激光淬火對(duì)重載輪軌磨損與損傷性能的影響

王文健，劉吉華，郭 俊，劉啟躍

(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031)

激光淬火對(duì)重載輪軌磨損與損傷性能的影響

王文健，劉吉華，郭 俊，劉啟躍

(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031)

利用MMS-2A型微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了激光表面淬火對(duì)重載輪軌磨損與損傷性能的影響，分析了激光淬火對(duì)重載輪軌表面損傷的作用機(jī)理.結(jié)果表明:激光淬火處理后輪軌試樣存在一定厚度的淬火處理層，其組織主要為均勻致密的馬氏體層;激光淬火可明顯提高車輪和鋼軌試樣的表面硬度，其硬度分別增加35.7%、33.5%;激光淬火基本不改變輪軌試樣的滾動(dòng)摩擦系數(shù);激光淬火可增強(qiáng)輪軌試樣的耐磨性，相比淬火前車輪和鋼軌試樣磨損量分別降低62.9%和66.0%;未處理輪軌試樣表面損傷主要表現(xiàn)為明顯的剝落損傷，激光淬火后輪軌表面損傷相對(duì)輕微，主要表現(xiàn)為小麻點(diǎn)式剝落損傷，重載工況下激光淬火處理使輪軌試樣具有較好的抗表面損傷能力.

重載鐵路;輪軌;磨損;硬度;激光淬火

輪軌損傷一直是鐵路運(yùn)輸中關(guān)鍵的技術(shù)問題，它與鐵路運(yùn)輸中提高軸重及速度等一系列重大問題密切相關(guān).例如，朔黃鐵路75 kg/m鋼軌已發(fā)現(xiàn)小半徑曲線下股鋼軌踏面出現(xiàn)魚鱗狀細(xì)小裂紋，個(gè)別地段出現(xiàn)魚鱗狀剝落掉塊現(xiàn)象［1］;大秦重載鐵路線鋼軌出現(xiàn)了以側(cè)磨、壓潰和斷裂破壞形式的鋼軌材料服役失效，重傷軌數(shù)每年以20%的速度遞增.重載與高速鐵路在使用條件和運(yùn)輸環(huán)境等諸多方面存在很大的變化，因此重載與高速鐵路在鋼軌損傷、日常維護(hù)及使用技術(shù)方面會(huì)產(chǎn)生較大的差異.我國(guó)于20世紀(jì)90年代開始發(fā)展重載鐵路，隨后重載線路鋼軌出現(xiàn)了多種損傷形式，如鋼軌側(cè)磨、波浪形磨損、鋼軌壓潰、剝落掉塊、軌面剝落等［2-5］，它們占重載鋼軌損傷量的80%以上.鋼軌側(cè)磨作為重載曲線段鋼軌損傷的主要類型，尤其在重載小半徑曲線上更為嚴(yán)重(圖1)，已成為重載曲線鋼軌更換的決定性因素［4］.主要原因是輪緣與軌側(cè)之間存在著較大相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致鋼軌側(cè)面產(chǎn)生嚴(yán)重磨損或輪緣磨耗.巴西是重載鐵路系統(tǒng)較發(fā)達(dá)的國(guó)家，MRS養(yǎng)路有限公司采用了預(yù)防性循環(huán)打磨技術(shù)［6］.美國(guó)開發(fā)了一種新型HE型鋼軌(Hyper Eutectold)，具有耐磨、抗表面裂紋及軌內(nèi)裂紋生成的特殊性能［7］.加拿大國(guó)家鐵路采用軌頂潤(rùn)滑管理5年，曲線區(qū)段鋼軌磨耗下降43%～58%，輪軌橫向力降低40%～45%，鋼軌使用能力提高90%［8］.張銀花［9］對(duì)鋪設(shè)新鋼種PG4和U77MnCr線路的鋼軌損傷進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:新鋼軌的綜合使用性能良好，適合在重載鐵路上使用.隨著我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸?shù)难该桶l(fā)展，如何確保重載鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩徒档瓦\(yùn)營(yíng)成本，減緩重載輪軌損傷，避免嚴(yán)重?fù)p傷，延長(zhǎng)使用壽命成為一個(gè)亟待解決的技術(shù)難題.

圖1 大秦線鋼軌側(cè)磨損傷照片

激光淬火對(duì)提高材料表面硬度，增加耐磨性具有重要的作用［10-11］，但目前尚未在輪軌材料研究上得到應(yīng)用.論文利用MMS-2A型微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了激光淬火對(duì)輪軌材料滾動(dòng)摩擦與磨損性能的影響，分析了激光淬火對(duì)輪軌損傷情況的影響.研究結(jié)果可對(duì)重載輪軌材料損傷的減緩與預(yù)防提供有益的技術(shù)指導(dǎo)和參考意義.

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)在MMS-2A型微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)采用赫茲模擬準(zhǔn)則進(jìn)行［12］，即保證實(shí)驗(yàn)室條件下模擬輪軌試件間的平均接觸應(yīng)力和接觸橢圓的長(zhǎng)短軸之比與現(xiàn)場(chǎng)中的相同.兩試樣為對(duì)滾接觸，上試樣為鋼軌試樣，直徑為38 mm，下試樣為車輪試樣，直徑為40 mm，根據(jù)赫茲模擬準(zhǔn)則計(jì)算出車輪試樣的圓弧半徑R為14 mm.試驗(yàn)上下試樣結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示.

圖2 輪軌試樣尺寸示意圖

表1 輪軌材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

試驗(yàn)參數(shù):下試樣轉(zhuǎn)速200 r/min，上試樣轉(zhuǎn)速180 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)滑差率14.5%;接觸應(yīng)力水平1500 MPa，相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)軸重25 t，對(duì)應(yīng)施加法向載荷為180 N，其中動(dòng)載系數(shù)取0.3;試驗(yàn)時(shí)間26 h.鋼軌材料為U75V熱軋鋼軌，車輪材料為CL60車輪鋼，輪軌材料成分見表1.利用激光淬火裝置(TR-3000多模橫流激光器)對(duì)輪軌試樣進(jìn)行表面淬火處理以提高輪軌試樣的表面硬度.激光淬火處理工藝參數(shù):激光輸出功率為200～350 W，掃描速度為15～25 mm/s，光斑直徑為1.0 mm.

試驗(yàn)在干態(tài)下進(jìn)行;利用維氏硬度儀(MVK -H21，Japan)測(cè)量輪軌試樣硬度;用電子分析天平(TG328A)通過稱重法測(cè)量試樣磨損量;利用光學(xué)顯微鏡(OLYMPUS BX60M)觀察試樣的金相顯微組織;利用三維激光掃描顯微鏡(VKX100，Japan)觀察輪軌試樣表面磨痕損傷形貌.

2 結(jié)果與分析

2.1 輪軌試樣顯微組織

圖3為激光淬火輪軌試樣金相組織照片.通過圖可發(fā)現(xiàn)輪軌材料激光淬火處理后存在一定厚度的淬火處理層，車輪材料基體為鐵素體和珠光體，鋼軌材料基體為珠光體.激光淬火后輪軌材料組織為白色均勻致密的馬氏體層，其硬度應(yīng)有明顯提高.

2.2 輪軌試樣硬度

圖4為輪軌試樣的硬度情況.從圖4(a)中可看出，鋼軌材料硬度稍高于車輪材料，激光淬火處理后車輪和鋼軌試樣的表面硬度將有明顯的提高，其表面硬度分別增加35.7%、33.5%，表面硬度的提高將增強(qiáng)輪軌試樣的耐磨性，這將有利于降低輪軌試樣的磨損.從輪軌試樣剖面硬度結(jié)果(圖4(b))分析可知，隨深度增加，輪軌試樣硬度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，激光淬火層的硬度高于輪軌材料基體的硬度，到達(dá)一定深度后硬度接近輪軌材料的基體硬度.

圖3 激光淬火輪軌試樣金相組織照片

2.3 滾動(dòng)摩擦與磨損行為

圖5為輪軌試樣滾動(dòng)摩擦系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化情況.輪軌摩擦副滾動(dòng)摩擦系數(shù)首先呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，一定循環(huán)次數(shù)后摩擦趨于穩(wěn)定狀態(tài)，其值約為0.5，此時(shí)摩擦系數(shù)變化平穩(wěn)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)激光淬火后的輪軌試樣摩擦系數(shù)與未處理試樣的基本相差不大，這表明激光處理對(duì)輪軌材料的滾動(dòng)摩擦系數(shù)基本無明顯影響.

圖6給出了輪軌試樣的磨損量.結(jié)果表明:無論是未處理試樣還是激光淬火試樣，由于鋼軌硬度大于車輪試樣硬度，故鋼軌磨損量小于車輪試樣磨損量;激光淬火后輪軌試樣磨損量明顯下降，其車輪和鋼軌磨損量可分別減小 62.9%和66.0%，輪軌系統(tǒng)總磨損量也明顯降低，降低約為63.8%.上述結(jié)果表明:輪軌試樣通過激光淬火處理可提高輪軌的耐磨性，有效降低輪軌的磨損量，在現(xiàn)場(chǎng)中通過激光淬火處理對(duì)降低重載鋼軌側(cè)磨和輪緣磨耗是十分有益的.

圖4 輪軌試樣的硬度

圖5 輪軌試樣滾動(dòng)摩擦系數(shù)

2.4 試樣損傷行為

圖7、圖8分別為未處理輪軌試樣和激光淬火試樣的表面磨痕損傷形貌.從圖中可看出，在重載試驗(yàn)工況下，未處理輪軌試樣的表面損傷主要表現(xiàn)為明顯的剝落損傷痕跡(圖7)，車輪試樣表面磨痕損傷嚴(yán)重，在反復(fù)滾動(dòng)摩擦過程中，由于較大切向摩擦力作用導(dǎo)致表面磨損量較大，從而眾多的磨屑很容易從試樣上剝掉而形成較大剝落損傷，且剝落方向與滾動(dòng)方向呈一致性.此時(shí)對(duì)磨副鋼軌試樣表面損傷主要表現(xiàn)為較為明顯的剝落痕跡，但其方向性不明顯，損傷相對(duì)輕于車輪試樣，對(duì)應(yīng)的磨損量也小于車輪試樣.從圖8可發(fā)現(xiàn)，激光淬火后輪軌試樣表面損傷總體較處理前試樣的要輕微，表面損傷主要表現(xiàn)為小麻點(diǎn)式的剝落損傷.由于車輪試樣硬度低于鋼軌試樣，在重載工況下車輪表面損傷相對(duì)嚴(yán)重，鋼軌表面損傷相對(duì)較為輕微.由于激光淬火后試樣表面硬度的提高，在重載工況下輪軌試樣抗磨損性能增強(qiáng)，滾動(dòng)摩擦過程中表面損傷也相對(duì)輕微，因此，激光處理輪軌試樣不會(huì)加劇輪軌材料的表面損傷行為，處理后輪軌試樣具有較好的抗表面損傷能力.

圖6 輪軌試樣的磨損量

圖7 未處理輪軌試樣表面磨痕損傷形貌

圖8 激光淬火輪軌試樣表面磨痕損傷形貌

綜上可知，由于車輪與鋼軌試樣材料差異導(dǎo)致輪軌試樣的損傷形態(tài)和磨損量均存在一定的差別，激光淬火處理能提高輪軌試樣的耐磨性，明顯降低重載工況下的磨損量，且表面損傷也相對(duì)輕微.實(shí)際中通過合理優(yōu)化激光處理輪軌材料的硬度匹配，使輪軌材料均達(dá)到最佳使用狀態(tài)，在使兩者磨損壽命達(dá)到最長(zhǎng)的同時(shí)并最大限度地降低輪軌材料的表面損傷程度.

3 結(jié)論

1)激光淬火處理后輪軌試樣存在一定厚度的均勻致密的馬氏體層，其提高車輪和鋼軌試樣表面硬度分別約為35.7%和33.5%，輪軌試樣耐磨性增強(qiáng)，導(dǎo)致車輪和鋼軌磨損量分別減小62.9%和66.0%;激光處理對(duì)輪軌材料的滾動(dòng)摩擦系數(shù)無顯著影響.

2)未處理輪軌試樣表面損傷主要表現(xiàn)為明顯的剝落損傷，激光淬火后輪軌試樣表面損傷總體較處理前試樣的輕微，表面損傷主要表現(xiàn)為小麻點(diǎn)式的剝落損傷，激光處理后輪軌試樣具有較好的抗表面損傷能力.

［1］ 候玉碧.重載鐵路鋼軌損傷形成分析及對(duì)策［J］.鐵道建筑技術(shù)，2007，(S):26-30.

［2］ 蘇輝艷.減輕重載列車輪軌磨耗的研究［J］.中國(guó)鐵道，1997，(6):42-43.

［3］ 劉啟躍，張波，周仲榮.鐵路鋼軌損傷機(jī)理研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2002，13(18):1596-1599.

［4］ 劉啟躍，王文健，周仲榮.高速與重載鐵路鋼軌損傷及預(yù)防技術(shù)差異研究［J］.潤(rùn)滑與密封，2007，32 (11):11-14.

［5］ 周清躍，張建峰，郭戰(zhàn)偉，等.重載鐵路鋼軌的傷損及預(yù)防對(duì)策研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2010，31(1): 27-31.

［6］ R Caldwell，J Kalousek.Wheel/rail interface study at MRS［R］.Interim LORAM Maintenance of Way Report，2001.

［7］ Francisco C.Robles Hernandez，Nicholaos G.Demasb，Dave D.Davisa，et al.Mechanical properties and wear performance of premium rail steels［J］.Wear，2007，(263):766-772.

［8］ Yoshihiko Sato.Benefits of heavy rail on high-speed railways and design of 75G rail using coordinates［J］.Wear，1996(194):163-67.

［9］ 張銀花，周清躍，陳朝陽，等.重載鐵路高強(qiáng)鋼軌的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2010，31(4):20-26.

［10］ 孔德軍，華同曙，丁建寧，等.激光淬火處理對(duì)灰鑄鐵殘余應(yīng)力與耐磨性能的影響［J］.潤(rùn)滑與密封，2009，34(4):51-54.

［11］ 蘇 輝，馬 冰，依穎輝，等.42CrMo鋼激光淬火組織和硬度的研究［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2011，34(2):84-86.

［12］ 王文健，郭俊，劉啟躍.接觸應(yīng)力對(duì)輪軌材料滾動(dòng)摩擦磨損性能影響［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(4): 352-356.

Effect of laser quenching on wear and damage behaviors of heavy-haul wheel/rail

WANG Wen-jian，LIU Ji-hua，GUO Jun，LIU Qi-yue
(State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

The effect of laser quenching on wear and damage behaviors of heavy-haul wheel/rail steels was investigated in detail using a MMS-2A testing apparatus.Furthermore，the damage mechanism of heavy-haul wheel/rail specimens was analyzed under laser quenching condition.The results indicate that the wheel/rail specimens form a quenched layer，which is compact martensite layer.Laser quenching can increase the surface hardness of wheel and rail specimens and the increase rate is about 35.7%and 33.5%，respectively.The laser quenching has no obvious effect on rolling friction coefficient of wheel/rail specimens.Laser quenching increase wear resistance of wheel/rail steels.Therefore，the wear volume of heavy-haul wheel/rail specimens would have an obvious fall and the decrease rate of wheel/rail specimens is about 62.9%and 66.0%，respectively.Obvious spalling damage of wheel/rail specimens is serious when the specimens are not treated.The surface damage of laser quenched wheel/rail specimens is relatively slight.The small pitting spalling damage is dominant after laser quenching of wheel/rail specimens.Laser quenched wheel/rail specimens have good surface damage resistance under the heavy-haul condition.

heavy-haul railway;wheel/rail;wear;hardness;laser quenching

TH117.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1005-0299(2012)06-0069-04

2011-12-10.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51174282，51025519);教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)科學(xué)基金項(xiàng)目(IRT1178);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(SWJTU12CX037).

王文健(1980-)，男，博士，副研究員.

王文健，E-mail:wwj527@163.com.

(編輯 張積賓)