劉吉華１,２,陳水友２,劉啟躍２

(１．五邑大學(xué)軌道交通學(xué)院,江門 ５２９０２０;

２．西南交通大學(xué),牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦學(xué)研究所,成都 ６１００３１)

摘 要:在輪軌磨損試驗(yàn)機(jī)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(xué)成分、硬度對(duì)磨損行為及磨損機(jī)制的影響.結(jié)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(jī)制由磨粒磨損和淺層剝層磨損向深層剝層磨損轉(zhuǎn)變,鋼軌鋼磨損量增加,其主要磨損機(jī)制為淺層剝層磨損.

關(guān)鍵詞:顯微組織;車輪鋼;硬度;U７１Mn鋼軌鋼;磨損機(jī)制

中圖分類號(hào):TH１１７．３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):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(huì)延長(zhǎng)維修時(shí)間、增加維修費(fèi)用,從而降低鐵路運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.因此,對(duì)輪軌材料進(jìn)行試驗(yàn)研究以減少輪軌傷損具有重要意義[２Ｇ４].劉啟躍等[５]研究發(fā)現(xiàn),車輪鋼中的碳含量不會(huì)影響其摩擦因數(shù),但會(huì)改變其磨損機(jī)制,且車輪鋼的耐磨損能力隨著碳含量的增加顯著增強(qiáng).劉吉華等[６]采用JDＧ１輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)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(jié)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(kuò)展較深,疲勞損傷較嚴(yán)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(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了不同成分車輪鋼與熱軋 U７５V 鋼軌鋼的匹配試驗(yàn),結(jié)果表明:隨著碳含量的增加,車輪鋼的硬度增大,主要磨損機(jī)制由小剝離掉塊向大剝離掉塊轉(zhuǎn)變;鋼軌鋼則由輕微剝落磨損向深層剝落磨損轉(zhuǎn)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(zhǎng) 的 趨 勢(shì).MAYAＧJOHNSON 等[８]進(jìn)行了２種珠光體鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):較小的珠光體片層間距可以顯著降低疲勞裂紋的擴(kuò)展速率;R３７CrHT 鋼軌鋼相比 R２６０ 鋼 軌 鋼 具 有 更 高 的 硬 度 和 抗 拉 強(qiáng)度,且不容易發(fā)生變形,因此表現(xiàn)出更低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率.上述研究主要包括兩個(gè)方向:一是重點(diǎn)研究輪/軌鋼的化學(xué)成分對(duì)輪軌系統(tǒng)摩擦學(xué)行為的影響,而對(duì)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(duì)其摩擦學(xué)性能的影響,而對(duì)整個(gè)輪軌系統(tǒng)影響的研究較少。

在我國(guó),高速鐵路鋼軌鋼一般選用 U７１Mn熱軋鋼,車輪鋼則依賴進(jìn)口.為了更好地選取車輪鋼,實(shí)現(xiàn)輪軌材料的合理匹配,作者開(kāi)展了不同成分車輪鋼與熱軋 U７１Mn鋼軌鋼間的磨損試驗(yàn),研究了車輪鋼化學(xué)成分對(duì)輪軌鋼間磨損行為及磨損機(jī)制的影響.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用材料為熱軋 U７１Mn鋼軌鋼和４種化學(xué)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(xué)成分見(jiàn)表 １.由表 １可知,１＃ ~４＃ 車輪鋼化學(xué)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(xì)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(duì)應(yīng)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(jù)赫茲接觸理論[１],確保兩試樣間的平均接觸應(yīng)力和接觸區(qū)橢圓的長(zhǎng)短軸半徑之比與輪軌間實(shí)際工況下的相同.在 MMSＧ２A 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上模擬直線工況輪軌接觸狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn):模擬軸重為１６t,輪軌間接觸應(yīng)力為１１２５MPa,對(duì)應(yīng)的法向載荷為１１３N,車輪鋼試樣轉(zhuǎn)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(yàn)在干態(tài)下 進(jìn) 行,試 驗(yàn) 時(shí) 間 為 ２４h. 在 磨 損 試 驗(yàn) 前 利 用MVKＧH２１型維式顯微硬度計(jì)測(cè)試樣的表面顯微硬度.利用JA４１０３型電子分析天平測(cè)試樣在磨損試驗(yàn)前后的質(zhì)量,計(jì)算質(zhì)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(jī)上拋光,用４％(體積分?jǐn)?shù))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(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 顯微組織與硬度

即硅元素在珠光體中的強(qiáng)化作用高于在先共析鐵素體中的[９],以此起到強(qiáng)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(wǎng)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(zhǎng)大;熱軋 U７１Mn鋼軌鋼試樣的顯微組織中幾乎沒(méi)有發(fā)現(xiàn)先共析鐵素體相,珠光體晶粒尺寸也遠(yuǎn)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(tài) U７１Mn鋼軌鋼試樣中的滲碳體片層厚度和珠光體片層間距遠(yuǎn)大于４種車輪鋼試樣的.對(duì)于珠光體鋼來(lái)說(shuō),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(qiáng)度和硬度也會(huì)降低.珠光體晶粒的細(xì)化使珠光體容易發(fā)生變形(塑性變好),同時(shí)晶界數(shù)量的增加可以增強(qiáng)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用,從而達(dá)到強(qiáng)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(fā)生脆斷形成大量微裂紋.滲碳體是以相界面強(qiáng)化的形式強(qiáng)化珠光體的,珠光體片層間距增大會(huì)使得相界面積減小,對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力減小,因此珠光體的強(qiáng)度和硬度也會(huì)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(guān)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(jié)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(dòng)磨損量與損傷行為

表２中的數(shù)據(jù)由對(duì)圖 ４ 數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)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(jiàn),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(gè)系統(tǒng)的耐磨性顯著增強(qiáng).

２．３ 磨損形貌

將與１＃ 試樣對(duì)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(dòng)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(shí)沿滾動(dòng)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(shí)沿試樣滾動(dòng)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(méi)有可見(jiàn)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(fā)展的趨勢(shì);鋼軌試樣磨痕表面則沒(méi)有明顯的犁溝,但存在不同程

度的剝離;與１＃ 試樣對(duì)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(duì)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(duì)磨的鋼軌鋼表面則發(fā)生了較為嚴(yán)重的材料剝離.結(jié)合表２分析可知:１＃ 試樣硬度較低,此時(shí)輪、軌鋼硬度差較大,兩試樣接觸時(shí)主要發(fā)生表層材料的剝離,導(dǎo)致嚴(yán)重的磨粒磨損,車輪鋼的主要磨損機(jī)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(shí)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(duì)磨過(guò)程中存在一定的黏著磨損.

由圖６可以看出:在循環(huán)接觸應(yīng)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(yīng)力和切向力的作用下逐漸成為片狀.１＃ 試樣的表層材料發(fā)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(fā)生剝離;３＃ 試樣中,在珠光體晶界上沿著塑性變形方向出現(xiàn)了大量點(diǎn)缺陷;４＃ 試樣縱剖面上 點(diǎn) 缺 陷 的 數(shù) 量 較

少,但形成了較長(zhǎng)的疲勞裂紋.珠光體中鐵素體塑性好、強(qiáng)度低;滲碳體是脆性相,強(qiáng)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(fā)生塑性變形,同時(shí)由于這兩種車輪鋼試樣的磨損嚴(yán)重,很難達(dá)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(shí),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(duì)磨過(guò)程中的磨損也較為嚴(yán)重,點(diǎn)缺陷還不能完全串聯(lián)起來(lái),因而呈現(xiàn)大量的點(diǎn)缺陷(見(jiàn)圖６);４＃ 試樣不易發(fā)生塑性變形,磨損也很輕微,在對(duì)磨過(guò)程中,大量的點(diǎn)缺陷易串聯(lián)在一起而形成疲勞裂紋,疲勞裂紋擴(kuò)展很容易導(dǎo)致試樣失效.由圖４可知:１＃ 和２＃ 輪軌系統(tǒng)的總磨損量較高,３＃ 和４＃ 輪軌系統(tǒng)的總磨損量顯著降低.綜上所述,１＃ ,２＃ 輪軌系統(tǒng)具有優(yōu)良的抗疲勞損傷能力.

對(duì)于主要損傷形式為滾動(dòng)接觸疲勞的高速鐵路線路可以選?。保?和２＃ 車輪鋼;從延長(zhǎng)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(dāng)?shù)模常?車輪鋼,即適當(dāng)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(tǒng)抗磨損和損傷性能.

３ 結(jié) 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(jī)制由嚴(yán)重磨粒磨損和淺層剝層磨損為主向深層剝層磨損為主轉(zhuǎn)變,鋼軌鋼的主要磨損機(jī)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(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)-機(jī)械工程材料）