單一金相組織下輪軌材料摩擦磨損實驗研究

鞏友飛,周玉雙

單一金相組織下輪軌材料摩擦磨損實驗研究

鞏友飛,周玉雙

西安中車長客軌道車輛有限公司, 陜西 西安 710000

運(yùn)行中的高速列車，輪軌間橫向與徑向相對摩擦運(yùn)動會對輪軌產(chǎn)生不可忽視的破壞作用。本文以車輪鋼CL60和鋼軌鋼U71Mn的單一金相組織試件為研究對象，使用銷-盤式摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行了不同滑動速度和不同接觸應(yīng)力下輪軌材料的滑動磨損試驗研究。結(jié)果表明：在不同滑動速度和接觸壓力下，單一金相組織輪軌摩擦副的平均摩擦系數(shù)或磨損率隨金相組織的變化趨勢基本一致，相同組織摩擦副的平均摩擦系數(shù)或磨損率小于相異組織摩擦副的平均摩擦系數(shù)或磨損率；隨著滑動速度或接觸應(yīng)力的增大，輪軌平均摩擦系數(shù)或磨損率逐漸減小并趨于穩(wěn)定趨勢。

輪軌材料; 滑動摩擦; 金相組織; 摩擦系數(shù); 磨損率

21世紀(jì)以來，隨著軌道交通不斷向高速化、重載化發(fā)展方向，輪軌磨耗引起的磨擦和磨損等問題越來越嚴(yán)重，這急劇增加了鐵路的運(yùn)輸成本和行車安全[1]。輪軌摩擦系數(shù)和磨損與很多因素有關(guān)，比如列車軸重[2]、運(yùn)行速度[3]、材料特性[4]、接觸溫度[5]、材料硬度[6]和潤滑條件[7]等。研究輪軌摩擦磨損特性和磨損機(jī)制可以減輕輪軌磨耗，為高速重載鐵路的發(fā)展提供重要的試驗依據(jù)。

列車速度的提高和軸重的增加使輪軌接觸更加頻繁并且輪軌間相對黏滑運(yùn)動導(dǎo)致接觸區(qū)域產(chǎn)生更多的摩擦熱，使接觸區(qū)溫度迅速升高，甚至達(dá)到輪軌表面附近發(fā)生奧氏體化的溫度[8]。在第三介質(zhì)作用下，輪軌接觸區(qū)溫度會迅速下降，使珠光體輪軌表面附近的金相組織發(fā)生變化，最終在輪軌的持續(xù)接觸與分離后形成穩(wěn)定的馬氏體組織[9]。因此，輪軌摩擦副就會形成珠光體—珠光體摩擦副，珠光體—馬氏體摩擦副和馬氏體—馬氏體摩擦副。

目前，大多數(shù)學(xué)者從不同的角度都在致力研究輪軌摩擦磨損問題，但是還沒有學(xué)者研究單一金相組織下滑動速度和接觸應(yīng)力對輪軌平均摩擦系數(shù)及磨損率的影響。為此，本文選用同一種輪軌材料，熱處理得到2種金相組織，組成3對摩擦副，在不同滑動速度和接觸應(yīng)力下進(jìn)行摩擦磨損試驗，研究了金相組織等因素對輪軌摩擦系數(shù)和磨損率的影響。

摩擦試樣選用車輪CL60作為上試件，與鋼軌鋼U71Mn下試件組合為銷盤摩擦副，表1為輪軌

1 試樣制備與試驗方法

材料的化學(xué)成分。輪軌試件采用線切割方法直接從車輪和鋼軌踏面切取，再通過車床對試樣毛坯細(xì)加工，最后在磨床上拋磨，摩擦銷和摩擦盤的試樣尺寸如圖1所示。

表 1 輪軌鋼材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

車輪鋼CL60和鋼軌鋼U71Mn均屬于亞共析鋼，兩者含碳量相當(dāng)，因此試驗中對CL60和U71Mn的熱處理工藝確定均參照文獻(xiàn)[10]對U71Mn鋼動態(tài)CCT曲線的研究結(jié)果，按照850 ℃奧氏體終溫后U71Mn鋼動態(tài)CCT曲線以不同的冷卻方式可分別獲得片狀珠光體和回火馬氏體。其中，空氣冷卻可獲得片狀珠光體組織，淬水后590 ℃回火工藝可獲得回火馬氏體組織。

圖 1 摩擦銷與摩擦盤試樣尺寸

為了研究在不同的工況（滑動速度和接觸應(yīng)力）下金相組織對輪軌磨損率的影響，避免環(huán)境溫度、表面粗糙度和接觸面積等因素對磨損率的影響，可以將前3種定為試驗工況參數(shù)，后3種定為實驗基本參數(shù)。其中，試驗基本參數(shù)中環(huán)境溫度為20±2 ℃，表面粗糙度約為0.1 μm，接觸面積為28.27 mm2，試驗工況參數(shù)中金相組織包括珠光體和馬氏體，接觸應(yīng)力為3.54 MPa，5.31 MPa和7.07 MPa，滑動速度為0.40 m/s，0.53 m/s和0.65 m/s。依據(jù)試驗工況參數(shù)中的2種金相組織可以組成3種摩擦副：珠光體-珠光體（Pe-Pe），珠光體-馬氏體（Pe-Ma），馬氏體-馬氏體（Ma-Ma）。將上述銷盤試樣編號組合后開始在銷-盤式試驗機(jī)上進(jìn)行磨損試驗，試驗時間=180 min，摩擦銷旋轉(zhuǎn)半徑=25 mm。金相組織、滑動速度和接觸應(yīng)力對輪軌摩擦磨損影響試驗共18組，鋼軌磨損的磨損量可以用分析天平測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 金相組織對輪軌摩擦系數(shù)及鋼軌磨損率的影響

輪軌平均摩擦系數(shù)和鋼軌磨損率隨金相組織變化曲線分別如圖2和圖3所示。

圖 2 輪軌平均磨擦系數(shù)隨金相組織變化圖

圖 3 鋼軌磨損量隨金相組織變化圖

由圖2、3可知，在不同滑動速度和接觸壓力下，輪軌平均摩擦系數(shù)或鋼軌磨損率隨金相組織變化趨勢基本一致。在相同滑動速度和接觸壓力下，Pe-Ma摩擦副的平均摩擦系數(shù)和磨損率最大，Pe-Pe摩擦副的平均摩擦系數(shù)和磨損率最小。Pe-Pe和Ma-Ma摩擦副的平均摩擦系數(shù)和磨損率小于Pe-Ma摩擦副的平均摩擦系數(shù)和磨損率，即相同組織摩擦副的摩擦系數(shù)和磨損率比相異組織摩擦副的的小。

2.2 滑動速度對輪軌摩擦系數(shù)及鋼軌磨損率的影響

不同摩擦副下輪軌平均摩擦系數(shù)隨滑動速度變化曲線如圖4所示。在同一摩擦副相同接觸應(yīng)力下，當(dāng)=3.54 MPa時，各摩擦副的平均摩擦系數(shù)隨滑動速度增大先增大或基本不變?nèi)缓笾饾u減??；當(dāng)=5.31 MPa和=7.07 MPa時，各摩擦副的平均摩擦系數(shù)均隨滑動速度的增大呈線性減小趨勢。

圖 4 不同摩擦副下輪軌平均摩擦系數(shù)隨滑動速度變化圖

不同摩擦副下鋼軌磨損率隨滑動速度的變化曲線如圖5所示。在同一摩擦副相同接觸應(yīng)力下，當(dāng)=3.54 MPa時，各摩擦副磨損率隨滑動的增大逐漸減小且減小率逐漸增大；當(dāng)=5.31 MPa和=0.07 MPa時，各摩擦副磨損率隨滑動的增大先迅速減小，然后基本保持不變。

圖 5 不同摩擦副下鋼軌磨損率隨滑動速度變化圖

總之，隨著滑動速度的增大，在輕載時，各摩擦副平均摩擦系數(shù)和磨損率呈減小趨勢；在中、高載時，各摩擦副平均摩擦系數(shù)逐漸減小，磨損率先迅速減小，然后基本保持不變。

2.3 接觸應(yīng)力對輪軌摩擦系數(shù)及鋼軌磨損率的影響

不同摩擦副下輪軌平均摩擦系數(shù)隨接觸應(yīng)力變化曲線如圖6所示。在同一摩擦副相同滑動速度下平均摩擦系數(shù)均隨接觸壓力的增大不斷減小，尤其當(dāng)=0.65 m/s時平均摩擦系數(shù)呈線性減小趨勢。

圖 6 不同摩擦副下輪軌平均摩擦系數(shù)隨接觸應(yīng)力變化圖

圖 7 不同摩擦副下鋼軌磨損率隨接觸應(yīng)力變化圖

不同摩擦副下輪軌平均摩擦系數(shù)隨接觸應(yīng)力變化曲線如圖7所示。在同一摩擦副相同滑動速度下，當(dāng)=0.40 m/s和=0.53 m/s時，各摩擦副磨損率隨接觸應(yīng)力的增大先迅速減小，然后基本保持不變；當(dāng)=0.65 m/s時，各摩擦副磨損率隨接觸應(yīng)力的增大基本保持不變。

總之，隨著接觸應(yīng)力的增大，各摩擦副平均摩擦系數(shù)不斷減小，在低、中速時磨損率先迅速減小，然后基本保持不變，在高速時，各摩擦副磨損率基本保持不變，受載荷影響較小。

2.4 輪軌試樣的表面摩擦磨損特性

利用光學(xué)金相顯微鏡觀測= 0.40 m/s，=3.54 MPa時輪軌表面摩擦磨損形貌，如圖8所示。通過表面形貌對比圖確定不同金相組織輪軌摩擦副摩擦磨損機(jī)理，并預(yù)測車輪軌磨損率。

圖 8 v=0.40 m/s,p=3.54 MPa時輪軌表面摩擦磨損形貌圖

由圖8可知：珠光體組織硬度較小，表面磨痕更為明顯，犁溝較多，屬于磨粒磨損；馬氏體組織硬度較大，表面磨痕更為模糊，點蝕和剝落較多，屬于黏著磨損。由上文中金相相組織對輪軌摩擦系數(shù)和磨損率的影響可知，珠光體組織有利于降低輪軌摩擦系數(shù)但會增大磨損率，馬氏體組織情況相反。因此，磨粒磨損時摩擦系數(shù)較小而磨損率較大，粘著磨損時情況相反。通過對比輪軌表面磨痕形貌和鋼軌磨損率的大小可以預(yù)測車輪的磨損率，即珠光體車輪、混合體車輪和馬氏體車輪的磨損率依次遞減。

3 結(jié)語

通過對輪軌材料進(jìn)行滑動摩擦磨損實驗，獲得的主要研究結(jié)果有：在不同滑動速度和接觸壓力下，輪軌摩擦系數(shù)或磨損率隨金相組織變化趨勢基本一致；相同組織摩擦副的摩擦系數(shù)和磨損率小于相異組織摩擦副的摩擦系數(shù)和磨損率。隨著滑動速度或接觸應(yīng)力的增大，輪軌平均摩擦系數(shù)和磨損率基本呈減小趨勢并趨于穩(wěn)定。珠光體組織硬度較小，表面磨痕更為明顯，犁溝較多，屬于磨粒磨損；馬氏體組織硬度較大，表面磨痕更為模糊，點蝕和剝落較多，屬于黏著磨損。

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Experimental Research on Friction Wear of Wheel-Rail Material under Single Metallographic Structure

GONG You-fei, ZHOU Yu-shuang

710000,

In the actual operation of high-speed trains, the relative lateral and radial friction between wheel and rail can have a disintegration effect on them which can not be ignored. The paper uses pin-disc friction and wear testing machine to study the sliding friction and wear of single metallographic wheel-rail friction pair maded up of wheel CL60 steel and rail U71Mn steel at different sliding velocity and different contact stress. The results shows that the average friction coefficient or wear rate of single metallographic wheel-rail friction pair is basically consistent with the change trend of metallographic structure under the different sliding velocity and contact stress. The average friction coefficient or wear rate of the same structure friction pair is less than that of the dissimilar structure. With the increase of sliding speed or contact stress, the average friction coefficient or wear rate of wheel and rail gradually decreases and tends to be stable.

Wheel-rail material;sliding friction; microstructure; friction coefficient; wear rate

U211.5

A

1000-2324(2019)03-0520-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.035

2018-03-07

2018-03-28

國家自然科學(xué)基金(51236003)

鞏友飛(1991-),男,碩士研究生,主要研究方向:城軌車輛制造，輪軌摩擦學(xué). E-mail:464708017@qq.com