激光表面强化的铁路道岔尖轨制造技术

一种激光强化的铁路道岔尖轨，其表面可以制作一种或多种激光强化的硬化层，比普通铁路道岔尖轨有更高的强度、硬度、维修的机动性和更长的使用寿命，克服了目前铁路道岔尖轨使用中存在多种弊端，可满足铁路提速对道岔尖轨提出的要求。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种铁路道岔尖轨，特别是涉及一种用激光表面强化的铁路道岔尖轨。道岔是铁路轨道的重要组成部分，随着铁路高速的发展，高的运输强度与低的轨道结构强度的矛盾日益突出。道岔作为轨道三大薄弱环节之一，其技术性能，质量成为强化轨道结构，提高列车行车速度及运输安全的关键限制因素。尖轨是道岔的重要部件，尖轨病害和使用寿命是道岔使用寿命与运营成本的关键限制因素。尖轨的主要伤损部位及使用寿命取决于尖轨轨尖部分的磨损剥离，其伤损部位大部分在横截面10cm以前的尖端部位。轨尖部分在剥离掉块之前、一般先出现比较明显的金属塑性变形，压辗而出现飞边现象。尖轨使用1-3个月就会出现飞边，提速道岔尖轨磨损严重区段使用二个月就必须更换。为了解决这个问题，我国技术专利(00209840.7)根据尖轨生产工艺存在的问题和尖轨现场病害情况，提出用激光相变硬化工艺在尖轨工作面形成一个硬化层，以增加尖轨的耐磨性并延长使用寿命。经过本专利技术人实验室研究和长达一年的现场中试，证明这种方法对增加尖轨的耐磨性是有效的；但是对延长尖轨的使用寿命效果不甚理想。因为目前的激光相变硬化工艺在尖轨工作面形成的硬化层不到1mm，太薄；而且激光相变硬化工艺不能改变尖轨表面的成分，不能在尖轨表面制作超强的耐磨材料；一旦尖轨工作面在现场使用中发生剥离、掉块等病害，激光相变硬化工艺无法进行修复，结果只能是整根尖轨报废。针对激光表面相变硬化尖轨存在的问题，本专利技术提供了一种新型的激光表面强化的铁路道岔尖轨，该尖轨有着厚且各种激光强化工艺形成的硬化层，利用激光强化工艺能够改变尖轨表面的成分并制成超强的耐磨材料，当尖轨工作面在现场使用中发生剥离、掉块等病害时，利用激光强化工艺能够有效地进行修理并恢复尖轨的使用性能，这样就大大增加了尖轨的耐磨性并大大延长了尖轨的使用寿命。本专利技术的目的是提供一种激光表面强化的铁路道岔尖轨，克服目前道岔尖轨和激光表面相变硬化道岔尖轨使用中的弊端，以适应铁路提速对道岔尖轨的要求。本专利技术是这样实现的一种激光表面强化的铁路道岔尖轨，包括尖轨表面激光相变硬化层，尖轨表面激光熔凝硬化层，尖轨表面激光合金化硬化层，尖轨表面激光熔覆硬化层，尖轨表面层下的相变层、热影响层和尖轨基体。用激光束照射尖轨表面，依据不同的激光加工参数和作业程序，可在尖轨表面形成激光表面相变硬化层，激光表面熔凝硬化层，激光表面合金化硬化层，激光表面熔覆硬化层；上述硬化层与尖轨基体间存在着过渡层，过渡层为相变层和热影响层。激光强化的尖轨几何尺寸与目前国产尖轨相同，尖轨基体的材质与目前国产尖轨相同。各种硬化层、过渡层，在尖轨表面下一定深度与范围内，是通过激光束照射尖轨表面形成的。各种硬化层在尖轨表面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；各种硬化层在尖轨基体中有一定的空间形状，可以是连续的或不连续的；各种硬化层在尖轨基体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。激光强化道岔尖轨的主要技术特征是用激光束在尖轨表面及表面下一定深度与范围内产生硬化层。硬化层与尖轨基体有着相同的或不同的化学成分，不同的显微组织结构，也有着优异的物理特性。激光强化的道岔尖轨仅在轮轨接触面下局部用激光束进行强化形成硬化层，也可根据道岔尖轨的病害情况局部用激光束进行强化修理。利用激光设备，激光强化的道岔尖轨可以在工厂生产线上生产，也可以在轨道上就地对既有道岔尖轨进行激光强化。当轨道上激光强化的道岔尖轨硬化层磨损或疲劳破坏时，还可以利用激光设备在激光强化过的道岔尖轨上重新形成新的硬化层。本专利技术的优点为激光强化的道岔尖轨耐磨性好，抗冲击韧性优良，通过总重比普通的道岔尖轨可增加1倍，是一种手段独特、造价经济、性能优异的新尖轨。下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细描述附图说明图1为本专利技术的横断面图。图2为本专利技术的各种激光强化硬化层示意图。参照图1、图2，标号(1)为道岔基本轨，标号(2)为道岔尖轨，标号(3)为道岔尖轨表面的各种激光强化硬化层，标号(4)为道岔尖轨表面的激光相变硬化层，标号(5)为道岔尖轨表面的激光熔凝硬化层，标号(6)为道岔尖轨表面的激光合金化硬化层，标号(7)为道岔尖轨表面的激光熔覆硬化层，标号(4’)为道岔尖轨表面的激光熔凝硬化层、激光合金化硬化层、激光熔覆硬化层与热影响层间的激光相变硬化层，标号(8)为激光相变硬化层与尖轨基体间的热影响硬化层。实施例1用激光束照射道岔尖轨(2)表面轮轨工作边，调整激光器输出功率和光头的运动速度，使道岔尖轨(2)表面轮轨工作边不致熔化又能获得设计的硬化深度，移动激光束，原照射点热量在道岔尖轨(2)基体中迅速散发而快速自冷而淬火，这样可在道岔尖轨(2)表面轮轨工作边上获得需要的激光相变硬化硬化层(4)。工厂生产这种激光强化的道岔尖轨(2)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。首先将道岔尖轨(2)表面轮轨工作边进行予处理，涂专门的涂料，以提高道岔尖轨(2)表面对激光的吸收率。激光光斑直经D，相对运动速度V，功率密度P0等加工参数要认真试验确定。激光光斑可为圆形，也可为矩形，也可为线形。当激光器输出功率确定后，可通过调整光头与工件的距离L来调整功率密度。过大的功率密度会使道岔尖轨(2)表面溶化，道岔尖轨(2)表面相变硬化可取功率密度为104-105W/cm2。激光照射道岔尖轨(2)表面，迅速加热到相变温度以上形成高温相，激光加热速度为103--104℃/S。当激光束移开，热量迅速在道岔尖轨(2)基体内传导而冷却，冷却速度可达104--106℃/S。激光表面加热极快，奥氏体晶粒来不及长大，所以在道岔尖轨(2)表面的奥氏体晶粒很细，自淬火后形成的马氏体尺寸极小，可形成超细化的隐晶马氏体，表面硬度可达900--1100HV，耐磨性很好。调整有关参数，硬化层深度可达5mm。尤其是道岔尖轨(2)用传统淬火方法难以处理的轨尖部位，用激光相变硬化可很方便的进行处理。激光束可在道岔尖轨(2)表面产生连续的相变硬化层，也可以扫描成不连续的、具有一定表面形状或空间形状的硬化层，如网状，直线状，曲线状，平面状，点状。道岔尖轨(2)表面上获得需要的激光相变硬化硬化层(4)，可在新道岔尖轨(2)表面上形成，也可在修理的道岔尖轨(2)表面上形成；可在工厂生产，也可用激光车在轨道上就地生产。实施例2用激光束照射道岔尖轨(2)表面，调整激光光头与道岔尖轨(2)表面的距离，用近于聚焦的激光束照射道岔尖轨(2)表面，其表面迅速溶化，产生熔池，激光束移动后，熔池靠道岔尖轨(2)自身快速冷却凝固，这样在道岔尖轨(2)表面上得到激光熔凝硬化层(5)。激光熔凝硬化比激光相变硬化所用的激光能量密度高，约109W/cm2，为提高道岔尖轨(2)表面对激光的吸收率，在处理表面涂掺石墨的硅酸钠或其他材料，熔池温度达1200℃以上。激光束照射道岔尖轨(2)表面的同时，在熔池上方要用惰性气体保护，以避免熔池氧化。调整激光束功率密度P0，扫描速度V，作用时间T，光头与道岔尖轨(2)表面的距离L，光斑直径等参数，道岔尖轨(2)表面激光熔凝后熔凝层的金相组织会出现超细共晶，细树枝晶，非晶态组织。道岔尖轨(2)表面熔凝层为共晶组织，这是由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁路道岔尖轨，其特征在于，用激光束照射尖轨表面，依据不同的激光加工参数和加工工艺，可在尖轨表面形成激光表面相变硬化层、激光表面熔凝硬化层、激光表面合金化硬化层、激光表面熔覆硬化层，上述尖轨表面硬化层与尖轨基体间存在着过渡的相变层和热影响层，硬化层和过渡层有着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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张准胜，
申请(专利权)人：张准胜，
类型：发明
国别省市：41[中国|河南]