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1、重载钢轨激光熔覆减磨性能研究文献综述一 前言随着世界经济的迅速发展，各国及各地区之间的商贸活动日益频繁，对货物的运输能力提出了新的挑战。当今，大力发展重载，是铁路运输扩能提效的有效措施，是缓解当前运输压力的重要途径。自上个世纪60年代以来，重载运输一直受到世界各国的广泛关注，特别是一些幅员辽阔、资源丰富的国家。经过近半个世纪的发展，重载运输的定义在国际上也数次被修改。2005年，在国际重载运输协会(IHHA)的巴西年会上，对重载运输的定义作了新的修订：重载列车牵引重量至少达到8000t(此前为5000t)；轴重(或计划轴重)为27t及以上(此前为25t)；在至少150km线路区段上年运量超过4
2、000万吨(此前为2000万吨)【1】【2】。我国仍沿用国际重载协会先前的规定，满足其中两条的可视为重载铁路。现在世界上开行的重载列车，习惯上分为北美型重载单元列车和前苏联铁路重载列车。北美的重载单元列车使用两台或多台大功率机车与一定数量的同型大型专用货车固定编组，组成一个长、大、重的运输单元，实行专列运输，从一个始发站的装卸线不停车地装载同一品类货物，列车按时刻表定点定线开行，中途不换挂机车，不解编车辆，采用翻车机，到达卸车地点不停车卸车。前苏联铁路的特点是客货混线，其在发展重载运输上立足本国国情，依靠先进设备，充分挖掘和利用现有设备的潜力，创造性地组织开行了以超长超重列车及合并列车为主要形
3、式的重载列车。铁路运输是借助轮轨相互作用产生的牵引和制动粘着摩擦力来实现列车的运行，而轮轨间的磨损是铁路运输中耗资巨大的一个问题。随着机车车辆轴重的增加，轮轨接触应力随之增大;轮轨踏面的纵向、横向摩擦力也随之增丈，轮轨侧压力也随之增大;钢轨的垂直磨损、侧面磨损，以及塑性流动也随之增大;轮缘和踏面的磨损将随之增大。轮轨磨耗特别是曲线区段上钢轨和轮缘的磨耗日益加剧，己成为一个鱼待解决的问题。其中货物列车造成的磨耗占有相当大的比例，尤其是重载干线、运煤干线上，轮轨磨耗十分厉害，严重制约了铁路运输的发展。轮缘和钢轨磨耗加剧，增大了机车车辆和线路的检修维护工作，并导致列车动力消耗增加，速度降低和平稳性下
4、降，严重影响了列车的运行品质。随着运量增加和大型货车的使用，钢轨的侧磨己经从小半径曲线扩大到较大半径曲线，不仅磨损范围扩大，磨损率也在增加。因此，减小轮轨间的磨耗，改善货物列车的曲线通过性能是发展重载运输过程中必须解决的问题。由于列车运行速度和承载力的大幅提高，对钢轨的硬度和耐磨性能以及滚动接触疲劳性能提出了更高的要求。列车运行时，钢轨需要承受列车的压力、摩擦和冲击载荷，要求有足够的强度、硬度及韧性，材料质量要求较高。随着列车运行速度的提高，对钢轨的性能提出了更高的要求，特别是对钢轨的磨损性能及滚动接触疲劳性能。起始于钢轨表面的疲劳损伤可引起钢轨的失效。欧盟于2000年4月开展了“基础之星(
5、InfraStar )”项目研究，目的在于提高钢轨的耐用性、使用寿命及降低运行噪声【3】。具体是通过在钢轨轨头施加表面涂层制造所谓InfraStar双材料钢轨，降低滚动接触疲劳和在中小曲线半径轨道处的噪声。在InfraStar项目中，激光熔覆技术用于既有的铁路线上和新钢轨的制造过程，该技术由瑞典的Duroc钢轨公司开发，并通过了实验室和实地轨道检测。关于在钢轨表面施加涂层是一难度较高的技术，不仅要求涂层应无任何裂纹、气孔等缺陷，而且涂层与钢轨基体应具有优良的冶金结合，在承受反复的滚动压力之下不能有开裂、剥落等现象。激光熔覆是一先进的制造技术，可大幅度提高工件的使用性能，并能实现涂层与基体材料的
6、冶金结合，与常规表面处理技术相比有很大的优越性。钢轨表面激光熔覆涂层，研究涂层的硬度和耐磨性来进一步研究其减磨性能，在所具备的有限实验条件之下研究激光熔覆技术在钢轨强化方面的可行性与可靠性。对探索在钢轨上进行大面积熔覆，来提高钢轨特别是重载钢轨的耐用性和寿命的研究就变得很有实际意义。 激光熔覆原理：激光熔覆是在熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料，利用高能激光束辐照，通过迅速溶化、扩展和迅速凝固、冷却（102106K/s），在基材表面形成与基材互相融合的且有完全不同成分和性能的熔覆层（基材的溶化层极薄，对熔覆层的成分影响极小），形成一种新的基体不具备的具有特殊物理、化学和力学性能的复合层【4】。
7、激光熔覆原理图激光熔覆材料设计的一般原则：【5】1激光熔覆材料与基材热膨胀系数的匹配目前，大多数研究都是根据激光熔覆层与基材热膨胀系数的匹配原则进行熔覆材料的选择及成分设计的。传统的观点认为，为防止涂层开裂和剥落，涂层和基材的热膨胀系数应满足同一性原则，即二者应尽可能地接近。2激光熔覆材料与基材熔点的匹配力求采用相对于基体材料具有适宜熔点的涂层材料。3激光熔覆材料对基材的润湿性匹配激光熔覆材料体系分类1自熔性合金粉末：Ni基、Co基和Fe其自熔合金，其主要出发点是为了提高一些工件的耐磨性及耐蚀性。此外这几类自熔合金对碳钢、不锈钢、合金钢、铸铁和多种有色金属材料有着广泛而良好的润湿性，能获得与基
8、体结合优良的致密涂层。Ni基自熔性合金粉末：Ni基合金粉末以其良好的润湿性、耐蚀性、高温自润滑作用和适中的价格在激光溶覆技术中用得最为广泛，它适用于局部要求耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件。Co基自熔性合金粉末：激光熔覆Co基合金粉末主要用于钢铁基合金基体上。适用于要求耐磨、耐蚀和抗热疲劳的零件。Fe基自熔性合金粉末：Fe基自熔合金适用于要求局部耐磨且容易变形的零件，基材多用铸铁和低碳钢，其最大优点是成本低且抗磨性能好，但熔点高，合金自熔性差，抗氧化性差，流动性不好，熔层内气孔夹渣较多，这些缺点也限制了它的应用。2复合粉末：复合粉末与由不同成分的粉末进行机械混合而制得的混合粉末是有显著差别的。复
9、合粉末中的单个粒子是由两种或两种以上不同成分的固相材料组成，并有明显的相界面。各相组元之间一般为机械结合。应用于耐磨损涂层的复合粉末很多，其中以钻包碳化钨和镍包碳化钨应用最为广泛。采用复合粉末进行激光熔覆时，由于芯核材料受到包覆材料的保护，可减少或防止芯核材料的烧损，提高涂层性能。激光熔覆层的质量控制激光熔覆层的裂纹，气孔一直是阻碍该技术应用的难题。(1)熔覆层的开裂主要与激光参数、工艺处理条件、覆层材料、基体状况等四个方面有关。裂纹的产生原因主要是由于熔覆材料与基体材料在物理性能方面存在差异，加之高能密度激光束的快速加热和基体的激冷作用，使熔覆层中产生极大的热应力。当局部拉应力超过涂层材料的
10、强度极限时，就会产生裂纹。由于熔覆层的枝晶界、气孔、夹杂处强度较低且易于产生应力集中，因此，裂纹往往在这些部位产生。单道激光熔覆层的裂纹多垂直与激光扫描方向，并且裂纹大致平行分布。多道搭接激光熔覆时，由于残余应力的相互叠加，熔覆层开裂倾向更大，裂纹多呈网状分布。激光熔覆层的开裂敏感性主要取决于熔覆层中残余热应力的大小和熔覆层的抗开裂能力(韧塑性及抗拉强度)。选择具有与基体热膨胀系数相近的熔覆材料是防止熔覆层开裂的有效途径。优化工艺参数也可以减少熔覆层中的裂纹。(2)气孔及其防止。气孔也是激光熔覆层中经常出现的缺陷。激光熔覆层中的气孔是由于在激光快速熔凝的条件下，熔池中的气体来不及逸出而形成的但
11、是激光熔覆时，由于激光熔池存在的时间极短，脱氧造渣过程进行的不充分，使得熔体中有氧或氧化物残留，导致高温下碳与氧发生反应，生成CO或CO2气体。对于非自熔性合金，由于没有硼、硅元素的脱氧造渣，熔覆层中更易形成气孔。此外，在采用粘结法预置涂层材料时，如粘结剂选择不当，也可能在激光加热过程中产生气体，形成气孔。二 正文1. 轮轨磨损类型与机理货车是重载运输的主要装备，由于其数量多、载重大，是重载铁路轮轨磨耗的主体。世界重载货车的发展主流方向是尽可能提高轴重，以充分利用线路的每延米载重和现有站线长度。大轴重货车对重载铁路轮轨带来的磨损主要包括车轮踏面和钢轨顶面之间、轮缘和钢轨侧面之间的磨耗。据印度铁
12、路工作者的试验研究表明，轮缘和钢轨侧面的磨耗是轮轨主要的磨耗，约占轮轨磨耗总量的三分之二。因此，轮轨侧磨是重载铁路曲线区段的最主要磨损类型，尤其在小半径大坡道地段，轮缘和外轨侧面磨耗特别快。重载铁路轴重增加对钢轨伤损严重，对侧磨影响也较大。在曲线上，轮对冲角基本不变，但轴重的增加会导致导向力加大，这无疑会加大钢轨的侧磨。轮轨踏面剥离产生的主要原因是大轴重造成的接触切应力过大，若轮轨接触应力超出轮轨材料的屈服极限值，材料就会发生塑性变形，在反复载荷作用下，塑性变形会累积增加，在材料的表面和次表面形成微观裂纹。微观裂纹在较大法向和切向应力作用下，将扩大并形成鱼鳞状裂纹分布在钢轨表面，即“龟裂”现象
13、。若出现龟裂后，不及时处理， 则表面裂纹将向钢轨体内沿着运动方向扩展，然后大块剥离。因此,滚动接触疲劳是重载铁路车轮踏面剥离的主要原因。滚动接触疲劳的发展经过许多塑性流动循环, 当车轮表面的应力超过了用于制造车轮材料的屈服极限时，车轮表面便出现开裂，之后，萌生的裂纹将扩展到踏面上， 进而在应力作用下，出现车轮踏面的剥离现象；列车的制动及车轮空转也会引起车轮表面擦伤，最后造成车轮踏面剥离。钢轨压溃是重载线路钢轨的主要磨损类型，它是由于钢轨连续的塑性变形所导致的。特别是重载线路的曲线区段，常常会发生钢轨表层的塑性流动，即压溃现象，形成肥边。值得一提的是钢轨波状磨耗的萌生及发展是产生在轮轨接触界面上
14、，它是机车车辆系统和轨道系统相互作用的结果，涉及到的因素很多，凡是可能的影响因素都成为研究波状磨耗的出发点，轴重是引起钢轨波状磨耗的因素之一，但迄今为止仍未能提出一种广泛认同的理论来解释各种波磨现象。2. 提高钢轨性能方法2.1 改善钢轨的材质【6】由于重载线路钢轨损伤的成因主要是钢轨表面塑性流动和磨耗，而克服塑性流动和降低磨耗的最好方法就是提高钢轨的强度及硬度，使用屈服强度高的钢轨材料，钢轨作为轮轨系统中最重要的组成部件，钢轨的技术状态直接影响线路的通过能力和行车安全，在轮轨磨耗的研究领域，尽可能提高钢轨的制造质量标准以及钢轨的几何特性和工艺技术特性，一直是铁路工作者们的主要研究课题。在曲线
15、轨道上，随着速度和轴重的提高，必然会使钢轨的工作条件和应力情况更为严重，各国铁路均在增加钢轨重量和提高钢轨技术性能两方面下功夫。近四五十年来，各国使用钢轨重量已由42kg/m提高到7577kg/m，甚至达到81kg/m。在我国，随着货物列车牵引定数的提高开始发展使用热轧状态100k/mm级以上的全长淬火轨和高强度的合金轨，PD3钢种就是20世纪90年代发展重载铁路应运而生的。2.2 采用润滑技术同时国外对钢轨磨耗的研究工作还主要集中在润滑技术和不对称打磨方面，并且取得了很大的成绩。北美铁路润滑技术研究已达到追求最优化润滑参数的高水平，同时不对称钢轨打磨技术也得到迅速发展和广泛应用。采用科学润滑
16、技术降低轮轨磨损是一项投资少、收效大和最经济的技术措施。近年来，美、德、法、加、澳、瑞士、日本都致力于应用开发和研究，研究工作集中在制定选择润滑器和润滑剂的依据和测定润滑效益。以发展重载运输技术著称的美国铁路，特别重视轮轨涂油工作，其技术居世界领先地位。与国外相比，我国的轮轨润滑工作还还处在研究使用的初级阶段，但是也取得了重大的成绩。从1990年至今，我国自行研究的车载式新型轮轨润滑装置和润滑脂，已在全路近万台内燃、电力机车上安装应用，经过运营的实践证明，在我国这种复杂天气和地形状况下，这种润滑装置对各型机车轮缘与钢轨间的有害摩擦都得到了有效控制，降低其磨损、延长使用寿命，适应了我国重载、提速及安全运输的要求。2.3 应用钢轨打磨技术为延长钢轨的使用寿命，国外同时也十分重视钢轨打磨技术的研究，并生产相应的配套设备。70年代，澳大利亚西部铁路打磨公司采用外形打磨，来控制轮轨相互作用和接触力，从而达到降低钢轨侧
