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应用激光相变硬化工艺技术提高尖轨使用寿命研究

2008-06-23 09:59
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    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。

    激光相变硬化对尖轨处理的原理与方法  

    钢的马氏体转变是一种非扩散性转变,因为在这样低的温度下,一方面铁原子不能发生扩散移动,另一方面由于马氏体形成的速度极大,碳原子来不急扩散移动,所以转变只能通过切变过程来实现,转变前后母相和新相成分基体相同,没有成分上的变化。因此马氏体实际上是碳在a—Fe中的过饱和固溶体。有两个温度值对于激光相变硬化处理尤为重要一个是材料的熔点Tm,工件表面的最高温度一定要低于材料的熔点,另一个是材料的奥氏体转变临界温度Tc材料的加热温度必须在Tm与Tc之间才能发生相变硬化转变。尖轨材料一般为65Mn与70Mn,根据马氏体的转变特性,激光相变硬化后得到的马氏体组织为细密的混合形马氏体,即板条状马氏体与针状马氏体的混合体,混合体内针状马氏体组织多于板条状马氏体组织,这是由于材料中的含碳量而决定的。板条状马氏体内部含有极高密度的位错,有很强的位错强化效应,马氏体在形成时把奥氏体分割成很多小块。使组织大大细化,组织中的碳使马氏体固溶强化,板条状马氏体在提高强度和硬度的同时,材料的塑性和冲击韧度甚至断裂韧度均不降低,而针状马氏体硬度高,脆性大,马氏体内充满大量细小的孪晶带的亚结构。由于激光相变硬化热与冷的转变速度极快材料在800℃以上温度的停留时间为0.01~0.65s加热速度为2×103~2×105c/s,而平均冷却速度为700~2×104 c/s从而硬化层全部为极细的马氏体组织,而大量的碳原子来不急扩散移动,高度均匀弥散在晶粒组织之间,材料的硬度耐磨性能有了显著提高。急速的冷却使材料表面产生的压应力达到750Mpa以上材料的疲劳强度得到了很大的提高。  

    材料在马氏体转变时带来了体积增加,其原因一方面是由于晶格改变引起体积膨胀,另一方面是由于晶格畸变也会引起体积增加,马氏体比容的增大是造成钢在热处理时变形开裂的主要原因之一。在铁路备件中,道轨材料是不允许有马氏体的存在更不允许有裂纹的产生,因此在用激光相变硬化技术处理尖轨时,充分利用激光相变硬化技术的特性,激光器输出功率稳定可靠,波动小,激光光斑移动自动控制均匀平稳,在同一工艺参数时得到的相变硬化层深度一致,表面硬度均匀一致。对工艺参数,工艺流程严格监控,使相变硬化层严格控制在1.5mm以内,确保铁路运输的安全性,本文给出的工艺参数所得到的硬化层最大值在1.5mm以内,在尖轨厚度尺寸薄弱处可适当调整工艺参数,如降低功率密度,或提高扫描速度,来减少硬化层厚度,确保激光相变硬化层在材料总体积中所占比例很小,不对尖轨的各项技术指标产生不良影响。  

    在激光相变硬化处理表面每100mm横向均匀取三个点对硬化层进行不同断面硬度测试,取硬度平均值得出如表所列测试结果,根据测试数据可得出以下结论:尖轨主要硬化层厚度为0.75mm,0.75mm以下可视为热影响区段1.5mm以下基体组织结构基本未受影响保持材料的原有组织特性,马氏体相变硬化层小于尖轨实际最小磨损厚度。  

    在使用前对20根激光相变硬化后的尖轨进行全面严格的检测,加工处理后尖轨表面无裂纹,熔凝等缺陷,表面硬度平均值达到HRC62比用传统热处理方法处理的尖轨硬度提高了一倍,在激光两道之间搭接带硬度较低平均在HRC40左右,将检测后合格的尖轨安装在路况条件不同的路段,以便取得不同的试验检测结果,来验证激光相变硬化处理的可靠性,在尖轨各安装地点正常铁路运行过程中定期定时对尖轨的激光相变硬化部位进行严格完整的观察监测可掌握不同磨损程度的数据直到全部20根尖轨磨损失效被更换为止,在整个检测观察过程中全部尖轨未产生裂纹,无片状脱落及积挤压变形形式的损坏,激光光斑搭接带未出现磨损槽沟,尖轨激光相变硬化表面比未进行激光处理的表面均匀光亮细致,在不同的安装地点尖轨使用寿命都有了很大的提高,提高幅度在2—4倍,经过2年多时间不间断重复实验检测观察,取得了大量的实验数据,得出的结论是采用激光相变硬化表面处理的尖轨使用效果良好,尖轨的硬度,耐磨性能,疲劳强度都有了大幅度提高,在整个监测过程中未发现因激光相变硬化热处理而使尖轨的各项技术指标降低,铁路的安全运行得到了充分保障。  

    结论:  

    激光相变硬化表面热处理是一种利用材料本身的热能储量对激光加热表面进行快速冷却使材料表面形成组织结构极细,有大量的位错及孪晶,碳高度均匀的弥散在组织结构中,硬化层的硬度高耐磨性能强,并耐腐蚀,快速的冷却速度使材料表面产生巨大的压应力,提高了材料的疲劳强度。硬化层下部材料由于激光相变硬化热处理的特性得不到足够的热量使其发生奥氏体的转变,材料保持了原有的组织结构的特性。由于激光功率波动小,光斑扫描自动化并运行平稳,尖轨的整体技术指标有了很大程度的提高,并能保证铁路运输的安全运行,在铁路运输中尖轨是一种较容易损坏的配件,所以激光相变硬化热处理技术在其他铁路配件中更应得到广泛的应用。  

    由于尖轨的耐磨性能的提高,延长了使用寿命,减少了更换尖轨的次数,降低了劳动强度和运营成本,保证了铁路运输的正常运行,提高了安全性,如将激光相变硬化技术在其他铁路配件中推广应用,必将提高铁路运输的竞争力。(wenjing)

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