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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 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。 实验方法 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。 图3 轮轨试样硬度( a) 表面硬度; ( 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。 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%。 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。 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