宮彥華 趙 海 高 偉 劉學(xué)華 姚三成 江 波 童 樂 鐘 斌

(1.軌道交通關(guān)鍵零部件先進制造技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心 安徽馬鞍山 243000；2.高性能軌道交通新材料及安全控制安徽省重點實驗室 安徽馬鞍山 243000；3.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心 安徽馬鞍山 243000)

近年來隨著國內(nèi)鐵路技術(shù)的快速發(fā)展，車輪作為車輛走行系統(tǒng)的核心部件，在服役過程中踏面擦傷、裂紋、剝離、踏面磨損過大等現(xiàn)象頻發(fā)[1-5]，嚴重影響了車輛的行車安全，大大增加了車輛維修成本，因此對車輪使用性能提出了更高的要求。

長期以來，人們認為車輪的性能取決于車輪成形后的熱處理工序，對車輪輾軋工藝的研究只注重于形狀尺寸的獲得及成形缺陷的控制[6-7]。近年來，隨著車輪的要求提高，輾軋工藝對微觀組織影響的研究逐漸得到重視[8]，如沈曉輝[9]研究了車輪成形過程中的組織演變規(guī)律，WANG等[10]研究了鐓粗過程微觀組織的演變。但目前仍只停留在輾軋工藝對車輪微觀組織影響等方面的研究，很少開展輾軋工序?qū)囕喪褂眯阅艿挠绊懷芯俊?/p>

本文作者選擇經(jīng)輾軋工序成形和直接鋼水澆筑成形的車輪材料，利用GPM-30試驗機開展了摩擦磨損和接觸疲勞性能研究，對比分析了不同接觸應(yīng)力狀態(tài)下摩擦磨損和接觸疲勞裂紋萌生擴展行為，結(jié)合微觀組織和夾雜物形態(tài)，分析探究了影響表面和亞表面裂紋萌生和擴展的因素。研究結(jié)果對認識輾軋工序?qū)囕喪褂眯阅苡绊懢哂幸欢ǖ睦碚撝笇?dǎo)意義。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及制備

選取化學(xué)成分和性能相近但采用不同成形工藝的2種車輪材料，進行摩擦磨損和接觸疲勞性能研究，其化學(xué)成分和基本性能見表1。其中NO.1車輪材料加工基本工序為：電爐冶煉→LF爐精煉→RH爐脫氣精煉→連鑄成型→切錠→加熱→預(yù)成型→成型→軋制→緩冷→淬火熱處理→機加工，采用輾軋工藝成形，車輪輪輞鍛壓比≥4.0；NO.2車輪材料基本工序為：鋼水熔煉→真空脫氣→造型→鑄造→緩冷→淬火熱處理→機加工，采用鋼水直接澆筑成形，鍛壓比為0。在車輪踏面下15 mm處平行于踏面進行取樣，并按圖1所示加工試樣和進行摩擦磨損試驗和接觸疲勞試驗，與車輪試樣配對的試樣取自U75V軋態(tài)鋼軌。

表1 車輪試樣主要元素及性能

圖1 試驗示意

1.2 試驗方法

為了評估車輪在服役過程中輪輞抗磨損及接觸疲勞性能，在GPM-30試驗機上進行摩擦磨損和接觸疲勞試驗。試驗條件見表2，其中摩擦磨損試驗方式為干態(tài)點摩擦，接觸疲勞試驗類型為線接觸、油潤滑(20號機油)，試驗接觸應(yīng)力設(shè)定為 1 100、1 200、1 300、1 400 和 1 500 MPa。接觸疲勞試驗時采用振動傳感器進行振動檢測，當振動幅度超過設(shè)定值時試驗機自動停機。文中接觸疲勞試驗振動幅度統(tǒng)一設(shè)定為3db。

表2 摩擦磨損與接觸疲勞試驗條件

為保障試驗結(jié)果的準確性，每組試驗進行3次。采用電子天平稱量試驗前后試樣質(zhì)量，試驗結(jié)束后使用掃描電鏡、金相顯微鏡觀察車輪試樣磨損面、剖面形貌，用顯微硬度儀測量剖面顯微硬度。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗結(jié)果

3組車輪試樣干態(tài)磨損磨損量的平均值如圖2(a)所示，可見NO.1車輪試樣的平均磨損量明顯小于NO.2車輪試樣。根據(jù)GB 10622-1989《金屬材料滾動接觸疲勞試驗方法》進行接觸疲勞試驗，得出2種試驗車輪的S-N 曲線，如圖2(b)所示。從試驗結(jié)果來看，NO.1車輪試樣的疲勞壽命好于NO.2車輪試樣。

圖2 摩擦磨損與接觸疲勞試驗結(jié)果

2.2 接觸面形貌

2種車輪試樣干摩擦磨損試驗后接觸面形貌分別如圖3(a)、(b)所示，很顯然兩試樣均發(fā)生剝層磨損，但NO.2車輪試樣相對于NO.1車輪試樣剝層數(shù)量多、尺寸大，說明NO.2車輪試樣接觸面萌生更多的裂紋。圖3(c)、(d)示出了2種車輪試樣接觸疲勞試驗后接觸面形貌，可見試樣表面存在剝離掉塊。圖4中給出了剝離掉塊數(shù)量和面積的統(tǒng)計結(jié)果，可知，同一接觸應(yīng)力狀態(tài)下NO.2車輪試樣的剝離掉塊數(shù)量較多、剝離面積較大。

圖3 試樣表面形貌

圖4 試樣接觸疲勞剝離情況

2.3 剖面形貌

圖5(a)、(b)示出了摩擦磨損試驗后2種車輪試樣剖面形貌，可知，2種車輪試樣近表面發(fā)生明顯的塑性變形，越靠近表面塑性變形越明顯；裂紋起源于表面并沿著塑性流變方向，擴展到一定深度后平行表面擴展然后向表面擴展，形成小的剝離剝落；NO.2車輪試樣表面不均勻塑性變形情況表現(xiàn)得更明顯。對摩擦磨損試驗后2種車輪試樣的裂紋深度進行了統(tǒng)計分析，如表3所示，很顯然NO.2車輪試樣裂紋擴展的深度較深。2種車輪試樣接觸疲勞試驗后剖面形貌如圖5(c)、(d)所示，可知，2種車輪試樣裂紋都是由表面起源向內(nèi)擴展，且裂紋擴展的角度相近。由表3可知，NO.2車輪試樣裂紋擴展的深度較深。

圖5 試樣剖面裂紋形貌

表3 試樣裂紋深度

2.4 剖面顯微硬度

圖6示出了2種車輪試樣剖面顯微硬度，可見2種車輪試樣干態(tài)摩擦磨損試驗和接觸疲勞試驗后的硬度變化曲線基本一致。干態(tài)摩擦磨損試樣由表及里硬度逐漸降低，到達距表面約0.6 mm處硬度接近基體組織硬度，說明干態(tài)摩擦磨損試樣硬化層深度約0.6 mm。接觸疲勞試樣硬度由表及里硬度先增大，在距表面0.3 mm處硬度達到最大值，后逐漸減小，距表面0.6 mm處硬度接近基體組織，說明接觸疲勞試樣硬化最大處在距表面0.3 mm處。

圖6 試樣剖面顯微硬度

2.5 分析和討論

由2.2節(jié)可知，NO.2車輪試樣接觸面萌生的裂紋較多且擴展的深度更深。大量研究表明，疲勞裂紋萌生的根本原因是局部不均勻塑性變形[11]。圖7示出了2種車輪試樣的基體組織狀態(tài)，可見NO.1車輪試樣先共析鐵素體呈網(wǎng)狀均勻狀態(tài)分布，而NO.2車輪試樣先共析鐵素體呈斷續(xù)的不均勻狀態(tài)分布。當材料發(fā)生塑性變形時，NO.1車輪試樣不易發(fā)生不均勻的變形，而NO.2車輪試樣會發(fā)生明顯的不均勻塑性變形[12-13]，因此NO.2車輪試樣接觸面易萌生裂紋。對2種車輪試樣的基體組織進行了分析，如表4所示，每種試樣的微觀組織特性統(tǒng)計數(shù)量都大于15個視場。很明顯NO.1車輪試樣平均晶粒、5%最大晶粒尺寸及珠光體片層間距明顯小于NO.2車輪試樣，2種車輪試樣晶界鐵素體含量相當。珠光體晶粒尺寸較大，則珠光體團也較大，珠光體結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)大的片層間距，微裂紋萌生以后不能通過塑性變形釋放，則能量需要通過裂紋擴展來釋放[10]，因而裂紋就會向試樣更深的部位擴展，致使試樣磨損和剝離掉塊更嚴重。

圖7 試樣基體組織形貌

表4 試樣微觀組織情況

在解剖分析接觸疲勞試樣時發(fā)現(xiàn)NO.1車輪試樣以表面起裂的斜裂紋為主，未發(fā)現(xiàn)平行于表面的亞表面裂紋，在NO.2車輪試樣中2種裂紋均存在，如圖8所示，平行于表面的裂紋深度大都出現(xiàn)在距表面100～400 μm之間。在低摩擦因數(shù)(<0.25)時接觸應(yīng)力最大位置位于亞表面[14]，致使亞表面發(fā)生塑性變形，文中試驗是在油潤滑的狀態(tài)下進行的，摩擦因數(shù)約0.08，圖6(b)顯示接觸疲勞試樣亞表面硬度較高，距表面0.3 mm處硬度最高。用電子背散射EBSD( ZEISS Sigma 500 型) 進行塑性變形分析，設(shè)定大角晶界大于等于15°，小角晶界為5°～15°，圖9示出了NO.2 試樣表面、距表面300 mm、距表面600 mm EBSD圖，可見距表面300 mm處小角晶界最多，塑性變形最劇烈，致使硬度最高。

對NO.2車輪試樣平行于表面的裂紋進行了分析，發(fā)現(xiàn)裂紋起源處存在夾雜物，經(jīng)能譜分析知該夾雜物為Al2O3。采用ASPEX分析儀對2種車輪進行非金屬夾雜物形貌分析，如圖10所示，NO.2車輪試樣中Al2O3夾雜物存在小角度尖角，而NO.1車輪試樣中Al2O3夾雜物未見明顯的小角度尖角，文獻[15]中也發(fā)現(xiàn)了該類型的夾雜物。接觸疲勞過程中，試樣亞表面受力較大，發(fā)生塑性累計變形，由于夾雜物不發(fā)生變形，在夾雜物處形成應(yīng)力集中，當應(yīng)力累計到一定程度裂紋萌生并沿著塑性變形方向擴展，形成平行于表面的長裂紋。由于NO.2車輪夾雜物未經(jīng)過輾軋變形，存在小角度尖角，應(yīng)力更易集中，裂紋更易萌生，同時晶粒、珠光體片層粗大，裂紋易擴展。

圖8 亞表面裂紋形貌及夾雜物成分

圖9 接觸疲勞試樣EBSD圖

圖10 夾雜物形態(tài)

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過輾軋工藝處理的車輪試樣干態(tài)摩擦磨損試驗時表面裂紋少且淺，磨損量減少；油潤滑接觸疲勞試驗時試樣剝離掉塊數(shù)量和面積減小，裂紋擴展深度變淺，接觸疲勞壽命增長。

(2)輾軋工藝能夠有效地細化晶粒、珠光體團、珠光體片層間距，使先共析鐵素體連續(xù)化，改善車輪微觀組織，減少不均勻塑性變形，抑制裂紋的萌生和擴展。

(3)油潤滑接觸疲勞試驗過程中，試樣接觸面亞表面受力最大，塑性變形最明顯；接觸疲勞試樣以表面裂紋萌生擴展為主，若亞表面存在小角度尖角的夾雜物，則裂紋在夾雜物處起源并沿平行于表面的方向擴展。