应用激光相变硬化工艺技术提高尖轨使用寿命研究

2008/6/23/08:59 来源：激光网

    提要：采用矩形激光均匀强光斑，在尖轨易磨损失效部位的表面进行激光相变硬化热处理，使尖轨表面硬度提高，耐磨性能强，增强了材料的疲劳强度，并保持了硬化层下部材料的原有特性。严格控制硬化层的深度，使其在规定允许范围内，保证尖轨的强度指标在技术要求之内，尖轨的整体耐磨性能有大幅度的提高，成倍的延长了尖轨的使用寿命。  

　　激光相变硬化热处理是将规律的强激光束照射到工件表面，迅速将工件表面温度提高到奥氏体转变温度以上，熔点以下的范围之内，通过激光束的快速移动，被加热的部位与工件内部进行快速的热交换，使工件表面的冷却速度极快来实现马氏体的转化，得到极细的马氏体结构组织。由于激光相变硬化是采用快速加热与快速冷却的工作方式，它在工件表面上产生的压应力可以达到750Mpa以上,从而增强了材料的疲劳强度。 

　　激光相变硬化主要是用来对钢铁材料的热处理，因为它的冷却速度比奥氏体的临界冷却速度大的多与钢的淬透性无关。一些用传统热处理不易处理或效果不佳的材料，如铸铁，低碳钢等均可采用激光相变硬化的方式进行热处理，并且效果良好，扩展了此类材料的应用范围，相变硬化层的厚度决定于被加热材料的散热系数，热导率和激光束的移动速度，功率密度的大小等。在严格控制激光功率密度，移动速度，其被加工工件的总体热诸量足够大时，加工后的工件基本无变形，处理后工件表面无需进行机械加工或只需少许机械加工。激光相变硬化热处理无化学污染，不需要冷却介质，易于实现传输，切换的自动控制来实现对工件硬化层的高技术要求。
  
    被加工工件的选择及激光相变硬化的方法：  

　　选用已经机械加工完毕尺寸符合技术要求，用传统方法初步热处理后的65Mn和70Mn材料的尖轨为激光相变硬化实验对象，实测尖轨表面平均硬度值为HRC32，在应激光相变硬化处理部位表面进行除锈去污处理后均匀涂抹黑色液体吸光材料碳黑并凉干，激光相变硬化光源采用2000WCO2激光器，激光相变硬化的工艺参数为：激光功率1600～2000W光斑移动速度为5/s～10/s,采用矩形光斑尺寸为1.5×14mm～3×16 mm每道光斑之间的搭接量为2mm。为确保硬化层厚度的一致性，激光扫描方向为同向扫描。  

    传统热处理方法加工后尖轨在实际应用中的状况：
  
　　传统尖轨热处理方法为尖轨的整体热处理，淬硬层为细片状珠光体组织，为避免出现马氏体组织影响铁路运输的安全性，尖轨的硬度耐磨性强度都被局限在一定的范围内，硬度在HRC32～34之间，因硬度低耐磨性能差尖轨的磨损很严重尖轨需在短时间内定期更换影响铁路运输的正常进行，在对失效后更换下的10根尖轨实际测量后得出以下结论：列车运行时车轮与尖轨之间的磨擦形式为挤压磨擦，在列车换道时，车轮对尖轨侧面产生很大的压力，车轮与尖轨间产生很大的摩擦力，所以尖轨的损坏失效的主要形式为微颗粒的摩擦脱落磨损，、片状脱落 磨损与材料的挤压变形破坏失效，对磨损失效后的尖轨进行具体磨损部位尺寸测量得到以下结果：尖轨侧面磨损量最小量为2mm，最大量为5mm，磨损具体位置如图所示，主要磨损部位在尖轨前端向后200mm为起点，该处尖轨厚度为7～8 mm，在此位置向后1900mm为终点，此点尖轨的厚度为48～50mm,因尖轨在不同的路段安装使用，而各路段的实际路况是不相同的如列车的运行速度、载重量、转弯半径等，导致尖轨磨损程度不同，所以各尖轨的实际使用运行时间有一定的差距。

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