专利名称：一种激光表面熔凝的铁道钢轨的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种铁道钢轨，特别是涉及一种激光表面熔凝的铁道钢轨。
钢轨是铁路轨道的重要组成部分。为适应国民经济的需要，铁路的速度、载重不断提高。我国铁路年均通过总重已超过3000万吨公里，特别区段已达1.5-2亿吨公里；主要干线客车速度将逐步提高到140-160Km/h，货车速度将达到80-85Km/h。铁道钢轨直接承受列车荷载的反复作用，是适应高速重载、强化轨道结构的关键部件，研究具有优异使用性能的铁道钢轨，是目前铁路系统急待解决的重大问题。
我国铁路主要干线目前使用的钢轨是50型、60型，已超过6万公里，约占全部干线的90％。国产这两种钢轨钢种主要是U71Mn和U74，均为普通碳素钢钢轨。在目前的运输条件下，这两种钢轨伤损日益严重，已暴露出承载力不足、使用寿命不长的问题，使重轨的优越性得不到充分发挥。钢轨在使用中出现的伤损主要是轨头侧磨，波磨，剥离和压溃，尤以侧磨伤损最为严重。繁忙线路上小曲线上目前钢轨一年左右就需更换。
钢轨伤损的主要原因是在接触应力作用下形成的接触疲劳伤损，主要的伤损形式是金属的塑性变形引起的塑性剥离。为解决钢轨伤损问题，提高钢轨使用寿命，国内外对钢轨的研究向着两个方向一个途径是热处理强化，日、美、独联体主要走热处理强化的途径，对钢轨进行全长淬火处理；另一个途径是合金化，西欧一些国家主要是采取对钢轨合金强化的方法。共同的目的是提高钢轨材质的强度与耐磨性。我国钢轨在这二个途径上已做了大量的试验探索。
近年来铁道部、冶金部联合试制了PD2钢轨、PD3钢轨和稀土钢轨，并进口日本等12个国家的钢轨80万吨铺设试验。铁道部经过对国内外钢轨大量试验的结论意见认为普通碳素轨耐磨性差，韧性好，使用性能、可焊接性好，没有脆断现象，安全，全长淬火后，可延长寿命0.5倍，应大力推广全长淬火钢轨；合金钢轨耐磨性好，但使用中可焊接性差，冲击韧性差，有脆性断裂现象，有安全隐患，尚需进一步试验。钢轨全长淬火是用双频电感应在生产线上对钢轨轨头局部电加热至约900℃，并维持几分钟，然后用水或空气(一般用强制空冷)急冷至600℃左右，并在此温度范围保温到奥氏体完全转变成贝氏体为止，引起相变硬化，钢轨轨头表面硬度280-400HV，抗拉强度800MPa左右。
目前，钢轨正向重型化发展，在主要的铁道干线上，50、60型钢轨已经普及，钢轨的整体疲劳有所缓和；随着高速、重载的发展，钢轨的接触疲劳伤损日益严重；从整体上讲，目前钢轨的伤损破坏是由轮轨接触面的接触疲劳控制的，所以，进一步提高钢轨表面的强度和硬度有很重大的经济意义。钢轨全长淬火的范围是在钢轨轨头表面下一定深度内，如果要求仅在轮轨接触面淬火或进一步提高强度和硬度，钢轨全长淬火技术是很难作到的。从技术上讲，利用现代表面工程技术，仅在轮轨接触面局部淬火，提高表面及表面下一定深度范围内的强度和硬度，以抵抗接触疲劳对钢轨造成的伤损，是能够做得到的；而从技术的先进性和经济的可行性上比较，大功率激光加工技术是目前的最佳选择。
利用激光加工技术，可以生产激光相变硬化钢轨，但激光表面相变硬化钢轨硬化层的硬度、强度和深度受到钢轨基材组织和表面不得熔凝的限制；钢轨接触疲劳伤损产生的裂纹和裂纹的迅速扩展，激光相变硬化钢轨不能消除和抑制；而激光表面熔凝技术提供了这种可能，能够消除表面疲劳裂纹，抑制裂纹扩展，增加硬化层硬度、强度和深度。
本适应新型的目的，是在国产普通碳素钢轨的基础上，利用大功率激光加工技术，提供一种激光表面熔凝钢轨，以得到比全长淬火钢轨和激光表面相变硬化钢轨更高的表面强度、硬度、维修的机动性和更长的使用寿命，以适应铁路运输对钢轨的更高要求。
本实用新型是这样实现的一种激光表面熔凝的铁道钢轨，包括钢轨表面(1)，熔凝层(2)，相变硬化层(3)，热影响层(4)，钢轨基体(5)，轨头(6)，轨腰(7)，轨底(8)，磨耗示意曲线(9)，其中，轨头(6)，轨腰(7)，轨底(8)几何尺寸均与目前国产轨相同，钢轨基体(5)的材质与目前国产轨相同，为普通碳素钢。熔凝层(2)、相变硬化层(3)在轨头(6)表面一定深度与范围内，是通过激光束照射钢轨表面形成的。钢轨表面(1)与相变硬化层(3)间是熔凝层，相变硬化层(3)与钢轨基体(5)间有热影响层(4)。熔凝层(2)、相变硬化层(3)与钢轨基体(5)有着相同的化学成分。熔凝层(2)、相变硬化层(3)在轨头(6)中有一定的空间形状，可以是连续的或不连续的。熔凝层(2)、相变硬化层(3)在轨头(6)上有一定的平面形状，可以是网状，点状，直线状，曲线状，平面状。熔凝层(2)、相变硬化层(3)在轨头(6)中有特定的微观组织结构，这种特定的微观组织结构有着特定的物理性状与特性。
本实用新型的优点为激光表面熔凝钢轨的主要特征是用激光束在钢轨表面一定深度与范围内产生熔凝层(2)、相变硬化层(3)。熔凝层(2)、相变硬化层(3)与钢轨基体(5)有着相同的化学成分和不同的显微组织结构，也有着优异的物理特性。激光表面熔凝钢轨不更动现有钢轨的几何尺寸，不更动现有钢轨的生产工艺。激光表面熔凝钢轨仅在轨头(6)轮轨接触面下局部用激光束进行熔凝强化。利用激光设备，激光熔凝钢轨可以在工厂生产线上生产，也可以在轨道上就地对既有钢轨进行激光熔凝强化。这样，当轨道上激光表面熔凝钢轨硬化层磨损或疲劳破坏时，就可以利用激光设备在钢轨表面重新形成新的熔凝硬化层。激光表面熔凝钢轨耐磨性好，抗冲击韧性优良，通过总重比普通钢轨可增加1倍，是一种手段独特，造价经济，性能优异的新钢轨。
以下结合附图对本实用新型激光表面熔凝钢轨进行详细描述
图1为本实用新型激光表面熔凝钢轨横断面示意图。
图2为本实用新型激光表面熔凝钢轨平面图。
图3为本实用新型激光表面熔凝钢轨侧面图。
参照
图1、图2、图3，标号(5)为普通碳素钢轨，标号(6)为钢轨轨头，标号(7)为钢轨轨腰，标号(8)为钢轨轨底，标号(9)为轮轨长期摩擦后轨头(6)的实际表面示意曲线，标号(2)、(3)为用激光束在轨头(6)上形成的熔凝层、相变硬化层，标号(4)为相变硬化层(3)与钢轨基体间的热影响层。
钢轨(5)目前使用主要钢种是国产型号U74、U71Mn，其主要成分为C，Mn，Si。剧烈磨耗的小曲线钢轨，轮轨摩擦运动的结果在轨头上形成实际的表面如示意曲线(9)。在U71Mn的成分基础上，增加C含量，减少Mn含量，形成一种国产新钢轨品种为PD2。在U71Mn的成分基础上，调整C、Mn、Si含量，同时增加V元素，形成一种国产新钢轨品种为PD3，简称钒轨。在U71Mn的成分基础上，调整C、Mn、Si含量，增加Nb、Re元素，形成一种国产新钢轨品种为BNbRe轨，简称稀土轨。U71Mn，PD2为普通碳素钢轨，PD3为钒合金钢轨，RNbRe为稀土合金钢轨。国内外大量实践证明，普通碳素钢轨韧性好，耐磨性差；合金钢轨耐磨性好，韧性差。钢轨(5)在使用中损坏报废主要由轨头(6)的磨耗控制，在轨头(6)磨耗到示意曲线(9)的状态时，轨腰(7)、轨底(8)仍可正常工作。为增加耐磨性，在整个断面上使用合金钢，不仅增加成本，更重要的是增加了轨头(6)、轨腰(7)、轨底(8)的脆性，降低了韧性。钢轨全长淬火，在钢轨头部相当深度内形成淬火层，而在轮轨不接触的部位，淬火层实际是无用的；相反，过量的淬火层将增加钢轨的脆性。而本实用新型提供这样一种钢轨，利用激光技术可根据需要，在钢轨(5)上局部制造出耐磨性能优良的激光熔凝硬化层。钢轨(5)在激光熔凝前，要进行予处理。为提高激光处理的效率，将吸光材料用刷涂、喷涂等方法予置在钢轨(5)表面；调整激光光头透镜与钢轨(5)表面的距离，使钢轨(5)表面处于近焦一定距离处，使激光功率密度大于6*106W/cm2，；激光加热速度为104-108℃/s，加热温度大于1200℃并不得超过钢轨基材的汽化温度；自冷却速度可达104-106℃/s；硬化层深度可达1-2mm。激光熔凝功率密度和扫描速度对熔凝层微观组织和物理参数影响极大；激光功率密度中等，速度较慢，钢轨表面较大面积溶化，粗糙，溶化区下有较深的相变硬化层；增大功率密度，速度中等，表面粗糙度下降，溶化区下相变硬化层不明显，有热影响层；激光功率密度很高，速度很快，表面加热速度、冷却速度极快，溶化区表面光滑平整，钢轨表面可以得到一层又薄又硬的釉层，熔凝区组织晶粒极细，甚至可得到非晶态。
激光表面熔凝钢轨硬化层(2、3)有着独特的微观结构。激光熔凝钢轨表面熔凝层为共晶组织，极为细密，主要由马氏体和渗碳体构成，硬度高达1100HV；相变硬化层为枝晶区，组织为齿条状马氏体、稍微粗大的马氏体和残余奥氏体，硬度约920HV-980HV；再下组织为细晶马氏体和残余奥氏体；再下的钢轨基体组织为珠光体，硬度约280HV。
激光熔凝钢轨硬化层(2、3)有特定的空间结构与平面形状。为克服激光熔凝钢轨中钢材的脆性，防止硬化层部位裂纹产生、发展，激光熔凝钢轨硬化层(2、3)可以加工成各种平面形状，如图2所示的点状，图3所示的网状。这样可将耐磨性好、有脆性的硬化层镶固在耐磨性差、但韧性好的钢轨基体(5)中，有效地阻止了热应力产生的裂纹，防止了硬化层(2、3)的裂纹扩展与脱落，而又不降低硬化层(2、3)的耐磨性。根据实际需要，硬化层(2、3)可以加工成点状，直线状(包括平行线、横线、斜线)，曲线状，平面状。
激光表面熔凝钢轨可在工厂生产，也可用激光车在轨道上就地生产。工厂生产激光表面熔凝钢轨需激光数控机床，该机床由二氧化碳气体激光器，导光系统，数控机床组成。激光加工参数如激光光斑直径，相对运动速度，激光功率密度要认真试验确定。激光光斑可为圆形，矩形，线形。激光车就地生产激光熔凝钢轨，可以消除因轮轨接触应力造成的钢轨表面疲劳裂纹；根据运量和钢轨伤损情况，可用激光车对在线钢轨进行周期性的激光熔凝；同一根钢轨，可以多次形成激光熔凝硬化层；这样可以大大延长钢轨在线服役时间，改变钢轨使用寿命由钢轨表面接触疲劳控制的局面，充分发挥重型钢轨本身具有的优势。
激光表面熔凝钢轨有着独特的物理特性。根据设计的硬化层(2、3)的不同，激光表面熔凝钢轨硬化层(2、3)的抗拉强度可超过1100MPa，硬度可超过1100HV以上，是一种超高强耐磨钢轨；且可根据钢轨表面磨损状况，合理选择激光熔凝钢轨的修理周期和激光表面熔凝的处理参数，将大大延长钢轨在线服役的年限和钢轨的通过总重。激光表面熔凝钢轨适用于国铁路网，城市轻轨，地铁，地方铁路和厂矿专用线，尤其是高速重载的主要铁道干线、运煤专线与小曲线。
权利要求1.一种激光表面熔凝钢轨，包括钢轨表面(1)，熔凝层(2)，相变硬化层(3)，热影响层(4)，钢轨基体(5)，其特征在于，熔凝层(2)是用激光束照射熔凝钢轨表面(1)材料形成的，熔凝层(2)下面可以存在相变硬化层(3)，相变硬化层(3)与钢轨基体(5)间存在热影响层(4)，熔凝层(2)、相变硬化层(3)和热影响层(4)与钢轨基体(5)有不同的微观组织结构及物理特性。
2.根据权利要求1所述的激光表面熔凝钢轨，其特征在于，熔凝层(2)、相变硬化层(3)和热影响层(4)在钢轨基体(5)中可以是连续的或者是不连续的。
3.根据权利要求1所述的激光表面熔凝钢轨，其特征在于，熔凝层(2)在钢轨表面(1)上可以是点状，直线状，曲线状，网状，平面状。
4.根据权利要求1所述的激光表面熔凝钢轨，其特征在于，熔凝层(2)、相变硬化层(3)和热影响层(4)在钢轨头部(5)轮轨接触面范围内，深度0.1-2mm。
5.根据权利要求1所述的激光表面熔凝钢轨，其特征在于，熔凝层(2)、相变硬化层(3)和热影响层(4)在钢轨头部(5)轮轨接触面范围内，深度2-5mm。
6.根据权利要求1所述的激光表面熔凝钢轨，其特征在于，熔凝层(2)、相变硬化层(3)和热影响层(4)可根据钢轨表面的裂纹和磨耗情况用激光束进行周期性地照射熔凝而周期性地形成。
专利摘要本实用新型提供一种激光表面熔凝钢轨,包括:激光熔凝层,相变硬化层,热影响层,钢轨基体。激光熔凝层、相变硬化层、热影响层由激光束照射熔凝钢轨表面材料而成;激光熔凝层下可存在相变硬化层;热影响层位于相变硬化层与钢轨基体间。钢轨表面的激光熔凝层可用激光束加工成连续的或不连续的,形状可有点状,直线状,曲线状,网状,平面状。激光表面熔凝钢轨硬化层微观组织细密,耐磨性和韧性均优。
文档编号E01B5/02GK2474561SQ0121989
公开日2002年1月30日 申请日期2001年4月23日 优先权日2001年4月23日
发明者张准胜 申请人:张准胜, 吕杰胜, 袁明振