摘要
铁路钢轨、模具、轴承等关键零件在各种复杂接触工况下极易出现表面损伤问题，而接触工况的不同必然使得表面损伤的类型存在差异。以轮轨为代表的典型滚滑接触工况，表面损伤类型往往为磨损和滚动接触疲劳破坏；而在以注塑模具钢为代表的典型纯滑动和腐蚀工况下，腐蚀磨损、热疲劳和机械疲劳损失占据主要地位。不同工况下的表面损伤均会降低零件的服役精度和寿命，导致高昂的维护和更换成本。为提高这些关键零件的综合服役寿命，需要对不同工况下的金属接触表面进行表面强化处理。层流等离子束(LPJ)表面硬化是一种有效的表面强化手段。为提高不同工况下机械零件的综合服役寿命，需要深入研究LPJ表面硬化对不同工况下金属接触表面服役性能的影响规律和影响机理。此外，为在金属接触表面可控制备具有理想几何尺寸、微观组织和硬度分布的硬化层，需要明确层流等离子束表面硬化的硬化机理。 针对上述问题，本文使用LPJ对典型滚滑接触工况的U75V钢轨钢和典型纯滑动和腐蚀工况下的P20模具钢进行了表面硬化处理，结合ANSYS热仿真和材料表征手段揭示了LPJ表面硬化参数对硬化层几何尺寸、微观组织和硬度分布的影响机理。其次，通过实验研究探索了LPJ表面硬化对上述两种工况下的金属接触表面的服役性能的影响规律和影响机理。本文的主要研究内容和结论如下： （1）研究了LPJ表面硬化中电弧电流、阳极口径、扫描速度等参数对硬化层几何尺寸、微观组织和硬度分布的影响规律。研究结果显示：在硬化层几何尺寸的调控方面，通过增大电弧电流或减小扫描速度，可获得较大尺寸的硬化层。其次，通过设置一个小的阳极喷嘴，可以产生更深且更窄的硬化层从而实现对硬化层几何形状的调控。因此，可以通过改变LPJ表面硬化的工作参数来调整硬化层的尺寸和形状。通过LPJ表面硬化，可以在U75V钢轨钢中有效地制备出具有硬度梯度的硬化层。硬化层由完全硬化层和过渡层组成。其中，由完全马氏体组成的完全硬化层硬度约为800HV，而过渡层的硬度在380HV~780HV之间，显微组织为马氏体、珠光体、铁素体和碳化物的混合物。为获得硬度呈梯度分布的硬化层，应选择较大的阳极喷嘴、设置合适的电弧电流并且使用较小的扫描速度。 （2）利用ANSYS有限元仿真对LPJ表面硬化的温度场进行仿真分析，揭示了层流等离子束表面硬化的硬化机理。仿真结果显示：控制在临界奥氏体化温度范围上的热影响区尺寸大小是调整硬化层几何尺寸的关键。通过改变电弧电流或阳极喷嘴来调节施加在工件表面的层流等离子束热流密度的半高宽(FWHM)，或通过改变扫描速度来调节加热时间，可以改变热影响区的温度分布。低于临界奥氏体化温度的相对较慢的冷却速率是产生具有硬度梯度分布的过渡层的关键。较慢的冷却速度导致硬化层中出现了马氏体、珠光体和铁素体的混合物。 （3）通过滚动摩擦磨损试验探索了LPJ表面硬化对以轮轨为代表的典型滚滑接触工况下的金属接触表面服役性能的影响规律，研究结果表明，LPJ离散表面硬化处理提高了滚滑接触工况下金属接触表面服役性能。在本文的研究中，双排点状处理处理后的钢轨试样磨损率是未处理钢轨试样的0.48倍，耐磨性最好。单排24°点状处理轮轨对的总磨损率最低，是未处理轮轨对的0.87倍。LPJ离散表面硬化处理获得的硬化区为硬度极高的马氏体，马氏体组织有着极高的抗塑性变形能力，使硬化区的耐磨性大幅增加。硬化区的存在更能缓解试样中未被处理到的区域的塑性变形。经过LPJ离散表面硬化处理后，点状硬化区周围未处理基材表面区域的塑性变形深度最多降低到未处理轨试样表面区域塑性变形深度的0.116倍。LPJ离散表面硬化处理提高了滚滑工况下钢轨试样表面的抗塑性变形能力，从而使得其耐磨性大幅提升。 （4）通过球平面摩擦磨损试验和电化学腐蚀试验的方式对以P20注塑模具钢为代表的典型纯滑动加腐蚀工况下，LPJ表面硬化处理后的金属接触表面服役性能进行了研究。研究结果显示：由于层流等离子束表面硬化处理的超快冷却速率，层流等离子束表面硬化处理后，P20模具钢的组织由回火马氏体转变为致密的板条状马氏体，硬度从300HV提高到600HV左右,表面残余压应力从-255.01增加到-752.34Mpa。在奥氏体化过程中，大量板状碳化物(Fe3C)和球形碳化物(M3C,M=Cr,Mn,Mo)溶解，导致Cr元素的分布更加均匀。层流等离子束表面硬化处理能显著提高预硬化P20模具钢的耐磨性。与未处理样品相比，层流等离子束处理样品的平均摩擦系数(COF)降低了约1.7倍，磨损率降低了约2.3倍。处理后的试样的磨损机理由磨粒磨损结合黏着磨损转变为轻度氧化磨损。由于层流等离子束表面硬化处理后，工件表面形成了致密的板条马氏体组织和Cr元素分布均匀化，处理试样的耐蚀性明显高于未处理试样。未处理试样的腐蚀速率为0.2427mm/年，而处理试样的腐蚀速率仅为0.0680mm/年。
NETL