輪軌試樣Co基合金激光熔覆層組織及磨損性能

郭火明，王文健，郭 俊，劉啟躍

(西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所，成都 610031)

重載運輸由于其大軸重、高密度的運作方式，在大大提高貨物運輸能力的同時嚴重加劇了輪軌材料損傷，使得輪軌損傷成為鐵路運輸中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題［1－2］.在重載小半徑曲線路段，鋼軌側(cè)面磨損成為主要的損傷類型，已成為重載線路曲線段換軌的決定性因素，因此，如何降低重載運輸輪軌的磨損損傷顯得尤為重要.為解決重載輪軌磨損嚴重的關(guān)鍵問題，大量學(xué)者對此進行了深入研究.Grassie等［3］分析了瑞典重載鐵路損傷，表明打磨技術(shù)能明顯降低重載鋼軌磨耗;Niederhauser等［4］研究了表面熔覆有Co基合金鋼盤的疲勞行為，表明激光熔覆處理后，鋼盤的疲勞壽命大大提高.楊坤等［5］采用激光熔覆技術(shù)對機車連桿大頭定位齒輪進行裂紋修復(fù)試驗研究，結(jié)果表明G115合金粉末在適當(dāng)工藝條件下，修復(fù)后的部位完全達到了工件再使用的要求.王文健等［6］研究了激光淬火處理后輪軌摩擦磨損性能，結(jié)果表明激光淬火處理能大幅度提高輪軌硬度，提高抗磨損能力.胡杰等［7］通過在輪軌表面均激光熔覆Co基合金熔覆層，研究輪軌磨損與損傷，實驗表明輪軌均熔覆能顯著降低輪軌間的磨損.激光熔覆技術(shù)能顯著改善表面材料表面性能，已經(jīng)成功應(yīng)用到了諸多領(lǐng)域［8－11］，但目前該技術(shù)在輪軌材料應(yīng)用方面研究甚少.

本文在輪軌試樣表面激光熔覆Co基合金，分析熔覆層的組織性能，并利用MMS－2A微機控制摩擦磨損試驗機對其進行摩擦磨損試驗研究.

1 試驗

滾動接觸條件下的摩擦磨損實驗在MMS－2A微機控制摩擦磨損試驗機上進行，如圖1所示.上試樣為鋼軌試樣，下試樣為車輪試樣，上下試樣均為圓環(huán)形狀，內(nèi)徑16 mm，外徑40 mm，兩試樣的接觸寬度為5 mm.在常溫?zé)o潤滑的條件下進行了3組實驗，分別為輪軌試樣均不熔覆處理、車輪試樣熔覆處理鋼軌試樣不處理、鋼軌試樣熔覆處理車輪試樣不處理.

圖1 試樣接觸示意圖

試驗參數(shù)如下:垂向載荷438 N，模擬現(xiàn)場25 T軸重下輪軌接觸狀況，上下軸轉(zhuǎn)速分別為180和200 r/min，轉(zhuǎn)動滑差率 10%;試驗時間12 h.實驗中輪軌試樣材料成分見表1.

合金粉末為Co基合金粉末，微觀形貌如圖2所示，其化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))如下:1.1%C、1.0%Si、1.5%Fe、28.5%Cr、1.5%Ni、4.4%W、其余為Co.輪軌試樣實驗前用激光處理獲得熔覆層，處理設(shè)備為TR－3000多模橫流CO2激光器，矩形光斑尺寸為1 mm×7 mm，功率 P=2 kW，掃描速度為200 mm/min，輸送粉末速度15 g/min.

表1 輪軌材料化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

圖2 合金粉末微觀形貌

利用MVK－H21顯微硬度儀測量輪軌試樣硬度分布，加載載荷 500 g，保壓時間為10 s;用TG328型電子分析天平測量實驗前后試樣的質(zhì)量;用線切割機切取10 mm×10 mm×5 mm小試樣，經(jīng)王水溶液深腐蝕后用FEI Quanta 200型掃描電子顯微鏡及其自帶的能譜儀(EDX)觀察組織形貌和成分，利用Bruker D8 Discover X射線衍射儀(XRD)對試樣進行物相分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 輪軌熔覆層XRD分析

圖3為輪軌試樣熔覆層表面的X射線衍射譜圖，可以看出，Co基合金熔覆層主要由γ－Co和Cr23C6組成.純 Co是同素異構(gòu)體，在溫度超過421℃時，呈面心立方結(jié)構(gòu)(fcc)的γ－Co，隨溫度降低，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的密排六方結(jié)構(gòu)(hcp)的ε－Co.激光熔覆過程的快速熔凝特性，使得高溫下的γ－Co未能發(fā)生晶格轉(zhuǎn)變，同時由于合金中含有的Ni、W等穩(wěn)定立方點陣元素的作用，γ－Co不發(fā)生ε－Co轉(zhuǎn)變而直接保留，生成的γ－Co為熔有多種合金元素的過飽和固溶體，合金中富余的Cr與C結(jié)合，生成碳化物 Cr23C6，γ－Co和Cr23C6均為凝固過程生成的介穩(wěn)相.

圖3 輪軌熔覆層X射線衍射譜圖

2.2 輪軌熔覆層金相組織

圖4為輪軌試樣熔覆層低倍SEM形貌.由圖4可知:輪軌熔覆層形貌大體一致，激光處理后得到的熔覆層組織較為均勻致密;輪軌試樣主要由3部分組成，依次為熔覆層、結(jié)合區(qū)和熱影響區(qū)，熔覆層與基體達到冶金結(jié)合.

圖4 輪軌試樣組織低倍SEM形貌

激光熔覆過程具有快速熔凝特性，由于溫度梯度(G)和結(jié)晶速率(R)差異［12－13］，導(dǎo)致熔覆層組織形態(tài)具有明顯區(qū)別:界面結(jié)合區(qū)為幾乎垂直于界面生長的粗大柱狀晶組織;熔覆層中上部為胞狀晶、樹枝晶，越靠近表層樹枝晶組織更為細密.熔覆層組織沿Z向分布不均勻，中部到表層組織生長方向紊亂，熔覆層同等厚度下，沿Y向分布的組織均勻性較好.根據(jù)晶體生長理論［14］，晶體生長具有擇優(yōu)取向性，結(jié)合區(qū)主要靠基體散熱，晶體反方向生長，表現(xiàn)為定向熔凝特性，由于G/R比值大，結(jié)晶速率小，造成晶粒組織大;熔覆層中部到次表面，呈多方向散熱模式，R值增大，為組織多方向生長和組織細化提供有利條件;熔覆層表面，由于散熱條件進一步變化，既可以通過空氣介質(zhì)和基體散熱，還能通過已結(jié)晶的熔覆層散熱，G/R比值小，呈深度過冷狀態(tài)，同時晶體生長受晶體學(xué)各向異性影響，組織細化均勻，紊亂生長.

圖5為輪軌試樣熔覆層高倍SEM形貌，分析認為熔覆層以亞共晶的方式結(jié)晶，首先形成初生相γ－Co枝晶固溶體，繼續(xù)冷卻過程中，未凝固的液相金屬在枝間形成共晶組織(Cr23C6+γ－Co)，共晶組織表現(xiàn)為均勻顆粒狀、放射形桿狀與片狀混合狀態(tài).

圖5 輪軌試樣組織高倍SEM形貌

分析共晶組織結(jié)晶規(guī)律可知，共晶組織的形貌和特征尺度主要與凝固速率有關(guān)，溫度梯度影響較?。?5］.由于同一個區(qū)域內(nèi)組織形成不同步，形成共晶組織后仍剩余少量液相金屬，隨著結(jié)晶行為的繼續(xù)進行，凝固速率逐漸發(fā)生變化，使得剩余液相金屬在枝間重新形核，在枝間彌散分布，形成更為細小的顆粒狀共晶組織.由于受到熱流方向影響［16］，共晶組織生長方向存在較大差異.

2.3 輪軌熔覆層成分

界面結(jié)合區(qū)是在激光熔覆時基體表面材料微熔后與熔化的液相合金材料相互混合滲透，并以基體為散熱介質(zhì)非均勻形核方式形成的無微觀偏析組織，界面處的這一形成特點，使得基體與熔覆層化學(xué)成分發(fā)生一定程度的擴散，從而形成良好的冶金結(jié)合.為進一步分析元素擴散情況，對車輪試樣縱剖面進行了元素掃描分析，如圖6所示.

圖6 車輪試樣元素掃描

熔覆過程中，F(xiàn)e、Cr和Co元素含量在結(jié)合區(qū)顯著變化，由于基體材料的流動滲透，結(jié)合區(qū)Fe元素含量高于熔覆層，隨熔覆層厚度增加逐漸減少;由于合金成分中富含Cr、Co元素，在結(jié)合區(qū)發(fā)生滲透后，該區(qū)域Cr、Co元素含量高于基體組織.Si、Ni元素含量變動不明顯，這是因為熔覆層和基體中這些元素含量差異不明顯，相互滲透過程中，F(xiàn)e、Co、Ni元素容易形成固溶體，產(chǎn)生固溶強化效應(yīng)［17］.通過對鋼軌試樣熔覆層的初生枝晶和后續(xù)形成的共晶組織進行EDX點分析知(見圖7)，枝晶和共晶組織中，Co、Cr元素交替增長，初生相中富含Co元素，Cr元素次之，而共晶組織Cr元素含量高，Co元素降低.這是因為Cr極容易在枝間形成碳化物，與初生相以共晶組織出現(xiàn).

圖7 組織EDX能譜圖

2.4 輪軌熔覆層硬度

圖8為輪軌試樣熔覆處理后顯微硬度.

圖8 輪軌試樣熔覆層硬度

由圖8(a)可知，激光熔覆Co基合金后，輪軌試樣表面硬度顯著增加，較未處理鋼軌和車輪試樣硬度分別提高約43.44%和52.98%，處理后輪軌試樣表面硬度幾乎一致;而分析熔覆層剖面硬度圖8(b)可知，次表面硬度高于表層硬度，同時硬度值依次從熔覆層、結(jié)合區(qū)、熱影響區(qū)和基體呈現(xiàn)遞減趨勢，輪軌試樣硬度值變化趨勢一致.由前述分析可知，由于激光熔覆的快速熔凝特性，得到均勻細化的組織，組織細化使得晶界面積能顯著增加，從而硬度提高;同時，合金粉末中富含合金元素，形成過飽和γ－Co固溶體組織，固溶體具有很高的強度;合金中的Cr、W等元素在熔覆過程中形成彌散分布的穩(wěn)定的第二相組織，有效地強化了熔覆層材料.在熔覆層與基體結(jié)合區(qū)，由于同時受到G/R比值和基體材料稀釋的綜合作用，導(dǎo)致熔覆層強度下降，硬度降低.熔覆層組織表面材料硬度提高有助于在重載條件下提高輪軌抗磨損能力.

2.5 輪軌試樣摩擦磨損性能

圖9為3組輪軌試樣間摩擦系數(shù)曲線，對比發(fā)現(xiàn):單一表面熔覆處理輪軌后，摩擦系數(shù)均比未處理輪軌摩擦系數(shù)小，但單一處理輪試樣后，摩擦系數(shù)最小，單一處理鋼軌試樣次之;試樣熔覆處理后，輪軌硬度差進一步增大，使得未處理試樣表面材料剝落形成磨屑，大量磨屑在輪軌間起潤滑作用，使得摩擦系數(shù)降低.粘著理論認為，材料表面由諸多微凸體構(gòu)成，真實接觸面積遠遠小于表現(xiàn)面積，材料硬度越低，實際接觸面積越大，粘著效應(yīng)和分子間作用增強，摩擦系數(shù)增大.輪處理組摩擦副中，未處理鋼軌硬度大于車輪硬度，從而相同接觸應(yīng)力下接觸面積小，導(dǎo)致摩擦系數(shù)小.摩擦系數(shù)是輪軌接觸切向力與垂向力的比值，垂向力一定的情況下，摩擦系數(shù)大，表明切向力大，推斷摩擦副間切向力由大到小依次為:未處理組＞軌處理＞輪處理.

圖9 輪軌試樣摩擦系數(shù)-時間關(guān)系曲線

圖10為單一熔覆輪軌試樣后磨損率情況，可以看出:激光熔覆處理后能明顯降低輪軌試樣間的磨耗，單一表面熔覆處理輪試樣后，磨損率降低82.59%，與之對摩的鋼軌副磨損率降低37.27%;而單一表面熔覆處理鋼軌試樣后，鋼軌磨損率相比較未處理前降低了78.09%，而與之對摩的車輪副降低了20.11%.通過比較發(fā)現(xiàn)，輪軌試樣經(jīng)過激光表面熔覆處理后，抗磨性能約為處理前的5倍，抗磨損性能大大提高.

合金粉末中富含Cr元素(質(zhì)量分數(shù)28.5%)，該元素是一種固溶強化元素，可以細化珠光體片間距，從而提高材料強度，增強抗磨損性能.輪軌試樣激光表面熔覆處理后，表面硬度大幅度提高，由于未處理的車輪試樣硬度小于未處理的鋼軌試樣，故與具有相同材料的熔覆層接觸后，未處理車輪的磨損程度要較未處理的鋼軌試樣嚴重，但均小于輪軌未處理組磨損.同等軸重下，摩擦系數(shù)反映切向力狀況，而切向力對輪軌表面材料損傷起著極其重要的影響，切向力大于材料屈服極限時，引起表面裂紋，進而導(dǎo)致材料剝落［18－19］，磨損加劇.激光熔覆處理試樣后，摩擦系數(shù)降低，切向力減少，從而使得磨損率減低.綜合以上分析，說明激光熔覆不僅能降低熔覆處理的試樣磨損率，也能降低與之對摩的摩擦副損傷.

圖10 輪軌試樣磨損率

3 結(jié)論

1)鋼軌和車輪試樣激光表面熔覆Co基合金后能得到結(jié)構(gòu)大致相同的約1 mm熔覆層，主要由枝晶組織(γ－Co)和共晶組織(Cr23C6+γ－Co)構(gòu)成，初生相為γ－Co過飽和固溶體.共晶組織分布在枝晶間，表現(xiàn)為均勻顆粒狀、放射形桿狀和片狀混合結(jié)構(gòu)狀態(tài).

2)輪軌試樣熔覆層組織形態(tài)存在較大差異，結(jié)合區(qū)為幾乎垂直于界面生長的粗大柱狀晶，中部到表層出現(xiàn)胞狀晶、樹枝晶，離界面越遠組織越細密，組織生長方向紊亂.從基體過渡到熔覆層，由于基體材料的流動滲透，使得Fe、Cr和Co元素含量在結(jié)合區(qū)顯著變化.枝晶與共晶組織中，Co、Cr元素交替增長，初生相中富含Co元素，而共晶組織Cr元素含量高.

3)激光熔覆Co基合金后，輪軌試樣表面硬度分別提高約52.98%和43.44%，輪軌間摩擦系數(shù)降低，熔覆處理車輪試樣后更為明顯.熔覆處理后的輪軌試樣抗磨損能力約提高5倍，同時與之對摩的試樣磨損程度顯著降低.

［1］ 劉啟躍，王文健，周仲榮.高速與重載鐵路損傷及預(yù)防技術(shù)差異研究［J］.潤滑與密封，2007，32(11):11－14.LIU Qiyue，WANG Wenjian，ZHOU Zhongrong.An investigation on difference of rail damage and preventive technique of high-speed and heavy-haul railway ［J］.Lubrication Engineering，2007，32(11):11－14.

［2］ GARNHAM J E，DAVIS C L.The role of deformed rail microstructure on rolling contact fatigue initiation［J］.Wear，2008，265(9/10):1363－1372.

［3］ GRASSIE S，NILSSON P，BJURSTROM K，et al.Alleviation of rolling contact fatigue on Sweden's heavy haul railway［J］.Wear，2002，253:42－53.

［4］ NIEDERHAUSER S，KARLSSON B.Fatigue behavior of Co-Cr laser cladded plates for railway application［J］.Wear，2005，258(7/8):1156－1164.

［5］ 楊坤，晁明舉，袁斌，等.激光熔覆修復(fù)機車連桿裂紋研究［J］.激光雜志，2005，26(2):68－69.YANG Kun，CHAO Mingju，YUAN Bin，et al.Study on laser repairing crack of engine connecting rod［J］.Laser Journal，2005，26(2):68－69.

［6］ 王文健，劉吉華，郭俊，等.激光淬火對重載輪軌磨損與損傷性能的影響［J］.材料科學(xué)與工藝，2012，20(6):69－72.WANG Wenjian，LIU Jihua，GUO Jun，et al.Effect of laser quenching on wear and damage behaviors of heavy-haul wheel/rail［J］.MaterialsScience ＆Techenology，2012，20(6):69－72.

［7］ 胡杰，郭火明，王文健，等.激光熔覆對輪軌摩擦磨損性能的影響［J］.潤滑與密封，2012，37(9):51－55.HU Jie，GUO Huoming，WANG Wenjian，et al.Effect of laser cladding on friction and wear properties of wheel/rail materials［J］.Lubrication Engineering，2012，37(9):51－55.

［8］ 張松，張春華，王明生，等.耐熱鋼表面激光熔覆Co基合金涂層的高溫性能［J］.腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，2008，20(3):181－183.ZHANG Song，ZHANG Chunhua，WANG Mingsheng，et al.High temperature performance of a laser clad Cobase alloy on steel surface［J］.Corrosion Science and Protection Technology，2008，20(3):181－183.

［9］ LUSQUINOS F，COMESANA R，RIVEIRO A，et al.Fibre laser micro-cladding of Co-based alloys on stainless steel［J］.Surface ＆ Coatings Technology，2009，203(14):1933－1940.

［10］ BATTEZ A H，VIESCA J L，GONZALEZ R，et al.Friction reduction properties of a CuO nano lubricant used as lubricant for a NiCrBSi coating［J］.Wear，2010，268:325－328.

［11］ 王曉林，李明雨，王春青.激光噴射釬料球鍵合焊點熱循環(huán)試驗研究［J］.材料科學(xué)與工藝，2011，19(3):88－92.WANG Xiaolin，LIMingyu，WANG Chunqing.Thermal shock test of solder joint obtained by laser jet solder ball bonding method［J］.Materials Science ＆Technology，2011，19(3):88－92.

［12］ 李明喜，何宜柱，孫國雄.Co基合金激光熔覆層組織及近表面結(jié)晶方向［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2002，32(6):932－935.LI Mingxi，HE Yizhu，SUN Guoxiong.Microstructure and crystallization direction of laser cladding Co-based alloy［J］.Journal of Southeast University(Natural Science Edition)，2002，32(6):932－935.

［13］ 臧辰峰，劉常升，張小彬.低碳鋼表面激光熔覆層及其高溫磨損行為［J］.材料科學(xué)與工藝，2011，19(3):113－116.ZANG Chenfeng，LIU Changsheng，ZHANG Xiaobin.Laser cladding layers on low-carbon steel and their high temperature abrasive-wear behavior［J］.Materials Science ＆ Technology，2011，19(3):113－116.

［14］ KURZ W，BEZENCON C，GAUMANN M.Columnar to equiaxed in solidification processing［J］.Science and Technology of Advanced Materials，2001，2(1):185－191.

［15］ 曹永青，林鑫，汪志太，等.激光快速熔凝Ni－Sn共晶合金的組織演變［J］.金屬學(xué)報，2011，47(5):540－547.CAO Yongqing，LIN Xin，WANG Zhitai，et al.Microstructure evolution of Ni－Sn eutectic alloy in laser rapid solidification［J］.Acta Metallurgica Sinica，2011，47(5):540－547.

［16］ 穆丹寧，楊長林，魏曉偉，等.深度過冷鐵鈷基塊體合金的細晶化研究［J］.金屬學(xué)報，2012，48(12):1409－1414.MU Danning，YANG Changlin，WEI Xiaowei，et al.Research on grain refinement in bulk undercooled Fe－Co base alloys［J］.Acta Metallurgica Sinica，2012，48(12):1409－1414.

［17］ 斯松華，徐錕，袁曉敏，等.激光熔覆 Cr3C2/Co基合金復(fù)合涂層組織與摩擦磨損性能研究［J］.摩擦學(xué)學(xué)報，2006，26(2):125－129.SISonghua，XU Kun，YUAN Xiaomin，etal.Microstructure and wear performance of laser cladding Cr3C2/Co alloy composite coating ［J］.Tribology，2006，26(2):125－129.

［18］ 趙駿韋，陳宸，胡正飛，等.U75V貨運重軌服役損傷及裂紋擴展行為研究［J］.上海金屬，2011，33(1):13－17.ZHAO Junwei，CHEN Chen，HU Zhengfei，et al.Research of damage and crack propagation in U75V rail steel used in heavy-haul railway ［J］.Shanghai Metals，2011，33(1):13－17.

［19］ GARNHAM J E，DAVIS C L.Very early stage rolling contact fatigue crack growth in pearlitic rail steels［J］.Wear，2011，271(1/2):100－112.