激光淬火与熔覆对重载轮轨材料磨损与损伤性能影响

摘要

重载运输由于其大轴重、高密度的运作方式，大大提高了货物运输能力，正受到世界各国前所未有的重视。自从我国重载货运发展以来，轮轨磨耗一直倍受关注，尤其是升级改造后的重载线路上大轴重机车的使用，使得降低轮轨磨耗与损伤成为亟待解决的技术难题。激光表面处理技术的发展，越来越受到轮轨研究学者的关注，对轮轨材料表面进行改性处理，提高轮轨表面材料的耐磨性能将有利于延长重载铁路轮轨的使用寿命。
　　论文首先对大秦重载线路进行现场调查并采集损伤钢轨样本，通过对损伤样本的宏观和微观测试分析，研究了重载铁路损伤机理;利用CO2多模激光器在轮轨材料表面进行激光淬火与激光熔覆改性处理，获得功能层并对其进行组织、硬度、物相等显微分析。利用MMS-2A滚动摩擦磨损试验机研究了改性处理后重载轮轨材料的磨损与损伤性能，分析了轴重对轮轨材料抗磨损性能的影响;利用显微硬度仪、扫描电子显微镜、X射线衍射仪等微观测试设备，详细分析了激光表面处理前后重载轮轨材料的微观组织结构变化、磨损性能和表面损伤形貌。所得出的主要结论如下:
　　(1)重载铁路线钢轨磨损和表面损伤严重，主要表现为严重的剥离掉块和侧面磨损，相对而言轨距角处磨耗最严重，裂纹密集，主要表现为残余压应力，塑性变形严重;损伤行为主要为侧磨和表面剥离损伤。
　　(2)激光淬火处理能显著提高轮轨表面材料的硬度;轮轨试样均处理后，减磨效果明显，表面损伤程度也降低，钢轨试样磨损率降低44.02％，而车轮试样降低13.6％;单一处理虽能降低处理重载轮轨材料磨损却加剧了对摩副磨损。激光表面淬火处理后轮轨试样抵抗塑性变形能力增强，损伤较为轻微;处理后钢轨试样磨损机制主要表现为疲劳磨损，车轮试样则表现为疲劳磨损和粘着磨损共存，以疲劳磨损为主。
　　(3)激光熔覆处理可获得与基体冶金结合的优质激光熔覆层，熔覆层组成相主要为枝晶（γ-Co）和共晶(Cr23C6)，熔覆处理后硬度大幅度提高，且有效降低了轮轨对摩副的磨损;均熔覆处理减磨效果最佳，轮轨试样磨损率分别降低78.18％和80.43％，且表面损伤轻微;轮轨试样磨损率随轴重增加而增大;激光熔覆处理后重载轮轨材料磨损机制主要为轻微的粘着磨损，激光熔覆处理后轮轨材料的抗表面疲劳损伤性能大大提高。
　　(4)综合对比激光淬火和激光熔覆处理后的重载轮轨材料磨损与损伤特性表明:激光熔覆处理后轮轨材料减磨效果更为明显，是降低重载条件下轮轨磨损与损伤的有效途径之一。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 重载铁路研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 激光表面处理技术基本理论

1．3．1 激光表面淬火原理及特点

1．3．2 激光表面熔覆原理及应用

1．4 论文选题意义及研究内容

第2章 重载铁路钢轨损伤分析

2．1 现场钢轨损伤调查

2．2 重载钢轨宏观损伤分析

2．3 重载钢轨微观测试分析

2．3．1 微观测试分析方法

2．3．2 成分、硬度与残余应力

2．3．3 疲劳裂纹

2．3．4 塑性变形及组织

2．4 小结

第3章 模拟试验简介

3．1 MMS-2A滚动摩擦磨损试验机

3．1．1 试验机工作原理及运行环境

3．1．2 试验机主要用途及适用范围

3．2 模拟试验

3．2．1 模拟试验准则

3．2．2 模拟接触载荷及接触力计算

3．2．3 模拟试验参数

3．2．4 轮轨试样基体材料

3．3 试验主要工作

3．3．1 试验前工作

3．3．2 试验后工作

第4章 激光淬火对轮轨材料磨损与损伤性能影响

4．1 激光淬火轮轨试样制备及其组织

4．1．1 试样制备的预处理过程

4．1．2 淬火层组织及其性能

4．2 激光淬火对轮轨材料磨损与损伤性能影响

4．2．1 摩擦系数

4．2．2 磨损率

4．2．3 磨痕表面形貌

4．2．4 塑性变形及微观结构

4．3 小结

第5章 激光熔覆对轮轨材料磨损与损伤性能影响

5．1 轮轨试样熔覆层制备及其组织

5．1．1 熔覆层的制备过程

5．1．2 熔覆层组织及其性能

5．2 激光熔覆对轮轨材料磨损与损伤性能影响

5．2．1 摩擦系数与磨损量

5．2．2 磨痕表面形貌

5．2．3 塑性变形及微观结构

5．3 不同轴重条件下轮轨材料磨损与损伤性能

5．3．1 摩擦系数与磨损量

5．3．2 磨痕表面形貌

5．3．3 塑性变形及微观结构

5．4 油润滑下轮轨材料疲劳损伤性能

5．4．1 摩擦系数与磨损量

5．4．2 磨痕表面形貌

5．4．3 剖面损伤

5．5 小结

第6章 激光淬火与熔覆对轮轨材料磨损性能影响对比

6．1 显微硬度

6．2 摩擦磨损行为

6．3 试验后表面粗糙度

6．4 剖面损伤

6．5 磨屑形貌

6．6 小结

结论及展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目