激光淬火对重载轮轨磨损与损伤性能的影响

王文健，刘吉华，郭 俊，刘启跃

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都610031)

激光淬火对重载轮轨磨损与损伤性能的影响

王文健，刘吉华，郭 俊，刘启跃

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都610031)

利用MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机研究了激光表面淬火对重载轮轨磨损与损伤性能的影响，分析了激光淬火对重载轮轨表面损伤的作用机理.结果表明:激光淬火处理后轮轨试样存在一定厚度的淬火处理层，其组织主要为均匀致密的马氏体层;激光淬火可明显提高车轮和钢轨试样的表面硬度，其硬度分别增加35.7%、33.5%;激光淬火基本不改变轮轨试样的滚动摩擦系数;激光淬火可增强轮轨试样的耐磨性，相比淬火前车轮和钢轨试样磨损量分别降低62.9%和66.0%;未处理轮轨试样表面损伤主要表现为明显的剥落损伤，激光淬火后轮轨表面损伤相对轻微，主要表现为小麻点式剥落损伤，重载工况下激光淬火处理使轮轨试样具有较好的抗表面损伤能力.

重载铁路;轮轨;磨损;硬度;激光淬火

轮轨损伤一直是铁路运输中关键的技术问题，它与铁路运输中提高轴重及速度等一系列重大问题密切相关.例如，朔黄铁路75 kg/m钢轨已发现小半径曲线下股钢轨踏面出现鱼鳞状细小裂纹，个别地段出现鱼鳞状剥落掉块现象［1］;大秦重载铁路线钢轨出现了以侧磨、压溃和断裂破坏形式的钢轨材料服役失效，重伤轨数每年以20%的速度递增.重载与高速铁路在使用条件和运输环境等诸多方面存在很大的变化，因此重载与高速铁路在钢轨损伤、日常维护及使用技术方面会产生较大的差异.我国于20世纪90年代开始发展重载铁路，随后重载线路钢轨出现了多种损伤形式，如钢轨侧磨、波浪形磨损、钢轨压溃、剥落掉块、轨面剥落等［2-5］，它们占重载钢轨损伤量的80%以上.钢轨侧磨作为重载曲线段钢轨损伤的主要类型，尤其在重载小半径曲线上更为严重(图1)，已成为重载曲线钢轨更换的决定性因素［4］.主要原因是轮缘与轨侧之间存在着较大相对滑动，导致钢轨侧面产生严重磨损或轮缘磨耗.巴西是重载铁路系统较发达的国家，MRS养路有限公司采用了预防性循环打磨技术［6］.美国开发了一种新型HE型钢轨(Hyper Eutectold)，具有耐磨、抗表面裂纹及轨内裂纹生成的特殊性能［7］.加拿大国家铁路采用轨顶润滑管理5年，曲线区段钢轨磨耗下降43%～58%，轮轨横向力降低40%～45%，钢轨使用能力提高90%［8］.张银花［9］对铺设新钢种PG4和U77MnCr线路的钢轨损伤进行了研究，结果表明:新钢轨的综合使用性能良好，适合在重载铁路上使用.随着我国重载铁路运输的迅猛发展，如何确保重载铁路运输的安全和降低运营成本，减缓重载轮轨损伤，避免严重损伤，延长使用寿命成为一个亟待解决的技术难题.

图1 大秦线钢轨侧磨损伤照片

激光淬火对提高材料表面硬度，增加耐磨性具有重要的作用［10-11］，但目前尚未在轮轨材料研究上得到应用.论文利用MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机研究了激光淬火对轮轨材料滚动摩擦与磨损性能的影响，分析了激光淬火对轮轨损伤情况的影响.研究结果可对重载轮轨材料损伤的减缓与预防提供有益的技术指导和参考意义.

1 试验

试验在MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机上进行，试验采用赫兹模拟准则进行［12］，即保证实验室条件下模拟轮轨试件间的平均接触应力和接触椭圆的长短轴之比与现场中的相同.两试样为对滚接触，上试样为钢轨试样，直径为38 mm，下试样为车轮试样，直径为40 mm，根据赫兹模拟准则计算出车轮试样的圆弧半径R为14 mm.试验上下试样结构尺寸如图2所示.

图2 轮轨试样尺寸示意图

表1 轮轨材料化学成分(质量分数/%)

试验参数:下试样转速200 r/min，上试样转速180 r/min，转动滑差率14.5%;接触应力水平1500 MPa，相当于现场轴重25 t，对应施加法向载荷为180 N，其中动载系数取0.3;试验时间26 h.钢轨材料为U75V热轧钢轨，车轮材料为CL60车轮钢，轮轨材料成分见表1.利用激光淬火装置(TR-3000多模横流激光器)对轮轨试样进行表面淬火处理以提高轮轨试样的表面硬度.激光淬火处理工艺参数:激光输出功率为200～350 W，扫描速度为15～25 mm/s，光斑直径为1.0 mm.

试验在干态下进行;利用维氏硬度仪(MVK -H21，Japan)测量轮轨试样硬度;用电子分析天平(TG328A)通过称重法测量试样磨损量;利用光学显微镜(OLYMPUS BX60M)观察试样的金相显微组织;利用三维激光扫描显微镜(VKX100，Japan)观察轮轨试样表面磨痕损伤形貌.

2 结果与分析

2.1 轮轨试样显微组织

图3为激光淬火轮轨试样金相组织照片.通过图可发现轮轨材料激光淬火处理后存在一定厚度的淬火处理层，车轮材料基体为铁素体和珠光体，钢轨材料基体为珠光体.激光淬火后轮轨材料组织为白色均匀致密的马氏体层，其硬度应有明显提高.

2.2 轮轨试样硬度

图4为轮轨试样的硬度情况.从图4(a)中可看出，钢轨材料硬度稍高于车轮材料，激光淬火处理后车轮和钢轨试样的表面硬度将有明显的提高，其表面硬度分别增加35.7%、33.5%，表面硬度的提高将增强轮轨试样的耐磨性，这将有利于降低轮轨试样的磨损.从轮轨试样剖面硬度结果(图4(b))分析可知，随深度增加，轮轨试样硬度呈现明显的下降趋势，激光淬火层的硬度高于轮轨材料基体的硬度，到达一定深度后硬度接近轮轨材料的基体硬度.

图3 激光淬火轮轨试样金相组织照片

2.3 滚动摩擦与磨损行为

图5为轮轨试样滚动摩擦系数随循环次数的变化情况.轮轨摩擦副滚动摩擦系数首先呈现增加的趋势，一定循环次数后摩擦趋于稳定状态，其值约为0.5，此时摩擦系数变化平稳，对比发现激光淬火后的轮轨试样摩擦系数与未处理试样的基本相差不大，这表明激光处理对轮轨材料的滚动摩擦系数基本无明显影响.

图6给出了轮轨试样的磨损量.结果表明:无论是未处理试样还是激光淬火试样，由于钢轨硬度大于车轮试样硬度，故钢轨磨损量小于车轮试样磨损量;激光淬火后轮轨试样磨损量明显下降，其车轮和钢轨磨损量可分别减小 62.9%和66.0%，轮轨系统总磨损量也明显降低，降低约为63.8%.上述结果表明:轮轨试样通过激光淬火处理可提高轮轨的耐磨性，有效降低轮轨的磨损量，在现场中通过激光淬火处理对降低重载钢轨侧磨和轮缘磨耗是十分有益的.

图4 轮轨试样的硬度

图5 轮轨试样滚动摩擦系数

2.4 试样损伤行为

图7、图8分别为未处理轮轨试样和激光淬火试样的表面磨痕损伤形貌.从图中可看出，在重载试验工况下，未处理轮轨试样的表面损伤主要表现为明显的剥落损伤痕迹(图7)，车轮试样表面磨痕损伤严重，在反复滚动摩擦过程中，由于较大切向摩擦力作用导致表面磨损量较大，从而众多的磨屑很容易从试样上剥掉而形成较大剥落损伤，且剥落方向与滚动方向呈一致性.此时对磨副钢轨试样表面损伤主要表现为较为明显的剥落痕迹，但其方向性不明显，损伤相对轻于车轮试样，对应的磨损量也小于车轮试样.从图8可发现，激光淬火后轮轨试样表面损伤总体较处理前试样的要轻微，表面损伤主要表现为小麻点式的剥落损伤.由于车轮试样硬度低于钢轨试样，在重载工况下车轮表面损伤相对严重，钢轨表面损伤相对较为轻微.由于激光淬火后试样表面硬度的提高，在重载工况下轮轨试样抗磨损性能增强，滚动摩擦过程中表面损伤也相对轻微，因此，激光处理轮轨试样不会加剧轮轨材料的表面损伤行为，处理后轮轨试样具有较好的抗表面损伤能力.

图6 轮轨试样的磨损量

图7 未处理轮轨试样表面磨痕损伤形貌

图8 激光淬火轮轨试样表面磨痕损伤形貌

综上可知，由于车轮与钢轨试样材料差异导致轮轨试样的损伤形态和磨损量均存在一定的差别，激光淬火处理能提高轮轨试样的耐磨性，明显降低重载工况下的磨损量，且表面损伤也相对轻微.实际中通过合理优化激光处理轮轨材料的硬度匹配，使轮轨材料均达到最佳使用状态，在使两者磨损寿命达到最长的同时并最大限度地降低轮轨材料的表面损伤程度.

3 结论

1)激光淬火处理后轮轨试样存在一定厚度的均匀致密的马氏体层，其提高车轮和钢轨试样表面硬度分别约为35.7%和33.5%，轮轨试样耐磨性增强，导致车轮和钢轨磨损量分别减小62.9%和66.0%;激光处理对轮轨材料的滚动摩擦系数无显著影响.

2)未处理轮轨试样表面损伤主要表现为明显的剥落损伤，激光淬火后轮轨试样表面损伤总体较处理前试样的轻微，表面损伤主要表现为小麻点式的剥落损伤，激光处理后轮轨试样具有较好的抗表面损伤能力.

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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 文献标志码:A 文章编号:1005-0299(2012)06-0069-04

2011-12-10.

国家自然科学基金项目(51174282，51025519);教育部创新团队科学基金项目(IRT1178);中央高校基本科研业务费专项资金(SWJTU12CX037).

王文健(1980-)，男，博士，副研究员.

王文健，E-mail:wwj527@163.com.

(编辑 张积宾)