本發明涉及鋼軌再造處理技術領域，更具體地說涉及一種利用層流等離子進行鋼軌表面處理的方法。
背景技術：
隨著我國軌道交通的高速化、重載化，鐵路運行條件日益苛刻，使得鐵路及其配件、軌道機車零部件受力狀態更加惡劣，加快了失效速度，縮短了使用壽命。軌道車輛的主要零部件及配件的生產呈現供不應求的局面，國內企業的生產能力已經滿足不了市場的需求，有的軌道車輛零部件及鐵路配件還需通過進口解決；另外，軌道車輛零部件及配件大多數為鑄鋼件，表面處理過程十分復雜，一旦失效，只能回爐處理，無法實現剩余價值的循環再利用。
隨著未來鐵路設施與裝備存量的不斷擴大、更新，如何回收并充分利用退役的老化設施、裝備及其零件成為綠色軌道交通領域中一個重要的研究課題。2010年，國家發改委等11部委聯合發布《關于推進再制造產業發展的意見》，明確將鐵路機車再制造列入再制造重點發展領域，掀開了鐵路再制造的新篇章。
再制造是維修發展的高級階段，是先進制造領域的一種重要技術，也是廢舊產品高技術修復、改造的產業化應用。它以廢舊產品的零部件為毛坯，采用先進的表面工程技術對其進行修復，多數情況是在損傷的零件表面制備一薄層耐磨、耐蝕、抗疲勞的表面涂層。再制造產品質量和性能達到或超過原型新品，而成本則不超過原型新品的50％，節能60％、節材70％，對環境的不良影響也顯著降低，屬于典型的綠色制造。
近兩百年來，鐵軌、輪轂、道岔、鐵路機車軸承、車輪、車軸等相關軌道部件的表面強化與修復一直都是全世界的關注熱點，但由于其自身高性能、高熔點以及獨特的使用特點，傳統技術以及近幾十年來新興的技術無法用于其表面修復與強化。世界各大工業強國，如美國、俄國、德國、俄羅斯等國家，每年投入了大量的人力與物力，用于鐵路再制造技術的研究，但仍然沒有從根本上解決這個難題，就目前而言，俄羅斯在傳統等離子體強化輪轂方面取得了一些應用進展，美國及中國鐵路研究院在激光強化軌道表面也取得了局部應用進展，但從根本實際應用上講，這仍屬于未突破的世界難題。
技術實現要素：
為了克服上述現有技術中存在的不足和缺陷，本發明提供了一種利用層流等離子進行鋼軌表面處理的方法，本發明的發明目的旨在于填補鐵路再制造系統設備的空白，采用層流電弧等離子體束再制造系統設備對鐵路道岔、鋼軌、車輪及其它軌道車輛零部件進行熱表面強化處理，經過處理的材料表面硬度增強效果非常明顯，其耐磨性也獲得極大提高。
為了解決上述現有技術中存在的問題，本發明是通過下述技術方案實現的：
一種利用層流等離子進行鋼軌表面處理的方法，其特征在于：包括如下步驟：
鋼軌表面預處理步驟：將鋼軌表面用機械處理或化學處理的方法，清除表面的鐵銹和油污；
預熱處理步驟：采用非轉移弧層流等離子發生器作為熱源，對鋼軌表面進行預熱處理；
鋼軌表面熔覆步驟：采用非轉移弧層流等離子發生器作為熱源，非轉移弧層流等離子發生器沿鋼軌縱向軸線相對平行勻速移動，由送絲送粉裝置沿非轉移弧層流等離子發生器中心軸向送粉，向鋼軌表面噴送復合粉末，并經過非轉移弧層流等離子發生器噴射熔覆后，形成熔覆層；
鋼軌表面冷卻處理步驟：熔覆完成后，鋼軌表面進行水冷卻或自然冷卻；
鋼軌表面再處理步驟：在除熔覆層以外的鋼軌表面上，再用除銹用具及用品進行機械處理或化學處理，以便除去緩冷后超過4小時其表面又產生的氧化薄膜，使鋼軌表面再次露出新鮮的金屬光澤；
鋼軌表面噴涂處理步驟：采用非轉移弧層流等離子發生器作為熱源，由送絲送粉裝置沿非轉移弧層流等離子發生器中心軸向送粉，向鋼軌表面噴送一層涂層材料，非轉移弧層流等離子發生器將涂層材料噴涂在鋼軌表面，形成鋼軌表面涂層。
所述鋼軌表面熔覆步驟中向鋼軌表面噴送復合粉末，具體是指：在鋼軌上表面或者在鋼軌上表面和與上表面緊鄰的軌鄂表面噴送一層復合粉末，或噴送上、下兩層復合粉末，經非轉移弧層流等離子發生器一次或多次熔覆后，形成熔覆層或形成上、下兩層結構的熔覆層。
所述復合粉末是鎳基合金粉末、鐵基合金粉末、鎳鐵基合金粉末、鈷基合金粉末、氧化物陶瓷粉末、納米氧化物陶瓷粉末、鎳包氧化物陶瓷粉末和鎳包納米氧化物陶瓷粉末中的一種或兩種以上均勻混合后的粉末。
所述涂層材料是氧化鋯、二氧化硅、氮化鋁、氧化亞銅、鐵粉和鋁粉中一種或任意兩種以上的混合而形成的涂層材料。
所述送絲送粉裝置的送粉量為30g/min～90 g/min。
所述鋼軌表面涂層的孔隙率為0.5%～5%。
所述非轉移弧層流等離子發生器的功率大于或等于200KW。
所述非轉移弧層流等離子發生器的熔覆速度為30kg/h。
所述非轉移弧層流等離子發生器主要采用中軸圓柱陽極結構，沿陽極柱周圍環形均勻布置三個或三個以上的陰極，陽極均分為多個不同部位與對應陰極形成連接電弧，形成高弧壓小電流層流長束等離子弧；陽極和陰極均安裝在同一個底座上固定，相互絕緣，底座有水、電、氣通道，圓柱陽極的外表面相對絕緣，只有在靠近出口的頭部裸露導電，從而與陰極間形成電場。
所述非轉移弧層流等離子發生器使用的工作氣體為氬氣、氮氣、氦氣、氫氣和氨氣中的一種或任意兩種以上的混合。
與現有技術相比，本發明所帶來的有益的技術效果表現在：
1、本發明利用層流等離子體對鐵路進行再制造的方法，填補了鐵路再制造系統方面的世界空白。實驗證明，采用本發明的層流等離子進行鋼軌表面處理的方法對鐵路道岔、鋼軌、車輪及其它軌道車輛零部件進行熱表面強化處理，經過處理的材料表面硬度增強效果非常明顯，其耐磨性也獲得極大提高。在這方面，申請人前期對多種軌道及輪轂鋼進行了大量的層流等離子體束表面熱處理(非轉移弧)試驗，并抽取了部分樣品進行第三方檢測，檢測結果表明：處理后軌道及輪轂鋼表面硬度提高三到四倍，其耐磨性提高10倍以上。本發明方法用于鐵路軌道和車輪，將極大地提高其耐磨性，成倍延長鐵軌和車輪使用壽命，對我國鐵路建設和維護具有里程碑意義。另外，通過對鐵路搗固鎬頭的實際工作測試表明：經層流等離子體束表面熱處理的搗固鎬頭壽命提高至少5倍。
2、本發明方法，在原有鋼軌上，通過層流等離子熔覆技術增加了與鋼軌表面具有很好結合力的另一中材質——熔覆層，使鋼軌具有了兩種材質。較之原有鋼軌，具有高硬度、高屈服應力極限和低摩擦力的特點。從而增強了鋼軌的耐久性，并提高了鋼軌及固定鋼軌線路原件的使用壽命。
3、本發明的方法，采用非轉移弧層流等離子發生器為熱源，以層流等離子為熱源進行熔覆，由于層流等離子熱量集中，離子弧穩定性好，沒有電極熔耗，輸出熱量均勻，便于控制，這樣使得熔鑄區熱量分布均勻，材料熔合充分均勻，排氣浮渣都充分，收縮應力分布均勻。由于層流等離子設備控制精度高，對熔覆區和過渡區的控制方便，且均勻度好，應力分配更容易控制合理。用氬氣等氣體介質保護不需要各種添加劑，也不存在排氫，氧化等問題，所以等離子熔覆更適合大面積，大厚度，高質量的硬面熔鑄（如高錳·高鉻陶瓷材料等），適合于制造鐵路道岔、鋼軌、車輪及其它軌道車輛零部件等。
4、本發明的方法，還包括有噴涂處理步驟，噴涂處理是采用層流等離子噴涂技術，在鋼軌表面噴涂一層表面涂層，層流等離子的加熱方式對涂層材料限制少，涂層材料選擇廣泛，且對碳化物及氧化物等熔覆更容易。
5、本發明的方法，層流等離子是一種電離弧，比弧焊機熱量更集中，所以加熱速度更快，為了獲得更集中的離子束，一般采用高壓縮比孔徑，小電流，以便控制基體溫度不致太高，避免引起退火變形，以激光器加熱速度無法比擬。
具體實施方式
實施例1
作為本發明一較佳實施例，本實施例公開了：
一種利用層流等離子進行鋼軌表面處理的方法，包括如下步驟：
鋼軌表面預處理步驟：將鋼軌表面用機械處理或化學處理的方法，清除表面的鐵銹和油污；
預熱處理步驟：采用非轉移弧層流等離子發生器作為熱源，對鋼軌表面進行預熱處理；
鋼軌表面熔覆步驟：采用非轉移弧層流等離子發生器作為熱源，非轉移弧層流等離子發生器沿鋼軌縱向軸線相對平行勻速移動，由送絲送粉裝置沿非轉移弧層流等離子發生器中心軸向送粉，向鋼軌表面噴送復合粉末，并經過非轉移弧層流等離子發生器噴射熔覆后，形成熔覆層；
鋼軌表面冷卻處理步驟：熔覆完成后，鋼軌表面進行水冷卻或自然冷卻；
鋼軌表面再處理步驟：在除熔覆層以外的鋼軌表面上，再用除銹用具及用品進行機械處理或化學處理，以便除去緩冷后超過4小時其表面又產生的氧化薄膜，使鋼軌表面再次露出新鮮的金屬光澤；
鋼軌表面噴涂處理步驟：采用非轉移弧層流等離子發生器作為熱源，由送絲送粉裝置沿非轉移弧層流等離子發生器中心軸向送粉，向鋼軌表面噴送一層涂層材料，非轉移弧層流等離子發生器將涂層材料噴涂在鋼軌表面，形成鋼軌表面涂層。
實施例2
作為本發明又一較佳實施例，本實施例公開了：
一種利用層流等離子進行鋼軌表面處理的方法，包括如下步驟：
鋼軌表面預處理步驟：將鋼軌表面用機械處理或化學處理的方法，清除表面的鐵銹和油污；
預熱處理步驟：采用非轉移弧層流等離子發生器作為熱源，對鋼軌表面進行預熱處理；
鋼軌表面熔覆步驟：采用非轉移弧層流等離子發生器作為熱源，非轉移弧層流等離子發生器沿鋼軌縱向軸線相對平行勻速移動，由送絲送粉裝置沿非轉移弧層流等離子發生器中心軸向送粉，向鋼軌表面噴送復合粉末，并經過非轉移弧層流等離子發生器噴射熔覆后，形成熔覆層；
所述鋼軌表面熔覆步驟中向鋼軌表面噴送復合粉末，具體是指：在鋼軌上表面噴送一層復合粉末，經非轉移弧層流等離子發生器一次熔覆后，形成熔覆層；
在本實施例中，所述鋼軌表面熔覆步驟中向鋼軌表面噴送復合粉末，還可以是：在鋼軌上表面和與上表面緊鄰的軌鄂表面噴送上、下兩層復合粉末，經非轉移弧層流等離子發生器多次熔覆后，形成上、下兩層結構的熔覆層；
鋼軌表面冷卻處理步驟：熔覆完成后，鋼軌表面進行水冷卻或自然冷卻；
鋼軌表面再處理步驟：在除熔覆層以外的鋼軌表面上，再用除銹用具及用品進行機械處理或化學處理，以便除去緩冷后超過4小時其表面又產生的氧化薄膜，使鋼軌表面再次露出新鮮的金屬光澤；
鋼軌表面噴涂處理步驟：采用非轉移弧層流等離子發生器作為熱源，由送絲送粉裝置沿非轉移弧層流等離子發生器中心軸向送粉，向鋼軌表面噴送一層涂層材料，非轉移弧層流等離子發生器將涂層材料噴涂在鋼軌表面，形成鋼軌表面涂層。
實施例3
作為本發明又一較佳實施例，本實施例公開了：
一種利用層流等離子進行鋼軌表面處理的方法，包括如下步驟：
鋼軌表面預處理步驟：將鋼軌表面用機械處理或化學處理的方法，清除表面的鐵銹和油污；
預熱處理步驟：采用非轉移弧層流等離子發生器作為熱源，對鋼軌表面進行預熱處理；
鋼軌表面熔覆步驟：采用非轉移弧層流等離子發生器作為熱源，非轉移弧層流等離子發生器沿鋼軌縱向軸線相對平行勻速移動，由送絲送粉裝置沿非轉移弧層流等離子發生器中心軸向送粉，向鋼軌表面噴送復合粉末，并經過非轉移弧層流等離子發生器噴射熔覆后，形成熔覆層；
所述鋼軌表面熔覆步驟中向鋼軌表面噴送復合粉末，具體是指：在鋼軌上表面噴送上、下兩層復合粉末，經非轉移弧層流等離子發生器一次熔覆后，形成上、下兩層結構的熔覆層；
在本實施例中，所述鋼軌表面熔覆步驟中向鋼軌表面噴送復合粉末，還可以是：在鋼軌上表面和與上表面緊鄰的軌鄂表面噴送一層復合粉末，經非轉移弧層流等離子發生器一次熔覆后，形成熔覆層；
鋼軌表面冷卻處理步驟：熔覆完成后，鋼軌表面進行水冷卻或自然冷卻；
鋼軌表面再處理步驟：在除熔覆層以外的鋼軌表面上，再用除銹用具及用品進行機械處理或化學處理，以便除去緩冷后超過4小時其表面又產生的氧化薄膜，使鋼軌表面再次露出新鮮的金屬光澤；
鋼軌表面噴涂處理步驟：采用非轉移弧層流等離子發生器作為熱源，由送絲送粉裝置沿非轉移弧層流等離子發生器中心軸向送粉，向鋼軌表面噴送一層涂層材料，非轉移弧層流等離子發生器將涂層材料噴涂在鋼軌表面，形成鋼軌表面涂層。
在本實施例中，所述復合粉末是鎳基合金粉末，也可以是鐵基合金粉末，也可以是鎳鐵基合金粉末，還可以是鈷基合金粉末，還可以是氧化物陶瓷粉末。
實施例4
作為本發明又一較佳實施例，本實施例公開了：
一種利用層流等離子進行鋼軌表面處理的方法，包括如下步驟：
鋼軌表面預處理步驟：將鋼軌表面用機械處理或化學處理的方法，清除表面的鐵銹和油污；
預熱處理步驟：采用非轉移弧層流等離子發生器作為熱源，對鋼軌表面進行預熱處理；
鋼軌表面熔覆步驟：采用非轉移弧層流等離子發生器作為熱源，非轉移弧層流等離子發生器沿鋼軌縱向軸線相對平行勻速移動，由送絲送粉裝置沿非轉移弧層流等離子發生器中心軸向送粉，向鋼軌表面噴送復合粉末，并經過非轉移弧層流等離子發生器噴射熔覆后，形成熔覆層；
所述鋼軌表面熔覆步驟中向鋼軌表面噴送復合粉末，具體是指：在鋼軌上表面噴送上、下兩層復合粉末，經非轉移弧層流等離子發生器一次熔覆后，形成上、下兩層結構的熔覆層；
在本實施例中，所述鋼軌表面熔覆步驟中向鋼軌表面噴送復合粉末，還可以是：在鋼軌上表面和與上表面緊鄰的軌鄂表面噴送一層復合粉末，經非轉移弧層流等離子發生器一次熔覆后，形成熔覆層；
鋼軌表面冷卻處理步驟：熔覆完成后，鋼軌表面進行水冷卻或自然冷卻；
鋼軌表面再處理步驟：在除熔覆層以外的鋼軌表面上，再用除銹用具及用品進行機械處理或化學處理，以便除去緩冷后超過4小時其表面又產生的氧化薄膜，使鋼軌表面再次露出新鮮的金屬光澤；
鋼軌表面噴涂處理步驟：采用非轉移弧層流等離子發生器作為熱源，由送絲送粉裝置沿非轉移弧層流等離子發生器中心軸向送粉，向鋼軌表面噴送一層涂層材料，非轉移弧層流等離子發生器將涂層材料噴涂在鋼軌表面，形成鋼軌表面涂層；
在本實施例中，所述復合粉末可以是納米氧化物陶瓷粉末，也可以是鎳包氧化物陶瓷粉末，還可以是鎳包納米氧化物陶瓷粉末；還可以是鐵基合金粉末和鎳鐵基合金粉末混合而成的粉末，還可以是鈷基合金粉末和氧化物陶瓷粉末混合而成的粉末。
在本實施例中，所述涂層材料可以是是氧化鋯，也可以是二氧化硅，也可以是氮化鋁，也可以是氧化亞銅，也可以是鐵粉，也可以是鋁粉，還可以是二氧化硅和氮化鋁混合而成的材料，還可以是氮化鋁、氧化亞銅和二氧化硅三種混合而成的材料。
在本實施例中，所述送絲送粉裝置的送粉量為30g/min。也可以選取送粉量為50g/min的送絲送粉裝置，還可以選取送粉量為80g/min的送絲送粉裝置；還可以選取送粉量為90g/min的送絲送粉裝置；送絲送粉裝置的送粉量可根據熔覆層或表面涂層的厚度以及熔覆速度或表面涂層的噴涂速度來確定。
實施例5
作為本發明又一較佳實施例，本實施例公開了：
一種利用層流等離子進行鋼軌表面處理的方法，包括如下步驟：
鋼軌表面預處理步驟：將鋼軌表面用機械處理或化學處理的方法，清除表面的鐵銹和油污；
預熱處理步驟：采用非轉移弧層流等離子發生器作為熱源，對鋼軌表面進行預熱處理；
鋼軌表面熔覆步驟：采用非轉移弧層流等離子發生器作為熱源，非轉移弧層流等離子發生器沿鋼軌縱向軸線相對平行勻速移動，由送絲送粉裝置沿非轉移弧層流等離子發生器中心軸向送粉，向鋼軌表面噴送復合粉末，并經過非轉移弧層流等離子發生器噴射熔覆后，形成熔覆層；
所述鋼軌表面熔覆步驟中向鋼軌表面噴送復合粉末，具體是指：在鋼軌上表面噴送上、下兩層復合粉末，經非轉移弧層流等離子發生器一次熔覆后，形成上、下兩層結構的熔覆層；
在本實施例中，所述鋼軌表面熔覆步驟中向鋼軌表面噴送復合粉末，還可以是：在鋼軌上表面和與上表面緊鄰的軌鄂表面噴送一層復合粉末，經非轉移弧層流等離子發生器一次熔覆后，形成熔覆層；
鋼軌表面冷卻處理步驟：熔覆完成后，鋼軌表面進行水冷卻或自然冷卻；
鋼軌表面再處理步驟：在除熔覆層以外的鋼軌表面上，再用除銹用具及用品進行機械處理或化學處理，以便除去緩冷后超過4小時其表面又產生的氧化薄膜，使鋼軌表面再次露出新鮮的金屬光澤；
鋼軌表面噴涂處理步驟：采用非轉移弧層流等離子發生器作為熱源，由送絲送粉裝置沿非轉移弧層流等離子發生器中心軸向送粉，向鋼軌表面噴送一層涂層材料，非轉移弧層流等離子發生器將涂層材料噴涂在鋼軌表面，形成鋼軌表面涂層；
在本實施例中，所述復合粉末可以是納米氧化物陶瓷粉末，也可以是鎳包氧化物陶瓷粉末，還可以是鎳包納米氧化物陶瓷粉末；還可以是鐵基合金粉末和鎳鐵基合金粉末混合而成的粉末，還可以是鈷基合金粉末和氧化物陶瓷粉末混合而成的粉末；
在本實施例中，所述涂層材料可以是是氧化鋯，也可以是二氧化硅，也可以是氮化鋁，也可以是氧化亞銅，也可以是鐵粉，也可以是鋁粉，還可以是二氧化硅和氮化鋁混合而成的材料，還可以是氮化鋁、氧化亞銅和二氧化硅三種混合而成的材料；
在本實施例中，所述送絲送粉裝置的送粉量為30g/min。也可以選取送粉量為50g/min的送絲送粉裝置，還可以選取送粉量為80g/min的送絲送粉裝置；還可以選取送粉量為90g/min的送絲送粉裝置；送絲送粉裝置的送粉量可根據熔覆層或表面涂層的厚度以及熔覆速度或表面涂層的噴涂速度來確定。
在本實施例中，所述鋼軌表面涂層的孔隙率為0.5%，也可以是2%，也可以是5%，鋼軌表面涂層的孔隙率是根據噴涂材料的不同而確定的。
在本實施例中，所述非轉移弧層流等離子發生器的功率大于或等于200KW；非轉移弧層流等離子發生器的熔覆速度為30kg/h；所述非轉移弧層流等離子發生器主要采用中軸圓柱陽極結構，沿陽極柱周圍環形均勻布置三個或三個以上的陰極，陽極均分為多個不同部位與對應陰極形成連接電弧，形成高弧壓小電流層流長束等離子弧；陽極和陰極均安裝在同一個底座上固定，相互絕緣，底座有水、電、氣通道，圓柱陽極的外表面相對絕緣，只有在靠近出口的頭部裸露導電，從而與陰極間形成電場。
所述非轉移弧層流等離子發生器使用的工作氣體為氬氣，也可以是氮氣，也可以是氦氣，也可以是氫氣，也可以是氨氣；還可以是氬氣與氮氣的混合氣體，還可以是氦氣和氫氣的混合氣體。