一种钢轨表面在线激光宽带淬火的方法
【专利摘要】本发明公开了一种钢轨表面在线激光宽带淬火的方法，能够同时提高钢轨的硬度和韧性，而且还可以实现在线的激光淬火硬化。该方法的内容包括：将感应喷枪和光纤激光器的激光发射头固定于机械臂上，首先利用感应喷枪在钢轨表面喷涂一层吸光涂料（石墨颗粒+质量分数为5%-20%的Si02颗粒，颗粒粒径在50nm-lrnn之间），然后利用光纤激光器快速扫描钢轨的轮轨接触表面，得到组织为马氏体、贝氏体和残余奥氏体混合组织的激光淬硬层。本发明利用在线钢轨自身的余热，节省空间、能量，节约资源；光纤激光器体积小于0)2激光器，便于移动；采用淬火带激光淬火，淬火带之间有一定距离，减少了裂纹现象。
【专利说明】一种钢轨表面在线激光宽带淬火的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光表面强化的方法，特别是一种钢轨表面在线激光宽带淬火的方 法。
【背景技术】
[0002] 钢轨是高速列车和货运列车能够运行的主要部件之一。列车的车轮是与钢轨直接 接触，列车是通过轮轨之间的摩擦作用而运行前进的，钢轨质量优劣直接影响列车运行时 的安全和稳定。目前，钢轨主要是U75V和U71Mn两种钢种钢轨。但随着列车的轴重、速度 以及运载量的增加，主要的两种钢轨的损伤情况越来越严重，已暴露出不足，例如：耐磨性 能和抗疲劳性能的不足等等。钢轨损伤问题一直是亟待解决的关键问题，其损伤类型主要 有：波磨、侧磨、压溃、剥离以及疲劳损伤，它们占据了钢轨损伤的80%以上。截至目前，对 此也没有行之有效的解决方法，只是采取喷丸、打磨处理来维持，或直接更换钢轨，使得投 入成本一直居高不下。
[0003] 目前，研究者们研究并讨论了这几类钢轨损伤形式，认为钢轨损伤的加剧主要是 因为轮轨系统之间的摩擦作用力的增加所致，而提高钢轨表面强韧性是预防钢轨的损伤以 及延长钢轨使用寿命的最主要也是最必要的方法。为了延长钢轨的使用寿命，采取以下三 种方法：（1)采用感应全长淬火工艺，通过控制冷却速度，获得细小的片状珠光体组织，增 强钢轨韧性；（2)采用低合金高碳钢取代目前主要钢轨钢种，即普通碳钢；（3)采用贝氏体 钢或低碳马氏体钢取代高碳钢，来进一步提高钢轨的表面硬度及断裂韧性。但是上述方法 也有不足之处。在过去的实验和生产中，全长感应淬火技术取得了显著效果，使钢轨的耐磨 性提高了 50% -100%。但通过大量实践表明，全长感应淬火的钢轨表面时，淬硬层中不能 出现马氏体组织甚至贝氏体组织，若出现上述两种组织的话，钢轨的断裂韧性将大打折扣， 导致钢轨在服役过程中会出现断裂等后果，严重影响列车的运行安全。因此，全长感应淬火 钢轨的显微硬度一般都控制在HV320-390之间，因此其耐磨性已接近极限。采用低合金高 碳钢钢轨取代普通碳钢，并且与全长感应淬火技术相结合，可进一步提高钢轨的耐磨性，但 效果不是太明显。低碳马氏体钢轨和贝氏体钢轨均未定型批量生产，尚处于研发阶段。
[0004] 激光表面强化技术是近二十多年来发展十分迅速的金属材料表面强化技术之一， 主要包括激光淬火、激光熔覆和激光表面合金化等技术工艺，它们的共同特点是加热速度 快、同时冷却速度也比较快、热影响区小、工件变形小，这些特点同时也是激光表面强化技 术的优点，因此可以取代全长感应淬火工艺，成为一种新颖且有发展前途的钢轨表面强化 工艺。
[0005] 查阅公开专利文献，得到以下相关内容：
[0006] 中国专利公开（公告）号：CN101109034,公开了一种铁路高速重轨激光淬火硬化 工艺。首先，在钢轨表面喷涂一层配好的SiO 2吸光涂料，增强钢轨表面对激光的吸收率。 其次，采用CO2激光器进行钢轨表面宽带扫描。通过快速加热和快速冷却，得到了厚度为 0. 5-1. 0mm，显微硬度为HV800-1100,组织为马氏体和残余奥氏体的激光淬硬层；中国专利 公开（公告）号：CN102121217A，公开了一种用于钢轨表面强化处理的在线激光淬火工艺。 在钢轨表面涂敷一层吸光涂料，然后利用脉冲半导体激光器进行扫描。得到厚度为0. 8mm， 硬度为HV700的网格状淬火点。淬火点的面积为钢轨表面面积的50% -80% ;中国专利公 开（公告）号：CN1140473,公开了一种耐磨性、耐损伤性优良的珠光体类钢轨及其制造方 法。将保持有热轧高温余热的钢轨或为了热处理而加温至高温的钢轨的轨头部分从奥氏体 的温区至冷却停止温度500-700°C之间以I-KTC /秒的速度进行加速冷却，以便使得轨头 的硬度在20mm深的范围内在HV320以上；中国专利公开（公告）号：CN102121064A，公开 了一种用于钢轨表面强化处理的离线激光淬火工艺。离线激光淬火工艺中，钢轨表面形成 网格状布置的淬火点，淬火点组织为马氏体组织，淬火层深为〇. 4-1. 0mm，硬度HV700以上， 激光淬火点的细小马氏体具有高的硬度和耐磨性。未处理区为珠光体保留了钢轨本身的韧 性，这种由马氏体加珠光体的复相组织，具有良好的强韧性，能显著提高钢轨的使用寿命； 中国专利公开（公告）号：CN1178250,公开了利用轧制余热生产高强度钢轨的热处理方法 及其装置。该方法将热轧后保持在奥氏体区域的高温状态的钢轨连续送入设置有冷却装置 的热处理机组中，通过设置在钢轨周围的喷嘴以一定的压力和流量向钢轨喷吹冷却介质， 使钢轨得到均匀的加速冷却，在钢轨头部由表及里的较深范围内获得硬度均匀降低的微细 珠光体组织；中国专利公开（公告）号：CN101144160,公开了钢轨表面熔覆防锈耐磨合金 的方法。采用超音频或中频感应加热设备加热钢轨轨头表面要熔覆合金的部位，感应加热 器布置在钢轨轨头表面要熔覆合金部位的上方，预热温度为290°C -450°C;采用等离子熔覆 或电弧焊熔覆在钢轨轨头表面熔覆合金，当预热温度为290°C -450°C，等离子堆焊或电弧 焊设备的焊枪移动到要熔覆合金部位时，自动熔覆合金粉、合金焊条或合金焊丝。
[0007] 综合以上公开的激光淬火及热处理技术，还存在有关键问题亟待解决：（1)在钢 轨表面进行整面的激光淬火，淬硬层中存在"热胀冷缩"现象，残余应力的集中易使淬硬层 开裂；（2)采用脉冲半导体激光器，虽然解决了激光吸收的问题，但设备工效低，不适宜进 行长时间连续加工；（3)采用庞大的CO 2激光器，不易移动，而且结构复杂，所以，不适宜作 为在线激光淬火设备。（5)部分专利的工艺步骤繁杂、多样，不易控制、操作。
【发明内容】
[0008] 本发明提供了一种钢轨表面在线激光宽带淬火的方法，能够同时提高钢轨的硬度 和韧性，而且还可以实现在线的激光淬火硬化。
[0009] 本发明提供了一种钢轨表面在线激光宽带淬火的方法包括以下内容：
[0010] 将感应喷枪和光纤激光器的激光发射头固定于机械臂上，首先利用感应喷枪在钢 轨表面喷涂一层吸光涂料，吸光涂料为石墨颗粒+质量分数为5% -20%的SiO2颗粒，颗 粒粒径在50nm-lum之间，然后利用光纤激光器快速扫描钢轨的轮轨接触表面，扫描速度在 lmm/s-20mm/s，激光光束扫描的方向与钢轨长度方向成45°，最后一道扫描工序后，钢轨温 度为200°C -300°C，得到组织为马氏体、贝氏体和残余奥氏体混合组织的激光淬硬层，淬火 带与淬火带之间间隔1-2_。
[0011] 所述光纤激光器的激光功率为2. 5-4. OKW ;激光淬火光斑采用矩形光斑，尺寸为 10_X 2mm或20_X 2mm ;激光淬硬层厚度为0· 3-1. Omm,显微硬度HV0.5900。
[0012] 本发明与现有同类技术相比，其显著的有益效果体现在：
[0013] 光纤激光器发出的两束激光在钢轨表面以一定速度扫描，通过快速加热和快速冷 却可以在钢轨表面形成淬火组织为贝氏体、马氏体及残余奥氏体组织，激光淬硬层中的马 氏体具有高的硬度及耐磨性，而贝氏体具有较高的韧性，而马氏体加贝氏体的混合复相组 织的存在，使得淬硬层具有良好的强韧性，能明显延长钢轨的服役寿命。本发明利用在线钢 轨自身的余热，节省空间、能量，节约资源；光纤激光器的长时间、连续淬火效率要大于脉冲 激光器；且其体积小于CO 2激光器，便于移动；采用淬火带方式激光淬火，淬火带之间有一 定距离，减少了裂纹现象。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是一种钢轨表面在线激光宽带淬火的方法的激光宽带淬火示意图。
[0015] 图2是激光淬硬层的截面示意图。
[0016] 图3是激光淬硬层的显微组织示意图。
[0017] 图4是实例中激光淬硬层不同深度与硬度的关系曲线图。
[0018] 图中：1_淬火带；2-基体材料；3-激光光束的运行轨迹；4-激光淬硬层；5-热影 响区。
【具体实施方式】
[0019] 如图1、图2、图3和图4所示，一种钢轨表面在线激光宽带淬火的方法，具体解决 方案如下：
[0020] 将感应喷枪和光纤激光器的激光发射头固定于机械臂上，首先利用感应喷枪在钢 轨表面喷涂一层吸光涂料，吸光涂料为石墨颗粒+质量分数为5% -20%的SiO2颗粒，颗 粒粒径在50nm-lum之间，然后利用光纤激光器快速扫描钢轨的轮轨接触表面，光纤激光器 的激光功率为2. 5-4. 0KW，激光淬火光斑采用矩形光斑，尺寸为IOmmX 2mm或20mmX 2mm， 扫描速度在lmm/s-20mm/s，激光光束扫描的方向与钢轨长度方向成45°，最后一道扫描工 序后，钢轨温度为200°C -300°C，得到组织为马氏体、贝氏体和残余奥氏体混合组织的激光 淬硬层4,激光淬硬层4厚度为0. 3-1. Omm,淬火带1与淬火带1之间间隔1-2_，显微硬度 HV〇.5900。
【权利要求】
1. 一种钢轨表面在线激光宽带淬火的方法，其特征是该方法包括以下内容： 将感应喷枪和光纤激光器的激光发射头固定于机械臂上，首先利用感应喷枪在钢轨表 面喷涂一层吸光涂料，吸光涂料为石墨颗粒+质量分数为5% -20 %的SiO2颗粒，颗粒粒 径在50nm-lum之间，然后利用光纤激光器快速扫描钢轨的轮轨接触表面，扫描速度在Imm/ s-20mm/s，激光光束扫描的方向与钢轨长度方向成45°，最后一道扫描工序后，钢轨温度为 200°C -300°C，得到组织为马氏体、贝氏体和残余奥氏体混合组织的激光淬硬层，淬火带与 淬火带之间间隔l_2mm。
2. 根据权利要求1所述的一种钢轨表面在线激光宽带淬火的方法，其特征是所说的 光纤激光器的激光功率为2. 5-4. OKW ;激光淬火光斑采用矩形光斑，尺寸为IOmmX 2mm或 20mmX2mm ;激光淬硬层厚度为0· 3-1. Omm ;显微硬度HVa5900。
【文档编号】C21D9/04GK104212965SQ201410447376
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2014年9月2日
【发明者】张峻巍, 包伟, 张宏亮 申请人:辽宁科技大学