马氏体转变，形成高硬度的淬硬层。

由于激光束扫描时不存在搭接，因此淬硬层不会受搭接回火效应影响，能够完整保留下来。最终，经过激光合金化处理后，u71mn钢轨道工作面将形成激光合金化层+激光淬硬层复合结构的表面强化层。

本发明所采用的激光合金化强化方法，采用单道间隔扫描方式，在u71mn钢轨道工作面形成激光强化层与基材间隔分布的形态，有助于提高工作面整体的韧性，同时也减少了强化面积占比，降低激光强化处理带来的变形。尤其当工作面存在油润滑时，上述结构还可以改善储油条件，降低摩擦系数，进一步降低工作面的磨损。

附图说明

图1是强化面积占比计算方法的示意图，实线箭头为轨道所承载车轮的前进方向，虚线箭头为激光束扫描方向；

图2是采用本发明用于u71mn钢轨道的激光合金化表面强化方法制备的起重机u71mn钢导轨合金化层，放大500倍的光学显微镜金相组织照片；

图3是采用本发明用于u71mn钢轨道的激光合金化表面强化方法制备的起重机u71mn钢导轨合金化层，放大2000倍的扫描电子显微镜金相组织照片；

图4是采用本发明用于u71mn钢轨道的激光合金化表面强化方法制备的铁路u71mn钢铁轨合金化层，放大500倍的光学显微镜金相组织照片；

图5是采用本发明用于u71mn钢轨道的激光合金化表面强化方法制备的铁路u71mn钢铁轨合金化层，放大2000倍的扫描电子显微镜金相组织照片。

图6是采用本发明用于u71mn钢轨道的激光合金化表面强化方法制备的舰船机库大门u71mn导轨合金化层，放大500倍的光学显微镜金相组织照片；

图7是采用本发明用于u71mn钢轨道的激光合金化表面强化方法制备的舰船机库大门u71mn导轨合金化层，放大2000倍的扫描电子显微镜金相组织照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明加以详细说明：

一种用于u71mn钢轨道的激光合金化表面强化方法，包括以下步骤：

(1)使用清洗剂去除轨道待强化工作面的油污；清洗剂可以采用丙酮、酒精、碱性清洗剂等。

(2)将合金粉末预置在待强化的轨道工作面上且覆盖整个待强化工作面，预置粉层的厚度为0.1～0.6mm。预置的方式可以采用涂敷、喷涂、刷涂等方法。

所述的合金粉末包含c、si、b粉末以及ti、zr、nb、v等碳化物或硼化物形成元素中至少一种单质的粉末。优选的合金粉末中各组分的加入形式为质量百分含量＞99.9wt％的单质高纯粉末，如高纯碳粉、硼粉、硅粉等。合金粉末的具体配比可以根据实际采用的激光工艺参数、预置粉层厚度等进行微调，推荐以重量百分比计，所述的合金粉末中各组分的质量百分含量为c：10-14％，si：2-5％，b：1-3％，余量为ti、zr、nb、v等碳化物或硼化物形成元素中至少一种单质的粉末。这样合金粉末可以在激光熔池中反应生成碳化物及硼化物陶瓷颗粒；与直接外加陶瓷颗粒相比，反应生成的陶瓷颗粒与母相具有更好的相容性，不易剥落。

(3)自然风干预置粉层。

(4)选用高功率工业激光器对预置粉层进行扫描，在轨道工作面形成表面强化层。激光合金化层下方轨道基材在激光合金化快速加热冷却条件下，会同时发生马氏体转变，形成高硬度的淬硬层。最终获得预置粉层形成的激光合金化层+轨道基材形成的激光淬硬层复合结构的表面强化层。所述的激光合金化层的金相组织为：以fecsib四元共晶化合物为基底，莱氏体为骨架，所述的碳化物或硼化物陶瓷形成元素与c元素或b元素形成尺寸为微米级的高硬度陶瓷颗粒。

在扫描过程中为控制激光合金化处理后轨道整体的变形量，采取分段强化、强制冷却、预变形等至少一种变形控制方法。所述的分段强化、强制冷却、预变形等变形控制方法均为常见通用措施，采用现有方法即可。

扫描参数为：激光功率p＝2000～8000w，扫描速度v＝100～500mm/min；激光束扫描方向(如图中虚线箭头所示)与轨道所承载车轮前进方向(如图中实线箭头所示)的夹角为0-45°，角度在该范围内可以使轨道与车轮获得较好的配副性能，即在降低轨道磨损的同时不增加车轮的磨损；扫描方式为单道直线扫描，两个相邻单道之间的间距可根据强化面积占比的要求确定，两个相邻单道之间平行间隔设置，不能搭接。

强化面积占比γ要求在40～80％之间，计算公式为γ＝d/(d+a)，其中d为激光单道扫描的宽度，a为两个相邻单道之间的间距，参见图1。图中剖面线部分为激光单道扫描区域。

(5)激光合金化强化完成后，根据工作面的光洁度要求，进行相应的机械加工。

实施例1

制备起重机u71mn钢导轨

(1)使用丙酮去除轨道待强化工作面的油污；

(2)将合金粉末涂敷在待强化的轨道工作面上且覆盖整个待强化工作面，涂敷粉层的厚度为0.1mm，使用刮板找平。

合金粉末成分以重量百分比计，各组分含量为c：12％，si：3％，b：2％，ti：30％、zr：23％、nb：30％。合金粉末中各组分的加入形式为质量百分含量＞99.9wt％的单质高纯粉末。

(3)自然风干预置粉层。

(4)选用高功率工业激光器对预置粉层进行扫描，使得在轨道工作面形成表面强化层，所述的表面强化层为由预置粉层形成的激光合金化层和在轨道基材上形成的激光淬硬层组成的复合结构。

所述的合金化层的金相组织为：以fecsib四元共晶化合物为基底，莱氏体为骨架，所述的碳化物或硼化物陶瓷形成元素与c元素或b元素形成尺寸为微米级的高硬度陶瓷颗粒；在扫描过程中为控制激光合金化处理后轨道整体的变形量，采取分段强化变形控制方法。

扫描参数为：激光功率p＝2000w，扫描速度v＝100mm/min；激光束扫描方向与车轮前进方向的夹角为35°。采用单道间隔扫描方式，两个相邻单道之间的间距为2mm。强化面积占比γ为80％。

(5)激光合金化强化完成后，不再进行后续加工，直接交付使用。

图2是采用本发明用于u71mn钢轨道的激光合金化表面强化方法制备的起重机u71mn钢导轨合金化层，放大500倍的光学显微镜金相组织照片，可以看到白色的莱氏体分布在黑色的fecsib四元共晶化合物基底上。

图3是采用本发明用于u71mn钢轨道的激光合金化表面强化方法制备的起重机u71mn钢导轨合金化层，放大2000倍的扫描电子显微镜金相组织照片，可以清晰地看到弥散分布在合金化层中的陶瓷颗粒，参照标尺，颗粒直径约2～4微米。标注中a为莱氏体，b为陶瓷颗粒。

经装机试验测试证明，激光合金化处理的导轨较未处理的导轨磨损量减少70％以上。

实施例2

制备铁路u71mn钢铁轨

(1)使用机械手段去除铁轨踏面的表面浮锈，再使用酒精去油。

(2)采用喷涂方式将合金粉末预置在铁轨踏面上，预置粉层厚度0.30mm。合金粉末成分以重量百分比计，各组分含量为c：14％，si：5％，b：3％，ti：30％，nb：20％，v：28％。合金粉末中各组分的加入形式为质量百分含量＞99.9wt％的单质高纯粉末。

(3)自然风干预置粉层。

(4)使用fl040型光纤激光器和机械手组成的加工系统扫描预置粉层，在轨道工作面形成表面强化层，所述的表面强化层为由预置粉层形成的激光合金化层和在轨道基材上形成的激光淬硬层组成的复合结构。

所述的合金化层的金相组织为：以fecsib四元共晶化合物为基底，莱氏体为骨架，所述的碳化物或硼化物陶瓷形成元素与c元素或b元素形成尺寸为微米级的高硬度陶瓷颗粒；在扫描过程中为控制激光合金化处理后轨道整体的变形量，采取强制冷却变形控制方法。

扫描参数为：激光输出功率8000w，扫描速度500mm/min，光束扫描方向与车轮前进方向平行，采用单道间隔扫描方式，两个相邻单道之间的间距为5mm。强化面积占比γ为60％。

(5)激光合金化处理完成后不再进行后续加工，直接交付使用。

所获得的激光合金化层典型金相组织见图4、图5。图4是采用本发明用于u71mn钢轨道的激光合金化表面强化方法制备的铁路u71mn钢铁轨合金化层，放大500倍的光学显微镜金相组织照片，可以看到白色的莱氏体分布在黑色的fecsib四元共晶化合物基底上，并能观察到陶瓷颗粒。

图5是采用本发明用于u71mn钢轨道的激光合金化表面强化方法制备的铁路u71mn钢铁轨合金化层，放大2000倍的扫描电子显微镜金相组织照片，可以清晰地看到弥散分布在合金化层中的陶瓷颗粒，参照标尺，颗粒直径约3～6微米；莱氏体也较为粗大。标注中a为莱氏体，b为陶瓷颗粒。

激光合金化处理后的铁轨在某铁路编组站实际装机测试半年，经与未经处理的普通u71mn铁轨对比，证明其磨损量减少50％以上。

实施例3

制备舰船机库大门u71mn钢导轨

(1)使用丙酮去除轨道待强化工作面的油污；

(2)将合金粉末涂敷在待强化的轨道工作面上且覆盖整个待强化工作面，涂敷粉层的厚度为0.6mm，使用刮板找平。

合金粉末成分以重量百分比计，各组分含量为c：10％，si：2％，b：1％，ti：30％、zr：25％、v：32％。合金粉末中各组分的加入形式为质量百分含量＞99.9wt％的单质高纯粉末。

(3)自然风干预置粉层。

(4)选用高功率工业激光器对预置粉层进行扫描，在轨道工作面形成表面强化层，所述的表面强化层为由预置粉层形成的激光合金化层和在轨道基材上形成的激光淬硬层组成的复合结构。

所述的合金化层的金相组织为：以fecsib四元共晶化合物为基底，莱氏体为骨架，所述的碳化物或硼化物陶瓷形成元素与c元素或b元素形成尺寸为微米级的高硬度陶瓷颗粒；在扫描过程中为控制激光合金化处理后轨道整体的变形量，采取分段强化变形控制方法。

扫描参数为：激光功率p＝6000w，扫描速度v＝300mm/min；激光束扫描方向与车轮前进方向的夹角为45°。采用单道间隔扫描方式，两个相邻单道之间的间距为12mm。强化面积占比γ为40％。

(5)激光合金化强化完成后，对工作面进行磨削加工，磨削量0.3mm，满足表面光洁度要求，再以该工作面为基准完成其它部分的加工。

图6是采用本发明用于u71mn钢轨道的激光合金化表面强化方法制备的舰船机库大门u71mn钢导轨合金化层，放大500倍的光学显微镜金相组织照片，可以看到白色的莱氏体分布在黑色的fecsib四元共晶化合物基底上。

图7是采用本发明用于u71mn钢轨道的激光合金化表面强化方法制备的舰船机库大门u71mn钢导轨合金化层，放大2000倍的扫描电子显微镜金相组织照片，可以清晰地看到弥散分布在合金化层中的陶瓷颗粒，参照标尺，颗粒直径约1～2微米。标注中a为莱氏体，b为陶瓷颗粒。

经装机试验测试证明，激光合金化处理的导轨较未处理的导轨磨损量减少70％以上。