一种铁路钢轨激光表面强化工艺.pdf

本发明公开了一种铁路钢轨激光表面强化工艺，先采用激光对钢轨表面进行淬火，然后用激光对钢轨进行回火处理工艺，其显微组织主要为回火马氏体组织，通过激光处理工艺优化，可以钢轨表面得到厚度为0.8-1mm的细化均匀的类似索氏体或屈氏体回火组织，具有较高的硬度（HRC35-50）和耐磨性,同时具有较高的抗弯强度和疲劳强度，从而提高了钢轨的抗粘着、蠕滑和压溃、侧磨、波磨的性能。本发明在保证钢轨整体抗弯强度、断裂韧性、疲劳强度等力学性能不变的前提下显著减少了钢轨的波磨、侧面磨耗及掉块的现象，显著提高了钢轨稳定性及耐蚀性能和使用寿命，节约了更换钢轨时间和维护成本并降低行车阻力，节约燃料，延长铁路钢轨的服役期。

1.  一种铁路钢轨激光表面强化工艺，其特征在于，包括以下工艺步骤：
（1）去除钢轨表面油污或锈迹并抛光；
（2）用超声波探伤法对钢轨进行探伤检验，要求钢轨表面无裂纹、剥落缺陷；
（3）将与粘接剂混合好的SiO₂吸光涂料均匀地预置在钢轨表面，自然风干或风扇吹干，以提高钢轨表面对CO₂激光的吸收率；涂料、稀释剂与粘接剂的配比为：100～150ｇSiO₂＋600～800ｍｌ酒精＋10g漆片，预置厚度为30～50μｍ；
（4）用宽带积分镜技术将圆形光斑转变成尺寸为长×宽＝10ｍｍ×1ｍｍ或30ｍｍ×1ｍｍ矩形光斑进行扫描；
（5）用5000W横流二氧化碳激光器快速扫描钢轨表面，使钢轨表面实现激光表面淬火；其工艺参数如下：
聚焦镜F=250-400mm
淬火功率P=1500-5000W
光斑尺寸D=10-30mm
扫描速度V=200-1500mm/min
搭接宽度为0.5～1mm；
利用高功率5000W横流二氧化碳激光器再次快速扫描钢轨淬火表面，使钢轨淬火表面实现回火处理；其工艺参数如下：
聚焦镜F=250-400mm
淬火功率P=1500-5000W
光斑尺寸D=10-30mm
扫描速度V=1000-5000mm/min
搭接宽度为0.5～1mm；
钢轨淬火后探伤：用超声波探伤设备对步骤（5）和（6）中淬火后的钢轨进行探伤，要求钢轨不得有裂纹产生。

2.  根据权利要求1所述的铁路钢轨激光表面强化工艺，其特征在于，步骤（3）中涂料、稀释剂与粘接剂的配比为：125ｇSiO₂＋700ｍｌ酒精＋10g漆片，预置厚度为40μｍ。

3.  根据权利要求1所述的铁路钢轨激光表面强化工艺，其特征在于，步骤（5）的工艺参数如下：
聚焦镜F=325mm
淬火功率P=3250W
光斑尺寸D=20mm
扫描速度V=850mm/min
搭接宽度为0.8mm。

4.  根据权利要求1所述的铁路钢轨激光表面强化工艺，其特征在于，步骤（6）的工艺参数如下：
聚焦镜F=325mm
淬火功率P=3250W
光斑尺寸D=20mm
扫描速度V=3000mm/min
搭接宽度为0.8mm。

一种铁路钢轨激光表面强化工艺
技术领域
本发明涉及一种激光表面强化工艺，具体是一种铁路钢轨激光表面强化工艺。
背景技术
钢轨是铁路及城市轨道交通的主要组成部件，它的功能在于引导牵引机车车辆的车轮前进,钢轨承受着车轮的巨大压力，特别是在轨道转弯的弯道上，承受的轮轨压力比在直道上承受的压力、磨擦力以及冲击力更大，车轮与钢轨相互间产生的粘着、蠕滑和压溃、侧磨、波磨、等致使轮轨的磨耗和损伤十分严重。根据调查资料,我国弯道上的钢轨有98%是由于压溃、波磨、侧面磨耗超限而报废的。随着铁路机车车辆的重载与高速化,轮轨间的摩擦磨损也日趋严重,因摩擦磨损所致的事故风险也在增加，且发生较为普遍，为确保行车安全，必须进行定期的钢轨探伤打磨或更换整根钢轨，以便及时消除隐患，避免发生重大行车事故。
钢轨通过轧制成形的在现热处理或轧制后的热处理如中频淬火、在现喷雾淬火及回火后表面硬度通常为HRC30左右，带来耐磨性严重不足，在轨道弯道处产生严重的磨损，在过车频率很高的高铁及城际铁路及地铁磨损尤为严重，严重影响运行效率和运输安全。采用传统的热处理方法难以解决强度、硬度、冲击韧性及抗接触疲劳强度等性能要求的矛盾，如果显著提高钢轨的表面硬度，就会显著降低钢轨的抗弯强度和抗冲击韧性、疲劳强度。因此在保持钢轨整体抗弯强度、冲击韧性、疲劳强度等良好力学性能的同时，通过钢轨表面的强化处理显著提高钢轨的耐磨性能是有效提高钢轨使用寿命的迫切要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铁路钢轨激光表面强化工艺，通过对钢轨表面进行激光表面强化处理，在保持钢轨整体强度、韧性、疲劳强度等力学性能不变的条件下显著提高钢轨表面的硬度和耐磨性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种铁路钢轨激光表面强化工艺，包括以下工艺步骤：
（1）去除钢轨表面油污或锈迹并抛光；
（2）用超声波探伤法对钢轨进行探伤检验，要求钢轨表面无裂纹、剥落缺陷；
（3）将与粘接剂混合好的SiO₂吸光涂料均匀地预置在钢轨表面，自然风干或风扇吹干，以提高钢轨表面对CO₂激光的吸收率；涂料、稀释剂与粘接剂的配比为：100～150ｇSiO₂＋600～800ｍｌ酒精＋10g漆片，预置厚度为30～50μｍ；
（4）用宽带积分镜技术将圆形光斑转变成尺寸为长×宽＝10ｍｍ×1ｍｍ或30ｍｍ×1ｍｍ矩形光斑进行扫描；
（5）用5000W横流二氧化碳激光器快速扫描钢轨表面，使钢轨表面实现激光表面淬火；其工艺参数如下：
聚焦镜F=250-400mm
淬火功率P=1500-5000W
光斑尺寸D=10-30mm
扫描速度V=200-1500mm/min
搭接宽度为0.5～1mm；
（6）利用高功率5000W横流二氧化碳激光器再次快速扫描钢轨淬火表面，使钢轨淬火表面实现回火处理；其工艺参数如下：
聚焦镜F=250-400mm
淬火功率P=1500-5000W
光斑尺寸D=10-30mm
扫描速度V=1000-5000mm/min
搭接宽度为0.5～1mm；
（7）钢轨淬火后探伤：用超声波探伤设备对步骤（5）和（6）中淬火后的钢轨进行探伤，要求钢轨不得有裂纹产生。
作为本发明进一步的方案：步骤（3）中涂料、稀释剂与粘接剂的配比为：125ｇSiO₂＋700ｍｌ酒精＋10g漆片，预置厚度为40μｍ。
作为本发明进一步的方案：步骤（5）的工艺参数如下：
聚焦镜F=325mm
淬火功率P=3250W
光斑尺寸D=20mm
扫描速度V=850mm/min
搭接宽度为0.8mm。
作为本发明进一步的方案：步骤（6）的工艺参数如下：
聚焦镜F=325mm
淬火功率P=3250W
光斑尺寸D=20mm
扫描速度V=3000mm/min
搭接宽度为0.8mm。
本发明的原理是先采用激光对钢轨表面进行淬火，然后用激光对钢轨进行回火处理工艺，其显微组织主要为回火马氏体组织，通过激光处理工艺优化，可以钢轨表面得到厚度为0.8-1mm的细化均匀的类似索氏体或屈氏体回火组织，具有较高的硬度（HRC35-50）和耐磨性,同时具有较高的抗弯强度和疲劳强度，从而提高了钢轨的抗粘着、蠕滑和压溃、侧磨、波磨的性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在保证钢轨整体抗弯强度、断裂韧性、疲劳强度等力学性能不变的前提下显著减少了钢轨的波磨、侧面磨耗及掉块的现象，显著提高了钢轨稳定性及耐蚀性能和使用寿命，节约了更换钢轨时间和维护成本并降低行车阻力，节约燃料，延长铁路钢轨的服役期。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种铁路钢轨激光表面强化工艺，包括以下工艺步骤：
（1）用汽油、酒精或去污溶剂去除钢轨表面油污或锈迹，然后用砂纸或角磨机打磨钢轨表面进一步去除污物和抛光；
（2）用超声波探伤法对钢轨进行探伤检验，要求钢轨表面无裂纹、剥落缺陷；
（3）用W-77型喷枪将与粘接剂混合好的SiO₂吸光涂料均匀地预置在钢轨表面，自然风干或风扇吹干，以提高钢轨表面对CO₂激光的吸收率；涂料、稀释剂与粘接剂的配比为：100ｇSiO₂＋600ｍｌ酒精＋10g漆片，预置厚度为30μｍ；
（4）用宽带积分镜技术将圆形光斑转变成尺寸为长×宽＝10ｍｍ×1ｍｍ矩形光斑进行扫描；
（5）用5000W横流二氧化碳激光器快速扫描钢轨表面，使钢轨表面实现激光表面淬火；其工艺参数如下：
聚焦镜F=250mm
淬火功率P=1500W
光斑尺寸D=10mm
扫描速度V=200mm/min
搭接宽度为0.5mm；
（6）利用高功率5000W横流二氧化碳激光器再次快速扫描钢轨淬火表面，使钢轨淬火表面实现回火处理；其工艺参数如下：
聚焦镜F=250mm
淬火功率P=1500W
光斑尺寸D=10mm
扫描速度V=1000mm/min
搭接宽度为0.5mm；
（7）钢轨淬火后探伤：用超声波探伤设备对步骤（5）和（6）中淬火后的钢轨进行探伤，要求钢轨不得有裂纹产生。
实施例2
一种铁路钢轨激光表面强化工艺，包括以下工艺步骤：
（1）用汽油、酒精或去污溶剂去除钢轨表面油污或锈迹，然后用砂纸或角磨机打磨钢轨表面进一步去除污物和抛光；
（2）用超声波探伤法对钢轨进行探伤检验，要求钢轨表面无裂纹、剥落缺陷；
（3）用W-77型喷枪将与粘接剂混合好的SiO₂吸光涂料均匀地预置在钢轨表面，自然风干或风扇吹干，以提高钢轨表面对CO₂激光的吸收率；涂料、稀释剂与粘接剂的配比为：125ｇSiO₂＋700ｍｌ酒精＋10g漆片，预置厚度为40μｍ；
（4）用宽带积分镜技术将圆形光斑转变成尺寸为长×宽＝30ｍｍ×1ｍｍ矩形光斑进行扫描；
（5）用5000W横流二氧化碳激光器快速扫描钢轨表面，使钢轨表面实现激光表面淬火；其工艺参数如下：
聚焦镜F=250mm
淬火功率P=1500W
光斑尺寸D=10mm
扫描速度V=200mm/min
搭接宽度为0.5mm；
（6）利用高功率5000W横流二氧化碳激光器再次快速扫描钢轨淬火表面，使钢轨淬火表面实现回火处理；其工艺参数如下：
聚焦镜F=325mm
淬火功率P=3250W
光斑尺寸D=20mm
扫描速度V=3000mm/min
搭接宽度为0.8mm。
（7）钢轨淬火后探伤：用超声波探伤设备对步骤（5）和（6）中淬火后的钢轨进行探伤，要求钢轨不得有裂纹产生。
实施例3
一种铁路钢轨激光表面强化工艺，包括以下工艺步骤：
（1）用汽油、酒精或去污溶剂去除钢轨表面油污或锈迹，然后用砂纸或角磨机打磨钢轨表面进一步去除污物和抛光；
（2）用超声波探伤法对钢轨进行探伤检验，要求钢轨表面无裂纹、剥落缺陷；
（3）用W-77型喷枪将与粘接剂混合好的SiO₂吸光涂料均匀地预置在钢轨表面，自然风干或风扇吹干，以提高钢轨表面对CO₂激光的吸收率；涂料、稀释剂与粘接剂的配比为：150ｇSiO₂＋800ｍｌ酒精＋10g漆片，预置厚度为50μｍ；
（4）用宽带积分镜技术将圆形光斑转变成尺寸为长×宽＝30ｍｍ×1ｍｍ矩形光斑进行扫描；
（5）用5000W横流二氧化碳激光器快速扫描钢轨表面，使钢轨表面实现激光表面淬火；其工艺参数如下：
聚焦镜F=400mm
淬火功率P=5000W
光斑尺寸D=30mm
扫描速度V=1500mm/min
搭接宽度为1mm；
（6）利用高功率5000W横流二氧化碳激光器再次快速扫描钢轨淬火表面，使钢轨淬火表面实现回火处理；其工艺参数如下：
聚焦镜F=400mm
淬火功率P=5000W
光斑尺寸D=30mm
扫描速度V=5000mm/min
搭接宽度为1mm；
（7）钢轨淬火后探伤：用超声波探伤设备对步骤（5）和（6）中淬火后的钢轨进行探伤，要求钢轨不得有裂纹产生。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。