本发明涉及钢轨再造处理技术领域，更具体地说涉及一种利用层流等离子进行钢轨表面处理的方法。
背景技术：
随着我国轨道交通的高速化、重载化，铁路运行条件日益苛刻，使得铁路及其配件、轨道机车零部件受力状态更加恶劣，加快了失效速度，缩短了使用寿命。轨道车辆的主要零部件及配件的生产呈现供不应求的局面，国内企业的生产能力已经满足不了市场的需求，有的轨道车辆零部件及铁路配件还需通过进口解决；另外，轨道车辆零部件及配件大多数为铸钢件，表面处理过程十分复杂，一旦失效，只能回炉处理，无法实现剩余价值的循环再利用。
随着未来铁路设施与装备存量的不断扩大、更新，如何回收并充分利用退役的老化设施、装备及其零件成为绿色轨道交通领域中一个重要的研究课题。2010年，国家发改委等11部委联合发布《关于推进再制造产业发展的意见》，明确将铁路机车再制造列入再制造重点发展领域，掀开了铁路再制造的新篇章。
再制造是维修发展的高级阶段，是先进制造领域的一种重要技术，也是废旧产品高技术修复、改造的产业化应用。它以废旧产品的零部件为毛坯，采用先进的表面工程技术对其进行修复，多数情况是在损伤的零件表面制备一薄层耐磨、耐蚀、抗疲劳的表面涂层。再制造产品质量和性能达到或超过原型新品，而成本则不超过原型新品的50％，节能60％、节材70％，对环境的不良影响也显著降低，属于典型的绿色制造。
近两百年来，铁轨、轮毂、道岔、铁路机车轴承、车轮、车轴等相关轨道部件的表面强化与修复一直都是全世界的关注热点，但由于其自身高性能、高熔点以及独特的使用特点，传统技术以及近几十年来新兴的技术无法用于其表面修复与强化。世界各大工业强国，如美国、俄国、德国、俄罗斯等国家，每年投入了大量的人力与物力，用于铁路再制造技术的研究，但仍然没有从根本上解决这个难题，就目前而言，俄罗斯在传统等离子体强化轮毂方面取得了一些应用进展，美国及中国铁路研究院在激光强化轨道表面也取得了局部应用进展，但从根本实际应用上讲，这仍属于未突破的世界难题。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术中存在的不足和缺陷，本发明提供了一种利用层流等离子进行钢轨表面处理的方法，本发明的发明目的旨在于填补铁路再制造系统设备的空白，采用层流电弧等离子体束再制造系统设备对铁路道岔、钢轨、车轮及其它轨道车辆零部件进行热表面强化处理，经过处理的材料表面硬度增强效果非常明显，其耐磨性也获得极大提高。
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：
一种利用层流等离子进行钢轨表面处理的方法，其特征在于：包括如下步骤：
钢轨表面预处理步骤：将钢轨表面用机械处理或化学处理的方法，清除表面的铁锈和油污；
预热处理步骤：采用非转移弧层流等离子发生器作为热源，对钢轨表面进行预热处理；
钢轨表面熔覆步骤：采用非转移弧层流等离子发生器作为热源，非转移弧层流等离子发生器沿钢轨纵向轴线相对平行匀速移动，由送丝送粉装置沿非转移弧层流等离子发生器中心轴向送粉，向钢轨表面喷送复合粉末，并经过非转移弧层流等离子发生器喷射熔覆后，形成熔覆层；
钢轨表面冷却处理步骤：熔覆完成后，钢轨表面进行水冷却或自然冷却；
钢轨表面再处理步骤：在除熔覆层以外的钢轨表面上，再用除锈用具及用品进行机械处理或化学处理，以便除去缓冷后超过4小时其表面又产生的氧化薄膜，使钢轨表面再次露出新鲜的金属光泽；
钢轨表面喷涂处理步骤：采用非转移弧层流等离子发生器作为热源，由送丝送粉装置沿非转移弧层流等离子发生器中心轴向送粉，向钢轨表面喷送一层涂层材料，非转移弧层流等离子发生器将涂层材料喷涂在钢轨表面，形成钢轨表面涂层。
所述钢轨表面熔覆步骤中向钢轨表面喷送复合粉末，具体是指：在钢轨上表面或者在钢轨上表面和与上表面紧邻的轨鄂表面喷送一层复合粉末，或喷送上、下两层复合粉末，经非转移弧层流等离子发生器一次或多次熔覆后，形成熔覆层或形成上、下两层结构的熔覆层。
所述复合粉末是镍基合金粉末、铁基合金粉末、镍铁基合金粉末、钴基合金粉末、氧化物陶瓷粉末、纳米氧化物陶瓷粉末、镍包氧化物陶瓷粉末和镍包纳米氧化物陶瓷粉末中的一种或两种以上均匀混合后的粉末。
所述涂层材料是氧化锆、二氧化硅、氮化铝、氧化亚铜、铁粉和铝粉中一种或任意两种以上的混合而形成的涂层材料。
所述送丝送粉装置的送粉量为30g/min～90 g/min。
所述钢轨表面涂层的孔隙率为0.5%～5%。
所述非转移弧层流等离子发生器的功率大于或等于200KW。
所述非转移弧层流等离子发生器的熔覆速度为30kg/h。
所述非转移弧层流等离子发生器主要采用中轴圆柱阳极结构，沿阳极柱周围环形均匀布置三个或三个以上的阴极，阳极均分为多个不同部位与对应阴极形成连接电弧，形成高弧压小电流层流长束等离子弧；阳极和阴极均安装在同一个底座上固定，相互绝缘，底座有水、电、气通道，圆柱阳极的外表面相对绝缘，只有在靠近出口的头部裸露导电，从而与阴极间形成电场。
所述非转移弧层流等离子发生器使用的工作气体为氩气、氮气、氦气、氢气和氨气中的一种或任意两种以上的混合。
与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：
1、本发明利用层流等离子体对铁路进行再制造的方法，填补了铁路再制造系统方面的世界空白。实验证明，采用本发明的层流等离子进行钢轨表面处理的方法对铁路道岔、钢轨、车轮及其它轨道车辆零部件进行热表面强化处理，经过处理的材料表面硬度增强效果非常明显，其耐磨性也获得极大提高。在这方面，申请人前期对多种轨道及轮毂钢进行了大量的层流等离子体束表面热处理(非转移弧)试验，并抽取了部分样品进行第三方检测，检测结果表明：处理后轨道及轮毂钢表面硬度提高三到四倍，其耐磨性提高10倍以上。本发明方法用于铁路轨道和车轮，将极大地提高其耐磨性，成倍延长铁轨和车轮使用寿命，对我国铁路建设和维护具有里程碑意义。另外，通过对铁路捣固镐头的实际工作测试表明：经层流等离子体束表面热处理的捣固镐头寿命提高至少5倍。
2、本发明方法，在原有钢轨上，通过层流等离子熔覆技术增加了与钢轨表面具有很好结合力的另一中材质——熔覆层，使钢轨具有了两种材质。较之原有钢轨，具有高硬度、高屈服应力极限和低摩擦力的特点。从而增强了钢轨的耐久性，并提高了钢轨及固定钢轨线路原件的使用寿命。
3、本发明的方法，采用非转移弧层流等离子发生器为热源，以层流等离子为热源进行熔覆，由于层流等离子热量集中，离子弧稳定性好，没有电极熔耗，输出热量均匀，便于控制，这样使得熔铸区热量分布均匀，材料熔合充分均匀，排气浮渣都充分，收缩应力分布均匀。由于层流等离子设备控制精度高，对熔覆区和过渡区的控制方便，且均匀度好，应力分配更容易控制合理。用氩气等气体介质保护不需要各种添加剂，也不存在排氢，氧化等问题，所以等离子熔覆更适合大面积，大厚度，高质量的硬面熔铸（如高锰·高铬陶瓷材料等），适合于制造铁路道岔、钢轨、车轮及其它轨道车辆零部件等。
4、本发明的方法，还包括有喷涂处理步骤，喷涂处理是采用层流等离子喷涂技术，在钢轨表面喷涂一层表面涂层，层流等离子的加热方式对涂层材料限制少，涂层材料选择广泛，且对碳化物及氧化物等熔覆更容易。
5、本发明的方法，层流等离子是一种电离弧，比弧焊机热量更集中，所以加热速度更快，为了获得更集中的离子束，一般采用高压缩比孔径，小电流，以便控制基体温度不致太高，避免引起退火变形，以激光器加热速度无法比拟。
具体实施方式
实施例1
作为本发明一较佳实施例，本实施例公开了：
一种利用层流等离子进行钢轨表面处理的方法，包括如下步骤：
钢轨表面预处理步骤：将钢轨表面用机械处理或化学处理的方法，清除表面的铁锈和油污；
预热处理步骤：采用非转移弧层流等离子发生器作为热源，对钢轨表面进行预热处理；
钢轨表面熔覆步骤：采用非转移弧层流等离子发生器作为热源，非转移弧层流等离子发生器沿钢轨纵向轴线相对平行匀速移动，由送丝送粉装置沿非转移弧层流等离子发生器中心轴向送粉，向钢轨表面喷送复合粉末，并经过非转移弧层流等离子发生器喷射熔覆后，形成熔覆层；
钢轨表面冷却处理步骤：熔覆完成后，钢轨表面进行水冷却或自然冷却；
钢轨表面再处理步骤：在除熔覆层以外的钢轨表面上，再用除锈用具及用品进行机械处理或化学处理，以便除去缓冷后超过4小时其表面又产生的氧化薄膜，使钢轨表面再次露出新鲜的金属光泽；
钢轨表面喷涂处理步骤：采用非转移弧层流等离子发生器作为热源，由送丝送粉装置沿非转移弧层流等离子发生器中心轴向送粉，向钢轨表面喷送一层涂层材料，非转移弧层流等离子发生器将涂层材料喷涂在钢轨表面，形成钢轨表面涂层。
实施例2
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了：
一种利用层流等离子进行钢轨表面处理的方法，包括如下步骤：
钢轨表面预处理步骤：将钢轨表面用机械处理或化学处理的方法，清除表面的铁锈和油污；
预热处理步骤：采用非转移弧层流等离子发生器作为热源，对钢轨表面进行预热处理；
钢轨表面熔覆步骤：采用非转移弧层流等离子发生器作为热源，非转移弧层流等离子发生器沿钢轨纵向轴线相对平行匀速移动，由送丝送粉装置沿非转移弧层流等离子发生器中心轴向送粉，向钢轨表面喷送复合粉末，并经过非转移弧层流等离子发生器喷射熔覆后，形成熔覆层；
所述钢轨表面熔覆步骤中向钢轨表面喷送复合粉末，具体是指：在钢轨上表面喷送一层复合粉末，经非转移弧层流等离子发生器一次熔覆后，形成熔覆层；
在本实施例中，所述钢轨表面熔覆步骤中向钢轨表面喷送复合粉末，还可以是：在钢轨上表面和与上表面紧邻的轨鄂表面喷送上、下两层复合粉末，经非转移弧层流等离子发生器多次熔覆后，形成上、下两层结构的熔覆层；
钢轨表面冷却处理步骤：熔覆完成后，钢轨表面进行水冷却或自然冷却；
钢轨表面再处理步骤：在除熔覆层以外的钢轨表面上，再用除锈用具及用品进行机械处理或化学处理，以便除去缓冷后超过4小时其表面又产生的氧化薄膜，使钢轨表面再次露出新鲜的金属光泽；
钢轨表面喷涂处理步骤：采用非转移弧层流等离子发生器作为热源，由送丝送粉装置沿非转移弧层流等离子发生器中心轴向送粉，向钢轨表面喷送一层涂层材料，非转移弧层流等离子发生器将涂层材料喷涂在钢轨表面，形成钢轨表面涂层。
实施例3
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了：
一种利用层流等离子进行钢轨表面处理的方法，包括如下步骤：
钢轨表面预处理步骤：将钢轨表面用机械处理或化学处理的方法，清除表面的铁锈和油污；
预热处理步骤：采用非转移弧层流等离子发生器作为热源，对钢轨表面进行预热处理；
钢轨表面熔覆步骤：采用非转移弧层流等离子发生器作为热源，非转移弧层流等离子发生器沿钢轨纵向轴线相对平行匀速移动，由送丝送粉装置沿非转移弧层流等离子发生器中心轴向送粉，向钢轨表面喷送复合粉末，并经过非转移弧层流等离子发生器喷射熔覆后，形成熔覆层；
所述钢轨表面熔覆步骤中向钢轨表面喷送复合粉末，具体是指：在钢轨上表面喷送上、下两层复合粉末，经非转移弧层流等离子发生器一次熔覆后，形成上、下两层结构的熔覆层；
在本实施例中，所述钢轨表面熔覆步骤中向钢轨表面喷送复合粉末，还可以是：在钢轨上表面和与上表面紧邻的轨鄂表面喷送一层复合粉末，经非转移弧层流等离子发生器一次熔覆后，形成熔覆层；
钢轨表面冷却处理步骤：熔覆完成后，钢轨表面进行水冷却或自然冷却；
钢轨表面再处理步骤：在除熔覆层以外的钢轨表面上，再用除锈用具及用品进行机械处理或化学处理，以便除去缓冷后超过4小时其表面又产生的氧化薄膜，使钢轨表面再次露出新鲜的金属光泽；
钢轨表面喷涂处理步骤：采用非转移弧层流等离子发生器作为热源，由送丝送粉装置沿非转移弧层流等离子发生器中心轴向送粉，向钢轨表面喷送一层涂层材料，非转移弧层流等离子发生器将涂层材料喷涂在钢轨表面，形成钢轨表面涂层。
在本实施例中，所述复合粉末是镍基合金粉末，也可以是铁基合金粉末，也可以是镍铁基合金粉末，还可以是钴基合金粉末，还可以是氧化物陶瓷粉末。
实施例4
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了：
一种利用层流等离子进行钢轨表面处理的方法，包括如下步骤：
钢轨表面预处理步骤：将钢轨表面用机械处理或化学处理的方法，清除表面的铁锈和油污；
预热处理步骤：采用非转移弧层流等离子发生器作为热源，对钢轨表面进行预热处理；
钢轨表面熔覆步骤：采用非转移弧层流等离子发生器作为热源，非转移弧层流等离子发生器沿钢轨纵向轴线相对平行匀速移动，由送丝送粉装置沿非转移弧层流等离子发生器中心轴向送粉，向钢轨表面喷送复合粉末，并经过非转移弧层流等离子发生器喷射熔覆后，形成熔覆层；
所述钢轨表面熔覆步骤中向钢轨表面喷送复合粉末，具体是指：在钢轨上表面喷送上、下两层复合粉末，经非转移弧层流等离子发生器一次熔覆后，形成上、下两层结构的熔覆层；
在本实施例中，所述钢轨表面熔覆步骤中向钢轨表面喷送复合粉末，还可以是：在钢轨上表面和与上表面紧邻的轨鄂表面喷送一层复合粉末，经非转移弧层流等离子发生器一次熔覆后，形成熔覆层；
钢轨表面冷却处理步骤：熔覆完成后，钢轨表面进行水冷却或自然冷却；
钢轨表面再处理步骤：在除熔覆层以外的钢轨表面上，再用除锈用具及用品进行机械处理或化学处理，以便除去缓冷后超过4小时其表面又产生的氧化薄膜，使钢轨表面再次露出新鲜的金属光泽；
钢轨表面喷涂处理步骤：采用非转移弧层流等离子发生器作为热源，由送丝送粉装置沿非转移弧层流等离子发生器中心轴向送粉，向钢轨表面喷送一层涂层材料，非转移弧层流等离子发生器将涂层材料喷涂在钢轨表面，形成钢轨表面涂层；
在本实施例中，所述复合粉末可以是纳米氧化物陶瓷粉末，也可以是镍包氧化物陶瓷粉末，还可以是镍包纳米氧化物陶瓷粉末；还可以是铁基合金粉末和镍铁基合金粉末混合而成的粉末，还可以是钴基合金粉末和氧化物陶瓷粉末混合而成的粉末。
在本实施例中，所述涂层材料可以是是氧化锆，也可以是二氧化硅，也可以是氮化铝，也可以是氧化亚铜，也可以是铁粉，也可以是铝粉，还可以是二氧化硅和氮化铝混合而成的材料，还可以是氮化铝、氧化亚铜和二氧化硅三种混合而成的材料。
在本实施例中，所述送丝送粉装置的送粉量为30g/min。也可以选取送粉量为50g/min的送丝送粉装置，还可以选取送粉量为80g/min的送丝送粉装置；还可以选取送粉量为90g/min的送丝送粉装置；送丝送粉装置的送粉量可根据熔覆层或表面涂层的厚度以及熔覆速度或表面涂层的喷涂速度来确定。
实施例5
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了：
一种利用层流等离子进行钢轨表面处理的方法，包括如下步骤：
钢轨表面预处理步骤：将钢轨表面用机械处理或化学处理的方法，清除表面的铁锈和油污；
预热处理步骤：采用非转移弧层流等离子发生器作为热源，对钢轨表面进行预热处理；
钢轨表面熔覆步骤：采用非转移弧层流等离子发生器作为热源，非转移弧层流等离子发生器沿钢轨纵向轴线相对平行匀速移动，由送丝送粉装置沿非转移弧层流等离子发生器中心轴向送粉，向钢轨表面喷送复合粉末，并经过非转移弧层流等离子发生器喷射熔覆后，形成熔覆层；
所述钢轨表面熔覆步骤中向钢轨表面喷送复合粉末，具体是指：在钢轨上表面喷送上、下两层复合粉末，经非转移弧层流等离子发生器一次熔覆后，形成上、下两层结构的熔覆层；
在本实施例中，所述钢轨表面熔覆步骤中向钢轨表面喷送复合粉末，还可以是：在钢轨上表面和与上表面紧邻的轨鄂表面喷送一层复合粉末，经非转移弧层流等离子发生器一次熔覆后，形成熔覆层；
钢轨表面冷却处理步骤：熔覆完成后，钢轨表面进行水冷却或自然冷却；
钢轨表面再处理步骤：在除熔覆层以外的钢轨表面上，再用除锈用具及用品进行机械处理或化学处理，以便除去缓冷后超过4小时其表面又产生的氧化薄膜，使钢轨表面再次露出新鲜的金属光泽；
钢轨表面喷涂处理步骤：采用非转移弧层流等离子发生器作为热源，由送丝送粉装置沿非转移弧层流等离子发生器中心轴向送粉，向钢轨表面喷送一层涂层材料，非转移弧层流等离子发生器将涂层材料喷涂在钢轨表面，形成钢轨表面涂层；
在本实施例中，所述复合粉末可以是纳米氧化物陶瓷粉末，也可以是镍包氧化物陶瓷粉末，还可以是镍包纳米氧化物陶瓷粉末；还可以是铁基合金粉末和镍铁基合金粉末混合而成的粉末，还可以是钴基合金粉末和氧化物陶瓷粉末混合而成的粉末；
在本实施例中，所述涂层材料可以是是氧化锆，也可以是二氧化硅，也可以是氮化铝，也可以是氧化亚铜，也可以是铁粉，也可以是铝粉，还可以是二氧化硅和氮化铝混合而成的材料，还可以是氮化铝、氧化亚铜和二氧化硅三种混合而成的材料；
在本实施例中，所述送丝送粉装置的送粉量为30g/min。也可以选取送粉量为50g/min的送丝送粉装置，还可以选取送粉量为80g/min的送丝送粉装置；还可以选取送粉量为90g/min的送丝送粉装置；送丝送粉装置的送粉量可根据熔覆层或表面涂层的厚度以及熔覆速度或表面涂层的喷涂速度来确定。
在本实施例中，所述钢轨表面涂层的孔隙率为0.5%，也可以是2%，也可以是5%，钢轨表面涂层的孔隙率是根据喷涂材料的不同而确定的。
在本实施例中，所述非转移弧层流等离子发生器的功率大于或等于200KW；非转移弧层流等离子发生器的熔覆速度为30kg/h；所述非转移弧层流等离子发生器主要采用中轴圆柱阳极结构，沿阳极柱周围环形均匀布置三个或三个以上的阴极，阳极均分为多个不同部位与对应阴极形成连接电弧，形成高弧压小电流层流长束等离子弧；阳极和阴极均安装在同一个底座上固定，相互绝缘，底座有水、电、气通道，圆柱阳极的外表面相对绝缘，只有在靠近出口的头部裸露导电，从而与阴极间形成电场。
所述非转移弧层流等离子发生器使用的工作气体为氩气，也可以是氮气，也可以是氦气，也可以是氢气，也可以是氨气；还可以是氩气与氮气的混合气体，还可以是氦气和氢气的混合气体。