CAO X, WANG W j, LIU Q y, et al . Effects of Laser Dispersed Quenching on Wear and Damage Performances of Wheel/Rail Materials. China Surface Engineering, 2016, 29(5): 72-79.
随着我国铁路运输量的迅猛增长，重载货运已经成为铁路发展的重要方向[1]，由于列车行驶在曲线路段上时车轮和钢轨的磨损与损伤比直线时更为严重[2]，导致车轮轮缘及钢轨侧磨严重磨耗，严重影响到铁路运输的安全和增加运营成本。为了解决轮缘及钢轨严重侧磨问题，许多学者通过传统热处理工艺来提高轮轨材料的硬度[3-4]，但这些方法可能会导致轮轨材料的塑韧性下降[5]，对铁路轮轨系统的安全运行带来一定的隐患。
近年来，激光淬火对改善材料组织，提高表面硬度和强度，增强抗磨损性能具有重要的作用[6-10]。由于实际轮轨表面需要处理的区域较大，但受到激光光斑尺寸较小的限制，因此多个激光扫描轨道之间的搭接是不可避免的[11]。后道激光处理对前道淬火层存在回火软化作用，且在搭接区产生残余拉应力，这将加快搭接区裂纹的萌生与扩展。为了避免激光淬火处理时出现搭接，研究者提出了激光离散处理的方法，该工艺在材料表面加工出按一定规则排列的硬化点，从而抑制材料的塑性变形，同时硬化点之间的基体材料保持原来材料的韧塑性[12-13]。
激光离散淬火技术既能提高材料表面的耐磨性又能提高实际生产效率，在轮轨材料表面改性方面具有广阔的应用前景。论文在轮轨材料表面进行激光离散处理，分析了淬火层的组织性能，利用滚动接触疲劳试验机研究了经激光离散淬火处理的轮轨试样的耐磨性及损伤机理。
1 试验部分滚动接触磨损试验在MJP-30A型滚动接触疲劳试验机上进行。图 1 为轮轨试样尺寸，上试样为车轮材料，选用ER8车轮材料，下试样为钢轨材料，采用U71MnG钢轨材料，轮轨试样直径均为57 mm，两个试样的线接触宽度为5 mm。
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| 图 1 轮轨试样尺寸示意图 Figure 1 Size diagram of wheel/rail specimens |
试验参数：为模拟25 t轴重，根据赫兹接触准则计算得到法向载荷为1 484 N，上轴与下轴的转速分别为496 r/min和500 r/min，转动滑差率为0.8%；钢轨试样循环次数为80 000次。轮轨材料成分见表 1 。轮轨试样试验前使用CO2激光器进行激光离散淬火处理，激光光斑直径根据激光器实际光斑和试样尺寸大小选择为4 mm，激光功率P=900 W，作用时间0.6 s。图 2 为激光离散淬火后轮轨试样的表面形貌。试样表面由激光处理区域和未处理区域组成，其中处理区域为直径为4 mm的淬火点，且淬火点均匀分布在试样接触表面。离散淬火间距过小将会产生激光搭接区，间距过大将导致未处理区磨损过大，因此文中根据前期试验研究结果，相邻两淬火点的间距选择最优值1 mm，处理后未出现搭接现象。试验前对图 2 所示的激光离散淬火处理的轮轨试样表面进行研磨抛光，在常温干态条件下进行4组试验，分别为Untreated wheel/Untreated rail、Treated wheel/Treated rail、Treated wheel/Untreated rail和Untreated wheel/Treated rail。
| Material | C | Si | Mn | P | S |
| Wheel (ER8) | ≤0.56 | ≤0.40 | ≤0.80 | 0.020 | 0.015 |
| Rail (U71MnG) | 0.65-0.75 | 0.15-0.58 | 0.70-1.20 | ≤0.030 | ≤0.025 |
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| 图 2 处理轮轨试样表面形貌 Figure 2 Photograph of the treated wheel/rail specimens |
利用电子分析天平(JA4103,China)测量试验前后试样的质量，通过称重法计算轮轨试样的磨损率；利用维氏硬度仪(MVK-H21,Japan)测量试样处理前后的硬度值；利用X射线衍射仪(Bruker D8 Discover,Germany)对试样进行物相分析；利用激光共聚焦扫描显微镜(OLYMPUS OLS1100,Japan)和光学显微镜(OM)(OLYMPUS BX60M,Japan)分析试样磨损后的表面磨痕损伤形貌、显微组织和剖面塑性变形情况。
2 结果与讨论 2.1 试样显微组织车轮和钢轨试样微观组织如图 3 所示，车轮钢轨材料的微观组织均由珠光体和铁素体构成(图 3(a)(b))，且车轮材料中铁素体组织的含量比钢轨材料高。图 3(c)(d)为激光离散淬火层组织形貌，可知轮轨材料经过激光离散淬火处理后，组织转变为均匀致密的马氏体组织，晶粒明显细化。图 4 为激光离散淬火前后车轮和钢轨材料的XRD图谱。结果表明：轮轨试样激光处理之前组织由珠光体和铁素体组成，激光淬火处理后，淬火区域瞬间升温至高于Ac3温度以上获得奥氏体晶粒，快速自冷却后转变为细小马氏体组织，同时冷却后组织中含有少量的残余奥氏体。
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| 图 3 轮轨试样显微组织 Figure 3 Microstructure of the wheel/rail specimens |
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| 图 4 轮轨试样的XRD图谱 Figure 4 XRD patterns of the wheel/rail specimens |
图 5 为轮轨试样处理前后的显微硬度。从图 5(a)可以看出，车轮和钢轨试样经激光离散淬火处理后表面硬度得到明显提高，其表面硬度分别提高了191.1%和214.5%。激光离散淬火后得到细化的马氏体组织，晶界面积增加及晶格产生畸变，阻碍了位错运动，有效的强化了表层材料组织性能[14]。从处理后的轮轨试样剖面硬度结果(图 5(b))可知，在淬火层内剖面硬度值波动较小，且与表面硬度值相近，随剖面深度的进一步增加其硬度值会迅速减小至轮轨材料的基体硬度。车轮和钢轨试样的淬硬层深度接近，约为750 μm，同时从图 3(c)和3(d)也可以看出轮轨试样淬硬层的厚度接近。
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| 图 5 轮轨试样的硬度 Figure 5 Hardness of the wheel/rail specimens |
图 6 为轮轨试样的磨损率。从图中可以看出，经激光离散淬火后的轮轨试样磨损率均有所下降，车轮试样磨损率降低约20.5%，钢轨试样降低约21.9%，使得试样的耐磨性得到一定提高。单一处理的车轮钢轨试样磨损率均明显下降，处理后的车轮试件磨损率降低约46.5%，其对摩副钢轨试件的磨损率稍有增加，其增加幅度约为13.3%；处理后钢轨试件磨损率则大幅降低，减少约为69.8%，其对摩副车轮试件的磨损率增加了约21.6%。由于激光离散淬火后的材料组织转变成高硬度的马氏体组织，提高了材料的硬度和强度，因此单一激光离散处理后的车轮或钢轨试件磨损率大幅降低，耐磨性能显著增强，但是与处理后的试样对摩的未处理试件的磨损率有小幅增加。而轮轨均处理组试样的减磨效果不是很明显，主要是由于激光离散淬火处理试样表面的未处理区会与其对摩副试样上高硬度的淬火区对磨。
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| 图 6 轮轨试样的磨损率 Figure 6 Wear rate of the wheel/rail specimens |
图 7 为试验后轮轨试样表面损伤激光共聚焦形貌图。未经处理的车轮试样表面呈现出剥落损伤现象(图 7(a))；其对摩副钢轨试样表面则以大块剥落为主要损伤形式(图 7(b))。激光离散淬火车轮淬火区的表面较光滑，有少量点蚀坑(图 7(c))，而在淬火区之间的基体材料表面出现较密集的小剥落坑和疲劳裂纹(图 7(d))；此时与之匹配的处理后钢轨试样表面比未处理钢轨光滑平整，表现为小块剥落(图 7(e))，而在淬火区之间的基体材料表面出现少量剥落坑和疲劳裂纹(图 7(f))。单一处理车轮试样淬火区表面存在很浅的点蚀坑与小块剥落，表面较光滑且损伤轻微(图 7(g))，基体材料表面主要表现为剥落损伤和疲劳裂纹共存(图 7(h))；而其对摩的钢轨磨损面较粗糙且损伤严重，剥落坑较密(图 7(i))。单一处理钢轨试样淬火区表面较光滑且损伤轻微(图 7(k))，基体材料表面出现轻微剥落和疲劳裂纹现象(图 7(l))；其对摩的车轮磨损面剥离损伤严重(图 7(j))。上述可知，未经处理的轮轨试样损伤严重，主要表现为剥落损伤。激光离散淬火处理后轮轨试样表面损伤明显减轻，主要为小块剥落损伤；淬火区之间的基体表面以剥落损伤为主并伴随一定的疲劳磨损。综上所述，激光离散淬火处理技术能够改善轮轨材料表面的耐磨性能。
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| 图 7 轮轨试样表面损伤形貌 Figure 7 Surface damage morphologies of the wheel/rail specimens |
图 8为轮轨试样塑性变形光学显微组织。由图 可知，未处理轮轨试样的塑性流动现象明显，其 塑性变形层较厚(图 8(a)(b))，在滚动接触过程中，轮轨表层材料在循环接触应力和切向摩擦力的作用下发生位错运动，引起塑性变形，且塑性变形 方向与切向力方向一致，越靠近接触面的塑性流 动程度越明显。由于珠光体与铁素体的塑性有较 大差异，产生塑性变形的不协调，铁素体发生很 大的塑性变形，而珠光体不能完全产生相应的塑 性变形[15]，铁素体被压成铁素体线，随着塑性变 形的不断累积，裂纹易萌生于两相结合不强的界 面，且沿铁素体线方向扩展，当裂纹贯穿至表面 材料后导致剥落损伤[16](图 7(a)(b))。而轮轨试样处 理后淬火区几乎未出现明显塑性变形(图 8(c)(e))，且试样表面不易出现大剥落坑(图 7(c)(e))。这是由 于激光离散淬火后，产生高硬度的马氏体组织，其屈服强度较高，同时马氏体组织晶粒细小，晶 界在晶体中占有的体积百分比增加，抵抗塑性变 形的能力增强；而且马氏体转变是以共格切变方 式进行，晶粒内部产生大量的位错、孪晶等微观 缺陷，阻碍材料进一步移动，使材料得到强化，有效抑制塑性流动[17]；轮轨试样淬火区之间的基 体表层发生轻微塑性变形，其塑性变形层厚度明 显小于未处理轮轨试样的塑性变形层厚度(图 8(d)(f))。单一处理车轮或钢轨试样会使其对摩的 未处理试样的塑性流动层厚度增加(图 8(i)(j))。结 果显示，激光离散淬火有利于增强轮轨材料表面 组织抗塑性变形的能力。同时，淬火区能减轻其 相邻基体表面材料的塑性变形[11]。
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| 图 8 轮轨试样塑性变形OM形貌 Figure 8 OM micrographs of plastic deformation of wheel/rail specimens |
(1) 轮轨材料表面经激光离散淬火处理后得到致密分布的马氏体组织，从而使得表面硬度得到显著的提高，即车轮和钢轨试样表面经处理后分别以191.1%和214.5%的幅度提高。
(2) 轮轨试样均处理能显著提高轮轨材料的耐磨性，车轮试样磨损率降低约20.5%，钢轨试样降低约21.9%。单个车轮或钢轨试样经过激光离散淬火处理后，其磨损率大幅降低，耐磨性能明显增强，但与之对摩试样的磨损率小幅增加。
(3) 未经处理的轮轨试样主要表现为严重剥落损伤；经激光离散淬火处理后的轮轨试样表面损伤明显减轻，以小块剥落为主要磨损形式；淬火区之间的基体表面以剥落损伤为主并伴随一定的疲劳磨损。激光离散淬火处理对轮轨材料组织的抗变形能力具有明显的改善功效；淬火区能抑制基体材料的塑性变形。
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