歐陽(yáng)愛(ài)國(guó), 余 斌, 胡 軍, 劉燕德

(華東交通大學(xué) 機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院, 江西 南昌 330013)

近年來(lái),高速鐵路以其快速便捷、舒適高效等優(yōu)點(diǎn),在我國(guó)取得了日新月異的發(fā)展,逐漸形成了以“四縱四橫”為基礎(chǔ),“八縱八橫”為目標(biāo)的高速鐵路網(wǎng)[1-3]。截至2021年底,我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程突破4萬(wàn)公里,穩(wěn)居世界第一,預(yù)計(jì)到2030年,我國(guó)高鐵里程將達(dá)到4.5萬(wàn)公里[4-5]。隨著國(guó)內(nèi)高速列車(chē)的快速發(fā)展,運(yùn)營(yíng)速度不斷提升,車(chē)輪和鋼軌的服役環(huán)境不斷發(fā)生惡化,使得輪軌間損傷問(wèn)題也越趨嚴(yán)重,以磨損和滾動(dòng)接觸疲勞為主的車(chē)輪損傷問(wèn)題日益突出[6-7]。

晶粒度作為影響車(chē)輪性能的重要參數(shù)之一,直接影響著材料的力學(xué)性能和磨損性能,晶粒細(xì)化不僅可以提高車(chē)輪材料的強(qiáng)度,而且可以提高車(chē)輪材料的塑性和韌性[8-9]。張好強(qiáng)等[10]使用了不同WC-Co基硬質(zhì)合金刀具對(duì)不銹鋼進(jìn)行干式切削,分析了不同WC晶粒尺寸刀具的磨損機(jī)理,表明WC晶粒尺寸越細(xì)小,材料的耐磨性越好,切削過(guò)程中磨損速度越慢,材料的磨損量越小。韓忠立[11]研究了不同晶粒尺寸的690合金管試樣的微動(dòng)磨損性能,結(jié)果表明,晶粒尺寸越大,材料的磨損體積也越大,磨痕深度相應(yīng)的也更深。蔣拓等[12]研究了不同表面晶粒尺寸的TB11合金耐磨性之間的關(guān)系,表明TB11合金表面晶粒尺寸越小,耐磨性越強(qiáng)。邱應(yīng)堃等[13]研究晶粒尺寸對(duì)等原子比CoCrNi中熵合金摩擦磨損的影響,結(jié)果表明,試樣晶粒尺寸越小,摩擦因數(shù)、磨損率和磨損體積越低,摩擦磨損性能越好。以上研究結(jié)果表明,晶粒細(xì)化以及減小晶粒尺寸分布能夠有效地提高材料的摩擦學(xué)性能。目前,晶粒度對(duì)高鐵車(chē)輪鋼滾動(dòng)摩擦磨損性能影響的相關(guān)研究還未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。考慮到不同晶粒度對(duì)車(chē)輪材料摩擦學(xué)性能的影響,本研究以高鐵車(chē)輪鋼為研究對(duì)象,通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比研究不同晶粒度試樣滾動(dòng)摩擦磨損規(guī)律及其磨損機(jī)理,采用掃描電鏡觀察試樣磨損的表面樣貌,分析不同晶粒度試樣的摩擦磨損性能差異。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料選用我國(guó)高速列車(chē)廣泛使用的ER8車(chē)輪鋼和U75VG鋼軌鋼作為研究對(duì)象,其化學(xué)成分如表1所示。輪軌試樣材料的直徑均為φ60 mm。

表1 試驗(yàn)鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

將原始ER8鋼試樣在SK-G08123K的管式爐中進(jìn)行875 ℃×1.5 h正火,空冷至室溫后再進(jìn)行900 ℃×1.5 h淬火,水冷至室溫,記為1號(hào)試樣;將未做熱處理的原始ER8鋼試樣記為2號(hào)試樣。將原始ER8鋼試樣在管式爐中進(jìn)行875 ℃×1.5 h正火,空冷至室溫后再進(jìn)行810 ℃×1.5 h淬火,水冷至室溫,記為3號(hào)試樣。取3種工藝的金相試樣,用磨盤(pán)從60目研磨到2000目(間隔約400目),然后用3 μm金剛石懸濁液拋光至鏡面,之后使用無(wú)水乙醇清洗以去除表面氧化層,再用10%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液進(jìn)行浸蝕,最后用流水沖洗、無(wú)水乙醇清洗,吹干在光學(xué)顯微鏡下使觀察顯微組織,并用Leica LAS4.12軟件進(jìn)行晶粒度統(tǒng)計(jì),使用面積法對(duì)晶粒的平均直徑進(jìn)行測(cè)量,得出1、2和3號(hào)試樣的晶粒度等級(jí)分別為9.5級(jí)、10.0級(jí)和11.0級(jí)。表2為3種試樣對(duì)應(yīng)的熱處理工藝及晶粒度等級(jí),圖1為3種不同晶粒度等級(jí)試樣的顯微組織。

圖1 ER8車(chē)輪鋼不同晶粒度試樣的顯微組織(a)1號(hào),9.5級(jí);(b)2號(hào),10.0級(jí);(c)3號(hào),11.0級(jí)Fig.1 Microstructure of the ER8 wheel steel specimens with different grain size grades(a) specimen 1, grade 9.5; (b) specimen 2, grade 10.0; (c) specimen 3, grade 11.0

表2 ER8車(chē)輪鋼不同熱處理工藝下的晶粒度

取3種工藝的磨損試樣,先經(jīng)800目磨盤(pán)研磨,經(jīng)超聲波清洗10 min后采用GPM-30型輪軌滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn),試驗(yàn)采用雙輪對(duì)滾接觸方式,主試樣為ER8車(chē)輪鋼,副試樣為U75VG鋼軌鋼,試樣的裝配如圖2所示。輪軌滾動(dòng)接觸試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際情況下磨耗踏面車(chē)輪在16 t軸重列車(chē)在線運(yùn)行情況,根據(jù)赫茲接觸理論[14-15],輪軌間的接觸應(yīng)力為557.2 MPa,試驗(yàn)力為1380 N,主試樣的轉(zhuǎn)速為800 r/min,摩擦?xí)r間為30 min。試驗(yàn)在干摩擦狀態(tài)下進(jìn)行,滑差率為0.5%。

圖2 滾動(dòng)磨損試驗(yàn)試樣裝配圖Fig.2 Assembly diagram of rolling wear test specimen

試驗(yàn)前后均采用無(wú)水乙醇對(duì)磨損試樣進(jìn)行超聲波清洗,烘干后使用精度為0.01 g的精密電子天平稱(chēng)取試樣質(zhì)量,每個(gè)試樣分別稱(chēng)量3次,取平均值,并計(jì)算磨損質(zhì)量損失。再根據(jù)式(1)計(jì)算質(zhì)量磨損率,衡量試樣的耐磨性。磨損試驗(yàn)過(guò)程中摩擦因數(shù)由試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)記錄并保存。試驗(yàn)結(jié)束后采用SU8010場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察不同晶粒度等級(jí)試樣的磨損表面形貌。

(1)

式中:λ為磨損率,g/m;m為磨損前后的質(zhì)量差,g;r為輪軌接觸半徑,m;n為旋轉(zhuǎn)角速度,r/min;t為磨損試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng),min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)和磨損率

ER8鋼不同晶粒度等級(jí)試樣的穩(wěn)態(tài)平均摩擦因數(shù)和磨損率如圖3所示,由圖3可以看出,晶粒度9.5級(jí)的試樣在穩(wěn)定磨損階段的平均摩擦因數(shù)最高,為0.35,晶粒度10.0級(jí)的試樣在穩(wěn)定磨損階段的平均摩擦因數(shù)為0.26,而晶粒度11.0級(jí)的試樣在穩(wěn)定磨損階段的平均摩擦因數(shù)最低,為0.19。結(jié)果表明,試樣晶粒度等級(jí)越高,其相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)平均摩擦因數(shù)越小。摩擦因數(shù)作為表征磨損行為的指標(biāo),可以反映接觸面的摩擦狀態(tài)[16]。一般而言,磨損程度越嚴(yán)重的試樣其摩擦因數(shù)越高,抗磨損能力越弱,因此11.0級(jí)晶粒度試樣的耐磨性能最好。

圖3 ER8鋼不同晶粒度試樣的穩(wěn)態(tài)平均摩擦因數(shù)和磨損率Fig.3 Steady state average friction factor and wear rate of the ER8 steel specimens with different grain size grades

由圖3還可以看出,晶粒度9.5級(jí)的試樣磨損率為4.421×10-5g/m,而晶粒度10.0級(jí)、11.0級(jí)試樣的磨損率分別為1.326×10-5和0.663×10-5g/m,分別相較于9.5級(jí)晶粒度試樣的磨損率降低了70.0%和85.0%。試樣晶粒度等級(jí)越高,其對(duì)應(yīng)的晶粒尺寸越小。由此可知,晶粒尺寸會(huì)影響材料的磨損率,在相同試驗(yàn)條件下,試樣磨損率隨晶粒尺寸發(fā)生顯著變化,試樣晶粒尺寸越大,其相應(yīng)的磨損率越高,耐磨性越差,因此同樣可得11.0級(jí)晶粒度試樣的耐磨性能最好。

2.2 磨損形貌

圖4和表3為ER8鋼不同晶粒度等級(jí)試樣的表面磨損形貌和EDS分析結(jié)果。由圖4(a～c)可以看出,晶粒度9.5級(jí)試樣表面的磨損程度最為嚴(yán)重,表面有大面積剝落產(chǎn)生,由于試樣在磨損過(guò)程中表面產(chǎn)生的剝落較多,磨損量大,因此很容易造成大面積的剝落損傷。隨著晶粒度等級(jí)的變高,試樣表面的磨損程度也相應(yīng)地減弱,觀察發(fā)現(xiàn)晶粒度10.0級(jí)、11.0級(jí)試樣雖然均存在不同程度的剝落,但相較于晶粒度9.5級(jí)試樣來(lái)說(shuō)剝落較少。由圖4(d～f) 可以看出,3種試樣表面均存在塊狀粘著物(點(diǎn)1、3、5),對(duì)比其EDS分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),均有氧元素存在。根據(jù)試樣表面平整處(點(diǎn)2、4、6)與塊狀粘著物處的EDS分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),塊狀粘著物處的氧元素含量明顯較高,表明試樣表面產(chǎn)生了大量的氧化物,并且晶粒度11.0級(jí)試樣表面平整處和塊狀粘著物處的氧含量均高于晶粒度9.5級(jí)和10.0級(jí)試樣,表明晶粒度11.0級(jí)試樣表面氧化嚴(yán)重,氧化磨損程度進(jìn)一步提高,試樣表面形成了一定厚度的氧化層。

圖4 ER8鋼不同晶粒度試樣的表面磨損樣貌(a,d)1號(hào),9.5級(jí);(b,e)2號(hào),10.0級(jí);(c,f)3號(hào),11.0級(jí)Fig.4 Surface wear morphologies of the ER8 steel specimens with different grain size grades(a,d) specimen 1,grade 9.5; (b,e) specimen 2,grade 10.0; (c,f) specimen 3,grade 11.0

表3 圖4中不同位置的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

3種不同晶粒度等級(jí)試樣經(jīng)過(guò)反復(fù)的滾動(dòng)磨損后,9.5級(jí)晶粒度試樣的磨損程度最為嚴(yán)重,產(chǎn)生的剝落最多,表面有大面積的剝落損傷,相應(yīng)的磨損率最高,這一結(jié)果與圖3中3種不同晶粒度等級(jí)試樣磨損率結(jié)果相對(duì)應(yīng)。另外,11.0級(jí)晶粒度試樣磨損后表面氧化嚴(yán)重,試樣表面產(chǎn)生了大量的氧化物,氧化物在磨損過(guò)程中起到減磨的作用,因此11.0級(jí)晶粒度試樣的摩擦因數(shù)最小,這一結(jié)果與圖3中3種不同晶粒度等級(jí)試樣的摩擦因數(shù)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

試樣晶粒度等級(jí)越低,其晶格尺寸越大,晶界占據(jù)的面積越小,粗晶粒中由于晶界密度的減小,產(chǎn)生的氧化膜相較細(xì)晶粒而言更加脆弱,因此細(xì)晶粒產(chǎn)生的氧化膜可以更好的保護(hù)試樣,使得試樣的穩(wěn)態(tài)平均摩擦因數(shù)和磨損率均有所降低,晶粒細(xì)化后試樣的耐磨性顯著改善,其磨損性能也得到了提升。

3 結(jié)論

1) 在相同滾動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)條件下,ER8鋼試樣的晶粒度等級(jí)越高,其穩(wěn)態(tài)平均摩擦因數(shù)越小,磨損率也越低。晶粒度11.0級(jí)試樣的穩(wěn)態(tài)平均摩擦因數(shù)為0.19,磨損率為0.663×10-5g/m,而晶粒度10.0級(jí)、9.5級(jí)試樣的穩(wěn)定平均摩擦因數(shù)分別為0.26、0.35,磨損率分別為4.421×10-5、1.326×10-5g/m。晶粒度10.0級(jí)、11.0級(jí)試樣的磨損率分別相較于晶粒度9.5級(jí)試樣降低了70.0%和85.0%。

2) 晶粒度9.5級(jí)試樣表面的磨損程度最為嚴(yán)重,表面有大面積的剝落產(chǎn)生,而晶粒度11.0級(jí)試樣磨損后表面氧化嚴(yán)重,剝落較少,且試樣表面產(chǎn)生的大量氧化物在磨損過(guò)程中起到減磨的作用,摩擦因數(shù)較小。