针对铁路道岔的伤损情况，分析道岔钢轨伤损失效原因。研究钢轨表面强化处理技术，研制个性化纳米级材料，采用激光对钢轨表面进行强化，实现了道岔钢轨使用寿命、表面硬度及耐磨性的提高，该技术适用于各类轨件，可为重载线路道岔钢轨寿命延长提供新手段。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄡󠄨󠄞󠄡󠄦󠄤󠄞󠄡󠄤󠄡󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
1 概述
近年来，随着重载铁路运输的发展，万吨组合列车常态化运行，重载列车对道岔部件造成了较大的冲击，道岔钢轨磨耗和承受列车冲击形成的疲劳损伤已经超过传统线路。道岔钢轨的修复维护工作需要不断满足和适应铁路线路的安全运行使用要求，提高道岔钢轨表面硬度及耐磨性能，研究制定解决道岔轨件磨损快，易剥落、掉块等问题的有效方法，可以进一步延长道岔钢轨使用寿命。为此，从道岔钢轨使用开始到发生损伤或失效的全过程着手，研究激光纳米强化技术，提高道岔的翼轨、护轨、心轨、尖轨等轨件的耐磨耗、抗剥离、抗裂纹、抗疲劳等力学性能，提升道岔钢轨的技术性能指标，延长道岔钢轨的使用寿命周期。
2 铁路道岔的损伤失效分析
铁路列车运行中，线路上的道岔钢轨和列车上的车轮是铁路设备主要运行部件。道岔是由一条线路分支进入或跨越另一条线路的连接及交叉设备分支，道岔是轨道结构的重要组成部分。铁路道岔存在着一些普通钢轨在线路上没有的复杂条件，例如：固定辙叉存在轨线中断，尖轨、护轨、翼轨冲击角远远大于曲线轨道，道岔区的轨道竖向和横向刚度变化远高于普通钢轨等。机车车辆在通过道岔时，轮轨间的作用力比普通线路高很多，道岔承受冲击和磨耗形成疲劳裂纹、踏面坍塌、剥落掉块等损伤，使道岔的主要部件使用寿命比普通轨道短，因此道岔是轨道线路的薄弱环节，是影响行车安全和限制行车速度的一个主要原因。
由于道岔的损伤失效，要在短时间内更换或维修，这样影响列车运行的同时，也给维修部门和操作工人带来了很大的压力及劳动强度。据铁路部门统计，道岔部件最短失效或需要维修时间仅为半月左右，给铁路运营造成了很大的经济损失，也严重制约着了列车的高速化和重载化发展。对道岔轨件伤损的传统维修方法，主要是更换新轨件、局部补焊，补加衬板等方式。随着铁路的发展和科技进步，道岔轨件的材质改进，使性能得到了提高。但是道岔的结构整体性、耐磨损及抗疲劳等性能仍然跟不上铁路高速重载发展的步伐。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄡󠄨󠄞󠄡󠄦󠄤󠄞󠄡󠄤󠄡󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
3 铁路道岔钢轨激光纳米表面强化技术的研究
3.1 激光纳米强化技术的研究
激光是一种独特的能量源，相比普通光源，具有方向性好、单色性好、相干性好和亮度高的特点。最初，激光技术在铁路上的应用主要集中在钢轨检测方面，如钢轨表面缺陷的三维检测、钢轨的直线度检测和激光定位等，随着激光器功率的不断提高，以激光作为能量源的激光加工技术得到了飞速发展。
激光纳米强化技术是一种新型的金属材料表面合金强化处理技术。利用激光对材料表面进行加热，将预涂在零件表面的纳米级超微细颗粒的特种金属间化合物和陶瓷合金材料，沉淀到距钢轨轨头表面一定深度内，形成弥散均匀分布、耐磨损、高强韧性、高显微硬度、高耐温的一层特种合金结构层。这一层特殊合金的金属为超细化、过饱和、高度弥散、均匀分布的纳米级碳化物与金属间化合物的强化细小颗粒和固溶体等组成的多相合金组织。这些纳米级硬质颗粒均匀弥散分布在基体之中，依靠其对位错的绕过机制(图1)和切割机制(图2)，来提升道岔钢轨的技术性能指标，延长道岔主要轨件的使用寿命周期。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄡󠄨󠄞󠄡󠄦󠄤󠄞󠄡󠄤󠄡󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
3.2 激光纳米强化材料的研究
研究纳米级材料时，要考虑使用不同纳米级材料与成分比率，以及材料之间的协同作用，轨件基体的成分和组织状态等因素。采取个性化定制模式设计纳米材料的化学成分和比率，满足轨件的标准技术要求，以获得理想的耐磨损、耐冲击、高强韧性等性能指标。
3.3 激光纳米强化工艺的研究
影响激光强化的工艺参数有很多，其中主要的有激光功率P(W)、扫描速度Vs(mm/s)等参数。
激光功率P：激光功率越大，单位时间内作用在材料表面的能量越多，熔化层深度增加，稀释率也相应增加。同时，功率增加也会让激光光斑的实际作用直径略微增加，强化层的宽度相应变宽，强化层变得更加扁平。激光的功率不能过低，过低的功率会让预涂层材料利用率降低，强化层变薄甚至不连续。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄡󠄨󠄞󠄡󠄦󠄤󠄞󠄡󠄤󠄡󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
扫描速度Vs：扫描速度是激光光斑在工件上扫过的速度，它会影响激光的功率密度，对强化层表面平整度、形状系数等都有一定的影响。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄡󠄨󠄞󠄡󠄦󠄤󠄞󠄡󠄤󠄡󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
此外，还需考虑不同轨件在工况使用位置激光纳米强化处理后的强化层深度和强化表面的状态等。在工艺操作过程中，针对不同轨件强化部位的外表面形态，设计机器人仿形扫描和自动控制等智能化、数控化操作工艺控制程序和步骤等试验，选择并确定具体的最佳技术工艺方案。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄡󠄨󠄞󠄡󠄦󠄤󠄞󠄡󠄤󠄡󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
4 铁路道岔钢轨激光纳米表面强化试验
4.1 工艺流程
个性化制备纳米材料：按道岔轨件的材质与性能等技术要求，量身定制轨件专用的激光纳米强化处理纳米级材质。
前置无损探伤检测：使用超声波探伤方法检查轨件待强化处理表面，不允许存在超出标准要求的裂纹、夹渣、空洞等缺陷。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄡󠄨󠄞󠄡󠄦󠄤󠄞󠄡󠄤󠄡󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
待强化轨件表面清理：道岔轨件在强化处理前需采用机械抛光等方法清理待处理表面，去除锈迹和氧化皮，达到干净光洁金属表面。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄡󠄨󠄞󠄡󠄦󠄤󠄞󠄡󠄤󠄡󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
预涂纳米材料：将制备好的纳米强化材料经过增粘剂和稀释剂合理调整，预涂在待强化处理轨件表面上，预涂层厚度控制在0.1mm~0.3mm范围内，且均匀平整。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄡󠄨󠄞󠄡󠄦󠄤󠄞󠄡󠄤󠄡󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
激光纳米强化处理：采用6kW~10kW大功率激光加工机组和机器人智能控制操作，在轨件表面按设定的激光功率密度、照射光斑、扫描速度等技术工艺参数，对轨件进行激光仿形纳米强化处理(图2)。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄡󠄨󠄞󠄡󠄦󠄤󠄞󠄡󠄤󠄡󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
后置无损探伤检测：经激光纳米强化处理后的轨件，采用超声波探伤方法检查处理后表面部位，不允许存在裂纹、空洞、夹渣等超标准缺陷。
4.2 工艺试验
道岔尖轨经过激光纳米强化处理后，制备成试样，对强化处理的尖轨试验件进行检测，其各项性能达到TB/T 412-2014《标准轨距铁路道岔技术条件》的要求，具体如下：
激光纳米强化尖轨轨头横断面硬度：对经表面激光纳米强化处理的道岔尖轨试验件进行显微维氏硬度测试，激光强化层硬度为603.1HV~647.8HV，基体硬度为311.9HV~331.8HV，可看出激光强化的位置尖轨硬度显著提高，并且基体的硬度不受影响。
激光纳米强化尖轨强化层深度：道岔尖轨经表面激光强化处理后的强化层最大深度为0.32mm。
激光纳米强化尖轨金相组织：道岔尖轨经表面激光强化后，由表及里为激光强化层、基体。基体组织为珠光体及少量铁素体，与激光强化层相邻的基体中未见马氏体和贝氏体组织。
按同工艺对材质为U75V的4根50AT尖轨进行了激光纳米强化处理，检测表面硬度达到324HBW-384HBW，超声波探伤合格，具备上道试验条件。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄡󠄨󠄞󠄡󠄦󠄤󠄞󠄡󠄤󠄡󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
5 上道试验
经调查，石太上行线年通货量约7000万吨，约65%的货车进入榆次编组二场，且要通过209#和217#道岔，每组道岔的年通货量约4000万吨，致使两组道岔尖轨出现踏面磨耗量大、剥离掉块、压溃等缺陷，平均每5~8个月就更换一次，频繁更换造成人力、物力的浪费，给安全运营造成一定影响。
激光纳米强化的尖轨（左、右侧各两根）在209#和217#两组道岔上道使用后，定期跟踪其使用情况。目前，激光纳米强化的尖轨已上道使用16个多月，尖轨质量状况较好，磨耗小，仅有轻微压溃，仍可继续使用。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄡󠄨󠄞󠄡󠄦󠄤󠄞󠄡󠄤󠄡󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
6 结束语
采用激光纳米强化技术，根据钢轨的外形尺寸、材质选用合理的工艺参数，研制个性化纳米级材料，对钢轨近表层进行激光强化，提高了轨件表面硬度及耐磨性。激光纳米强化技术可延长钢轨使用寿命2倍以上，减少线路维修、养护工作量，降低工务维修成本，保障线路轨道的运行安全，具有良好的应用前景。
文章来源：
原文名称：铁路道岔钢轨激光纳米表面强化技术的研究󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄡󠄨󠄞󠄡󠄦󠄤󠄞󠄡󠄤󠄡󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
作者信息：王化平（山西铁路装备制造集团轨道交通有限公司）󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄡󠄨󠄞󠄡󠄦󠄤󠄞󠄡󠄤󠄡󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
期刊信息：《太原铁道科技》 2020年第2期󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄡󠄨󠄞󠄡󠄦󠄤󠄞󠄡󠄤󠄡󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
