激光相变硬化

• 图3 轮轨试样硬度( a) 表Biblioteka Baidu硬度; ( b) 剖 面硬度
• 图4 为轮轨试样硬度情况。由图3( a) 可知，激光 相变硬化处理能大幅度提高轮轨试样表面硬度值 ，钢轨试样和车轮试样分别提高43. 06%、44. 39% ，激光相变硬化处理后钢轨试样硬度高于车轮试 样硬度，轮轨试样硬度差值与相变硬化前基本相 差不大。从轮轨试样剖面硬度( 图3b) 可知，在轮 轨试样表层硬度较高，随着深度增加，硬度逐渐 递减，在深度约600 μm处，硬度达到基体硬度。 激光相变硬化后轮轨硬度提高是因为表层材料发 生了相变硬化，晶粒变细，生成的马氏体组织位 错密度、晶界角度增大，有效的强化了表层材料 组织性能，表面硬度提高有助于提高轮轨试样表 面的抗磨损能力。
实验材料
• 滚动接触磨损实验在滚动摩擦磨损试验机上进行 ，如图所示。上试样为钢轨试样，下试样为车轮 试样，上下试样均为圆环形状，内径16 mm，外 径40 mm，两试样的接触宽度为5 mm。在常温无 润滑的条件下进行了4 组实验，分别为轮轨试样 均不激光处理、轮轨试样均激光处理、车轮试样 激光处理钢轨试样不处理、钢轨试样激光处理车 轮试样不处理。试验时间12 h。轮轨试样实验前 用激光相变硬化处理，处理设备为TＲ-3000 多模 横流CO2激光器，矩形光斑尺寸为1 mm × 7mm， 激光功率P =1 kW，扫描速度为800 mm/min。
• 上图为实验后轮轨试样表面磨痕形貌( a) ，( e) 未处理钢轨; ( b) ，( h) 未处理车轮; ( c) ，( g) 处理钢轨; ( d) ，( f) 处理车轮
结论
• 1) 轮轨钢试样激光相变硬化处理后主要得到针状 和板条状细小马氏体组织，组织晶粒显著细化。 轮轨钢试样硬度明显提高，钢轨和车轮硬度分别 提高43. 06%、44. 39%;2) 轮轨试样均处理对轮轨 钢滚动摩擦系数影响较小，耐磨性增强，钢轨试 样磨损率降低44. 02%，而车轮试样降低13. 6%。 单一处理轮轨试样后虽然能减少处理试样磨损， 却加剧对摩副的磨损;3) 激光相变硬化处理后，轮 轨试样表面损伤较为轻微，钢轨钢磨损机制主要 表现为疲劳磨损，车轮钢则表现为疲劳磨损和粘 着磨损共存，以疲劳磨损为主。
激光相变硬化
指导老师：易建龙
材料化学一班 王大寒 201240262112
技术简介
• 激光相变也称激光淬火，以高能量的激光束快速 扫描工件，使材料表面极薄一层的局部小区域内 快速稀吸收能量而是温度急剧上升,使其达到奥氏 体温度，此时工件基体仍处于冷态，激光离去后 ，由于热传导作用，此表层加热区域内热量迅速 传递到工件其他部位，使使该局部再瞬间进行自 冷淬火，得到马氏体组织，因而使材料表面发生 相变硬化
激光相变硬化处理对轮轨钢磨损性能影响 郭火明， 王文健， 刘腾飞， 郭俊， 刘启跃
( 西南交通大学摩擦学研究所，四川成都630031)
铁路运输关系到国计民生，随着我国铁路运输量 的迅猛增长，重载运输已经成为铁路现代化的一 个重要标志，然而重载运输过程中，大功率内燃 机车和电力机车及大轴重机车的大量使用，给国 民经济带来大发展的同时，也造成轮轨的严重磨 损，这不仅仅加大了铁路运输成本，更严重影响 铁路运输安全。在重载铁路运输过程中，轮轨出 现了多种伤损形式，如钢轨侧磨、波浪形磨损、 钢轨压溃、剥落掉块、轨面剥离等
图1 轮轨试样组织( a) 车轮基体; ( b) 钢轨基体; ( c) 车轮硬化层; ( d) 钢轨硬化
• 图2 轮轨试样相变硬化层表面X 射线衍射结果
• 观察显微组织可知，车轮试样由珠光体和铁素体 组成( 图1a) ，且铁素体含量较高，钢轨试样明显 为珠光体组织，渗碳体片层结构清晰( 图1b) 。图 1( c) ，1( d) 为相变硬化层组织的高倍SEM 形貌， 可知轮轨钢激光相变硬化处理后，表层材料晶粒 明显细化，生成了针状和板条状的马氏体组织， 晶粒得到显著细化，分布较为均匀。为进一步分 析相变硬化层组织，对其进行了X 射射分析，结 果表明: 轮轨钢表面经过激光相变硬化处理后，组 织主要为马氏体强化相( 见图2) ，FeC3是MC3型渗 碳体，强化了马氏体组织性能，相变硬化层存在 少量的Fe3O4，这是因为试验接触过程中，轮轨钢 表面材料发生氧化，生成了Fe 的氧化物。
我的观点
• 1:未说明激光表面处理对提高轮轨钢表面硬度影 响 • 2研究铁轨硬度对国家的发展具有重大的意义 • 3未考虑其他因素对处理后铁轨的影响
• 实验方法
利用MVK-H21 显微硬度仪测量轮轨钢试样硬度 分布，加载载荷为500 g，保压时间为10 s; 用 TG328 型电子分析天平测量实验前后试样的质 量; 用线切割机切取10 mm × 10 mm × 5 mm 小试样，经4%硝酸酒精溶液腐蚀后用FEI Quanta 200 型扫描电子显微镜观察组织形态及 轮轨试样表面磨痕伤损形貌，利用Bruker D8 Discover X 射线衍射仪( XＲD) 对试样进行物相 分析。
• 图4 轮轨试样磨损率
• 图4 给出了轮轨试样的磨损率。轮轨试样均经过 激光相变硬化处理后磨损率均有所降低，车轮试 样降低极其明显，磨损率减少约44. 02%，钢轨试 样减少约13. 6%。分析单一处理轮轨试样组可发 现激光相变硬化处理车轮试样后抗磨损性能大大 提高，磨损率减少57. 06%，而与之对摩的未处理 钢轨试样加剧磨损，磨损率增加22. 7%。同比分 析单一处理钢轨试样后钢轨试样磨损率减少50% ，车轮试样磨损率增加151. 6%。