華 磊 林章敏 國新春 楊曉東 劉 剛 劉海波

(1、寶武集團馬鋼軌交材科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000 2、安徽馬鋼表面技術股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000）

1 概述

近年來,車輪多邊形磨問題在地鐵車輪運用過程中表現的越發(fā)突出,也是待予解決難題之一。車輪多邊形磨損是車輪出現周向不均勻磨損的現象。其危害在于加劇輪軌間作用力,增加車內噪音和車輛異常振動[1-3]。一般情況下車輪輕微的多邊形不會影響乘客的舒適度和車輛整體性能,只有當車輪的輪緣、踏面磨耗到一定程度時,采用鏇修的方法予以改善。車輪多邊形磨損的引起因素很多,如車輪硬度偏低、周向硬度不均勻、線路彎道多、車輛狀態(tài)等。本文從車輪制造研究出發(fā),改進車輪的原始性能,進而改善車輪服役表現,對同行業(yè)具有指導性的意義[4-6]。

2 地鐵車輪多邊形的特征分析

針對某地鐵線路服役車輪跟蹤測量,具體運營里程與多邊形特征見表1。5列車所有車輪的平均階次、車輪偏心和11～16邊形磨損平均粗糙度水平隨車輛運營里程的規(guī)律如圖1、圖2所示。從圖中分析可見,車輪偏心磨損和11～16邊形磨損都有一個相對較快的發(fā)展期,運營里程在2萬公里時,車輪偏心磨損發(fā)展相對較快;運營里程在8～12萬公里時,車輪11～16邊形磨損發(fā)展較快。

圖1 各測試車輛車輪平均階次圖

圖2 各測試車輛偏心和11～16階多邊形平均粗糙度水平

表1 各測量車輛運營里程

3 生產工藝優(yōu)化

為驗證車輪多邊形磨耗與車輪硬度的對應關系,對未發(fā)生多邊形的車輪與多邊形磨耗的車輪進行硬度檢測對比發(fā)現,未出現多邊形與多邊形磨耗嚴重車輪的踏面下35mm硬度低約10HBW,且周向硬度均勻性波動較小,說明提高車輪硬度和硬度均勻性是抑制多邊形發(fā)生、發(fā)展的措施之一。

3.1 地鐵車輪材質鋼合金化設計

根據固溶強化的規(guī)律,間隙原子C是車輪鋼中最重要的強化元素,對強、硬度貢獻最大,其次是Si。

但提高C、Si含量提高車輪強度和硬度的同時,將顯著降低材料的韌性和抗冷疲勞性能,C、Si含量的合理設計直接決定車輪綜合性能匹配,從圖3看,總體評估C、Si對各項性能的影響,碳含量在0.6 -0.65 %范圍選擇是較佳,Si含量選擇在0.4 %以下有利于車輪鋼的加工性能[9-10]。Al是鋼中常用的脫氧劑,用作煉鋼時的脫氧定氫劑,煉鋼完成時鋼中的Al除在鋼中形成極少量的Al2O3外,其余是固溶在鋼中的酸溶鋁,這部分Al在鋼中通過影響奧氏體晶粒長大行為而對力學性能產生影響,細化奧氏體晶?？稍诓挥绊憦姸鹊耐瑫r明顯提高韌性,從圖4看,當Als含量超過0.010%后,會產生明顯的晶粒細化作用,對提高綜合性能是有利的[10]。

圖3 C、Si含量的綜合影響

圖4 Als和奧氏體晶粒尺寸的關系

3.2 熱處理加熱工藝

從圖5-圖6,可以看出,奧氏體晶粒的大小和均勻性直接影響車輪鋼的塑性和韌性,為進一步提高車輪的塑韌性,需在合金成分優(yōu)化的基礎上進行熱處理工藝優(yōu)化設計。

圖5 車輪對應不同塑性水平的顯微組織

圖6 車輪對應不同低溫韌性水平的顯微組織

在軋態(tài)車輪上取樣進行了粗化溫度試驗,重點研究原始組織、加熱溫度、加熱時間對粗化溫度的影響,見圖7,從試驗結果看:(1)軋態(tài)組織的車輪鋼奧氏體晶粒在800℃～900℃據有較好的穩(wěn)定性,但晶粒度6.5 級較大,不利于車輪鋼的塑性和韌性;(2)正火有效細化了車輪鋼奧氏體晶粒,且不同正火溫度獲得的晶粒細化效果不同,由此,車輪熱處理加熱工藝方法、控制參數得以確定。

圖7 軋態(tài)車輪、正火態(tài)車輪奧氏體晶粒度隨溫度變化情況

3.3 淬火工藝

采用弱冷+強冷組合淬火的方式,弱冷車輪踏面時,使踏面近表層15mm以內發(fā)生完全細珠光體+少量鐵素體(即F-P)組織轉變,但此時輪輞內部金屬溫度仍然處于Ac3溫度以上,尚未發(fā)生冷卻轉變。而后,大流量噴眼噴射車輪踏面,噴射冷卻時間取決于輪輞厚度,使輪輞/輻板過渡處“發(fā)暗”,完成F-P轉變。

取地鐵車輪用鋼的化學成分見表2,按850℃正火后冷卻,再以820-880℃加熱后,分別采用弱冷+強冷組合淬火和直接強冷淬火,再經回火。所得車輪輪輞的四分之一,從端部(默認為0°)起再沿周向每隔10°取一片斷面硬度塊,按圖8所示進行網格硬度測試,并分析沿輪輞徑向、軸向硬度的最大值、最小值及平均值,結果表明,采用弱冷+強冷組合淬火,車輪的徑向、軸向硬度梯度均低于15HB,而直接強冷淬火,車輪的徑向、軸向硬度梯度均在25HB以上,如圖9所示。

表2 車輪用鋼化學成分

圖8 網格硬度

圖9 車輪輪輞斷面硬度沿周向分布

結束語

本文通過地鐵車輪所用材質的合金化設計和熱處理工藝研究方面,提高鐵路車輪輪輞的硬度和硬度均勻性,對改善車輪的使用性能,尤其是預防或減緩車輪的失圓(多邊形)、偏磨等使用問題的發(fā)生,提高全壽命周期內磨耗的均勻性起到一定的改善作用。