地鐵車輪低溫沖擊韌性研究

王建國

(太原重工軌道交通設備有限公司，山西太原030024)

0 引言

車輪在列車運行中起承載、傳遞動力以及制動等作用。與高強度和高耐磨性一樣，在地鐵安全運行過程中沖擊韌性具有重要意義。ER9車輪是一種在歐洲廣泛應用的車輪，其性能要求遵循歐洲鐵路標準(NF EN13262:2009)，需達到強度、硬度、沖擊性能的良好匹配。本次用戶對出口某國家的ER9地鐵車輪低溫沖擊韌性提出了更高要求，－20℃時，KV2平均值≥10J(歐標要求≥8J)。所以，生產(chǎn)這批車輪需對工藝進行精確控制，以滿足用戶的特殊需求。

在車輪生產(chǎn)過程中，有一批ER9地鐵車輪低溫沖擊韌性不合格。為找出原因，對沖擊試樣的斷口、夾雜物形貌、金相組織、化學成分等做了全面分析，以研究低溫沖擊韌性低的原因。

1 試驗方法

地鐵車輪的沖擊試樣取樣位于車輪輪輞上。用戶規(guī)定，沖擊韌性檢驗用輪輞的試樣進行，每爐批解剖1個車輪，在其輪輞部位取三個沖擊試樣，試樣V型缺口槽深2 mm，并且在－20℃時，KV2≥10J。具體沖擊韌性值見表1。

沖擊試樣斷口端面方向研磨拋光后，觀察金相組織和夾雜物評級。應用英國產(chǎn)LEO 438VP型掃描電鏡進行斷口分析;應用PE Optimo S300Ⅴ型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀分析試樣成分;應用LECO公司TC 600型氮氧分析儀分析輪輞部位的氮氧含量;應用OLYMPUS的GX71金相顯微鏡進行金相組織觀察;應用能譜儀分析了夾雜物的微區(qū)成分。

2 結(jié)果和討論

2.1 化學成分

對車輪沖擊試樣進行光譜儀分析，對相應的輪輞部位進行氮氧分析儀分析，結(jié)果見表1。由化學成分分析可知，有害硫磷含量及氮氧含量均很低，說明鋼的冶煉質(zhì)量較好，合金元素種類不多，其中Cr含量較高，主要為增加車輪鋼的淬透性，提高車輪輪輞在淬火過程中的冷卻速度，其作用是形成細珠光體和少量鐵素體組織，保證鋼的高強度、高耐磨性和良好的韌性，材料成分設計符合EN13262中ER9鋼的要求。

表1 試樣的化學成分及其沖擊韌性值

2.2 斷口分析

電鏡觀察，首先，在試樣的起裂部位，3#樣有寬約800 μm的塑性變形區(qū)，在塑性變形區(qū)可觀察到夾雜很少且尺寸較小，均＜5 μm(見圖1)，而2#及1#試樣起裂部位的塑性變形區(qū)寬度分別為200 μm及160 μm左右。其次，對試樣的準解理脆斷區(qū)比較:①在解理面大小方面，三個試樣相近。②在撕裂棱及二次裂紋方面，3#試樣的撕裂棱較多，而且二次裂紋較少。③同時，在三個試樣解理面上均未觀察到夾雜物。綜上所述，我們認為，鋼中夾雜物不是影響這批車輪沖擊韌性的主要影響因素。

2.3 晶粒度、夾雜物及組織分析

金相觀察，三個沖擊試樣中:①夾雜物較少，形態(tài)均為球狀，分布較彌散，夾雜尺寸均＜5μm，夾雜類型主要為球狀氧化物，其他類型夾雜極少;夾雜物評級，A～D類均為0．5級。②晶粒度評級，1#～3#樣均為7．5級;帶狀組織評級，1#樣為0．5級，2#及3#樣為0級。③經(jīng)定量金相方法計算，1#～3#樣的鐵素體含量分別約為5%、3%及15%(見圖2及表2)。

圖1 1#～3#試樣斷口塑性變形區(qū)及其夾雜物(SEM)照片

表2 試樣夾雜物及組織分析

圖2 1～3試樣中典型金相組織的照片

2.4 綜合分析

3個試樣車輪鋼的夾雜物評級級別較低，斷口分析中三個試樣的斷裂解理面均為觀察到夾雜物，由此表明鋼中夾雜物不是影響這批地鐵車輪沖擊韌性差的主要因素。

根據(jù)試樣研究結(jié)果并結(jié)合以往生產(chǎn)實踐分析，在車輪熱處理時:①通過控制輪輞處的噴水冷卻強度，可控制相變后生成鐵素體比例。②冷速越慢，相變后生成鐵素體比例就越高［1］。③而且相對較多的呈網(wǎng)狀分布的鐵素體將珠光體組織有效地分割包裹在鐵素體網(wǎng)之內(nèi)，可降低珠光體團的尺寸。④鐵素體比例越高、珠光體團尺寸越小，沖擊韌性就越高。

前期試驗發(fā)現(xiàn)，ER9地鐵車輪鋼而言，當冷速＞1℃/S時，容易造成冷速不均勻，導致金相組織中珠光體團粗大，相變后不能獲得足夠多的鐵素體以保證輪輞區(qū)域的沖擊韌性。因此，在后續(xù)的熱處理過程中要嚴格控制車輪輪輞的冷卻速率，以獲得均勻的細珠光體組織及含量較多的鐵素體含量。

3 改進措施及效果

根據(jù)影響車輪鋼低溫沖擊韌性的綜合原因分析，降低車輪熱處理冷卻強度為關鍵要點，具體措施:通過降低淬火加熱溫度和淬火冷卻水壓，嚴格控制淬火冷卻水量。

對此進行改進試驗，其車輪生產(chǎn)工藝為:坯料鍛軋成型，經(jīng)860℃～880℃淬火加熱后對車輪踏面部位以一定的冷速噴水冷卻，通過控制淬火水壓、噴水時間等參數(shù)控制車輪輪輞的冷卻速度，并經(jīng)回火處理，回火溫度約520℃。

采取以上措施優(yōu)化生產(chǎn)工藝后，該批次1 200 t ER9地鐵車輪－20℃的沖擊韌性 KV2平均值達到10J以上，合格率100%。

4 結(jié)語

ER9地鐵車輪低溫沖擊韌性差的主要原因是鐵素體含量少、且珠光體團較粗大。在車輪熱處理時，通過控制輪輞處的噴水冷卻強度，提高了相變后生成鐵素體的比例和避免出現(xiàn)大塊的珠光體團，改善了地鐵車輪的低溫沖擊韌性，提高了產(chǎn)品的合格率。

［1］ 吳斯，李秀程，尚成嘉，等．工藝因素和組織對高速動車車輪斷裂韌性的影響［J］．材料熱處理學報，2012，33(7)：104．