劉吉華１,２,陳水友２,劉啟躍２

(１．五邑大學軌道交通學院,江門 ５２９０２０;

２．西南交通大學,牽引動力國家重點實驗室摩擦學研究所,成都 ６１００３１)

摘 要:在輪軌磨損試驗機上研究了熱軋 U７１Mn鋼軌鋼和４種成分車輪鋼間的摩擦磨損行為,分析了車輪鋼化學成分、硬度對磨損行為及磨損機制的影響.結果表明:隨著碳元素含量的提高,車輪鋼顯微組織中先共析鐵素體含量顯著減少,珠光體晶粒尺寸增大,珠光體中的滲碳體片層變厚,車輪鋼的硬度也逐漸增大;隨著車輪鋼硬度的增大,車輪鋼磨損量減少,其主要磨損機制由磨粒磨損和淺層剝層磨損向深層剝層磨損轉變,鋼軌鋼磨損量增加,其主要磨損機制為淺層剝層磨損.

關鍵詞:顯微組織;車輪鋼;硬度;U７１Mn鋼軌鋼;磨損機制

中圖分類號:TH１１７．３ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０７Ｇ００７０Ｇ０６

WearBehaviorbetweenWheelSteelswithFourChemicalComposition

andU７１MnRailSteel

LIUJihua１,２,CHENShuiyou２,LIUQiyue２

(１．SchoolofRailwayTracksandTransportation,WuyiUniversity,Jiangmen５２９０２０,China;

２．TribologyResearchInstitute,StateKeyLaboratoryofTractionPower,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu６１００３１,China)

Abstract:ThefrictionandwearbehaviorbetweenthewheelsteelswithfourchemicalcompositionandhotＧ

rolledU７１Mnrailsteelwasstudiedusingawheel/railweartester,andtheeffectsofwheelsteelcompositionand

hardnessonthewearbehaviorandwearmechanismwereanalyzed．Theresultsshowthatwiththeincreaseofcarbon

content,theproeutectoidferritecontentreducedobviously,thepearliticgrainsizeincreased,andthethicknessof

cementitelamellaalsoincreasedinthemicrostructureofthewheelsteel,resultingintheincreaseofwheelsteel

hardness．Withtheincreaseofwheelsteelhardness,thewearlossofthewheelsteeldecreasedandthemainwear

mechanismchangedfromabrasivewearandshallowdelaminationwearintodeepdelaminationwear,whilethewear

lossoftherailsteelincreasedandthemainwearmechanism wasshallowdelaminationwear．

Keywords:microstructure;wheelsteel;hardness;U７１Mnrailsteel;wearmechanism

０ 引 言

安全性和可靠性,并會延長維修時間、增加維修費用,從而降低鐵路運輸的經濟效益和社會效益.因此,對輪軌材料進行試驗研究以減少輪軌傷損具有重要意義[２Ｇ４].劉啟躍等[５]研究發現,車輪鋼中的碳含量不會影響其摩擦因數,但會改變其磨損機制,且車輪鋼的耐磨損能力隨著碳含量的增加顯著增強.劉吉華等[６]采用JDＧ１輪軌模擬試驗機研究了相同條件下４種不同成分車輪鋼的耐磨性能和疲勞性能,結果表明:車輪鋼的碳含量越高,其硬度越高,耐磨性越好;高碳含量車輪鋼的疲勞裂紋擴展較深,疲勞損傷較嚴重;低碳含量車輪鋼由于部分剛萌生的裂紋被磨損去除,疲勞損傷較輕微.陳水友等[７]在 MMSＧ２A 滾動摩擦磨損試驗機上進行了不同成分車輪鋼與熱軋 U７５V 鋼軌鋼的匹配試驗,結果表明:隨著碳含量的增加,車輪鋼的硬度增大,主要磨損機制由小剝離掉塊向大剝離掉塊轉變;鋼軌鋼則由輕微剝落磨損向深層剝落磨損轉變,并且隨著車輪鋼硬度的增大,鋼 軌 鋼 表 面 的 疲 勞 裂 紋 有 變 長 的 趨 勢.MAYAＧJOHNSON 等[８]進行了２種珠光體鋼的疲勞裂紋擴展速率試驗發現:較小的珠光體片層間距可以顯著降低疲勞裂紋的擴展速率;R３７CrHT 鋼軌鋼相比 R２６０ 鋼 軌 鋼 具 有 更 高 的 硬 度 和 抗 拉 強度,且不容易發生變形,因此表現出更低的疲勞裂紋擴展速率.上述研究主要包括兩個方向:一是重點研究輪/軌鋼的化學成分對輪軌系統摩擦學行為的影響,而對顯微組織的影響分析較少;二是單一研究鋼軌鋼或者車輪鋼顯微組織對其摩擦學性能的影響,而對整個輪軌系統影響的研究較少。

在我國,高速鐵路鋼軌鋼一般選用 U７１Mn熱軋鋼,車輪鋼則依賴進口.為了更好地選取車輪鋼,實現輪軌材料的合理匹配,作者開展了不同成分車輪鋼與熱軋 U７１Mn鋼軌鋼間的磨損試驗,研究了車輪鋼化學成分對輪軌鋼間磨損行為及磨損機制的影響.

１ 試樣制備與試驗方法

試驗用材料為熱軋 U７１Mn鋼軌鋼和４種化學成分淬火回火(８６０ ℃加熱后噴水,５００ ℃回火)車輪鋼,車輪鋼和鋼軌鋼的化學成分見表 １.由表 １可知,１＃ ~４＃ 車輪鋼化學成分的主要差異在于碳元素和硅元素的含量不同,硫元素和氫元素含量也存在細微的差別,其他元素含量則差異不大,鋼軌鋼中的錳元素含量較大.

鋼軌鋼試樣直接在熱軋 U７１Mn鋼軌頭上橫向切取,其斷口與鋼軌踏面平行;車輪鋼試樣從車輪踏面截取,端面與車輪踏面平行.將１＃ 車輪鋼對應的試樣記為１＃ 試樣,以此類推.鋼軌鋼和車輪鋼試樣的尺寸 如 圖 １ 所 示,二 者 的 縱 向 曲 率 半 徑 均 為３０mm,橫向曲率半徑分別為∞和１４mm.根據赫茲接觸理論[１],確保兩試樣間的平均接觸應力和接觸區橢圓的長短軸半徑之比與輪軌間實際工況下的相同.在 MMSＧ２A 摩擦磨損試驗機上模擬直線工況輪軌接觸狀態進行試驗:模擬軸重為１６t,輪軌間接觸應力為１１２５MPa,對應的法向載荷為１１３N,車輪鋼試樣轉速為４００r??min－１,車輪鋼試樣和鋼軌鋼試樣縱向滑差率為 ３．８３％.磨損試驗在干態下 進 行,試 驗 時 間 為 ２４h. 在 磨 損 試 驗 前 利 用MVKＧH２１型維式顯微硬度計測試樣的表面顯微硬度.利用JA４１０３型電子分析天平測試樣在磨損試驗前后的質量,計算質量損失,以此作為磨損量.采用線切割方法在磨損后的車輪鋼和鋼軌鋼試樣上切出金相試樣,在 PGＧ２型金相試樣拋光機上拋光,用４％(體積分數)硝酸酒精腐蝕后,利用 FEIQuanta２０００/JSMＧ７００１F型掃描電子顯微鏡(SEM)觀 察顯微組織和塑性變形形貌.磨損形貌則在試樣清洗后直接觀察.

２ 試驗結果與討論

２．１ 顯微組織與硬度

即硅元素在珠光體中的強化作用高于在先共析鐵素體中的[９],以此起到強化車輪鋼的作用.由圖２可知:４種車輪鋼試樣的顯微組織中均有先共析鐵素體(F)相,該相呈網狀分布在珠光體(P)晶界上;隨著碳含量的增加,先共析鐵素體相的

含量明顯減少,尺寸也減小,而珠光體晶粒明顯長大;熱軋 U７１Mn鋼軌鋼試樣的顯微組織中幾乎沒有發現先共析鐵素體相,珠光體晶粒尺寸也遠大于４種車輪鋼試樣中的.由圖３可知:不同車輪鋼、鋼軌鋼試樣中的珠光體均呈片層狀;隨著車輪鋼中碳含量的增加,車輪鋼試樣中的滲碳體(Fe３C)片層厚度增大,而珠光體片

層間距(S)逐漸減小;熱軋態 U７１Mn鋼軌鋼試樣中的滲碳體片層厚度和珠光體片層間距遠大于４種車輪鋼試樣的.對于珠光體鋼來說,大量先共析鐵素體的存在能顯著改善其塑性和韌性,但其強度和硬度也會降低.珠光體晶粒的細化使珠光體容易發生變形(塑性變好),同時晶界數量的增加可以增強對位錯運動的阻礙作用,從而達到強化珠光體鋼的作用.滲碳體片層越厚,滲碳體越不容易隨同鐵素體變形,而容易發生脆斷形成大量微裂紋.滲碳體是以相界面強化的形式強化珠光體的,珠光體片層間距增大會使得相界面積減小,對位錯運動的阻力減小,因此珠光體的強度和硬度也會降低[１０].

圖４ 車輪鋼和鋼軌鋼試樣的磨損量與車輪鋼硬度的關系

Fig．４ Relationshipbetweenwearlossofwheelandrailsteel

samplesandwheelsteelhardness

１＃ ,２＃ ,３＃ ,４＃ 車輪鋼試樣的硬度分別為２４５．５８,２６０．６４,２９９．５２,３２９．５２ HV,U７１Mn鋼軌鋼試樣的硬度為３０６．１５HV.結合圖３分析可知:１＃ 和２＃ 試樣由于含有較多的先共析鐵素體且珠光體片層間距較大,因此顯微硬度較低;３＃ 和４＃ 試樣中先共析鐵素體相的大量減少,珠光體中滲碳體片層厚度的增大以及珠光體片層間距的減小,使得其硬度較大.與鋼軌鋼試樣相比,１＃ ,２＃ 和３＃ 試樣中的先共析鐵素體較多,因此雖然其珠光體片層間距更小,但硬度仍然略低于鋼軌鋼試樣的;４＃ 試樣中的滲碳體含量比鋼軌鋼試樣中的高,珠光體片層間距更小,因此其硬度明顯較大.

２．２ 滾動磨損量與損傷行為

表２中的數據由對圖 ４ 數據進行線性擬合得到,表中a,b,R２ 分別為擬合線的截距、斜率、線性擬合度.由圖４和表２可知:隨著車輪鋼硬度的增大,車輪鋼試樣的磨損量減小,而鋼軌鋼試樣的磨損量增加;車輪鋼、鋼軌鋼試樣的磨損量與硬度均呈線性關系,線性擬合度較高,分別為９８．３６５％,９６．２４３％;隨著車輪鋼硬度的增大,車輪鋼、鋼軌鋼試樣的磨損量之和也減小.由此可見,車輪鋼的硬度越高,車輪鋼的耐磨性越好,與之匹配的鋼軌鋼耐磨性變差,但輪軌整個系統的耐磨性顯著增強.

２．３ 磨損形貌

將與１＃ 試樣對磨的 U７１Mn鋼軌鋼試樣記為１＃ 鋼軌試樣,以此類推.由圖５可知:１＃ 試樣的磨損表面粗糙,沿試樣滾動方向有明顯的犁溝,存在大面積的剝離掉塊,剝離掉塊的厚度一般比較小;２＃試樣的磨損表面存在大量的未脫離的剝離塊,剝離塊的厚度較薄,同時沿滾動方向也存在輕微犁溝;３＃ 試樣的磨損表面存在大面積剝離掉塊,且有部分剝離掉塊的厚度較大,同時沿試樣滾動方向也有輕微的犁溝;４＃ 試樣磨損表面則較為平整,只有小面積的剝離掉塊,幾乎沒有可見的犁溝,但有些位置剝離掉塊的厚度較大,且有向試樣中心發展的趨勢;鋼軌試樣磨痕表面則沒有明顯的犁溝,但存在不同程

度的剝離;與１＃ 試樣對磨的鋼軌鋼表面還有一定的剝落物黏附在上面;與２＃ ,３＃ 試樣對磨的鋼軌鋼表面則較為平整,只有輕微的材料剝離;與４＃ 試樣對磨的鋼軌鋼表面則發生了較為嚴重的材料剝離.結合表２分析可知:１＃ 試樣硬度較低,此時輪、軌鋼硬度差較大,兩試樣接觸時主要發生表層材料的剝離,導致嚴重的磨粒磨損,車輪鋼的主要磨損機制為磨粒磨損和淺層剝層磨損;隨著車輪鋼硬度的增大(２＃ 和３＃ 試樣),輪、軌鋼硬度差逐漸縮小,材料剝離后造成的磨粒磨損減弱,此時車輪鋼主要以淺層剝層磨損為主;４＃ 試樣的硬度比鋼軌鋼的大很多,較高的硬度使其組織中的滲碳體不易變形而易斷裂,因此車輪鋼試樣主要以深層剝層磨損為主;鋼軌鋼試樣則主要以淺層剝層磨損為主,而且在對磨過程中存在一定的黏著磨損.

由圖６可以看出:在循環接觸應力的作用下,車輪試樣近接觸面的珠光體和先共析鐵素體組織在接觸應力和切向力的作用下逐漸成為片狀.１＃ 試樣的表層材料發生了大面積剝離;２＃ 試 樣 表 面 不 平整,有大量微裂紋形成,微裂紋處材料未發生剝離;３＃ 試樣中,在珠光體晶界上沿著塑性變形方向出現了大量點缺陷;４＃ 試樣縱剖面上 點 缺 陷 的 數 量 較

少,但形成了較長的疲勞裂紋.珠光體中鐵素體塑性好、強度低;滲碳體是脆性相,強度和硬度較高.因此,在珠光體中的塑性變形主要集中在鐵素體中[１１].１＃ 和２＃ 試樣組織中含有較多的先共析鐵素體,而且珠光體中鐵素體含量也較高,容易發生塑性變形,同時由于這兩種車輪鋼試樣的磨損嚴重,很難達到其材料的塑性極限,因而很難觀察到疲勞裂紋.由表１可知,３＃ 和４＃ 車輪鋼中的硫元素含量較高.硫元素較多時,大尺寸的硫化物將形成空位形核中心,成為裂紋源[１２Ｇ１３].３＃ 試樣由于含有較多鐵素體相,而且在對磨過程中的磨損也較為嚴重,點缺陷還不能完全串聯起來,因而呈現大量的點缺陷(見圖６);４＃ 試樣不易發生塑性變形,磨損也很輕微,在對磨過程中,大量的點缺陷易串聯在一起而形成疲勞裂紋,疲勞裂紋擴展很容易導致試樣失效.由圖４可知:１＃ 和２＃ 輪軌系統的總磨損量較高,３＃ 和４＃ 輪軌系統的總磨損量顯著降低.綜上所述,１＃ ,２＃ 輪軌系統具有優良的抗疲勞損傷能力.

對于主要損傷形式為滾動接觸疲勞的高速鐵路線路可以選取１＃ 和２＃ 車輪鋼;從延長輪軌磨損壽命和降低輪軌表面損傷的角度考慮,則可以選用與鋼軌鋼硬度相當的３＃ 車輪鋼,即適當提高車輪鋼硬度,使得輪軌硬度相近就可以顯著改善輪軌系統抗磨損和損傷性能.

３ 結 論

(１)隨著車輪鋼中碳元素含量的提高,其顯微組織中的先共析鐵素體含量顯著降低,珠光體晶粒

尺寸增大,珠光體中滲碳體片層變厚,珠光體片層間距減小,硬度逐漸增大.

(２)隨著車輪鋼硬度的增大,車輪鋼試樣的磨損量呈線性遞減,而鋼軌鋼試樣的呈線性增加;車輪鋼的主要磨損機制由嚴重磨粒磨損和淺層剝層磨損為主向深層剝層磨損為主轉變,鋼軌鋼的主要磨損機制以淺層剝層磨損為主,并且伴隨有一定的黏著磨損.

（文章來源：材料與測試網-機械工程材料）