重载钢轨激光熔覆减磨性能研究文献综述

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

17、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面磨耗。80年代北美首次出现全自动钢轨打磨车。经打磨的钢轨，寿命可增加通过总重一亿吨左右，同时降低了钢轨不平顺对列车产生的动应力，减少了运行阻力，节约能源。钢轨打磨己从单纯消除波磨的初始阶段发展到今天的优化钢轨使用状态和全方位、系统性打磨技术，成为高速重载铁路必不可少的一项关键技术。目前应用的曲线钢轨不对称断面打磨技术是钢轨打磨技术的最新发展成果，对减轻曲线钢轨侧磨和其它伤损都有

18、明显的效果，国外己广泛采用但因各国轮轨条件不同，采用的打磨断面不能照搬，而是各具特色的独立设计结果。2.4 优化轮轨型面J.J.Kalker【7】在很早前就轮轨接触机理这一问题的讨论中假设性的提问。他假设人们在目前已经了解到当初那样设计轮轨的缺陷性的基础上来提优化轮轨型面这个引人思考的问题，从钢轨的锥形踏面到磨耗形踏面，从一点接触到两点接触，而由此接触问题产生的应力集中对钢轨安定极限值圆的讨论，对提高车辆动力学运行品质的改善，都说明优化设计轮轨型面能有效预防轮轨滚动接触疲劳。3. 轮轨磨损研究现状3.1 国内现状 在重载铁路轨道上，造成外轨严重侧磨，内轨严重压溃，并且由于轨头的塑性变形而造成钢

19、轨的波浪形磨耗，大大增加了铁路的运输成本，降低了行车安全性能。世界各国的铁路工作者，包括一些力学、材料、机械、摩擦磨耗及润滑的研究工作者，都对此问题进行了长期的研究，其目的是为了减缓曲线的外轨侧磨、内轨压溃、波浪形磨耗以及降低轨道部件的力学伤损。通过多年的研究，已取得了一些突破性的成果，但世界各国铁路的列车运行情况不同，就国内铁路而言，各线路的列车运行情况也不相同，影响曲线钢轨侧磨的因素也各不相同，因此采取的措施也各不相同，例如提高钢轨材质、改善轮轨润滑条件；改善机车车辆转向架转向性能、改变车轮踏面形状、钢轨预打磨;改变轨道结构几何参数等等。这些措施的目的是降低钢轨侧面磨耗的速率、减少轨道部件

20、的伤损、延长钢轨的使用寿命，从而，从整体上提高铁路运输的经济效益【8】。1973 年开始，四方车辆研究所对现场进行了几次调查研究，并测绘了近 800 个车辆和机车车轮磨耗后的踏面形状和部分钢轨顶面的磨耗形状，对这些形状作了分析和统计处理，从而得到了我国踏面磨耗后的平均形状。以后又对踏面和钢轨的接触情况进行了详细的分析研究，对于轮对偏磨、轮对的冲角和导前量、轮轨间隙和轮轨接触范围、脱轨安全性、左右滚动圆半径差以及轮对通过道岔等问题，都进行了计算和分析。在这些基础上，首先设计出了 SY 型磨耗形踏面。随后在 SY 型的基础上，根据装车运用试验和线路特点进行改进，先后设计出了 SY-10、SY-20

21、、SY-30、SY-40、SY-50 型踏面。1986年，上海铁道学院和济南铁路局合作【9】，在津浦线K377曲线上建立了试验段，基于轮轨关系全面研究了曲线钢轨侧磨的影响因素，并提出了优化轨道结构参数，改善钢轨材质和采用涂油等措施。1993年3月至1994年2月牡丹江铁路分局横道河子工务段，在滨绥上行线道林一开道间选出6条比较典型的曲线，建立了轨距、轨底坡、超高、淬火轨与普通轨、涂油与非涂油等不同情况下的磨耗观测试验段【10】。经过现场的对比试验，得出以下结论：铺设淬火轨、钢轨涂油、适当减少外轨超高、适当减少轨距以减轻钢轨磨耗。80年代以来，国内外大量实践和科学研究结果表明，采用科学的轮轨润滑

22、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。与国外相比，我国的轮轨润滑工作虽然也取得了重大的成绩，但由于各地条件不同，重视程度不同，采用措施各异等原因，涂油的科学性、有效性相差很大，既有比较先进的涂油方法、设备和润滑剂，取得极显著的减磨效果，也有极简单的手工操作，随意涂抹，效果不理想，甚至个别区段还出现不当涂油引发钢轨伤损、病害的情况。 随着铁路运输事业的发展，我国钢轨的生产大致可以分为三个阶段：第一阶段是普碳钢轨的生产阶段；第二阶段主要是解决钢轨耐磨、耐压差的问题，由普碳钢轨发展到中锰钢轨等等合金钢轨，强度级别为90kg/mm2；第三阶段是在继续解决耐磨问题的同时，着手解决钢轨的

23、疲劳断裂问题，主要是发展全长淬火钢轨，强度级别达到110kg/mm2。近年来【12】，随着货物列车牵引定数的提高(3000t、4000t、5000t)，重载列车的开行对数的增加，列车运行速度的提高，对钢轨的强度要求越来越高。在繁忙干线，80kg/mm2级、90kg/mm2级(U71Mn、U74)的钢轨已不能满足运输要求，己开始发展使用热轧状态100kg/mm2级以上的全长淬火轨和高强度的合金轨。目前铁道部下属铁路局共有十多条淬火生产线。全长淬火轨自1988年开始在京广线试铺以，已有十多年的历史，实践证明，全长淬火60kg/m钢轨的各项性能指标，明显优于普通60kg/m钢轨，特别是其优良的耐磨性

24、能，使曲线上股钢轨延长了更换周期，提高了钢轨的使用寿命，从而减少了日常的养护维修工作量。从80年代以来，我国研究曲线轮轨磨耗的大量工作集中在调整轨道几何参数方面，这是由我国路情决定的。“七五”期间，铁道部先后立题研究了几种典型条件下的钢轨侧磨问题，取得了一些的进展，在采用淬火钢轨、加强曲线涂油、提高线路质量以减轻钢轨磨耗方面达成了共识，但是在轨道参数的影响规律和调整措施还存在分歧。“八五”期间，铁路研究者们通过广泛的普查分析，改进测试技术，统一测试方法和测试设备，在理论探索的基础上，有针对性的分别进行了轨道参数和车辆参数的大量动测试验，取得了长足的进展，并且产生了一定的技术经济效益。西南交通大

25、学用自行研制的JD-1型轮轨摩擦学模拟试验机试验再现钢轨的波浪形磨损【14】。温泽峰【15】等用有限元建模的方式研究了钢轨的波浪形磨损;赵雪琴【16】等通过分析比较重载与高速铁路钢轨的失效形式，发现重载铁路钢轨的失效主要是由于钢轨塑性变形及磨损导致的。钢轨材料的磨损对表面疲劳裂纹形成有着十分重要的影响，两者之间存在相互影响与相互制约的关系，材料的磨损会消除表面疲劳裂纹。张伟【17】等通过不同摩擦力的滚动摩擦实验研究发现滚动过程中磨损是以复合形式出现的，随着表面摩擦力改变，不同形式的磨损主次在发生变化。在表面摩擦力较小时，磨粒磨损为主，磨损轻微；随着摩擦力增加，将导致金属表面氧化膜破裂速度增大，

26、粘着磨损加剧，成为主要的磨损类型，磨损量增加，磨屑主要为剥离块。3.2 国外现状最早研究钢轨磨耗问题的似乎是W.G.Kirkaldy，他在1899年发表的文章中，就提出了钢轨磨耗是否属于疲劳现象的问题。此后，世界各国的铁路工作者，包括一些力学、材料、机械、摩擦磨耗及润滑的研究工作者，都对此问题进行了长期的研究，其目的是通过减缓曲线钢轨的侧磨，以及降低轨道部件的力学伤损。通过多年的研究，已取得了一些突破性的成果。但世界各国铁路的列车运行情况不同，就是国内铁路，各条线路的列车运行情况也不相同，所以影响曲线钢轨侧磨的因素也就各不相同，采取的减磨措施也就各不相同：有提高钢轨材质、改善轮轨润滑条件；有改

27、善机车车辆转向架转向性能、改变车轮踏面形状、钢轨预打磨;也有改变轨道结构几何参数等。但目的只有一个，就是降低钢轨侧面磨耗的速率和减少轨道部件的伤损，延长钢轨的使用寿命，从整体上提高铁路运输的经济效益。钢轨是轨道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峻，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【18】，各国使用钢轨重量己由42kg/m提高到7577k

28、g/m，甚至达到81kg/m。欧洲许多铁路均已铺设了UIC60轨，前苏联主要铺设P65和P75钢轨；英国采用BS113A型(56kg/m)钢轨作为标准轨；澳大利亚和加拿大的重载铁路采用68kg/m钢轨；美国普遍采用115RE、132RE、119CF&I和136CF&I等几种型号，分别为58、66、60、68kg/m钢轨；日本在高速线及主要干线铺设60型钢轨。为了提高钢轨的强度，改善钢轨的性能，国外研究使用经过热处理的钢轨，其可靠性和耐久性分别提高了1.3和1.5倍，研制的不含铝的脱氧复合中间合金轨的寿命提高了1.25倍，可靠性提高了33%，铬锰硅钢并经热处理的P75钢轨通过总重

29、10亿吨左右才需大修。在轮轨磨耗的研究领域，国外对钢轨侧磨的研究工作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己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。目前国际上广泛采用轮轨润滑技术，采用精密设计的润滑器，性能良好的润滑剂，对轮缘和轨距角的限定部位控制润滑，从而降低轮轨磨损和不必然的牵引阻力。试验表明，钢轨磨损率比不润滑降低了68倍。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，居世界领先地

30、位。AAR的TTC不仅研究试验了各种涂油方法、润滑剂，近年来，更进一步深入探讨涂油的具体参数优化，研制相应设备仪器监测涂油后的实际轮轨表面润滑状态，向科学涂油的最优化迈进。但是在钢轨磨耗减少和使用寿命提高的同时，钢轨的抗疲劳和断裂性能将越来越成为关注的焦点，对钢轨内部和表面质量均匀一致的要求更为明显。长期以来，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面磨耗。80年代北美首次出现全自动钢轨打磨车。经打磨的钢轨，寿命可增加通过总重一亿吨左右，同时降低了钢轨不平顺对

31、列车产生的动应力，减少了运行阻力，节约能源。目前应用的曲线钢轨不对称断面打磨技术是钢轨打磨技术的最新发展成果，对减轻曲线钢轨侧磨和其它伤损都有明显的效果，国外已广泛采用。但因各国轮轨条件不同，采用的打磨断面不能照搬，而是各具特色的独立设计结果。4. 激光熔覆对材料减磨性能研究现状 激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨，耐蚀，耐热，抗氧化及电气特性等的工艺方法。激光熔覆技术是20世纪70年代中期发展起来的材料表面工程领域的前沿课题之一，作

32、为一种新型的热处理技术，涉及到物理，冶金，材料科学等领域，能够在廉价的基体材料上熔覆性能各异的合金粉末，可提高工件表面的耐蚀，耐磨，耐热及电气特性等，从而节省大量的贵重合金战略元素，具有广阔的发展前景。正因为其发展潜力很大，经济效益可观，所以引起了国内外的普遍关注，纷纷投入人力，物力，财力等进行研究。而激光熔覆对材料减磨性能研究则更是主要研究方面。耐磨涂层是激光熔覆涂层中研究得最早也是最多的一种。熔覆层的耐磨损性能取决于材料的种类和性质；对金属陶瓷复合涂层而言除了陶瓷材料的种类和性质外，还与其在复合涂层中的含量及分布特征有关。Ni基、Co基、Fe基自熔合金本身就具有良好的耐磨、耐蚀、耐热性能，

33、利用它们的激光熔覆层进行材料表面强化的研究报道己经很多。在这些自熔合金中加入WC，TIC，SIC，B4C，TIN等各种高熔点的超硬陶瓷颗粒激光熔覆后形成的复合涂层中，由M7C3，M23C6等自由碳化物或硼化物相强硬化的合金墓体与极硬的主体硬质相匹配，使熔覆层的硬度和耐磨性得到了显著提高【19】。我国的激光熔覆研究工作开始于80年代初期。1981年，中科院长春光机所针对汽轮机叶片防蚀问题选用镍基自熔合金，在2Cr3l钢基材上进行了激光熔覆研究。随着我国大功率激光器的发展，到八十年代中期，上海光机所、华中理工大学、中科院金属研究所、哈尔滨工业大学、天津纺织工学院、重庆大学等单位相继开展了这方面的研

34、究工作。到90年代初期，国内从事这方面研究的单位已达几十家之多，并开展了深入细致的研究，在工业上获得了应用。如今，我国在激光熔覆方面的研究已达国际同期水平【20】。T.Twong和G.Y.Linag等人【21】分别采用5KWCO2激光器和等离子喷涂的方法在铝合金表面上熔覆了Ni-Cr-B-Si和Ni-C-r-B-Si+WC粉末材料，相互比较后得出：激光熔覆所得试样比等离子喷涂所得试样具有更好的摩擦磨损性能，其中激光熔覆Ni-Cr-B-Si的铝合金试样的熔覆层具有最好的摩擦磨损性能;等离子喷涂所得试样比熔覆所得试样出现剥落现象要普遍得多，这也是导致大面积磨损率出现的主要原因;大量的无组织结构和过

35、共晶存在于熔覆层中，使得熔覆层具有较高的硬度和较好的磨损性能。西安交大梁工英等人利用5kW的CO2激光器对ZL111合金表面的Ni-WC等离子涂层进行了熔覆处理。利用SEM和X射线衍射分析了激光层中的组织分布，并对激光处理后的试样进行了耐磨性实验。实验结果表明，激光熔层中的组织以镍铝基的金属间化合物为主；WC颗粒基本在熔区中熔化，在冷却过程中以弥散碳化物形式析出。这些组织的存在使得激光熔层具有很高的硬度，其润滑磨损耐磨性为未经激光处理喷涂层的1.75倍和Al-Si合金基体的2.83倍。 陆萍萍等人【22】 采用激光熔覆技术在35CrMo钢表面分别制备Fe基涂层和含 Cr3C2的Fe基合金复合涂

36、层，研究了2种涂层的组织结构、显微硬度及耐干滑动摩擦磨损性能。结果表明，Fe基涂层以亚共晶方式结晶，在初生柱状固溶体枝晶间存在大量网状共晶组织，主要由Fe、Cr7C3 及少量的CrFe固溶体等组成。Fe基复合涂层中Cr3C2大部分溶解，枝晶凝固特征保持不变，枝晶组织明显细化，主要由Fe、Cr7C3 及少量的CrFe固溶体及较少量未熔的Cr3C2 等组成。Fe基复合涂层的显微硬度及其摩擦磨损性能优于Fe基涂层。 杨胶溪，刘华东【23】利用激光宽带熔覆技术对U71Mn钢轨表面进行强化，采用同步送粉方式进行自熔性Fe基粉末的激光熔覆，获得厚度1mm左右无裂纹、气孔等缺陷，且与钢轨冶金结合的高性能激光

37、熔覆层。通过测试分析和试验结果表明涂层的显微硬度平均值可达HV780，高于熔合区及基体的硬度，在过渡区处存在硬度拐点，但经静载抗压实验看出，涂层在453KN静载荷下无开裂现象。激光熔覆涂层的组织主要由-Fe、Cr0.19 Fe0.17N i0.11、NiCrFe、FeCr等物相组成，但是在熔合区靠近基体处有马氏体组织形成，是由于激光快速加热及快速冷却造成的。 1974年开始激光熔覆实验研究。1978年，美国的AVCO公司的EVETR实验室和MTEC公司相继发表文章报道他们的研究成果，他们的成果引起了应用专家的兴趣，推动了激光熔覆技术的发展，英国利物浦大学Stcne教授在激光熔覆研究方面也取得了

38、很大进展。1979年日本日立公司公开了他们的激光熔覆在汽轮机叶片上的应用专利。此后，许多工业国家纷纷投入了较多的人力物力从事这方面的研究，内容包括:涂层表面质量、组织性能、机械性能、物理模型、数学模型等许多方面。Nowotwy【24】对碳化物涂层组织结构与性能做了完整的分析，建立了材料成分、覆层结构和耐磨性能的关系。 J.Kelly等【25】在AA333铝合金上熔覆Mn-AL与铜锡合金混合粉末，覆层结构主要为-AL(fcc)和正方-CuAl，干滑动磨擦试验表明覆层的耐磨性AA333相比提高了3倍，硬度提高了34倍。三 拟研究实验方案和计划初步实验方案：选用U71Mn钢轨做实验，分别分为四组，一

39、组不用激光熔覆处理，其他三组分别用Fe基合金粉末、Ni基合金粉末、Co基合金粉末做熔覆材料对钢轨激光熔覆处理然后按照如下实验计划进行。(具体选用合金粉末的成分还在考虑中)1. 激光熔覆材料分别为Fe基合金粉末、Ni基合金粉末、Co基合金粉末。2. 用JD-1型轮轨模拟试验机分别对四组试验进行钢轨滚动模拟试验。3. 用TG328A型天平分别称量四组试样磨损前后的质量，计算试样的磨损质量损失。4. MVK-H12型维氏硬度仪分别测量四组试样试验前后的硬度。5. 用QUANTA200型扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）观察四组试样的磨损后的形貌。四 问题1. 钢轨型号是选用U71Mn,还是选PD3

40、，哪个更有利于试验研究?2. 是否要研究激光熔覆的工艺这些？因为要是不研究工艺这方面的话只做硬度、组织、磨损量这几个方面来做为大论文内容会不会少？3. 磨损的时候是用JD-1还是用MMS-2A？4. 由于外文的文献看的还不是很多，有些看了的还没有整理出来，所以外文的写得比较少，还在整理中。谢谢王老师！五 参考文献1 金新灿，程海涛.第七届国际铁路重载运输大会学术交流综述.国外铁道车辆.2001，38(6)：l-6.2 龚积球等.轮轨磨损.北京：中国铁道出版社，19973 Jonas WRingsberg,Anders Skyttebol,B,Lennart Josefson,Investigation of the rolling contact fatigue resistance of laser cladded twin-disc specimens;FE si