（机械工程专业论文）激光熔覆重载轮轨材料的摩擦磨损性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 重载作为铁路运输发展的一个重要方向，正受到世界各国前所未有的重视。随着 铁路重载化发展，一些亟待解决的关键技术问题不断出现，其中主要的是轮轨磨损问 题。因此，开展重载轮轨材料激光熔覆试验研究，提高轮轨材料摩擦磨损性能以降低 轮轨磨损，将有利于提高重载铁路运输的安全性，对我国重载铁路发展具有一定的现 实意义。 论文利用c 0 2 激光器在重载车轮和钢轨材料表面激光熔覆一层c o 基合金粉，分析 了熔覆层的微观组织结构和显微硬度。根据h e r t z 接触理论，利用m m s 2 a 滚动磨损 试验机研究了轮轨材料激光熔覆c o 基合金粉前后在2 5 t 、3 2 t 、3 5 t 轴重工况下的摩 擦磨损性能；利用光学显微镜( o m ) 、维氏硬度仪( m v k - h 2 1 ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 、 x 射线衍射仪( x 】如) 等微观测试设备，系统分析了轮轨试样的组织结构、磨损量、 摩擦系数、磨痕损伤形貌变化等情况。所得出的主要结论如下： 1 、激光熔覆可获得厚度l m m 左右、无气孔、裂纹且与基体冶金结合的优质激光 熔覆层，熔覆层组织主要由丫c o 、c r 2 3 c 6 等相构成，熔覆区主要有平面晶区、胞状晶 区、树枝晶区；重载车轮和钢轨熔覆层的显微硬度分别比基体提高约4 3 、4 5 。 2 、2 5 t 轴重工况下，激光熔覆后轮轨试样的摩擦磨损性能明显优于轮轨基体，耐 磨性比轮轨基体提高约4 倍。激光熔覆后轮轨试样磨损机理主要表现为磨粒磨损，未 激光处理轮轨磨损机理主要表现为剥落和粘着磨损机制。 3 、随轴重增加，激光熔覆前后轮轨试样的磨损量和摩擦系数均呈现增大趋势。随 轴重从2 5 t 增加到3 5 t ，激光熔覆处理轮轨磨损机理由磨粒磨损向粘着磨损和剥落损 伤转变，未激光处理轮轨磨损机理由粘着磨损向深层剥落和氧化磨损转变。 关键词：激光熔覆；重载轮轨；摩擦磨损；钴基合金粉 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t h e a v y h a u lr a i l w a y a sa l l i m p o r t a n t d i r e c t i o no fd e v e l o p m e n ti s u n p r e c e d e n t e d a t t e n t i o na l lo v e rt h ew o r l d h o w e v e r , w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fh e a v y h a u lr a i l w a y , s o m e k e yt e c h n i c a lp r o b l e m sa r ea p p e a r i n g ，a m o n gw h i c ht h em o s ti m p o r t a n ti s t h ew h e e l r a i l w e a r w h e e l r a i lw e a l i st h er e s u l to fav a r i e t yo ff a c t o r s f u r t h e r m o r e ，t h eh a r d n e s s m a t c h i n go fw h e e l r a i lm a t e r i a l sp l a y sa l li m p o r t a n tr o l e t h e r e f o r e ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o nh e a v y h a u lw h e e l r a i lm a t e r i a l sf o rl a s e rc l a d d i n gi si m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gm a t e r i a l p r o p e r t i e st or e d u c et h ew h e e l r a i lw e a ra n de n s u r i n g t h es a f e t yo fh e a v y h a u lr a i lt r a n s p o r t l a s e rc l a d d i n go fc o b a s e da l l o yo nh e a v y - h a u lw h e e la n dr a i lm a t e r i a l sw e r ec a r r i e d o u tb yc 0 2l a s e r t h em i c r o s t r u c t u r ea n dm i c r o h a r d n e s so fl a s e rc l a d d i n gl a y e r sw e r e a n a l y z e di nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h eh e r t zc o n t a c tt h e o r y , t h ef r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so f w h e e l r a i lb e f o r ea n da f t e rl a s e rc l a d d i n gc oa l l o yc o a t i n g sw e r ei n v e s t i g a t e du s i n g m m s 2 ar o l l i n gw e a r m a c h i n e u n d e r2 5 z3 2 互a n d3 5 ta x l ej o a dc o n d i t i o n s o r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r e ，w e a r , a n df r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dw e a r s c a rd a m a g em o r p h o l o g yo f h e a v y h a u lw h e e l r a i ls p e c i m e n sw e r ee x p l o r e dw i t ht h eh e l po fo p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ， v i c k e r sh a r d n e s st e s t e r ( m v k - n 21 ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n dx r a y d i f f r a c t i o n ( x r d ) m a i nc o n c l u s i o n sa r ed r a w n a sf o l l o w s 。 1 h i g hq u a l i t yc l a d d i n gc o a t i n gw i t ht h et h i c k n e s so fa b o u t1 n - i n lc a nb eo b t a i n e d l a s e rc l a d d i n gl a y e rh a sa l le x c e l l e n tm e t a l l u r g i c a lb o n d i n gw i t ht h es u b s t r a t ea n dn od e f e c t s o fp o r e sa n dc r a c k s t h ec l a d d i n gl a y e rm a i n l yc o n s i s t so ft h e s ep h a s e so f7 - c o ，c r 2 3 c 6a n d s oo n t h e r ea r es o m ec r y s t a l l i z a t i o nm o r p h o l o g i e s ，s u c ha sp l a n a r , c e l l a r , c o l u m n a ra n d t w i n m i c r o s t r u c t u r e t h em i c r o h a r d n e s so fc l a d d i n gl a y e ro fw h e e la n dr a i ls p e c i m e n s r e s p e c t i v e l yi n c r e a s e4 3 ，4 5 c o m p a r e dw i t hw h e e l r a i lm a t e r i a l sw i t h o u tl a s e rc l a d d i n g 2 f r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so fc oc o a t i n g sa r eo b v i o u s l yb e r e rt h a nw h e e l r a i l m a t e r i a l sw i t h o u tl a s e rc l a d d i n gu n d e r2 5 ta x l el o a dc o n d i t i o n t h ew e a rr e s i s t a n c eo f c o a t i n g si si m p r o v e da b o u t4t i m e st h a nw h e e l r a i lm a t e r i a l sw i t h o u tl a s e rc l a d d i n g m a i n w e a rm e c h a n i s mo fc l a d d i n gc o a t i n g si sa b r a s i v ew e a r t h ew e a rm e c h a n i s mo fw h e e l r a i l s p e c i m e n sw i t h o u tl a s e rc l a d d i n gi ss p a l l i n gd a m a g ea n do x i d a t i o nw e a r 3 t h ew e a rv o l u m ea n df r i c t i o nc o e f f i c i e n to fw h e e l r a i ls p e c i m e n sb e f o r ea n da f t e r l a s e rc l a d d i n gi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fa x l el o a d t h ew e a rm e c h a n i s mo fw h e e l r a i l s p e c i m e n sw i t hl a s e rc l a d d i n gc h a n g ef r o ma b r a s i v ew e a rt oa d h e s i o nw e a ra n ds p a l l i n g d a m a g ew h e nt h ea x l el o a di n c r e a s e sf r o m2 5 t t o3 5 t h o w e v e r , t h ew e a rm e c h a n i s mo f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 w h e e l r a i ls p e c i m e n sw i t h o u tl a s e rc l a d d i n gc h a n g ef r o ma d h e s i o nw e a l t os e r i o u ss p a l l i n g d a m a g ea n do x i d a t i o n w e a l k e y w o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ；h e a v y h a u lw h e e l r a i l ；f r i c t i o na n dw e a r ；c o - b a s e da l l o y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 世界铁路现状 第1 章绪论 在各种交通运输形式中，铁路运输因为其具有运量大、速度快、受外部环境影响 小、安全性高、投资少、相对于航空以及公路运输能耗低等优点，所以铁路运输在整 个运输业中占据着十分重要的地位【1 】。随着世界科学技术的发展，重载铁路和高速铁路 作为未来铁路发展的两个重要方向也越来越受到重视。同时，高速铁路和重载铁路的 发展也存在许多问题。 1 1 1 国外情况 1 9 6 4 年1 0 月，日本投入运营世界第一条现代化高速铁路日本东海新干线，速 度达到2 1 0 公里小时 2 1 。( 国际铁路联盟( u i c ) 认为：速度2 0 0 公里川、时的既有线或 允许达到2 5 0 公里川、时的客运专线可称之为高速铁路【3 1 。) 法国、德国、西班牙等发达 国家也加快了高速铁路的建设，就整个欧洲而言，即将建成覆盖整个欧洲的高速铁路 网。自日本东海新干线高速铁路建成以来，高速铁路从无到有，随着社会的进步得到 了飞速发展。据统计，截止到2 0 0 5 年底，全世界已在运营的高速铁路里程达到了6 0 0 0 公里，如表1 1 所示。 表1 1 世界各国高速铁路里程( 截止到2 0 0 5 年底) 日本作为现代高速铁路的发源地，日本高速铁路的里程和速度随着科学技术的发 展而得到进一步提高，列车运行最高速度达到了3 0 0 k m h ，安全性和稳定性也在大大提 升；法国高速铁路t g v 也取得了巨大的成功，t g v 动车组试验速度达到5 1 5 3 k m h ， 而且即将建成由巴黎东南线、大西洋线、北线构成的覆盖大部分法国国土的高速铁路 网；德国同样拥有成熟的高速铁路技术，已将德国最主要城市纳入了i c e 高速铁路系 统网，而且已建成多条通往瑞士、法国等邻国的国际高速铁路大通道；除此之外，西 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 班牙、英国、韩国、意大利、瑞典、比利时、丹麦等国家也已建成投入运营的高速铁 路。 重载铁路作为现代铁路发展的另一重要方向，也日益受到全世界各国的重视。重 载铁路运输适用于大宗散装货物，特别是煤、矿石等大批量货物。目前全球已建成多 条运量超1 亿吨的重载铁路。美国和加拿大在重载货运方面技术非常成熟，已普遍采 用3 5 t 轴重，在环形线上正在试验运行4 0 t 轴重，年通过量将达1 2 5 0 0 0 万t 1 4 1 ；巴西、 澳大利亚等国已采用3 0 t 轴重，且他们一级铁路货运量己达到历史最高水平；南非、 东南亚一些国家也已经采用2 6 t 、2 8 t 等大轴重铁路运输。除此之外，世界其他国家如 俄罗斯、瑞典、丹麦等国在重载铁路技术研究、开发和应用方面也取得了快速的发展 与进步。 1 1 2 国内情况 我国人口众多，国土面积大，内陆深广，公路运输条件恶劣，更适合铁路运输的 建设特别是高速铁路和重载铁路的建设。随着我国铁路6 次大面积提速的到来，我国 铁路的运输的速度和密度得到大幅提升，据报道，到2 0 1 2 年底我国铁路总里程将达到 1 1 万公里，高速铁路总规模将达到1 6 万公里1 5 】，将超过目前全世界高速铁路的总和。 高速客运专线成为中国铁路一个重要的发展方向。2 0 0 9 年，武广铁路客运专线的开通， 标志着我国高速铁路技术不仅领先世界，而且得到进一步完善优化【6 】。2 0 11 年我国投 资最大、标准最高的高速铁路京沪高速铁路的开通标志我国高速铁路迈上一个新 的台阶。我国正在研发运营速度比德国、法国、日本等国高速列车还快的新一代高速 列车，进一步提高列车的节能环保性能和舒适性。同时，正在研究时速达到5 0 0 公里 的高速列车，该速度将超越我国目前所有高速列车速度，这标志我国在超高速列车先 进性试验研究中取得了阶段性重大成果，有助于完善我国高速列车技术体系。 近年来，我国的重载铁路运输也得到了快速的发展，重载铁路轴重达到2 5 t ，在 大秦重载铁路线上广泛采用1 万吨和2 万吨组合重载列车，大秦线在2 0 0 9 年总运量达 到了3 5 亿吨。预计到2 0 1 2 年，我国重载列车运输总里程将达3 万公里，显著提高我 国物质长距离运输能力和效率【7 j 。 在提高铁路的运行速度和增加轴重的发展过程中，虽然能提升铁路运输能力和增 加经济效益，但我们必须同时认识到一些亟待解决的科技问题，比如轴重过大会加大 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 车轮的磨损、疲劳、失效以及导致钢轨寿命过短等；列车速度的提升会加剧轮轨滚动 接触疲劳、磨损和轮轨噪声等，所以合理提高列车运行速度和轴重是铁路技术发展中 必须考虑的重要问题。 1 2 轮轨损伤类型 1 2 1 轮轨损伤类型 铁路运输是借助轮轨间的牵引力和制动黏着摩擦力来实现列车运行，因此轮轨间 的磨损、损伤是列车运行中必然出现的结果，所以轮轨损伤成为铁路运输业中耗资最 大的一个问题【8 1 。导致车轮和钢轨出现磨损和损伤的因素有很多，而轮轨间的粘着一蠕 滑特性对轮轨磨损影响最大。此外轮轨磨损也与轮轨间的几何型面匹配有着密切关系， 轮轨材料的硬度、韧度等也起着非常重要的作用。因此，研究轮轨间各种磨损、损伤 的性质，对减轻轮轨损伤，提高行车安全性和经济性有很重要的现实意义。 钢轨表面损伤主要有侧面磨损和踏面磨损两种，侧磨主要发生在弯道地区；车轮 表面损伤主要有车轮轮缘磨损和踏面磨损两种，而踏面磨损主要是踏面的剥离磨损和 踏面擦伤【9 】。 车轮轮缘与钢轨内侧磨损 车轮轮缘与钢轨内侧磨损是曲线上轮轨的主要损伤形式，特别是在山区，钢轨侧 磨己成为曲线段换轨的主要决定因素。正常情况下，列车车轮在钢轨上运行时轮轨间 为一点接触，即钢轨顶面与车轮踏面接触，当车轮在曲线轨道上行驶时，导向轮由于 自身惯性作用往往会发生轮缘与轨侧接触，形成两点接触，当车轮在轨道上纯滚动时， 远离回转轴的轮缘与轨侧的接触点处存在滑动，导致轨侧与轮缘磨损加剧( 图1 - 1 ) 。 圆弧躇面：路面为曲线 圆锥踏面：踏面为直线 图1 1 轮轨磨损示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 现场上，钢轨侧磨有很多典型的特点，如小曲线半径上侧磨较大曲线半径上严重， 最大侧磨点出现在曲线中部，在其他工况条件相同的情况下，曲线半径越小，钢轨侧 磨越严重，下坡区比上坡区侧磨严重，轴重增大也会加剧侧磨的发生。文献 1 0 】指出在 小曲线半径线路上，外轨轨头内侧面由于轮轨间较大的摩擦力导致接触部位出现严重 磨损。为了减缓轮轨磨损，铁路部门已采用如轮轨润滑、采用磨耗型车轮、调整轨道 几何结构参数( 轨底坡、曲线超高等) 、曲线钢轨轨头非对称打磨、提高轮轨材料强度 和性能等方法来应对，以提高轮轨的减磨性能，进一步降低列车运行的成本，提高经 济效益。 车轮与钢轨剥离磨损 轮轨剥离是线路上较普遍的损伤类型，尤其是在曲线区段。由文献 1 1 可知，北美 铁路每年由于更换剥离轮对约耗资1 5 亿美元。剥离常出现在曲线段外股钢轨轨头轮轨 接触部位，呈鱼鳞状，鱼鳞状裂纹的方向与列车运行的方向相对应，然后发展为薄片 状或者薄块状。钢轨表面出现龟裂后如果不及时处理，表面裂纹将沿着列车运动方向 扩展，从而形成剥离。钢轨剥离主要是因为表面摩擦力而导致，作者在试验中发现【1 2 1 ， 随着摩擦力的增加，剥离现象增加，剥离磨屑块增大。 车轮剥离主要是由于新车轮投入运行一段时间后，踏面出现小的裂纹，若列车继 续运行，就会出现小的片状或块状金属从车轮剥离。车轮出现剥离的主要原因是：滚 动接触疲劳使车轮表面应力超过车轮材料屈服强度而产生裂纹，最后导致剥离；长时 间制动和频繁制动会引起车轮擦伤，最后导致剥离；制动引起升温带来热效应以及车 轮表面金属成分转变也会导致剥离。图1 2 为典型的轮轨剥离。 钢轨波磨 ( a ) 钢轨剥离 图1 2 轮轨典型剥离 ( b ) 车轮剥离 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 钢轨波磨( 图1 3 ) 是指钢轨使用一段时间后，铁道线路上的种轨头缺陷，是钢 轨顶面沿纵向出现有规律的波浪形的不平顺现象。波磨是钢轨磨损的主要形式，高速 铁路或者重载铁路都非常明显，g m s s i e 【1 3 】和z a r e m b s k i 1 4 】提出重载波磨、轻载波磨、接 触疲劳波磨、车轮压痕和响轨等不同形式的波磨。文献 1 5 1 7 将波磨的形成机理大致 分为涉及轮轨系统的动力作用和非动力作用因素。钢轨波磨是轮轨相互作用中非常复 杂的系统问题，它是涉及轮轨动力学、摩擦学、轮轨材料物理和化学作用等多学科交 叉问题。文献 1 8 提到：车轮通过钢轨后就会形成波磨，轨道的横向高频振动会导致钢 轨初始波磨现象并发展很快。 。 1 2 2 重载轮轨损伤类型 图1 3 钢轨波磨 重载运输作为当今世界铁路的重要发展方向，越来越受到重视，但是由于轴重的 增加，轮轨系统间的相互作用力特别是垂向力增大，车辆和轨道结构的破坏以及线路 随之严重的变形，引起轨道零部件损伤、钢轨侧磨、压溃等失效加剧。而轮轨磨耗加 剧已成为重载运输的最突出问题。重载轮轨的损伤类型除了普通轮轨的几种损伤类型 以外还有下面几种主要损伤类型。 钢轨压溃 钢轨压溃( 见图1 4 ) 是重载铁路线上钢轨主要损伤类型之一，它主要由钢轨连续 塑性变形引起的。在大轴重情况下，轮轨接触区的承载量增大，从而加剧了轮毂接触 表层的塑性变形，随着塑性变形量的进一步加大，轮轨就会出现连续的塑性变形而破 坏，进一步出现钢轨压溃现象。对于磨耗状态下的钢轨，安定极限值是判断钢轨是否 压溃的主要依据，即轮轨磨损后的几何轮廓形貌和钢轨安定极限值是决定钢轨是否发 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 生连续塑性变形的最主要因素。随着钢轨塑性变形的发生，接触面积增加，接触应力 将下降。 图1 - 4 钢轨压溃损伤 轮轨擦伤 轮轨擦伤是列车在起动或制动过程中车轮空转打滑和车轮沿轨面滑行所造成的车 轮和钢轨踏面破坏( 图1 5 ) 。尤其是在重载，大运量的干线上，轮轨擦伤是重载轮轨 间主要损伤之一。列车起动时，当列车牵引力大于轮轨间的粘着力时，列车车轮便会 产生空转；列车紧急制动不合理时，也容易使车轮在钢轨轨面上产生滑动现象，引起 轮轨擦伤。钢轨擦伤将造成钢轨轨面的不平顺性，当列车经过时会引起振动和冲击， 振动和冲击会使轨枕螺栓等轨道部件松弛，进一步导致扣件失去扣压力，严重的会出 现道床坍塌，轨道原始平衡状态遭到破坏，增加维修工作量和维修成本且严重影响列 车行车安全性能。 ( a ) 钢轨擦伤 图1 - 5 轮轨擦伤 ( b ) 车轮擦伤 轮轨裂纹 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 钢轨裂纹主要是在钢轨与车轮接触表面处或者接触表面下几毫米处产生，一般主 要是由于钢轨受到车轮不间断的碾压作用，接触区受到拉压应力的反复交变作用，导 致钢轨的塑性变形的产生，使钢轨基体表层组织中出现了位错和滑移等组织变形，而 由于珠光体中的渗碳体和铁素体两者的性能不同，导致位错堆积加剧，进一步导致组 织变形或者破碎，当再次受到交变力的作用时，就会导致微裂纹的产生。图1 - 6 为轮 轨裂纹。 ( a ) 钢轨顶面裂纹 图1 - 6 轮轨裂纹 ( ”制动热裂纹 重载钢轨剥离 重载钢轨剥离是重载轮轨非常常见的一种损伤类型，尤其是在重载曲线区段上。 图1 7 揭示了重载钢轨剥离的宏观形貌，重载钢轨剥离主要是因为表面过大的摩擦力 而导致，随着摩擦力的增加，剥离现象变得越严重，剥离磨屑块也越大。预防重载钢 轨剥离的最主要方法是提高钢轨材料的性能和强度，增加轮轨间的润滑来降低轮轨间 的摩擦力。 重载钢轨侧磨 图1 7 钢轨剥离 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 重载钢轨侧磨( 图1 8 ) 随着列车轴重的增加变得越来越严重，特别是在曲线段， 钢轨侧磨成为决定钢轨寿命的主要因素。钢轨侧磨每年都要花费大量的资金，因此降 低重载钢轨磨损具有很可观的经济效益。而减少重载钢轨侧磨的主要方法有：施加合 适的轮轨润滑，轮轨间润滑是一种效果好、操作简单的方法，可以减小钢轨侧磨的同 时还可以降低运行摩擦阻力；曲线轨头非对称打磨，钢轨非对称打磨可以优化修正轮 轨外形匹配，减少侧磨；采用高性能的钢轨材料等。 1 3 轮轨减磨的措施 1 3 1 轮轨材料选择与匹配 图1 8 钢轨侧磨 轮轨是铁路轨道的重要组成部分，车轮和钢轨基材的选择对列车行车安全性和轮 轨耐磨性能和有着非常大的影响。轮轨材料性能主要由轮轨材料的内部结构和化学元 素含量决定。不同轮轨材料的内部结构和化学元素含量是不同的。文献【1 9 】提到：由于 铁路钢轨损伤的主要原因是钢轨磨耗及表面塑性流动变形，而提高钢轨的强度及硬度 是降低钢轨磨耗和塑性流动的最好方法，钢轨作为轮轨系统主要组成部分，钢轨材料 的性能状态直接影响列车行车安全性和轮轨耐磨性能。近年来世界各国都在提高钢轨 性能和增加钢轨重量两方面下功夫，p d 3 钢轨就是2 0 世纪9 0 年代发展而来的一种性 能较好的钢轨材料。随着含碳量的增加，车轮的硬度、强度和磨损性能都有所增强， 但是会增加车轮的热裂敏感性。因此必须保证车轮有适当的含碳量，而加入一些稀有 元素对提高车轮材料的性能也很有好处，如加入少量的钒、钼以及铬等元素对提高车 轮韧性有很好的作用，并且可以大大降低车轮的热裂敏感性【2 0 j 。为了提高轮轨材料的 磨损性能，在提高钢轨和车轮的硬度与强度等性能的同时，也要考虑两种材料的相互 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 匹配问题，为了减少轮轨材料之间出现粘着现象的可能性，应采用固态互溶性低的两 种材料，另一方面，钢轨和车轮的强度匹配也很重要，由于车轮的维护比钢轨维护方 便经济，因此对车轮强化的同时必须考虑钢轨的承受能力。 1 3 2 轮缘轨侧润滑及打磨技术 国外对轮轨磨耗的研究工作很多是关于轮轨润滑与不对称打磨【2 ，科学的轮轨润 滑技术是一种投资少、见效快的能够迅速减少轨侧与轮缘之间磨耗的方法。近几年国 内外都在大力开展轮轨润滑材料以及润滑器的选择和研制，而润滑材料性能的好坏对 轮轨润滑效果有着十分重要的影响，润滑材料主要有三类：矿物性的润滑油，各种润 滑脂和膏状润滑剂以及固体润滑材料。而润滑方式主要是车轮轮缘和钢轨内侧润滑田j 。 采用润滑措施后，钢轨轨侧与车轮轮缘的耐磨性能得到明显的提高，一般可以延长轮 轨使用寿命2 1 0 倍【2 3 】。 钢轨打磨是通过砂轮等磨削工具对钢轨轨头进行修复清理的过程，钢轨打磨一般 主要有修复性打磨以及预防性打磨两大类。钢轨打磨作为铁路工务部门用于维修养护 铁路的一种重要方法，已得到了广泛的应用，产生了巨大的经济效益。钢轨打磨的优 点主要表现在：1 ) 提高钢轨的使用寿命；2 ) 减少轮轨间振动，提高运行稳定性；3 ) 减少轮轨间摩擦力，改善轮轨粘着性能；4 ) 降低轮轨间噪声，提高乘坐舒适性。 1 3 3 优化轮轨几何廓形匹配 轮轨接触几何廓形匹配问题是轮轨关系学中最重要的问题之一，它直接影响着列 车的直线行驶、曲线通过、列车稳定性和轮轨损伤等方面的性能。尤其是重载铁路， 由于轴重的增大加剧轮轨磨损，导致轮轨损伤严重的重要原因是轮轨接触应力加大， 而对轮轨接触应力值影响较大的轮轨廓形参数主要是车轮直径、轮轨廓形、轮轨间隙 等，因此选择最优的轮轨几何廓形参数匹配可以大大的降低轮轨间的接触应力和轮轨 磨损。由文献 2 4 】通过优化轮轨几何廓形参数匹配，可增大轮轨之间的接触面积，大大 的降低轮轨间的接触应力，而且同时可以改进轮轨间的有效锥度，使其在曲线上运行 时有较好的通过性，在直线上行驶时有很好的蛇行失稳临界速度，有效的提高列车的 动力学运行品质。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 3 4 轮轨制造工艺与热处理的选择 轮轨表面质量对钢轨性能和寿命非常重要，轮轨表面任何一种缺陷，都会使钢轨 的寿命缩短。轮轨的表面质量主要取决于钢坯的表面质量，所以在轮轨轧制前要清除 钢坯表面缺陷以及要正确的选择轧制工艺，来提高轮轨表面质量。为了减少和防止轮 轨接触疲劳损伤可以提高钢的塑性变形抗力和纯净度来获得高性能的轮轨。对钢轨螺 栓孔倒棱也是提高轮轨制造很好的工艺方法之一，可以减少钢轨螺栓孔应力集中而导 致的螺栓孔裂损伤。改进轮轨的生产过程中的轧制、冷却、矫直等工艺水平，可以大 大降低钢轨残余应力，从而可以提高钢轨性能。 热处理能够改变轮轨材料整体和表面组织结构，从而获得优良的性能。目前用于 轮轨热处理的方法有：普通热处理、化学热处理、表面热处理和其他先进热处理技术。 钢轨热处理可以大大提高钢轨强度、韧性、耐磨性以及延长使用寿命等【2 5 1 。处理后钢 轨强度可以达到1 0 0 0 m p a 以上，而用压缩空气作为介质淬火，可以大大提高钢轨淬火 的质量稳定性。根据热处理工艺不同又可以将热处理分为在线热处理( 轧制冷却后重 新加热) 和离线热处理( 轧制余热对其热处理，不需二次加热) ，而目前主要采用在线 热处理【2 6 1 。而在车轮钢和钢轨钢表面增加适宜的涂层也是改善轮轨性能的种很好的 先进热处理方法，在车轮钢表面施加铁基涂层不仅能够提高车轮的抗氧化能力还能提 高其耐磨损性能，能有效的防止裂纹剥落等缺陷向基体传播，铁基涂层很好的保护了 基体金属【2 7 1 。 而近年来随着大功率激光器的研制开发和应用，激光用于轮轨热处理的研究也越 来越多。由文献【2 8 】可知，美国阿贡物理实验室利用激光对钢轨表面进行激光熔覆处理， 由于激光的快速凝固硬结作用，使钢轨表面变得光滑坚固，试验表面摩擦系数降低4 0 左右，磨损减少7 5 。杨胶溪等【2 9 】利用c 0 2 激光器在u 7 1 m n 钢轨表面获得l m m 的优 质f e 基激光熔覆涂层，试验表明钢轨的硬度得到大幅提高，且提高了钢轨的承受静载 荷的能力，大大提高了钢轨的性能。职亚楠等【3 0 】用激光器对u 7 4 钢轨表面激光淬火处 理，获得了高硬度、大硬化层的淬火层，试验表明钢轨经激光淬火处理后钢轨的性能 得到改善，特别是耐磨损性能明显提高。王智勇等【3 1 】利用大功率半导体激光器对u 7 4 钢轨进行相变硬化，可以使钢轨硬度提高3 4 倍，可以大大提高钢轨性能。苏国强等【3 列 用半导体激光器在功率3 0 0 w 时对u 7 4 钢轨激光淬火处理，表面硬度可以达到 8 0 0 9 0 0 h v o 0 l ，很好的改善了钢轨性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 i i 1 4 激光熔覆基础理论 激光熔覆技术是2 0 世纪7 0 年代发展起来的表面工程领域的较前沿课题之一，正 处在蓬勃发展期。由于其巨大的经济效益，它已从实验室研究走向真正工业应用，成 为材料表面改性、设备制造与修复的重要手段之一【3 3 】。激光熔覆是利用高能量的激光 束对材料表面进行热处理，使其组织结构、表面成分和性能发生变化的材料表面改性 技术。由于激光熔覆可以在低成本材料上制造出高性能的激光熔覆表面，代替贵重金 属、稀有金属，提高材料的性能，并且可以对材料的局部磨损、失效和腐蚀等损失进 行修复，可以大大提高材料的使用寿命，已经在机械、模具、冶金、化工等领域得到 广泛应用 3 4 - 3 5 。 1 4 1 激光熔覆原理及特点 激光熔覆是通过高能激光束对放置在被熔覆的基体上的熔覆材料进行辐照加热， 使熔覆材料与基体表面熔化，使基材与熔覆材料形成冶金结合的过程f 3 6 】。由于激光熔 覆涂层与基材形成冶金结合、涂层稀释率低、工件变形小等优点，激光熔覆技术已被 国内外工业部门和科研机构广泛应用【3 7 1 。 送 基体 = 今 ( a ) 预置粉末式 ( b ) 同步送粉式 图1 - 9 激光熔覆原理示意图 根据熔覆材料供应方式的不同，可将激光熔覆分为两种，如图1 - 9 ，即预置粉末法 和同步送粉法。预置粉末法是将熔覆材料事先预置在基材表面需要熔覆的部位，然后 使用激光束对预置粉末进行激光辐照熔化，使其预置粉末与基体材料形成冶金结合的 激光熔覆层。熔覆材料可以是粉末也可以丝材和板材，其中粉末最为常用。预置粉末 法的主要流程为：基材表面的预处理、预置涂层材料、激光熔覆处理、后处理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 同步送粉法是用专门的送粉系统在激光熔覆过程中将熔覆材料直接送入到激光束 中，使熔覆材料与基体材料同时熔化，结晶形成激光熔覆层 3 8 】。同步送粉法合金材料 利用率高，工艺过程简单，主要用于大工件大批量处理中，其主要工艺流程为：基材 表面的预处理、同步送料激光熔覆、后处理。 由于激光熔覆形成的熔覆层与基体形成冶金结合，显著改善材料的耐磨、耐蚀抗 氧化等性能，激光熔覆技术同其他表面改性技术如热喷涂、电镀、堆焊、气相沉积等 技术相比，有如下优点【3 9 1 。 ( 1 ) 材料体系广泛，有很大的可选择性，可以对多种材料进行激光熔覆处理。 ( 2 ) 冷却速度快，工件变形小，基本对基体没有破坏。 ( 3 ) 熔覆层与基体形成冶金结合，其微观缺陷少，组织致密，性能优异。 ( 4 ) 熔覆过程易实现自动化控制，熔覆层厚度和成分可控。 ( 5 ) 可以对工件进行局部和选区熔覆，材料消耗少。 ( 6 ) 激光熔覆加工节省能源和材料，基本对环境无污染，是一种绿色制造技术。 1 4 2 激光熔覆合金粉体系 对于不同基体的使用要求，选择不同的激光熔覆材料应遵行如下原则： ( 1 ) 激光熔覆涂层材料与基材热膨胀系数相匹配 激光熔覆材料与基体材料的热膨胀系数差异是导致裂纹等缺陷的主要原因之一， 现在大多数的激光熔覆研究都是根据两种材料的热膨胀系数相匹配原则来选择设计 的。熔覆材料与基体材料的热膨胀系数应尽可能的接近。文献【4 0 】给出了二者匹配原则， 应满足下式： 仃2 ( 1 - p ( e 宰丁) a a 仃1 ( 1 一r ) ( e 宰a t )( 1 1 ) 式中吼、仃：为熔覆材料与基体材料抗拉强度；t 为温差；口为二者热膨胀系数 之差；e 、y 熔覆材料的弹性模量和泊松比。 ( 2 ) 激光熔覆的涂层材料与基材的熔点相匹配 熔覆材料的熔点不宜过高，熔点越低越易控制熔覆层的稀释率，有利于获得高质 量的激光熔覆层。熔覆材料与基体材料的熔点相差过大，不利于冶金结合。必须保证 二者熔点相适宜。 ( 3 ) 激光熔覆的涂层材料与基材的润湿性相匹配 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 熔覆过程中润湿性也是很重要的因素。熔覆材料应具有良好的流动性，流动性与 熔覆层的形成、粒度、表面状态等因素有关，选择合适的润湿性匹配。 国内外已在软钢、不锈钢、模具钢、工具钢【4 1 1 、钛合金、铝合金等合金上进行了 激光熔覆的研究。激光熔覆不仅可以在金属表面熔覆也可以在合金甚至陶瓷等非金属 表面熔覆，因此可采用的熔覆材料也是很广泛的，主要包括自熔性合金材料、复合材 料和陶瓷材料等。 ( 1 ) 自熔性合金材料 自熔性合金主要有铁基自熔性合金材料、镍基自熔性合金材料、钴基自熔性合金 材料，其主要特点是含有b 、s i 等元素，这两种元素起到溶剂作用，使得合金本身有 脱氧性能和造渣性能，即所谓的自熔性【4 2 1 。由于这类合金中含有b 、s i 两种元素，在 激光熔覆时这两种元素被氧化分别生成b 2 0 2 、s i 0 2 ，在激光熔覆层表面形成薄膜。形 成的薄膜可以防止合金中的其他元素被氧化又可以与这些元素的氧化物形成硼硅酸盐 熔渣，从而得到氧化物含量低、气孔少的激光熔覆层。b 和s i 还能增加合金的流动性。 自熔性合金的硬度与硼、碳的含量有关，含量越大硬度越高【4 3 1 。自熔性合金的分类和 特点如表1 2 。 表1 - 2 白熔性合金及其特点1 自熔性合金自熔性特点缺点 ( 2 ) 复合材料 在冲击、滑动和磨粒磨损严重的条件下，单纯的f e 基、n i 基、c o 基自熔性合金 已不能满足使用要求，可以在上述自熔性合金中加入各种高熔点的碳化物、硼化物、 氮化物和硅化物等颗粒，从而制成复合材料。复合材料可以借助激光器制备出陶瓷颗 粒增强金属基复合涂层，它可以将金属的强韧性、陶瓷优异的耐磨、耐高温、抗氧化 性能有机的结合起来。复合材料主要包括碳化物复合材料和自粘结复合材料。碳化物 复合材料由碳化物硬质相和合金黏结组成，主要有w c 、s i c 、t i c 、b 4 c 、c r 3 c 2 等， 碳化物复合材料的黏结相能够在使碳化物免受氧化和分解，能够获得具有硬质合金性 能的熔覆层。其中( n i c r a l 、n i c r ) c r 3 c 2 可以获得耐高温的涂层【4 5 】。自粘结复合材 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 料是在激光熔覆过程中，由于产生的放热反应使熔覆层与基体形成良好结合的一类材 料。 ( 3 ) 陶瓷材料 陶瓷材料具有优良的抗高温氧化能力以及良好的耐磨、耐蚀性能。主要有氧化锆 和氧化铝两个系列，而前者由于具有更好的热导率和抗振性能，因而在激光熔覆应用 中得到广泛采用。 1 4 3 激光熔覆层质量的控制 尽管激光熔覆在最近几年的应用得到了快速发展，但该技术还处于发展阶段，还 有一些向题需要解决。由于激光熔覆过程中，熔覆层材料被快速加热、熔化、凝固， 是非平衡凝固，加上激光熔覆处理过程中的其他多种影响因素，致使激光熔覆层的质 量不易控制，而常常出现一些缺陷t 4 6 。因此对激光熔覆层质量的控制就变得十分重要。 主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 裂纹及开裂 激光熔覆技术自诞生以来，没有得到广泛应用，这主要原因是激光熔覆层存在裂 纹与开裂，从而在很大程度上限制了激光熔覆技术的应用。特别是涂层与基体交界处 的开裂，导致熔覆层的剥落，这是限制大工件激光熔覆应用的主要的原因之1 4 7 。激 光熔覆层中出现裂纹的主要原因是熔覆材料与基体材料存在着性能差异，导致凝固收 缩时存在拉应力，当拉应力过大，熔覆层中就出现裂纹，另一原因则是激光熔覆产生 的热应力使熔覆层出现裂纹。熔覆层相对基体的残余热应力为： 艿= e a t a a ( 1 一y ) ( 1 - 2 ) 式中，e 为熔覆层弹性模量；丁为熔化温度与室温之差；a a 为两种材料的热膨 胀系数之差；y 为泊松比。 可以通过在熔覆材料中添加低熔点的合金材料、稀土元素等材料构成复合材料是 减少熔覆层开裂的有效途径【4 8 1 。采用硬质相含量渐变的梯度熔覆方法，也可以获得熔 覆层连续变化且无裂纹的梯度熔覆层，这些方法都可以使熔覆层有良好的抗热裂性。 ( 2 ) 气孔 激光熔覆层中出现气孔也是一种严重的缺陷，它不仅易导致裂纹，而且对要求气 密性很高的熔覆层危害极大，对熔覆层的耐蚀耐磨性能也有很大的影响。熔覆层中的 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 气孔主要是由于激光熔覆过程中有气体在快速凝固过程中来不及逸出导致，熔覆材料 在熔覆前氧化、受潮等也会导致气孔的出现【4 9 】。控制气孔主要从两方面考虑：一是对 熔覆材料烘干、去湿以及用惰性气体保护来限制气体的来源；二是调整工艺参数，减 缓凝固的速度以利于气体的逸出。 ( 3 ) 熔覆层组织不均匀 激光熔覆过程中经常会出现成分不均匀、成分偏析，导致熔覆层组织不均匀、致 密，对熔覆层的性能和稳定性造成很大的危害。导致组织不均匀的原因很多，主要是 在激光加热过程中，其加热速度非常快从而导致熔覆层到基体方向存在很大的温度梯 度，而且由于熔覆层的凝固速度极快，熔覆材料中的元素没来得及均匀化扩散，进而 导致成分偏析，出现组织不均匀。熔覆层出现组织不均匀对熔覆层的性能影响很大， 尤其是高精度的工件，因此要尽量减少熔覆层组织不均匀的可能性。可以通过调整激 光束与材料的作用时间或者调整激光加工工艺参数如将熔池整体对流形式变为微区 对流【5 0 j 。 1 4 4 激光熔覆的应用 激光熔覆作为一种新型制造与加工技术，在未来工业应用中有着巨大的潜力。世 界各国也在对其开展大量的研究，在工业应用中，激光熔覆技术已经显现出来了明显 的经济效益，已经广泛用于汽车工业、航天航空、石油、机械等行业，且在未来有着 广阔的前景。工业上对激光熔覆的应用主要是以下几个方面【5 l 】。 ( 1 ) 石油工业 油田环境恶劣，油水复合物腐蚀性大，这就对金属杆件要求有较好的耐蚀耐磨性 能。而工件整体采用高性能的金属或者合金则成本较高，在一般材料表面激光熔覆一 层性能较好的激光熔覆层，可以大大改善采钻机械钻头等易损件的耐蚀耐磨性能。 ( 2 ) 汽车工业 由于汽车发动机气门、气缸内槽、密封圈、排气阀等要求耐磨、耐蚀和耐高温， 通过激光熔覆技术可以在这些零件表面获得一层具有优良耐磨耐蚀性能的涂层，可以 显著提高发动机性能和寿命，降低成本。目前主要采用激光熔覆s t e l l i t e 合金来改善发 动机排气门密封锥面性能。 ( 3 ) 航天航空工业 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 航空发动机的中的n i 基合金与t i 基合金的磨损、磨耗是航空发动机维修保养的 一大难题，而通过激光熔覆则可以在摩擦副表面获得优质涂层，为航空发动机的修复 提供了一种新的方法。在d z 4 合金上激光熔覆c o c r w 材料，可以大大提高发动机叶 片的耐热和耐磨性能，在发动机排气阀上面熔覆n i c r b s i 、c o c r w 熔覆层，对硬度提 高明显，而且耐蚀耐磨性能提高3 4 倍【5 2 1 。 ( 4 ) 模具工业 模具的寿命直接决定了设备生产的成本，经过激光熔覆处理后可以大大改善模具 的生产效率和产品生产的进度与质量，而且经过激光熔覆处理后，可以大大的提高模 具的表面性能，从而提高模具钢的表面耐磨性能、高温硬度、抗热疲劳等性能，从而 提高模具的使用寿命【5 3 1 。 1 5 课题研究意义和内容 随着重载铁路的发展，轮轨间的磨损问题变得越来越严重，磨损严重导致轨道的 维修与保养费用增加