CN110885976A - 一种激光带状纳米复合强化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光强化工艺技术领域，提出了一种激光带状纳米复合强化工艺，采用激光强化处理材料对工件表面进行激光强化处理，使得在工件表面形成强化层。激光强化处理材料包括诱导材料、固溶强化材料和沉积强化材料，诱导材料为石墨烯，固溶强化材料包括Nb碳化物、Mo碳化物和Ca碳化物。沉积强化材料包括Ti碳化物、Si碳化物、W碳化物和Ni碳化物。通过上述技术方案，解决了现有技术中铁路道岔钢轨件易磨损、使用寿命短的问题。
Description
技术领域
本发明属于激光强化工艺技术领域，涉及一种激光带状纳米复合强化工艺。
背景技术
道岔是铁路轨道的重要组成部分和关键设备，是铁路运输中的重要安全部件之一。现行铁路道岔的尖轨、翼轨、心轨、护轨等部件，主要由U75V、U71Mn、U20Mn2SiCrNiMo、U26Mn2SiCrNiMo、高锰钢等合金钢制造。在铁路运行过程中，道岔部件在高热、高寒及潮湿的环境中服役。经过车轮载荷的冲击、磨耗、震动等疲劳应力损伤，道岔部件产生锈蚀、麻点、剥落掉块、裂纹等伤害，甚至发生断裂等严重事故。这些问题降低了道岔的使用寿命，提高了运营成本，影响了铁路运输的安全性。
现有技术中的道岔尖轨，在安装到线路上使用一段时间后，发生尖轨踏面和轮缘面磨耗过快，出现起皮剥落掉块情况，个别尖轨产生裂纹发展到断裂故障。经考查，一般正常情况下只能使用3个月左右时间，已经失效报废，必须更换新尖轨，影响列车正常运行，增加操作工人劳动强度，增加了运营成本。
为了解决道岔的疲劳损伤，提高其使用寿命，近年来，有人采用等离子或激光对道岔部件进行表面淬火处理技术，用以提高道岔的表面硬度。但是，道岔部件表面经过淬火处理后，在其表面一定深度层范围内生成了淬火马氏体硬化组织，容易产生裂纹、断裂等故障隐患，按照铁路行业技术标准要求这是不允许出现的技术指标。
发明内容
本发明提出一种激光带状纳米复合强化工艺，解决了现有技术中铁路道岔钢轨件易磨损、使用寿命短的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种激光带状纳米复合强化工艺，其特征在于，采用激光强化处理材料对工件表面进行激光强化处理，所述激光强化处理材料包括诱导材料、固溶强化材料和沉积强化材料，所述诱导材料为石墨烯。
作为进一步的技术方案，所述固溶强化材料包括Nb碳化物、Mo碳化物和Ca碳化物。
作为进一步的技术方案，所述沉积强化材料包括Ti碳化物、Si碳化物、W碳化物和Ni碳化物。
作为进一步的技术方案，所述诱导材料为纳米级，所述固溶强化材料为微米级，所述沉积强化材料为纳米级。
作为进一步的技术方案，所述激光强化处理材料中，所述诱导材料包括石墨烯6～12份，所述固溶强化材料包括Nb碳化物0.5～1.0份，Mo碳化物2～4份，Ca碳化物1.5～2.5份，
所述沉积强化材料包括Ti碳化物25～30份，Si碳化物4～10份，W碳化物40～47份，Ni碳化物2～4份。
作为进一步的技术方案，所述激光强化处理具体包括以下步骤：
S1.将激光强化处理材料加入调和剂中，混合均匀，得到固液混合体，将得到的固液混合体均匀的喷涂到工件表面，形成预强化材料层；
S2.对钢轨件表面进行激光纳米强化处理，使得在工件表面形成强化层。作为进一步的技术方案，步骤S1中调和剂为甲基纤维素溶液。
作为进一步的技术方案，S2中激光纳米强化处理使用半导体激光发生器，功率800～3000W，扫描光斑φ3～φ5mm，强化速率20～120mm/s，扫描强化带间距3～10mm。
作为进一步的技术方案，步骤S2中强化层深度为0.3～0.6mm。
作为进一步的技术方案，所述工件为铁路道岔钢轨件或铁路列车车轮，所述铁路列车车轮材质为LG60钢或、CL60钢。
本发明的工作原理及有益效果为：
1、本发明中，采用激光强化处理材料对工件表面进行激光强化处理，使得在工件表面形成0.3～0.6mm深度的强化层，这层强化层具有高硬度、高强度、高耐磨、强韧化、抗腐蚀、抗疲劳等特点，可以有效的阻止裂纹、起皮剥落及早期断裂等缺陷，显著提高了列车通过量，延长了道岔更换周期，降低劳动强度，将道岔钢轨件的使用寿命延长了3倍以上，有效解决了现有技术中铁路道岔钢轨件易磨损、使用寿命短的问题。
2、本发明中，采用纳米级石墨烯作为激光强化的诱导材料，纳米级石墨烯经激光强化处理进入工件的强化层内，对基体材料微观金属组织形态具有锁定作用，承担对金属微观组织存在的晶内微细裂纹，位错的切割功能；同时，又能将未完全转变的组织和碳化物，包括参与强化处理的碳化物形成包围机制，这样，经过激光石墨烯纳米强化处理的工件稳定了组织应力，改善了弥散强化和强韧化等技术指标。
3、本发明中，采用微米级Nb、Mo、Ca碳化物参与固溶强化。在激光强化过程中，在一定的温度下，微米级碳化物将以固溶形式进入被激光强化工件的金属强化层内，产生金属微观组织晶粒畸变，从而发生固溶强化作用。
4、本发明中，采用纳米Ti、Si、W、Ni碳化物进行沉积强化。在激光强化过程中，在工件预定层深金属材料被快速加热后，激活了金属材料组织的膨胀度，纳米碳化物迅速沉积到金属材料强化层内，形成均匀的高度弥散分布。经过激光强化处理后，改善了工件表面强化层内金属化学成分和微观组织形貌，达到沉积强化效果。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明强化层在100倍金相显微镜下观察得到的金相显微组织图；
图2为本发明强化层在500倍金相显微镜下观察得到的金相显微组织图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种铁路道岔钢轨件的激光带状纳米复合强化工艺，包括以下步骤：
S1.将纳米级石墨烯纳米级6份、微米级Nb碳化物1份、微米级Mo碳化物3份、微米级Ca碳化物2份、纳米级Ti碳化物35份、纳米级Si碳化物4份、纳米级W碳化物45份、纳米级Ni碳化物4份均匀混合，再加入甲基纤维素溶液，混合均匀，得到固液混合体，将得到的固液混合体均匀的喷涂到钢轨件表面，形成预强化材料层；在喷涂前，先将钢轨件表面清洁干净；
S2.使用半导体激光发生器，单臂机器人控制操作，激光功率1300W，扫描光斑φ5mm，强化速率40mm/s，按8mm距离间隔平行带宽对钢轨件表面进行激光纳米强化处理，在钢轨件表面形成0.5mm深度的平行条带状强化层。
实施例2
一种铁路道岔钢轨件的激光带状纳米复合强化工艺，包括以下步骤：
S1.将纳米级石墨烯纳米级6份、微米级Nb碳化物0.5份、微米级Mo碳化物2份、微米级Ca碳化物1.5份、纳米级Ti碳化物25份、纳米级Si碳化物4份、纳米级W碳化物40份、纳米级Ni碳化物2份均匀混合，再加入甲基纤维素溶液，混合均匀，得到固液混合体，将得到的固液混合体均匀的喷涂到钢轨件表面，形成预强化材料层；在喷涂前，先将钢轨件表面清洁干净；
S2.使用半导体激光发生器，单臂机器人控制操作，激光功率1300W，扫描光斑φ5mm，强化速率40mm/s，按8mm距离间隔平行带宽对钢轨件表面进行激光纳米强化处理，在钢轨件表面形成0.5mm深度的平行条带状强化层。
实施例3
一种铁路道岔钢轨件的激光带状纳米复合强化工艺，包括以下步骤：
S1.将纳米级石墨烯纳米级12份、微米级Nb碳化物1份、微米级Mo碳化物4份、微米级Ca碳化物2.5份、纳米级Ti碳化物30份、纳米级Si碳化物10份、纳米级W碳化物47份、纳米级Ni碳化物4份均匀混合，再加入甲基纤维素溶液，混合均匀，得到固液混合体，将得到的固液混合体均匀的喷涂到钢轨件表面，形成预强化材料层；在喷涂前，先将钢轨件表面清洁干净；
S2.使用半导体激光发生器，单臂机器人控制操作，激光功率1300W，扫描光斑φ5mm，强化速率40mm/s，按8mm距离间隔平行带宽对钢轨件表面进行激光纳米强化处理，在钢轨件表面形成0.5mm深度的平行条带状强化层。
实施例4
一种铁路道岔钢轨件的激光带状纳米复合强化工艺，包括以下步骤：
S1.将纳米级石墨烯纳米级10份、微米级Nb碳化物0.7份、微米级Mo碳化物3份、微米级Ca碳化物2份、纳米级Ti碳化物28份、纳米级Si碳化物10份、纳米级W碳化物45份、纳米级Ni碳化物3份均匀混合，再加入甲基纤维素溶液，混合均匀，得到固液混合体，将得到的固液混合体均匀的喷涂到钢轨件表面，形成预强化材料层；在喷涂前，先将钢轨件表面清洁干净；
S2.使用半导体激光发生器，单臂机器人控制操作，激光功率1300W，扫描光斑φ5mm，强化速率40mm/s，按8mm距离间隔平行带宽对钢轨件表面进行激光纳米强化处理，在钢轨件表面形成0.5mm深度的平行条带状强化层。
实施例5
一种铁路道岔钢轨件的激光带状纳米复合强化工艺，包括以下步骤：
S1.将纳米级石墨烯纳米级10份、微米级Nb碳化物0.7份、微米级Mo碳化物3份、微米级Ca碳化物2份、纳米级Ti碳化物28份、纳米级Si碳化物10份、纳米级W碳化物45份、纳米级Ni碳化物3份均匀混合，再加入甲基纤维素溶液，混合均匀，得到固液混合体，将得到的固液混合体均匀的喷涂到钢轨件表面，形成预强化材料层；在喷涂前，先将钢轨件表面清洁干净；
S2.使用半导体激光发生器，单臂机器人控制操作，激光功率3000W，扫描光斑φ5mm，强化速率120mm/s，按10mm距离间隔平行带宽对钢轨件表面进行激光纳米强化处理，在钢轨件表面形成0.6mm深度的平行条带状强化层。
实施例6
一种铁路道岔钢轨件的激光带状纳米复合强化工艺，包括以下步骤：
S1.将纳米级石墨烯纳米级10份、微米级Nb碳化物0.7份、微米级Mo碳化物3份、微米级Ca碳化物2份、纳米级Ti碳化物28份、纳米级Si碳化物10份、纳米级W碳化物45份、纳米级Ni碳化物3份均匀混合，再加入甲基纤维素溶液，混合均匀，得到固液混合体，将得到的固液混合体均匀的喷涂到钢轨件表面，形成预强化材料层；在喷涂前，先将钢轨件表面清洁干净；
S2.使用半导体激光发生器，单臂机器人控制操作，激光功率800W，扫描光斑φ3mm，强化速率20mm/s，按3mm距离间隔平行带宽对钢轨件表面进行激光纳米强化处理，在钢轨件表面形成0.3mm深度的平行条带状强化层。
实施例7
一种铁路列车车轮的激光带状纳米复合强化工艺，包括以下步骤：
S1.将纳米级石墨烯纳米级6份、微米级Nb碳化物1份、微米级Mo碳化物3份、微米级Ca碳化物2份、纳米级Ti碳化物35份、纳米级Si碳化物4份、纳米级W碳化物45份、纳米级Ni碳化物4份均匀混合，再加入甲基纤维素溶液，混合均匀，得到固液混合体，将得到的固液混合体均匀的喷涂到铁路列车车轮表面，形成预强化材料层；在喷涂前，先将铁路列车车轮表面清洁干净；
S2.使用半导体激光发生器，单臂机器人控制操作，激光功率1300W，扫描光斑
强化速率40mm/s，按8mm距离间隔平行带宽对铁路列车车轮表面进行激光纳米强化处理，在铁路列车车轮表面形成0.5mm深度的平行条带状强化层。
将经过激光纳米强化处理的钢轨件安装在铁路道岔上使用，从上线使用日期开始，已经正常运行近十个月时间，在每月例行检测中均未发现存有超标准缺陷，目前还在使用中，相比较原未经强化处理的钢轨件，使用寿命提高了3倍以上。
将经过激光纳米强化处理的铁路列车车轮投入使用，从使用日期开始，铁路列车正常运行近十个月时间，铁路道岔钢轨件在每月例行检测中均未发现存有超标准缺陷，目前还在使用中，相比较原未经强化处理的铁路列车车轮，铁路道岔钢轨件的使用寿命提高了3倍以上。
图1～2分别为实施例1的强化层在金相显微镜下放大100倍、放大500倍得到的金相显微组织图，图1中白亮区和灰色区为强化层，图2为放大后的强化层和基体层之间的过滤层，实施例2～7的强化层的金相显微组织图与实施例1几乎无差别，故省略实施例2～7的金相显微组织图。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光带状纳米复合强化工艺，其特征在于，采用激光强化处理材料对工件表面进行激光强化处理，所述激光强化处理材料包括诱导材料、固溶强化材料和沉积强化材料，所述诱导材料为石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种激光带状纳米复合强化工艺，其特征在于，所述固溶强化材料包括Nb碳化物、Mo碳化物和Ca碳化物。
3.根据权利要求2所述的一种激光带状纳米复合强化工艺，其特征在于，所述沉积强化材料包括Ti碳化物、Si碳化物、W碳化物和Ni碳化物。
4.根据权利要求1所述的一种激光带状纳米复合强化工艺，其特征在于，所述诱导材料为纳米级，所述固溶强化材料为微米级，所述沉积强化材料为纳米级。
5.根据权利要求3所述的一种激光带状纳米复合强化工艺，其特征在于，所述激光强化处理材料中，
所述诱导材料包括石墨烯6～12份，
所述固溶强化材料包括Nb碳化物0.5～1.0份，Mo碳化物2～4份，Ca碳化物1.5～2.5份，
所述沉积强化材料包括Ti碳化物25～30份，Si碳化物4～10份，W碳化物40～47份，Ni碳化物2～4份。
6.根据权利要求1所述的一种激光带状纳米复合强化工艺，其特征在于，所述激光强化处理具体包括以下步骤：
S1.将激光强化处理材料加入调和剂中，混合均匀，得到固液混合体，将得到的固液混合体均匀的喷涂到工件表面，形成预强化材料层；
S2.对钢轨件表面进行激光纳米强化处理，使得在工件表面形成强化层。
7.根据权利要求6所述的一种激光带状纳米复合强化工艺，其特征在于，步骤S1中调和剂为甲基纤维素溶液。
8.根据权利要求6所述的一种激光带状纳米复合强化工艺，其特征在于，S2中激光纳米强化处理使用半导体激光发生器，功率800～3000W，扫描光斑φ3～φ5mm，强化速率20～120mm/s，扫描强化带间距3～10mm。
9.根据权利要求6所述的一种激光带状纳米复合强化工艺，其特征在于，步骤S2中强化层深度为0.3～0.6mm。
10.根据权利要求6所述的一种激光带状纳米复合强化工艺，其特征在于，所述工件为铁路道岔钢轨件或铁路列车车轮。
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