重載鋼軌激光熔覆減磨性能研究文獻(xiàn)綜述

1、重載鋼軌激光熔覆減磨性能研究文獻(xiàn)綜述一 前言隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各國(guó)及各地區(qū)之間的商貿(mào)活動(dòng)日益頻繁，對(duì)貨物的運(yùn)輸能力提出了新的挑戰(zhàn)。當(dāng)今，大力發(fā)展重載，是鐵路運(yùn)輸擴(kuò)能提效的有效措施，是緩解當(dāng)前運(yùn)輸壓力的重要途徑。自上個(gè)世紀(jì)60年代以來(lái)，重載運(yùn)輸一直受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，特別是一些幅員遼闊、資源豐富的國(guó)家。經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，重載運(yùn)輸?shù)亩x在國(guó)際上也數(shù)次被修改。2005年，在國(guó)際重載運(yùn)輸協(xié)會(huì)(IHHA)的巴西年會(huì)上，對(duì)重載運(yùn)輸?shù)亩x作了新的修訂：重載列車牽引重量至少達(dá)到8000t(此前為5000t)；軸重(或計(jì)劃軸重)為27t及以上(此前為25t)；在至少150km線路區(qū)段上年運(yùn)量超過(guò)4

2、000萬(wàn)噸(此前為2000萬(wàn)噸)【1】【2】。我國(guó)仍沿用國(guó)際重載協(xié)會(huì)先前的規(guī)定，滿足其中兩條的可視為重載鐵路?，F(xiàn)在世界上開行的重載列車，習(xí)慣上分為北美型重載單元列車和前蘇聯(lián)鐵路重載列車。北美的重載單元列車使用兩臺(tái)或多臺(tái)大功率機(jī)車與一定數(shù)量的同型大型專用貨車固定編組，組成一個(gè)長(zhǎng)、大、重的運(yùn)輸單元，實(shí)行專列運(yùn)輸，從一個(gè)始發(fā)站的裝卸線不停車地裝載同一品類貨物，列車按時(shí)刻表定點(diǎn)定線開行，中途不換掛機(jī)車，不解編車輛，采用翻車機(jī)，到達(dá)卸車地點(diǎn)不停車卸車。前蘇聯(lián)鐵路的特點(diǎn)是客貨混線，其在發(fā)展重載運(yùn)輸上立足本國(guó)國(guó)情，依靠先進(jìn)設(shè)備，充分挖掘和利用現(xiàn)有設(shè)備的潛力，創(chuàng)造性地組織開行了以超長(zhǎng)超重列車及合并列車為主要形

3、式的重載列車。鐵路運(yùn)輸是借助輪軌相互作用產(chǎn)生的牽引和制動(dòng)粘著摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)列車的運(yùn)行，而輪軌間的磨損是鐵路運(yùn)輸中耗資巨大的一個(gè)問(wèn)題。隨著機(jī)車車輛軸重的增加，輪軌接觸應(yīng)力隨之增大;輪軌踏面的縱向、橫向摩擦力也隨之增丈，輪軌側(cè)壓力也隨之增大;鋼軌的垂直磨損、側(cè)面磨損，以及塑性流動(dòng)也隨之增大;輪緣和踏面的磨損將隨之增大。輪軌磨耗特別是曲線區(qū)段上鋼軌和輪緣的磨耗日益加劇，己成為一個(gè)魚待解決的問(wèn)題。其中貨物列車造成的磨耗占有相當(dāng)大的比例，尤其是重載干線、運(yùn)煤干線上，輪軌磨耗十分厲害，嚴(yán)重制約了鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。輪緣和鋼軌磨耗加劇，增大了機(jī)車車輛和線路的檢修維護(hù)工作，并導(dǎo)致列車動(dòng)力消耗增加，速度降低和平穩(wěn)性下

4、降，嚴(yán)重影響了列車的運(yùn)行品質(zhì)。隨著運(yùn)量增加和大型貨車的使用，鋼軌的側(cè)磨己經(jīng)從小半徑曲線擴(kuò)大到較大半徑曲線，不僅磨損范圍擴(kuò)大，磨損率也在增加。因此，減小輪軌間的磨耗，改善貨物列車的曲線通過(guò)性能是發(fā)展重載運(yùn)輸過(guò)程中必須解決的問(wèn)題。由于列車運(yùn)行速度和承載力的大幅提高，對(duì)鋼軌的硬度和耐磨性能以及滾動(dòng)接觸疲勞性能提出了更高的要求。列車運(yùn)行時(shí)，鋼軌需要承受列車的壓力、摩擦和沖擊載荷，要求有足夠的強(qiáng)度、硬度及韌性，材料質(zhì)量要求較高。隨著列車運(yùn)行速度的提高，對(duì)鋼軌的性能提出了更高的要求，特別是對(duì)鋼軌的磨損性能及滾動(dòng)接觸疲勞性能。起始于鋼軌表面的疲勞損傷可引起鋼軌的失效。歐盟于2000年4月開展了“基礎(chǔ)之星(

5、InfraStar )”項(xiàng)目研究，目的在于提高鋼軌的耐用性、使用壽命及降低運(yùn)行噪聲【3】。具體是通過(guò)在鋼軌軌頭施加表面涂層制造所謂InfraStar雙材料鋼軌，降低滾動(dòng)接觸疲勞和在中小曲線半徑軌道處的噪聲。在InfraStar項(xiàng)目中，激光熔覆技術(shù)用于既有的鐵路線上和新鋼軌的制造過(guò)程，該技術(shù)由瑞典的Duroc鋼軌公司開發(fā)，并通過(guò)了實(shí)驗(yàn)室和實(shí)地軌道檢測(cè)。關(guān)于在鋼軌表面施加涂層是一難度較高的技術(shù)，不僅要求涂層應(yīng)無(wú)任何裂紋、氣孔等缺陷，而且涂層與鋼軌基體應(yīng)具有優(yōu)良的冶金結(jié)合，在承受反復(fù)的滾動(dòng)壓力之下不能有開裂、剝落等現(xiàn)象。激光熔覆是一先進(jìn)的制造技術(shù)，可大幅度提高工件的使用性能，并能實(shí)現(xiàn)涂層與基體材料的

6、冶金結(jié)合，與常規(guī)表面處理技術(shù)相比有很大的優(yōu)越性。鋼軌表面激光熔覆涂層，研究涂層的硬度和耐磨性來(lái)進(jìn)一步研究其減磨性能，在所具備的有限實(shí)驗(yàn)條件之下研究激光熔覆技術(shù)在鋼軌強(qiáng)化方面的可行性與可靠性。對(duì)探索在鋼軌上進(jìn)行大面積熔覆，來(lái)提高鋼軌特別是重載鋼軌的耐用性和壽命的研究就變得很有實(shí)際意義。 激光熔覆原理：激光熔覆是在熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料，利用高能激光束輻照，通過(guò)迅速溶化、擴(kuò)展和迅速凝固、冷卻（102106K/s），在基材表面形成與基材互相融合的且有完全不同成分和性能的熔覆層（基材的溶化層極薄，對(duì)熔覆層的成分影響極小），形成一種新的基體不具備的具有特殊物理、化學(xué)和力學(xué)性能的復(fù)合層【4】。

7、激光熔覆原理圖激光熔覆材料設(shè)計(jì)的一般原則：【5】1激光熔覆材料與基材熱膨脹系數(shù)的匹配目前，大多數(shù)研究都是根據(jù)激光熔覆層與基材熱膨脹系數(shù)的匹配原則進(jìn)行熔覆材料的選擇及成分設(shè)計(jì)的。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，為防止涂層開裂和剝落，涂層和基材的熱膨脹系數(shù)應(yīng)滿足同一性原則，即二者應(yīng)盡可能地接近。2激光熔覆材料與基材熔點(diǎn)的匹配力求采用相對(duì)于基體材料具有適宜熔點(diǎn)的涂層材料。3激光熔覆材料對(duì)基材的潤(rùn)濕性匹配激光熔覆材料體系分類1自熔性合金粉末：Ni基、Co基和Fe其自熔合金，其主要出發(fā)點(diǎn)是為了提高一些工件的耐磨性及耐蝕性。此外這幾類自熔合金對(duì)碳鋼、不銹鋼、合金鋼、鑄鐵和多種有色金屬材料有著廣泛而良好的潤(rùn)濕性，能獲得與基

8、體結(jié)合優(yōu)良的致密涂層。Ni基自熔性合金粉末：Ni基合金粉末以其良好的潤(rùn)濕性、耐蝕性、高溫自潤(rùn)滑作用和適中的價(jià)格在激光溶覆技術(shù)中用得最為廣泛，它適用于局部要求耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構(gòu)件。Co基自熔性合金粉末：激光熔覆Co基合金粉末主要用于鋼鐵基合金基體上。適用于要求耐磨、耐蝕和抗熱疲勞的零件。Fe基自熔性合金粉末：Fe基自熔合金適用于要求局部耐磨且容易變形的零件，基材多用鑄鐵和低碳鋼，其最大優(yōu)點(diǎn)是成本低且抗磨性能好，但熔點(diǎn)高，合金自熔性差，抗氧化性差，流動(dòng)性不好，熔層內(nèi)氣孔夾渣較多，這些缺點(diǎn)也限制了它的應(yīng)用。2復(fù)合粉末：復(fù)合粉末與由不同成分的粉末進(jìn)行機(jī)械混合而制得的混合粉末是有顯著差別的。復(fù)

9、合粉末中的單個(gè)粒子是由兩種或兩種以上不同成分的固相材料組成，并有明顯的相界面。各相組元之間一般為機(jī)械結(jié)合。應(yīng)用于耐磨損涂層的復(fù)合粉末很多，其中以鉆包碳化鎢和鎳包碳化鎢應(yīng)用最為廣泛。采用復(fù)合粉末進(jìn)行激光熔覆時(shí)，由于芯核材料受到包覆材料的保護(hù)，可減少或防止芯核材料的燒損，提高涂層性能。激光熔覆層的質(zhì)量控制激光熔覆層的裂紋，氣孔一直是阻礙該技術(shù)應(yīng)用的難題。(1)熔覆層的開裂主要與激光參數(shù)、工藝處理?xiàng)l件、覆層材料、基體狀況等四個(gè)方面有關(guān)。裂紋的產(chǎn)生原因主要是由于熔覆材料與基體材料在物理性能方面存在差異，加之高能密度激光束的快速加熱和基體的激冷作用，使熔覆層中產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力。當(dāng)局部拉應(yīng)力超過(guò)涂層材料的

10、強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋。由于熔覆層的枝晶界、氣孔、夾雜處強(qiáng)度較低且易于產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此，裂紋往往在這些部位產(chǎn)生。單道激光熔覆層的裂紋多垂直與激光掃描方向，并且裂紋大致平行分布。多道搭接激光熔覆時(shí)，由于殘余應(yīng)力的相互疊加，熔覆層開裂傾向更大，裂紋多呈網(wǎng)狀分布。激光熔覆層的開裂敏感性主要取決于熔覆層中殘余熱應(yīng)力的大小和熔覆層的抗開裂能力(韌塑性及抗拉強(qiáng)度)。選擇具有與基體熱膨脹系數(shù)相近的熔覆材料是防止熔覆層開裂的有效途徑。優(yōu)化工藝參數(shù)也可以減少熔覆層中的裂紋。(2)氣孔及其防止。氣孔也是激光熔覆層中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷。激光熔覆層中的氣孔是由于在激光快速熔凝的條件下，熔池中的氣體來(lái)不及逸出而形成的但

11、是激光熔覆時(shí)，由于激光熔池存在的時(shí)間極短，脫氧造渣過(guò)程進(jìn)行的不充分，使得熔體中有氧或氧化物殘留，導(dǎo)致高溫下碳與氧發(fā)生反應(yīng)，生成CO或CO2氣體。對(duì)于非自熔性合金，由于沒(méi)有硼、硅元素的脫氧造渣，熔覆層中更易形成氣孔。此外，在采用粘結(jié)法預(yù)置涂層材料時(shí)，如粘結(jié)劑選擇不當(dāng)，也可能在激光加熱過(guò)程中產(chǎn)生氣體，形成氣孔。二 正文1. 輪軌磨損類型與機(jī)理貨車是重載運(yùn)輸?shù)闹饕b備，由于其數(shù)量多、載重大，是重載鐵路輪軌磨耗的主體。世界重載貨車的發(fā)展主流方向是盡可能提高軸重，以充分利用線路的每延米載重和現(xiàn)有站線長(zhǎng)度。大軸重貨車對(duì)重載鐵路輪軌帶來(lái)的磨損主要包括車輪踏面和鋼軌頂面之間、輪緣和鋼軌側(cè)面之間的磨耗。據(jù)印度鐵

12、路工作者的試驗(yàn)研究表明，輪緣和鋼軌側(cè)面的磨耗是輪軌主要的磨耗，約占輪軌磨耗總量的三分之二。因此，輪軌側(cè)磨是重載鐵路曲線區(qū)段的最主要磨損類型，尤其在小半徑大坡道地段，輪緣和外軌側(cè)面磨耗特別快。重載鐵路軸重增加對(duì)鋼軌傷損嚴(yán)重，對(duì)側(cè)磨影響也較大。在曲線上，輪對(duì)沖角基本不變，但軸重的增加會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)向力加大，這無(wú)疑會(huì)加大鋼軌的側(cè)磨。輪軌踏面剝離產(chǎn)生的主要原因是大軸重造成的接觸切應(yīng)力過(guò)大，若輪軌接觸應(yīng)力超出輪軌材料的屈服極限值，材料就會(huì)發(fā)生塑性變形，在反復(fù)載荷作用下，塑性變形會(huì)累積增加，在材料的表面和次表面形成微觀裂紋。微觀裂紋在較大法向和切向應(yīng)力作用下，將擴(kuò)大并形成魚鱗狀裂紋分布在鋼軌表面，即“龜裂”現(xiàn)象

13、。若出現(xiàn)龜裂后，不及時(shí)處理， 則表面裂紋將向鋼軌體內(nèi)沿著運(yùn)動(dòng)方向擴(kuò)展，然后大塊剝離。因此,滾動(dòng)接觸疲勞是重載鐵路車輪踏面剝離的主要原因。滾動(dòng)接觸疲勞的發(fā)展經(jīng)過(guò)許多塑性流動(dòng)循環(huán), 當(dāng)車輪表面的應(yīng)力超過(guò)了用于制造車輪材料的屈服極限時(shí)，車輪表面便出現(xiàn)開裂，之后，萌生的裂紋將擴(kuò)展到踏面上， 進(jìn)而在應(yīng)力作用下，出現(xiàn)車輪踏面的剝離現(xiàn)象；列車的制動(dòng)及車輪空轉(zhuǎn)也會(huì)引起車輪表面擦傷，最后造成車輪踏面剝離。鋼軌壓潰是重載線路鋼軌的主要磨損類型，它是由于鋼軌連續(xù)的塑性變形所導(dǎo)致的。特別是重載線路的曲線區(qū)段，常常會(huì)發(fā)生鋼軌表層的塑性流動(dòng)，即壓潰現(xiàn)象，形成肥邊。值得一提的是鋼軌波狀磨耗的萌生及發(fā)展是產(chǎn)生在輪軌接觸界面上

14、，它是機(jī)車車輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，涉及到的因素很多，凡是可能的影響因素都成為研究波狀磨耗的出發(fā)點(diǎn)，軸重是引起鋼軌波狀磨耗的因素之一，但迄今為止仍未能提出一種廣泛認(rèn)同的理論來(lái)解釋各種波磨現(xiàn)象。2. 提高鋼軌性能方法2.1 改善鋼軌的材質(zhì)【6】由于重載線路鋼軌損傷的成因主要是鋼軌表面塑性流動(dòng)和磨耗，而克服塑性流動(dòng)和降低磨耗的最好方法就是提高鋼軌的強(qiáng)度及硬度，使用屈服強(qiáng)度高的鋼軌材料，鋼軌作為輪軌系統(tǒng)中最重要的組成部件，鋼軌的技術(shù)狀態(tài)直接影響線路的通過(guò)能力和行車安全，在輪軌磨耗的研究領(lǐng)域，盡可能提高鋼軌的制造質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及鋼軌的幾何特性和工藝技術(shù)特性，一直是鐵路工作者們的主要研究課題。在曲線

15、軌道上，隨著速度和軸重的提高，必然會(huì)使鋼軌的工作條件和應(yīng)力情況更為嚴(yán)重，各國(guó)鐵路均在增加鋼軌重量和提高鋼軌技術(shù)性能兩方面下功夫。近四五十年來(lái)，各國(guó)使用鋼軌重量已由42kg/m提高到7577kg/m，甚至達(dá)到81kg/m。在我國(guó)，隨著貨物列車牽引定數(shù)的提高開始發(fā)展使用熱軋狀態(tài)100k/mm級(jí)以上的全長(zhǎng)淬火軌和高強(qiáng)度的合金軌，PD3鋼種就是20世紀(jì)90年代發(fā)展重載鐵路應(yīng)運(yùn)而生的。2.2 采用潤(rùn)滑技術(shù)同時(shí)國(guó)外對(duì)鋼軌磨耗的研究工作還主要集中在潤(rùn)滑技術(shù)和不對(duì)稱打磨方面，并且取得了很大的成績(jī)。北美鐵路潤(rùn)滑技術(shù)研究已達(dá)到追求最優(yōu)化潤(rùn)滑參數(shù)的高水平，同時(shí)不對(duì)稱鋼軌打磨技術(shù)也得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。采用科學(xué)潤(rùn)滑

16、技術(shù)降低輪軌磨損是一項(xiàng)投資少、收效大和最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施。近年來(lái)，美、德、法、加、澳、瑞士、日本都致力于應(yīng)用開發(fā)和研究，研究工作集中在制定選擇潤(rùn)滑器和潤(rùn)滑劑的依據(jù)和測(cè)定潤(rùn)滑效益。以發(fā)展重載運(yùn)輸技術(shù)著稱的美國(guó)鐵路，特別重視輪軌涂油工作，其技術(shù)居世界領(lǐng)先地位。與國(guó)外相比，我國(guó)的輪軌潤(rùn)滑工作還還處在研究使用的初級(jí)階段，但是也取得了重大的成績(jī)。從1990年至今，我國(guó)自行研究的車載式新型輪軌潤(rùn)滑裝置和潤(rùn)滑脂，已在全路近萬(wàn)臺(tái)內(nèi)燃、電力機(jī)車上安裝應(yīng)用，經(jīng)過(guò)運(yùn)營(yíng)的實(shí)踐證明，在我國(guó)這種復(fù)雜天氣和地形狀況下，這種潤(rùn)滑裝置對(duì)各型機(jī)車輪緣與鋼軌間的有害摩擦都得到了有效控制，降低其磨損、延長(zhǎng)使用壽命，適應(yīng)了我國(guó)重載、提速

17、及安全運(yùn)輸?shù)囊蟆?.3 應(yīng)用鋼軌打磨技術(shù)為延長(zhǎng)鋼軌的使用壽命，國(guó)外同時(shí)也十分重視鋼軌打磨技術(shù)的研究，并生產(chǎn)相應(yīng)的配套設(shè)備。70年代，澳大利亞西部鐵路打磨公司采用外形打磨，來(lái)控制輪軌相互作用和接觸力，從而達(dá)到降低鋼軌側(cè)面磨耗。80年代北美首次出現(xiàn)全自動(dòng)鋼軌打磨車。經(jīng)打磨的鋼軌，壽命可增加通過(guò)總重一億噸左右，同時(shí)降低了鋼軌不平順對(duì)列車產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力，減少了運(yùn)行阻力，節(jié)約能源。鋼軌打磨己從單純消除波磨的初始階段發(fā)展到今天的優(yōu)化鋼軌使用狀態(tài)和全方位、系統(tǒng)性打磨技術(shù)，成為高速重載鐵路必不可少的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前應(yīng)用的曲線鋼軌不對(duì)稱斷面打磨技術(shù)是鋼軌打磨技術(shù)的最新發(fā)展成果，對(duì)減輕曲線鋼軌側(cè)磨和其它傷損都有

18、明顯的效果，國(guó)外己廣泛采用但因各國(guó)輪軌條件不同，采用的打磨斷面不能照搬，而是各具特色的獨(dú)立設(shè)計(jì)結(jié)果。2.4 優(yōu)化輪軌型面J.J.Kalker【7】在很早前就輪軌接觸機(jī)理這一問(wèn)題的討論中假設(shè)性的提問(wèn)。他假設(shè)人們?cè)谀壳耙呀?jīng)了解到當(dāng)初那樣設(shè)計(jì)輪軌的缺陷性的基礎(chǔ)上來(lái)提優(yōu)化輪軌型面這個(gè)引人思考的問(wèn)題，從鋼軌的錐形踏面到磨耗形踏面，從一點(diǎn)接觸到兩點(diǎn)接觸，而由此接觸問(wèn)題產(chǎn)生的應(yīng)力集中對(duì)鋼軌安定極限值圓的討論，對(duì)提高車輛動(dòng)力學(xué)運(yùn)行品質(zhì)的改善，都說(shuō)明優(yōu)化設(shè)計(jì)輪軌型面能有效預(yù)防輪軌滾動(dòng)接觸疲勞。3. 輪軌磨損研究現(xiàn)狀3.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 在重載鐵路軌道上，造成外軌嚴(yán)重側(cè)磨，內(nèi)軌嚴(yán)重壓潰，并且由于軌頭的塑性變形而造成鋼

19、軌的波浪形磨耗，大大增加了鐵路的運(yùn)輸成本，降低了行車安全性能。世界各國(guó)的鐵路工作者，包括一些力學(xué)、材料、機(jī)械、摩擦磨耗及潤(rùn)滑的研究工作者，都對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，其目的是為了減緩曲線的外軌側(cè)磨、內(nèi)軌壓潰、波浪形磨耗以及降低軌道部件的力學(xué)傷損。通過(guò)多年的研究，已取得了一些突破性的成果，但世界各國(guó)鐵路的列車運(yùn)行情況不同，就國(guó)內(nèi)鐵路而言，各線路的列車運(yùn)行情況也不相同，影響曲線鋼軌側(cè)磨的因素也各不相同，因此采取的措施也各不相同，例如提高鋼軌材質(zhì)、改善輪軌潤(rùn)滑條件；改善機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)向性能、改變車輪踏面形狀、鋼軌預(yù)打磨;改變軌道結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)等等。這些措施的目的是降低鋼軌側(cè)面磨耗的速率、減少軌道部件

20、的傷損、延長(zhǎng)鋼軌的使用壽命，從而，從整體上提高鐵路運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益【8】。1973 年開始，四方車輛研究所對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了幾次調(diào)查研究，并測(cè)繪了近 800 個(gè)車輛和機(jī)車車輪磨耗后的踏面形狀和部分鋼軌頂面的磨耗形狀，對(duì)這些形狀作了分析和統(tǒng)計(jì)處理，從而得到了我國(guó)踏面磨耗后的平均形狀。以后又對(duì)踏面和鋼軌的接觸情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，對(duì)于輪對(duì)偏磨、輪對(duì)的沖角和導(dǎo)前量、輪軌間隙和輪軌接觸范圍、脫軌安全性、左右滾動(dòng)圓半徑差以及輪對(duì)通過(guò)道岔等問(wèn)題，都進(jìn)行了計(jì)算和分析。在這些基礎(chǔ)上，首先設(shè)計(jì)出了 SY 型磨耗形踏面。隨后在 SY 型的基礎(chǔ)上，根據(jù)裝車運(yùn)用試驗(yàn)和線路特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，先后設(shè)計(jì)出了 SY-10、SY-20

21、、SY-30、SY-40、SY-50 型踏面。1986年，上海鐵道學(xué)院和濟(jì)南鐵路局合作【9】，在津浦線K377曲線上建立了試驗(yàn)段，基于輪軌關(guān)系全面研究了曲線鋼軌側(cè)磨的影響因素，并提出了優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)，改善鋼軌材質(zhì)和采用涂油等措施。1993年3月至1994年2月牡丹江鐵路分局橫道河子工務(wù)段，在濱綏上行線道林一開道間選出6條比較典型的曲線，建立了軌距、軌底坡、超高、淬火軌與普通軌、涂油與非涂油等不同情況下的磨耗觀測(cè)試驗(yàn)段【10】。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的對(duì)比試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：鋪設(shè)淬火軌、鋼軌涂油、適當(dāng)減少外軌超高、適當(dāng)減少軌距以減輕鋼軌磨耗。80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外大量實(shí)踐和科學(xué)研究結(jié)果表明，采用科學(xué)的輪軌潤(rùn)滑

22、技術(shù)降低輪軌磨損是一項(xiàng)投資少、收效大和最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施。與國(guó)外相比，我國(guó)的輪軌潤(rùn)滑工作雖然也取得了重大的成績(jī)，但由于各地條件不同，重視程度不同，采用措施各異等原因，涂油的科學(xué)性、有效性相差很大，既有比較先進(jìn)的涂油方法、設(shè)備和潤(rùn)滑劑，取得極顯著的減磨效果，也有極簡(jiǎn)單的手工操作，隨意涂抹，效果不理想，甚至個(gè)別區(qū)段還出現(xiàn)不當(dāng)涂油引發(fā)鋼軌傷損、病害的情況。 隨著鐵路運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，我國(guó)鋼軌的生產(chǎn)大致可以分為三個(gè)階段：第一階段是普碳鋼軌的生產(chǎn)階段；第二階段主要是解決鋼軌耐磨、耐壓差的問(wèn)題，由普碳鋼軌發(fā)展到中錳鋼軌等等合金鋼軌，強(qiáng)度級(jí)別為90kg/mm2；第三階段是在繼續(xù)解決耐磨問(wèn)題的同時(shí)，著手解決鋼軌的

23、疲勞斷裂問(wèn)題，主要是發(fā)展全長(zhǎng)淬火鋼軌，強(qiáng)度級(jí)別達(dá)到110kg/mm2。近年來(lái)【12】，隨著貨物列車牽引定數(shù)的提高(3000t、4000t、5000t)，重載列車的開行對(duì)數(shù)的增加，列車運(yùn)行速度的提高，對(duì)鋼軌的強(qiáng)度要求越來(lái)越高。在繁忙干線，80kg/mm2級(jí)、90kg/mm2級(jí)(U71Mn、U74)的鋼軌已不能滿足運(yùn)輸要求，己開始發(fā)展使用熱軋狀態(tài)100kg/mm2級(jí)以上的全長(zhǎng)淬火軌和高強(qiáng)度的合金軌。目前鐵道部下屬鐵路局共有十多條淬火生產(chǎn)線。全長(zhǎng)淬火軌自1988年開始在京廣線試鋪以，已有十多年的歷史，實(shí)踐證明，全長(zhǎng)淬火60kg/m鋼軌的各項(xiàng)性能指標(biāo)，明顯優(yōu)于普通60kg/m鋼軌，特別是其優(yōu)良的耐磨性

24、能，使曲線上股鋼軌延長(zhǎng)了更換周期，提高了鋼軌的使用壽命，從而減少了日常的養(yǎng)護(hù)維修工作量。從80年代以來(lái)，我國(guó)研究曲線輪軌磨耗的大量工作集中在調(diào)整軌道幾何參數(shù)方面，這是由我國(guó)路情決定的?！捌呶濉逼陂g，鐵道部先后立題研究了幾種典型條件下的鋼軌側(cè)磨問(wèn)題，取得了一些的進(jìn)展，在采用淬火鋼軌、加強(qiáng)曲線涂油、提高線路質(zhì)量以減輕鋼軌磨耗方面達(dá)成了共識(shí)，但是在軌道參數(shù)的影響規(guī)律和調(diào)整措施還存在分歧?！鞍宋濉逼陂g，鐵路研究者們通過(guò)廣泛的普查分析，改進(jìn)測(cè)試技術(shù)，統(tǒng)一測(cè)試方法和測(cè)試設(shè)備，在理論探索的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性的分別進(jìn)行了軌道參數(shù)和車輛參數(shù)的大量動(dòng)測(cè)試驗(yàn)，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，并且產(chǎn)生了一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。西南交通大

25、學(xué)用自行研制的JD-1型輪軌摩擦學(xué)模擬試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)再現(xiàn)鋼軌的波浪形磨損【14】。溫澤峰【15】等用有限元建模的方式研究了鋼軌的波浪形磨損;趙雪琴【16】等通過(guò)分析比較重載與高速鐵路鋼軌的失效形式，發(fā)現(xiàn)重載鐵路鋼軌的失效主要是由于鋼軌塑性變形及磨損導(dǎo)致的。鋼軌材料的磨損對(duì)表面疲勞裂紋形成有著十分重要的影響，兩者之間存在相互影響與相互制約的關(guān)系，材料的磨損會(huì)消除表面疲勞裂紋。張偉【17】等通過(guò)不同摩擦力的滾動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)過(guò)程中磨損是以復(fù)合形式出現(xiàn)的，隨著表面摩擦力改變，不同形式的磨損主次在發(fā)生變化。在表面摩擦力較小時(shí)，磨粒磨損為主，磨損輕微；隨著摩擦力增加，將導(dǎo)致金屬表面氧化膜破裂速度增大，

26、粘著磨損加劇，成為主要的磨損類型，磨損量增加，磨屑主要為剝離塊。3.2 國(guó)外現(xiàn)狀最早研究鋼軌磨耗問(wèn)題的似乎是W.G.Kirkaldy，他在1899年發(fā)表的文章中，就提出了鋼軌磨耗是否屬于疲勞現(xiàn)象的問(wèn)題。此后，世界各國(guó)的鐵路工作者，包括一些力學(xué)、材料、機(jī)械、摩擦磨耗及潤(rùn)滑的研究工作者，都對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，其目的是通過(guò)減緩曲線鋼軌的側(cè)磨，以及降低軌道部件的力學(xué)傷損。通過(guò)多年的研究，已取得了一些突破性的成果。但世界各國(guó)鐵路的列車運(yùn)行情況不同，就是國(guó)內(nèi)鐵路，各條線路的列車運(yùn)行情況也不相同，所以影響曲線鋼軌側(cè)磨的因素也就各不相同，采取的減磨措施也就各不相同：有提高鋼軌材質(zhì)、改善輪軌潤(rùn)滑條件；有改

27、善機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)向性能、改變車輪踏面形狀、鋼軌預(yù)打磨;也有改變軌道結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)等。但目的只有一個(gè)，就是降低鋼軌側(cè)面磨耗的速率和減少軌道部件的傷損，延長(zhǎng)鋼軌的使用壽命，從整體上提高鐵路運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益。鋼軌是軌道中最重要的組成部件，鋼軌的技術(shù)狀態(tài)直接影響線路的通過(guò)能力和行車安全，在輪軌磨耗的研究領(lǐng)域，盡可能提高鋼軌的制造質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及鋼軌的幾何特性和工藝技術(shù)特性，一直是鐵路工作者們的主要研究課題。在曲線軌道上，隨著速度和軸重的提高，必然會(huì)使鋼軌的工作條件和應(yīng)力情況更為嚴(yán)峻，各國(guó)鐵路均在增加鋼軌重量和提高鋼軌技術(shù)性能兩方面下功夫。近四五十年來(lái)【18】，各國(guó)使用鋼軌重量己由42kg/m提高到7577k

28、g/m，甚至達(dá)到81kg/m。歐洲許多鐵路均已鋪設(shè)了UIC60軌，前蘇聯(lián)主要鋪設(shè)P65和P75鋼軌；英國(guó)采用BS113A型(56kg/m)鋼軌作為標(biāo)準(zhǔn)軌；澳大利亞和加拿大的重載鐵路采用68kg/m鋼軌；美國(guó)普遍采用115RE、132RE、119CF&I和136CF&I等幾種型號(hào)，分別為58、66、60、68kg/m鋼軌；日本在高速線及主要干線鋪設(shè)60型鋼軌。為了提高鋼軌的強(qiáng)度，改善鋼軌的性能，國(guó)外研究使用經(jīng)過(guò)熱處理的鋼軌，其可靠性和耐久性分別提高了1.3和1.5倍，研制的不含鋁的脫氧復(fù)合中間合金軌的壽命提高了1.25倍，可靠性提高了33%，鉻錳硅鋼并經(jīng)熱處理的P75鋼軌通過(guò)總重

29、10億噸左右才需大修。在輪軌磨耗的研究領(lǐng)域，國(guó)外對(duì)鋼軌側(cè)磨的研究工作主要集中在潤(rùn)滑技術(shù)和不對(duì)稱打磨方面，并且取得了很大的成績(jī)。北美鐵路潤(rùn)滑技術(shù)研究己達(dá)到追求最優(yōu)化潤(rùn)滑參數(shù)的高水平，同時(shí)不對(duì)稱鋼軌打磨技術(shù)也得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。目前國(guó)際上廣泛采用輪軌潤(rùn)滑技術(shù)，采用精密設(shè)計(jì)的潤(rùn)滑器，性能良好的潤(rùn)滑劑，對(duì)輪緣和軌距角的限定部位控制潤(rùn)滑，從而降低輪軌磨損和不必然的牽引阻力。試驗(yàn)表明，鋼軌磨損率比不潤(rùn)滑降低了68倍。近年來(lái)，美、德、法、加、澳、瑞士、日本都致力于應(yīng)用開發(fā)和研究，研究工作集中在制定選擇潤(rùn)滑器和潤(rùn)滑劑的依據(jù)和測(cè)定潤(rùn)滑效益。以發(fā)展重載運(yùn)輸技術(shù)著稱的美國(guó)鐵路，特別重視輪軌涂油工作，居世界領(lǐng)先地

30、位。AAR的TTC不僅研究試驗(yàn)了各種涂油方法、潤(rùn)滑劑，近年來(lái)，更進(jìn)一步深入探討涂油的具體參數(shù)優(yōu)化，研制相應(yīng)設(shè)備儀器監(jiān)測(cè)涂油后的實(shí)際輪軌表面潤(rùn)滑狀態(tài)，向科學(xué)涂油的最優(yōu)化邁進(jìn)。但是在鋼軌磨耗減少和使用壽命提高的同時(shí)，鋼軌的抗疲勞和斷裂性能將越來(lái)越成為關(guān)注的焦點(diǎn)，對(duì)鋼軌內(nèi)部和表面質(zhì)量均勻一致的要求更為明顯。長(zhǎng)期以來(lái)，為延長(zhǎng)鋼軌的使用壽命，國(guó)外同時(shí)也十分重視鋼軌打磨技術(shù)的研究，并生產(chǎn)相應(yīng)的配套設(shè)備。70年代，澳大利亞西部鐵路打磨公司采用外形打磨，來(lái)控制輪軌相互作用和接觸力，從而達(dá)到降低鋼軌側(cè)面磨耗。80年代北美首次出現(xiàn)全自動(dòng)鋼軌打磨車。經(jīng)打磨的鋼軌，壽命可增加通過(guò)總重一億噸左右，同時(shí)降低了鋼軌不平順對(duì)

31、列車產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力，減少了運(yùn)行阻力，節(jié)約能源。目前應(yīng)用的曲線鋼軌不對(duì)稱斷面打磨技術(shù)是鋼軌打磨技術(shù)的最新發(fā)展成果，對(duì)減輕曲線鋼軌側(cè)磨和其它傷損都有明顯的效果，國(guó)外已廣泛采用。但因各國(guó)輪軌條件不同，采用的打磨斷面不能照搬，而是各具特色的獨(dú)立設(shè)計(jì)結(jié)果。4. 激光熔覆對(duì)材料減磨性能研究現(xiàn)狀 激光熔覆技術(shù)是指以不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材經(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體材料成冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨，耐蝕，耐熱，抗氧化及電氣特性等的工藝方法。激光熔覆技術(shù)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的材料表面工程領(lǐng)域的前沿課題之一，作

32、為一種新型的熱處理技術(shù)，涉及到物理，冶金，材料科學(xué)等領(lǐng)域，能夠在廉價(jià)的基體材料上熔覆性能各異的合金粉末，可提高工件表面的耐蝕，耐磨，耐熱及電氣特性等，從而節(jié)省大量的貴重合金戰(zhàn)略元素，具有廣闊的發(fā)展前景。正因?yàn)槠浒l(fā)展?jié)摿艽?，?jīng)濟(jì)效益可觀，所以引起了國(guó)內(nèi)外的普遍關(guān)注，紛紛投入人力，物力，財(cái)力等進(jìn)行研究。而激光熔覆對(duì)材料減磨性能研究則更是主要研究方面。耐磨涂層是激光熔覆涂層中研究得最早也是最多的一種。熔覆層的耐磨損性能取決于材料的種類和性質(zhì)；對(duì)金屬陶瓷復(fù)合涂層而言除了陶瓷材料的種類和性質(zhì)外，還與其在復(fù)合涂層中的含量及分布特征有關(guān)。Ni基、Co基、Fe基自熔合金本身就具有良好的耐磨、耐蝕、耐熱性能，

33、利用它們的激光熔覆層進(jìn)行材料表面強(qiáng)化的研究報(bào)道己經(jīng)很多。在這些自熔合金中加入WC，TIC，SIC，B4C，TIN等各種高熔點(diǎn)的超硬陶瓷顆粒激光熔覆后形成的復(fù)合涂層中，由M7C3，M23C6等自由碳化物或硼化物相強(qiáng)硬化的合金墓體與極硬的主體硬質(zhì)相匹配，使熔覆層的硬度和耐磨性得到了顯著提高【19】。我國(guó)的激光熔覆研究工作開始于80年代初期。1981年，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所針對(duì)汽輪機(jī)葉片防蝕問(wèn)題選用鎳基自熔合金，在2Cr3l鋼基材上進(jìn)行了激光熔覆研究。隨著我國(guó)大功率激光器的發(fā)展，到八十年代中期，上海光機(jī)所、華中理工大學(xué)、中科院金屬研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津紡織工學(xué)院、重慶大學(xué)等單位相繼開展了這方面的研

34、究工作。到90年代初期，國(guó)內(nèi)從事這方面研究的單位已達(dá)幾十家之多，并開展了深入細(xì)致的研究，在工業(yè)上獲得了應(yīng)用。如今，我國(guó)在激光熔覆方面的研究已達(dá)國(guó)際同期水平【20】。T.Twong和G.Y.Linag等人【21】分別采用5KWCO2激光器和等離子噴涂的方法在鋁合金表面上熔覆了Ni-Cr-B-Si和Ni-C-r-B-Si+WC粉末材料，相互比較后得出：激光熔覆所得試樣比等離子噴涂所得試樣具有更好的摩擦磨損性能，其中激光熔覆Ni-Cr-B-Si的鋁合金試樣的熔覆層具有最好的摩擦磨損性能;等離子噴涂所得試樣比熔覆所得試樣出現(xiàn)剝落現(xiàn)象要普遍得多，這也是導(dǎo)致大面積磨損率出現(xiàn)的主要原因;大量的無(wú)組織結(jié)構(gòu)和過(guò)

35、共晶存在于熔覆層中，使得熔覆層具有較高的硬度和較好的磨損性能。西安交大梁工英等人利用5kW的CO2激光器對(duì)ZL111合金表面的Ni-WC等離子涂層進(jìn)行了熔覆處理。利用SEM和X射線衍射分析了激光層中的組織分布，并對(duì)激光處理后的試樣進(jìn)行了耐磨性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光熔層中的組織以鎳鋁基的金屬間化合物為主；WC顆粒基本在熔區(qū)中熔化，在冷卻過(guò)程中以彌散碳化物形式析出。這些組織的存在使得激光熔層具有很高的硬度，其潤(rùn)滑磨損耐磨性為未經(jīng)激光處理噴涂層的1.75倍和Al-Si合金基體的2.83倍。 陸萍萍等人【22】 采用激光熔覆技術(shù)在35CrMo鋼表面分別制備Fe基涂層和含 Cr3C2的Fe基合金復(fù)合涂

36、層，研究了2種涂層的組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度及耐干滑動(dòng)摩擦磨損性能。結(jié)果表明，F(xiàn)e基涂層以亞共晶方式結(jié)晶，在初生柱狀固溶體枝晶間存在大量網(wǎng)狀共晶組織，主要由Fe、Cr7C3 及少量的CrFe固溶體等組成。Fe基復(fù)合涂層中Cr3C2大部分溶解，枝晶凝固特征保持不變，枝晶組織明顯細(xì)化，主要由Fe、Cr7C3 及少量的CrFe固溶體及較少量未熔的Cr3C2 等組成。Fe基復(fù)合涂層的顯微硬度及其摩擦磨損性能優(yōu)于Fe基涂層。 楊膠溪，劉華東【23】利用激光寬帶熔覆技術(shù)對(duì)U71Mn鋼軌表面進(jìn)行強(qiáng)化，采用同步送粉方式進(jìn)行自熔性Fe基粉末的激光熔覆，獲得厚度1mm左右無(wú)裂紋、氣孔等缺陷，且與鋼軌冶金結(jié)合的高性能激光

37、熔覆層。通過(guò)測(cè)試分析和試驗(yàn)結(jié)果表明涂層的顯微硬度平均值可達(dá)HV780，高于熔合區(qū)及基體的硬度，在過(guò)渡區(qū)處存在硬度拐點(diǎn)，但經(jīng)靜載抗壓實(shí)驗(yàn)看出，涂層在453KN靜載荷下無(wú)開裂現(xiàn)象。激光熔覆涂層的組織主要由-Fe、Cr0.19 Fe0.17N i0.11、NiCrFe、FeCr等物相組成，但是在熔合區(qū)靠近基體處有馬氏體組織形成，是由于激光快速加熱及快速冷卻造成的。 1974年開始激光熔覆實(shí)驗(yàn)研究。1978年，美國(guó)的AVCO公司的EVETR實(shí)驗(yàn)室和MTEC公司相繼發(fā)表文章報(bào)道他們的研究成果，他們的成果引起了應(yīng)用專家的興趣，推動(dòng)了激光熔覆技術(shù)的發(fā)展，英國(guó)利物浦大學(xué)Stcne教授在激光熔覆研究方面也取得了

38、很大進(jìn)展。1979年日本日立公司公開了他們的激光熔覆在汽輪機(jī)葉片上的應(yīng)用專利。此后，許多工業(yè)國(guó)家紛紛投入了較多的人力物力從事這方面的研究，內(nèi)容包括:涂層表面質(zhì)量、組織性能、機(jī)械性能、物理模型、數(shù)學(xué)模型等許多方面。Nowotwy【24】對(duì)碳化物涂層組織結(jié)構(gòu)與性能做了完整的分析，建立了材料成分、覆層結(jié)構(gòu)和耐磨性能的關(guān)系。 J.Kelly等【25】在AA333鋁合金上熔覆Mn-AL與銅錫合金混合粉末，覆層結(jié)構(gòu)主要為-AL(fcc)和正方-CuAl，干滑動(dòng)磨擦試驗(yàn)表明覆層的耐磨性AA333相比提高了3倍，硬度提高了34倍。三 擬研究實(shí)驗(yàn)方案和計(jì)劃初步實(shí)驗(yàn)方案：選用U71Mn鋼軌做實(shí)驗(yàn)，分別分為四組，一

39、組不用激光熔覆處理，其他三組分別用Fe基合金粉末、Ni基合金粉末、Co基合金粉末做熔覆材料對(duì)鋼軌激光熔覆處理然后按照如下實(shí)驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行。(具體選用合金粉末的成分還在考慮中)1. 激光熔覆材料分別為Fe基合金粉末、Ni基合金粉末、Co基合金粉末。2. 用JD-1型輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)四組試驗(yàn)進(jìn)行鋼軌滾動(dòng)模擬試驗(yàn)。3. 用TG328A型天平分別稱量四組試樣磨損前后的質(zhì)量，計(jì)算試樣的磨損質(zhì)量損失。4. MVK-H12型維氏硬度儀分別測(cè)量四組試樣試驗(yàn)前后的硬度。5. 用QUANTA200型掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）觀察四組試樣的磨損后的形貌。四 問(wèn)題1. 鋼軌型號(hào)是選用U71Mn,還是選PD3

40、，哪個(gè)更有利于試驗(yàn)研究?2. 是否要研究激光熔覆的工藝這些？因?yàn)橐遣谎芯抗に囘@方面的話只做硬度、組織、磨損量這幾個(gè)方面來(lái)做為大論文內(nèi)容會(huì)不會(huì)少？3. 磨損的時(shí)候是用JD-1還是用MMS-2A？4. 由于外文的文獻(xiàn)看的還不是很多，有些看了的還沒(méi)有整理出來(lái)，所以外文的寫得比較少，還在整理中。謝謝王老師！五 參考文獻(xiàn)1 金新燦，程海濤.第七屆國(guó)際鐵路重載運(yùn)輸大會(huì)學(xué)術(shù)交流綜述.國(guó)外鐵道車輛.2001，38(6)：l-6.2 龔積球等.輪軌磨損.北京：中國(guó)鐵道出版社，19973 Jonas WRingsberg,Anders Skyttebol,B,Lennart Josefson,Investigation of the rolling contact fatigue resistance of laser cladded twin-disc specimens;FE si