激光相變硬化熱處理是將規(guī)律的強(qiáng)激光束照射到工件表面，迅速將工件表面溫度提高到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度以上，熔點(diǎn)以下的范圍之內(nèi)，通過(guò)激光束的快速移動(dòng)，被加熱的部位與工件內(nèi)部進(jìn)行快速的熱交換，使工件表面的冷卻速度極快來(lái)實(shí)現(xiàn)馬氏體的轉(zhuǎn)化，得到極細(xì)的馬氏體結(jié)構(gòu)組織。由于激光相變硬化是采用快速加熱與快速冷卻的工作方式，它在工件表面上產(chǎn)生的壓應(yīng)力可以達(dá)到750Mpa以上,從而增強(qiáng)了材料的疲勞強(qiáng)度。

　　激光相變硬化主要是用來(lái)對(duì)鋼鐵材料的熱處理，因?yàn)樗�的冷卻速度比奧氏體的臨界冷卻速度大的多與鋼的淬透性無(wú)關(guān)。一些用傳統(tǒng)熱處理不易處理或效果不佳的材料，如鑄鐵，低碳鋼等均可采用激光相變硬化的方式進(jìn)行熱處理，并且效果良好，擴(kuò)展了此類材料的應(yīng)用范圍，相變硬化層的厚度決定于被加熱材料的散熱系數(shù)，熱導(dǎo)率和激光束的移動(dòng)速度，功率密度的大小等。在嚴(yán)格控制激光功率密度，移動(dòng)速度，其被加工工件的總體熱諸量足夠大時(shí)，加工后的工件基本無(wú)變形，處理后工件表面無(wú)需進(jìn)行機(jī)械加工或只需少許機(jī)械加工。激光相變硬化熱處理無(wú)化學(xué)污染，不需要冷卻介質(zhì)，易于實(shí)現(xiàn)傳輸，切換的自動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件硬化層的高技術(shù)要求。

    被加工工件的選擇及激光相變硬化的方法：

　　選用已經(jīng)機(jī)械加工完畢尺寸符合技術(shù)要求，用傳統(tǒng)方法初步熱處理后的65Mn和70Mn材料的尖軌為激光相變硬化實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)測(cè)尖軌表面平均硬度值為HRC32，在應(yīng)激光相變硬化處理部位表面進(jìn)行除銹去污處理后均勻涂抹黑色液體吸光材料碳黑并涼干，激光相變硬化光源采用2000WCO2激光器，激光相變硬化的工藝參數(shù)為：激光功率1600～2000W光斑移動(dòng)速度為5/s～10/s,采用矩形光斑尺寸為1.5×14mm～3×16 mm每道光斑之間的搭接量為2mm。為確保硬化層厚度的一致性，激光掃描方向?yàn)橥�向掃描�?BR>
    傳統(tǒng)熱處理方法加工后尖軌在實(shí)際應(yīng)用中的狀況：

　　傳統(tǒng)尖軌熱處理方法為尖軌的整體熱處理，淬硬層為細(xì)片狀珠光體組織，為避免出現(xiàn)馬氏體組織影響鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩���，尖軌的硬度耐磨性�?qiáng)度都被局限在一定的范圍內(nèi)，硬度在HRC32～34之間，因硬度低耐磨性能差尖軌的磨損很?chē)?yán)重尖軌需在短時(shí)間內(nèi)定期更換影響鐵路運(yùn)輸?shù)恼�常進(jìn)行，在對(duì)失效后更換下的10根尖軌實(shí)際測(cè)量后得出以下結(jié)論：列車(chē)運(yùn)行時(shí)車(chē)輪與尖軌之間的磨擦形式為擠壓磨擦，在列車(chē)換道時(shí)，車(chē)輪對(duì)尖軌側(cè)面產(chǎn)生很大的壓力，車(chē)輪與尖軌間產(chǎn)生很大的摩擦力，所以尖軌的損壞失效的主要形式為微顆粒的摩擦脫落磨損，、片狀脫落 磨損與材料的擠壓變形破壞失效，對(duì)磨損失效后的尖軌進(jìn)行具體磨損部位尺寸測(cè)量得到以下結(jié)果：尖軌側(cè)面磨損量最小量為2mm，最大量為5mm，磨損具體位置如圖所示，主要磨損部位在尖軌前端向后200mm為起點(diǎn)，該處尖軌厚度為7～8 mm，在此位置向后1900mm為終點(diǎn)，此點(diǎn)尖軌的厚度為48～50mm,因尖軌在不同的路段安裝使用，而各路段的實(shí)際路況是不相同的如列車(chē)的運(yùn)行速度、載重量、轉(zhuǎn)彎半徑等，導(dǎo)致尖軌磨損程度不同，所以各尖軌的實(shí)際使用運(yùn)行時(shí)間有一定的差距。
    激光相變硬化對(duì)尖軌處理的原理與方法

　　鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變是一種非擴(kuò)散性轉(zhuǎn)變，因?yàn)樵谶@樣低的溫度下，一方面鐵原子不能發(fā)生擴(kuò)散移動(dòng)，另一方面由于馬氏體形成的速度極大，碳原子來(lái)不急擴(kuò)散移動(dòng)，所以轉(zhuǎn)變只能通過(guò)切變過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)變前后母相和新相成分基體相同，沒(méi)有成分上的變化。因此馬氏體實(shí)際上是碳在a—Fe中的過(guò)飽和固溶體。有兩個(gè)溫度值對(duì)于激光相變硬化處理尤為重要一個(gè)是材料的熔點(diǎn)Tm，工件表面的最高溫度一定要低于材料的熔點(diǎn)，另一個(gè)是材料的奧氏體轉(zhuǎn)變臨界溫度Tc材料的加熱溫度必須在Tm與Tc之間才能發(fā)生相變硬化轉(zhuǎn)變。尖軌材料一般為65Mn與70Mn，根據(jù)馬氏體的轉(zhuǎn)變特性，激光相變硬化后得到的馬氏體組織為細(xì)密的混合形馬氏體，即板條狀馬氏體與針狀馬氏體的混合體，混合體內(nèi)針狀馬氏體組織多于板條狀馬氏體組織，這是由于材料中的含碳量而決定的。板條狀馬氏體內(nèi)部含有極高密度的位錯(cuò)，有很強(qiáng)的位錯(cuò)強(qiáng)化效應(yīng)，馬氏體在形成時(shí)把奧氏體分割成很多小塊。使組織大大細(xì)化，組織中的碳使馬氏體固溶強(qiáng)化，板條狀馬氏體在提高強(qiáng)度和硬度的同時(shí)，材料的塑性和沖擊韌度甚至斷裂韌度均不降低，而針狀馬氏體硬度高，脆性大，馬氏體內(nèi)充滿大量細(xì)小的孿晶帶的亞結(jié)構(gòu)。由于激光相變硬化熱與冷的轉(zhuǎn)變速度極快材料在800℃以上溫度的停留時(shí)間為0.01～0.65s加熱速度為2×103～2×105c/s,而平均冷卻速度為700～2×104 c/s從而硬化層全部為極細(xì)的馬氏體組織，而大量的碳原子來(lái)不急擴(kuò)散移動(dòng)，高度均勻彌散在晶粒組織之間，材料的硬度耐磨性能有了顯著提高。急速的冷卻使材料表面產(chǎn)生的壓應(yīng)力達(dá)到750Mpa以上材料的疲勞強(qiáng)度得到了很大的提高。

　　材料在馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)帶來(lái)了體積增加，其原因一方面是由于晶格改變引起體積膨脹，另一方面是由于晶格畸變也會(huì)引起體積增加，馬氏體比容的增大是造成鋼在熱處理時(shí)變形開(kāi)裂的主要原因之一。在鐵路備件中，道軌材料是不允許有馬氏體的存在更不允許有裂紋的產(chǎn)生，因此在用激光相變硬化技術(shù)處理尖軌時(shí)，充分利用激光相變硬化技術(shù)的特性，激光器輸出功率穩(wěn)定可靠，波動(dòng)小，激光光斑移動(dòng)自動(dòng)控制均勻平穩(wěn)，在同一工藝參數(shù)時(shí)得到的相變硬化層深度一致，表面硬度均勻一致。對(duì)工藝參數(shù)，工藝流程嚴(yán)格監(jiān)控，使相變硬化層嚴(yán)格控制在1.5mm以內(nèi)，確保鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩���，本文給出的工藝參數(shù)所得到的硬化層最大值在1.5mm以內(nèi)，在尖軌厚度尺寸薄弱處可適當(dāng)調(diào)整工藝參數(shù)，如降低功率密度，或提高掃描速度，來(lái)減少硬化層厚度，確保激光相變硬化層在材料總體積中所占比例很小，不對(duì)尖軌的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)生不良影響。

　　在激光相變硬化處理表面每100mm橫向均勻取三個(gè)點(diǎn)對(duì)硬化層進(jìn)行不同斷面硬度測(cè)試，取硬度平均值得出如表所列測(cè)試結(jié)果，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論：尖軌主要硬化層厚度為0.75mm，0.75mm以下可視為熱影響區(qū)段1.5mm以下基體組織結(jié)構(gòu)基本未受影響保持材料的原有組織特性，馬氏體相變硬化層小于尖軌實(shí)際最小磨損厚度。

　　在使用前對(duì)20根激光相變硬化后的尖軌進(jìn)行全面嚴(yán)格的檢測(cè)，加工處理后尖軌表面無(wú)裂紋，熔凝等缺陷，表面硬度平均值達(dá)到HRC62比用傳統(tǒng)熱處理方法處理的尖軌硬度提高了一倍，在激光兩道之間搭接帶硬度較低平均在HRC40左右，將檢測(cè)后合格的尖軌安裝在路況條件不同的路段，以便取得不同的試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，來(lái)驗(yàn)證激光相變硬化處理的可靠性，在尖軌各安裝地點(diǎn)正常鐵路運(yùn)行過(guò)程中定期定時(shí)對(duì)尖軌的激光相變硬化部位進(jìn)行嚴(yán)格完整的觀察監(jiān)測(cè)可掌握不同磨損程度的數(shù)據(jù)直到全部20根尖軌磨損失效被更換為止，在整個(gè)檢測(cè)觀察過(guò)程中全部尖軌未產(chǎn)生裂紋，無(wú)片狀脫落及積擠壓變形形式的損壞，激光光斑搭接帶未出現(xiàn)磨損槽溝，尖軌激光相變硬化表面比未進(jìn)行激光處理的表面均勻光亮細(xì)致，在不同的安裝地點(diǎn)尖軌使用壽命都有了很大的提高，提高幅度在2—4倍，經(jīng)過(guò)2年多時(shí)間不間斷重復(fù)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)觀察，取得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出的結(jié)論是采用激光相變硬化表面處理的尖軌使用效果良好，尖軌的硬度，耐磨性能，疲勞強(qiáng)度都有了大幅度提高，在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)因激光相變硬化熱處理而使尖軌的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)降低，鐵路的安全運(yùn)行得到了充分保障。

    結(jié)論：

　　激光相變硬化表面熱處理是一種利用材料本身的熱能儲(chǔ)量對(duì)激光加熱表面進(jìn)行快速冷卻使材料表面形成組織結(jié)構(gòu)極細(xì)，有大量的位錯(cuò)及孿晶，碳高度均勻的彌散在組織結(jié)構(gòu)中，硬化層的硬度高耐磨性能強(qiáng)，并耐腐蝕，快速的冷卻速度使材料表面產(chǎn)生巨大的壓應(yīng)力，提高了材料的疲勞強(qiáng)度。硬化層下部材料由于激光相變硬化熱處理的特性得不到足夠的熱量使其發(fā)生奧氏體的轉(zhuǎn)變，材料保持了原有的組織結(jié)構(gòu)的特性。由于激光功率波動(dòng)小，光斑掃描自動(dòng)化并運(yùn)行平穩(wěn)，尖軌的整體技術(shù)指標(biāo)有了很大程度的提高，并能保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩�運(yùn)行，在鐵路運(yùn)輸中尖軌是一種較容易損壞的配件，所以激光相變硬化熱處理技術(shù)在其他鐵路配件中更應(yīng)得到廣泛的應(yīng)用。

　　由于尖軌的耐磨性能的提高，延長(zhǎng)了使用壽命，減少了更換尖軌的次數(shù)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)營(yíng)成本，保證了鐵路運(yùn)輸?shù)恼�常運(yùn)行，提高了安全性，如將激光相變硬化技術(shù)在其他鐵路配件中推廣應(yīng)用，必將提高鐵路運(yùn)輸?shù)母?jìng)爭(zhēng)力