ER8C高速車輪鋼摩擦磨損性能研究

趙 海，丁 毅，張明如

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司；2.軌道交通關(guān)鍵零部件制造技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程中心 安徽馬鞍山 243000）

近些年，隨著高速列車的運(yùn)行速度增加，輪軌材料的磨損問題也越加嚴(yán)重，例如鋼軌波磨和車輪多邊化［1］、［2］，車輪偏磨，車輪踏面擦傷［3］。輪軌材料的磨損失效是一個(gè)復(fù)雜的過程，很多因素都會(huì)影響輪軌材料的磨損性能。輪軌之間存在的滑差會(huì)明顯增加輪軌接觸面的剪切應(yīng)力從而使表層組織發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形并改變表層的磨損機(jī)制。隨著滑差率的增加，表層塑性變形層的厚度會(huì)逐漸增加［4］-［6］，干摩擦條件下隨著滑差率的增加，輪軌材料之間磨損形式逐漸由氧化磨損方式轉(zhuǎn)變?yōu)槠谀p方式，疲勞磨損過程中表面形成淺層的疲勞裂紋。而車速的增加卻使表層的硬度和塑性變形層厚度逐漸降低，車輪材料的磨損量是逐漸增加的，而鋼軌材料的磨損量是逐漸減少的［7］。

現(xiàn)利用GPM-30摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)模擬輪軌的運(yùn)行，研究了不同磨損周次下ER8C高速車輪材料表層微觀組織的變化和疲勞磨損裂紋的形成與發(fā)展，探討ER8C高速車輪材料的滾動(dòng)摩擦磨損性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)選用材料分別為主試樣為ER8C車輪鋼，陪試樣為U71Mn鋼軌鋼。車輪鋼和鋼軌鋼的化學(xué)成分如表1所示。ER8C車輪鋼原始顯微組織的照片如圖1所示。由圖可知，ER8C車輪鋼的原始組織為網(wǎng)狀的先共析鐵素體+珠光體。ER8C車輪鋼的原始硬度為290 HV。

表1 車輪試樣化學(xué)成分

圖1 ER8C車輪試樣原始組織金相照片500×

使用GPM-30滾動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究滾動(dòng)條件對(duì)ER8C車輪鋼進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)運(yùn)行條件分別為純滾動(dòng)接觸。試驗(yàn)的接觸應(yīng)力1140 MPa，模擬17 t軸重，試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速為1440 r/min，模擬250 km/h。試驗(yàn)?zāi)p周次分別為：10萬，40萬和70萬，全部試驗(yàn)均在干摩擦條件下進(jìn)行，試樣在運(yùn)行過程中用風(fēng)扇冷卻，試樣表面整體溫度不超過80℃。試驗(yàn)后，車輪試樣的表面宏觀形貌用Universal Serial Bus microscope進(jìn)行觀察。不同運(yùn)行轉(zhuǎn)數(shù)試樣的微觀組織分別Lecia DM8i萊卡金相顯微鏡和Zeiss Supra 55場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行觀察。使用FM-700顯微硬度計(jì)對(duì)試樣表層硬度進(jìn)行測(cè)量。利用iXRD型X射線殘余應(yīng)力測(cè)試儀進(jìn)行表面殘余應(yīng)力測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 表面磨損形貌

圖2是ER8C車輪鋼試樣不同磨損周次的表面宏觀磨損形貌。從圖中可以看出，在10萬周次，車輪試樣表面相對(duì)比較平滑（圖2a）。在運(yùn)行到40萬周次時(shí)，車輪試樣表面產(chǎn)生多邊形磨損（圖2b），在運(yùn)行到70萬周次，車輪試樣的表面多邊形磨損程度加劇（圖2c）。

圖2 試樣不同磨損周次下表面宏觀形貌

圖3 為不同磨損周次下試樣表面微觀磨損形貌。在10萬磨損周次下，ER8C車輪鋼試樣表面主要是黏著磨損，如圖3a所示。在運(yùn)行到40萬周次。試樣表面形成波磨，從圖中可以看出，波峰為黏著磨損（圖3b），而波谷為疲勞磨損，疲勞磨損裂紋在表面萌生，疲勞裂紋深度大約為10μm，如圖3c和圖3d所示，這與Pan等的研究結(jié)果相似［2］。疲勞裂紋主要是沿珠光體和先共析鐵素體界面擴(kuò)展或者在先共析鐵素體內(nèi)部擴(kuò)展［6］。

圖3 試樣不同磨損周次表面微觀磨損形貌

2.2 磨損量與表層硬度

圖4 是ER8C車輪鋼試樣不同磨損周次的磨損量變化曲線。從圖中可以看出，隨著磨損周次的增加，ER8C車輪鋼試樣的磨損量逐漸增加。在40萬周次后，車輪試樣的磨損速率明顯的增加。主要是因?yàn)樵?0萬磨損周次后，試樣表面形成多邊形磨損。

圖4 不同磨損周次下ER8C車鋼磨損量變化曲線

ER8C車輪鋼試樣經(jīng)過不同周次磨損后表層硬度變化曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，隨著磨損周次的增加，ER8C車輪鋼試樣的表層的硬度逐漸增加。在10萬磨損周次，ER8C車輪鋼試樣表面硬度為498 HV；在40萬磨損周次，ER8C車輪鋼試樣表面硬度分別為529 HV；在70萬磨損周次，ER8C車輪鋼試樣表面硬度分別為583 HV。

圖5 不同磨損周次下車輪試樣表層硬度分布

2.3 表層微觀組織

圖6 為ER8C車輪鋼經(jīng)過不同周次磨損后截面金相顯微組織圖像。從圖中可以看出，經(jīng)過磨損后ER8C車輪鋼表面形成一定厚度塑性變形層。經(jīng)過10萬周次磨損后，ER8C車輪鋼的塑性變形層厚度大約為18μm。隨著磨損周次的增加，塑性變形層的厚度也是逐漸增加的。在磨損到40萬周次，ER8C車輪鋼的變形層厚度增加到大約32μm。在磨損到70萬周次，ER8C車輪鋼的變形層厚度進(jìn)一步增加到大約45μm。

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)ER8C車輪鋼在磨損70萬周次試樣從表面到心部微觀組織進(jìn)行系統(tǒng)分析，如圖7所示。從圖中可以看出，在40 um-70 um處，珠光體沒有發(fā)生明顯變形，先共析鐵素體內(nèi)晶粒仍然為等軸狀。而在20 um-30 um區(qū)域，先共析鐵素體內(nèi)晶粒進(jìn)一步發(fā)生細(xì)化，但是珠光體內(nèi)滲碳體仍然為片層狀。在0 um-10 um區(qū)域，先共析鐵素體內(nèi)片層狀晶粒進(jìn)一步細(xì)化，而且是珠光體內(nèi)滲碳體部分碎化成顆粒狀。

圖6 車輪試樣金相顯微組織

圖7 在磨損70萬周次的車輪試樣距表面不同距離SEM圖像

為了進(jìn)一步弄清楚車輪試樣磨損后的鐵素體晶粒變化，對(duì)車輪試樣磨損70萬周次后距表面不同距離的鐵素體晶粒進(jìn)行EBSD分析，結(jié)果如圖8所示。由于在距離表面0 um-10μm的區(qū)域，試樣表面的應(yīng)力比較大，從而導(dǎo)致EBSD的解析分辨率比較低。因此對(duì)不同轉(zhuǎn)數(shù)的試樣在距離表面10μm之后的區(qū)域進(jìn)行EBSD解析。

從圖8中可以看出，試樣經(jīng)過70萬周次磨損后，在10μm區(qū)域大角度晶界增加到60%，鐵素體晶粒細(xì)化到大約200 nm。鐵素體屬于體心立方結(jié)構(gòu)，具有較高的層錯(cuò)能，在變形過程中形成的位錯(cuò)難于擴(kuò)展，并且由于同方向的滑移系較多，極易發(fā)生交滑移，呈現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)和纏結(jié)的位錯(cuò)組態(tài)在初始的鐵素體晶粒內(nèi)。隨著磨損周次增加，胞狀的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)或者位錯(cuò)纏結(jié)逐漸轉(zhuǎn)變成小角度晶界（θ＜10°），最后，隨著變形的逐漸嚴(yán)重，鐵素體晶粒內(nèi)的小角度晶界逐漸轉(zhuǎn)變成大角度晶界（θ＞10°），從而使鐵素體晶粒細(xì)化。

圖8 在磨損70萬周次的距離表面10 um處兩種車輪試樣EBSD圖像（紅線小角度晶界，藍(lán)線大角度晶界）

2.4 表面殘余應(yīng)力

車輪試樣磨損過程中表面的殘余應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化，原始未經(jīng)過磨損的試樣表面是存在殘余拉應(yīng)力，軸向拉應(yīng)力值約為155 MPa，經(jīng)過不同轉(zhuǎn)數(shù)磨損后，表面的殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，經(jīng)過不同轉(zhuǎn)數(shù)磨損后，ER8C車輪鋼試樣表面形成殘余壓應(yīng)力。隨著磨損周次的增加，表面殘余壓應(yīng)力是逐漸增加的。不同磨損轉(zhuǎn)數(shù)下試樣表面的軸向殘余壓應(yīng)力是大于試樣表面周向殘余壓應(yīng)力的。在磨損40萬周次車輪試樣表面形成波磨，對(duì)車輪試樣波峰和波谷表面進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量，結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，周向和軸向的波谷殘余應(yīng)力都是大于波峰的殘余應(yīng)力。因?yàn)椴ü鹊淖冃蜗鄬?duì)于波峰更嚴(yán)重，從而使表面產(chǎn)生更大的殘余壓應(yīng)力。

表2 試樣不同磨損轉(zhuǎn)數(shù)表面殘余應(yīng)力（MPa）

表3 試樣波峰和波谷表面殘余應(yīng)力（MPa）

3 結(jié)論

本文對(duì)ER8C車輪鋼進(jìn)行不同周次的滾動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)試樣的表面形貌、表層微觀組織、表面硬度、表面殘余應(yīng)力和表層疲勞裂紋進(jìn)行對(duì)比分析和深入研究，得出以下主要結(jié)論：

隨著磨損周次的增加，ER8C車輪鋼的磨損量都逐漸增加；

摩擦磨損過程中，ER8C車輪鋼在表面形成波磨。在10萬周次，車輪試樣的磨損機(jī)制為黏著磨損，隨著轉(zhuǎn)數(shù)增加，疲勞磨損裂紋逐漸增加，在70萬周次，車輪試樣的磨損機(jī)制轉(zhuǎn)為疲勞磨損；

隨著磨損周次的增加，ER8C車輪鋼的塑性變形層厚度和表面硬度逐漸增加；

加工后未經(jīng)過磨損的試樣表面存在殘余拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值約為155 MPa。經(jīng)過不同轉(zhuǎn)數(shù)磨損后，ER8C車輪鋼試樣表面形成殘余壓應(yīng)力。隨著磨損周次的增加，表面殘余壓應(yīng)力是逐漸增加的。不同磨損周次時(shí)，試樣表面的軸向殘余壓應(yīng)力大于其周向殘余壓應(yīng)力，且試樣表面波谷處的周向和軸向殘余應(yīng)力都大于波峰處的殘余應(yīng)力。