王文健，劉吉華，郭 俊，劉啟躍

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都610031)

激光淬火對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

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都610031)

利用MMS-2A型微機控制摩擦磨損試驗機研究了激光表面淬火對重載輪軌磨損與損傷性能的影響，分析了激光淬火對重載輪軌表面損傷的作用機理.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摩擦系數(shù);激光淬火可增強輪軌試樣的耐磨性，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輕微，主要表現(xiàn)為小麻點式剝落損傷，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輸中關(guān)鍵的技術(shù)問題，它與鐵路運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)魚鱗狀細小裂紋，個別地段出現(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、日常維護及使用技術(shù)方面會產(chǎn)生較大的差異.我國于20世紀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滑動，導致鋼軌側(cè)面產(chǎn)生嚴重磨損或輪緣磨耗.巴西是重載鐵路系統(tǒng)較發(fā)達的國家，MRS養(yǎng)路有限公司采用了預防性循環(huán)打磨技術(shù)［6］.美國開發(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］.加拿大國家鐵路采用軌頂潤滑管理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］對鋪設新鋼種PG4和U77MnCr線路的鋼軌損傷進行了研究，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.隨著我國重載鐵路運輸?shù)难该桶l(fā)展，如何確保重載鐵路運輸?shù)陌踩徒档瓦\營成本，減緩重載輪軌損傷，避免嚴重損傷，延長使用壽命成為一個亟待解決的技術(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用.論文利用MMS-2A型微機控制摩擦磨損試驗機研究了激光淬火對輪軌材料滾動摩擦與磨損性能的影響，分析了激光淬火對輪軌損傷情況的影響.研究結(jié)果可對重載輪軌材料損傷的減緩與預防提供有益的技術(shù)指導和參考意義.

1 試驗

試驗在MMS-2A型微機控制摩擦磨損試驗機上進行，試驗采用赫茲模擬準則進行［12］，即保證實驗室條件下模擬輪軌試件間的平均接觸應力和接觸橢圓的長短軸之比與現(xiàn)場中的相同.兩試樣為對滾接觸，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)赫茲模擬準則計算出車輪試樣的圓弧半徑R為14 mm.試驗上下試樣結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示.

圖2 輪軌試樣尺寸示意圖

表1 輪軌材料化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

試驗參數(shù):下試樣轉(zhuǎn)速200 r/min，上試樣轉(zhuǎn)速180 r/min，轉(zhuǎn)動滑差率14.5%;接觸應力水平1500 MPa，相當于現(xiàn)場軸重25 t，對應施加法向載荷為180 N，其中動載系數(shù)取0.3;試驗時間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)對輪軌試樣進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.

試驗在干態(tài)下進行;利用維氏硬度儀(MVK -H21，Japan)測量輪軌試樣硬度;用電子分析天平(TG328A)通過稱重法測量試樣磨損量;利用光學顯微鏡(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，激光淬火層的硬度高于輪軌材料基體的硬度，到達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 滾動摩擦與磨損行為

圖5為輪軌試樣滾動摩擦系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化情況.輪軌摩擦副滾動摩擦系數(shù)首先呈現(xiàn)增加的趨勢，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，此時摩擦系數(shù)變化平穩(wěn)，對比發(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，這表明激光處理對輪軌材料的滾動摩擦系數(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)場中通過激光淬火處理對降低重載鋼軌側(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重，在反復滾動摩擦過程中，由于較大切向摩擦力作用導致表面磨損量較大，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，且剝落方向與滾動方向呈一致性.此時對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，損傷相對輕于車輪試樣，對應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嚴重，鋼軌表面損傷相對較為輕微.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，滾動摩擦過程中表面損傷也相對輕微，因此，激光處理輪軌試樣不會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，且表面損傷也相對輕微.實際中通過合理優(yōu)化激光處理輪軌材料的硬度匹配，使輪軌材料均達到最佳使用狀態(tài)，在使兩者磨損壽命達到最長的同時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，導致車輪和鋼軌磨損量分別減小62.9%和66.0%;激光處理對輪軌材料的滾動摩擦系數(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.

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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 文獻標志碼:A 文章編號:1005-0299(2012)06-0069-04

2011-12-10.

國家自然科學基金項目(51174282，51025519);教育部創(chuàng)新團隊科學基金項目(IRT1178);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(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)