城軌用CG10車輪輪輞徑向組織、性能分布的研究

毛亞男，趙 海，江 波，宮彥華，鐘 斌

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心 高性能軌道交通新材料及安全控制安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽馬鞍山 243000）

車輪是列車的關(guān)鍵部件，在使用過程中受到輪軌接觸應(yīng)力的作用可能出現(xiàn)剝離、磨耗、擦傷、失圓等不類型的表面損傷，直接影響列車的運(yùn)營安全和平穩(wěn)性，降低乘車舒適度。研究表明［1］，隨著外徑的減小，車輪多邊形發(fā)生率增大，可能與車輪踏面下硬度變化有關(guān)。南京航空航天大學(xué)［2］與中國鐵路成都局集團(tuán)公司［3］發(fā)現(xiàn)，隨著輪徑的減小，磨耗速率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，可能與接觸應(yīng)力、踏面硬化層深度的變化有關(guān)。Paul Molyneux-Berry［4］等發(fā)現(xiàn)，車輪輪輞徑向硬度呈減小趨勢(shì)，磨損性能和滾動(dòng)接觸疲勞性能呈降低趨勢(shì)?？梢?，車輪輪輞徑向組織、性能分布對(duì)踏面表面損傷有直接影響。

國內(nèi)地鐵公司主要采用強(qiáng)度和硬度水平較低的歐標(biāo)型車輪時(shí)，踏面剝離、失圓問題尤為突出，2019年，地鐵車輛轉(zhuǎn)向架CG10車輪（半成品）通用技術(shù)規(guī)范頒布實(shí)施，開始換用更高硬度的新材質(zhì)CG10車輪以改善踏面剝離、失圓等問題。本文研究了CG10車輪輪輞徑向組織、性能分布規(guī)律，為該種車輪的服役性能評(píng)估提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)過程與方法

研究用CG10車輪鋼的主要化學(xué)成分如表1所示，車輪熱處理工藝為：車輪加熱至800℃-900℃并保溫一段時(shí)間后對(duì)踏面部位進(jìn)行噴水冷卻，然后在500℃-550℃進(jìn)行回火處理。較傳統(tǒng)地鐵用歐標(biāo)車輪，其成分和性能存在明顯差異。

3.最后，在新技術(shù)的更新?lián)Q代以及新科技普遍應(yīng)用的背景下，很多企業(yè)仍然存在發(fā)展程度不一致的現(xiàn)象，特別是一些傳統(tǒng)企業(yè)，還處于知識(shí)經(jīng)濟(jì)影響下的“盲區(qū)”。事實(shí)上，任何一家企業(yè)都需要根據(jù)知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代下的相關(guān)變化，對(duì)自己的經(jīng)營發(fā)展做出一些調(diào)整，如果自己缺乏專業(yè)知識(shí)和技能，就需要聘請(qǐng)專業(yè)的企業(yè)來幫助自己完成改造。時(shí)代在變化，大眾的消費(fèi)行為也在變化，連“星巴克”都與“天貓”進(jìn)行合作，在網(wǎng)上賣咖啡了。這就說明只有適應(yīng)知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的各種要求，才能不被時(shí)代所淘汰。

表1 研究用CG10車輪鋼成分、性能（拉伸、硬度、沖擊）

車輪經(jīng)熱處理后，在踏面下15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm和40 mm處取樣，分別進(jìn)行顯微金相和力學(xué)性能檢測(cè)分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 輪輞不同深度組織性能檢測(cè)與分析

由圖中各項(xiàng)參數(shù)的變化趨勢(shì)可以看出：當(dāng)拉伸試樣位置距踏面深度由15 mm增加至40 mm時(shí)，輪輞屈服強(qiáng)度由670 MPa減小到592 MPa，抗拉強(qiáng)度由1024 MPa逐漸降低至977 MPa，且屈強(qiáng)比由0.654減小為0.606，說明隨取樣深度的增加，屈服強(qiáng)度的降低幅度比抗拉強(qiáng)度明顯，分析發(fā)現(xiàn)，材料的屈服應(yīng)力主要取決于珠光體層片間距，珠光體層片間距越小，強(qiáng)度越高?？估瓘?qiáng)度也主要由珠光體層片間距決定。延伸率主要受珠光體含量變化的影響，而珠光體層片間距則影響不大。

圖1 不同部位顯微組織

2.2.2 拉伸結(jié)果分析

表2 不同部位珠光體和鐵素體體積分?jǐn)?shù)及珠光體層片間距

通過采用最小層片間距法（選取每個(gè)視場(chǎng)層片間距最小的珠光體團(tuán)進(jìn)行測(cè)量）進(jìn)行測(cè)量分析，5個(gè)視場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果的平均值如表2中所示。隨著距踏面深度的增加，珠光體層片間距由146.0 nm增大至179.6 nm，并且在踏面下25 mm-40 mm范圍內(nèi)珠光體層片間距增大速率較明顯。

采用美國FEI公司生產(chǎn)的QUANTA450掃描電鏡放大到30000倍，在輪輞踏面下不同深度處隨機(jī)選擇5個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行珠光體形貌觀察并拍照。

2.2 輪輞不同深度力學(xué)性能結(jié)果分析

2.2.1 硬度和沖擊韌性檢測(cè)結(jié)果分析

關(guān)于《藝舟雙楫》，任國磊[21]指出，它是中國古代書論史上的一部經(jīng)典著作，是清代碑學(xué)思想的經(jīng)典之一?！端囍垭p楫》的論書部分用樸質(zhì)的語言敘述了一些關(guān)于碑帖考證、信札及書家個(gè)人傳記等的信息，為后人研究書史提供了寶貴的史料，也為書法美學(xué)、書法批評(píng)研究提供了可靠的理論依據(jù)。他的突出貢獻(xiàn)在于：一方面確立了以筆法為核心的書法理論體系，在書法的點(diǎn)畫、運(yùn)筆、章法等問題上作了碑學(xué)闡述；另一方面，他是碑學(xué)思想的發(fā)揮者，使北朝摩崖、造像記刻石、墓志銘恣肆、遒勁、雄健、樸質(zhì)的審美價(jià)值趨向得以確立，為清代的書法藝術(shù)風(fēng)格道路找到了新的突破點(diǎn)，為近代碑學(xué)熱潮作了鋪墊。

車輪輪輞硬度試樣截面上，分別在距踏面深度10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm和40 mm處，進(jìn)行5點(diǎn)硬度檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同部位硬度和沖擊檢測(cè)結(jié)果平均值

分析發(fā)現(xiàn)，從車輪踏面下15 mm至40 mm深度范圍內(nèi)，硬度均值由301.2HB減小到291.2HB，平均硬度梯度約為0.40HB/mm，其中踏面下20 mm-25 mm、30 mm-35 mm之間有較大的硬度梯度，均大于0.8HB/mm。檢測(cè)位置隨著距踏面深度的增加，硬度值逐漸減小，這主要是由于隨著距踏面下深度增加，珠光體含量減少，珠光體層片間距越來越大，導(dǎo)致車輪硬度逐漸降。踏面下40 mm處硬度值略高于35 mm處，分析原因主要是由于珠光體含量的影響，影響珠光體鋼力學(xué)性能的微觀組織是層片間距與珠光體含量共同作用的結(jié)果。

這節(jié)課教學(xué)的主要內(nèi)容是用“自主探究法”發(fā)現(xiàn)兩個(gè)三角形全等的四種判定方法，再予以應(yīng)用.采用質(zhì)疑式教學(xué)，不但可以給學(xué)生思考數(shù)學(xué)問題時(shí)指明方向，而且調(diào)動(dòng)了學(xué)生思維的積極性，學(xué)生自主進(jìn)行探究、動(dòng)手操作得到四種判定方法，很好地完成了質(zhì)疑過程與方法.在這節(jié)課中，質(zhì)疑的作用是不可替代的[4].

在車輪輪輞踏面下不同深度處隨機(jī)選取5個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行珠光體和鐵素體定量分析。利用圖像分析軟件，分別計(jì)算出各深度處5個(gè)視場(chǎng)中珠光體和鐵素體的體積分?jǐn)?shù)，計(jì)算結(jié)果見表2。在車輪踏面下15 mm-35 mm范圍內(nèi)，珠光體體積分?jǐn)?shù)逐漸由98.03%減少至97.54%，與此同時(shí)鐵素體的體積分?jǐn)?shù)逐漸由1.97%增多至2.46%，但在踏面下40 mm處，珠光體體積分?jǐn)?shù)增加為97.80%，即隨著輪輞部位距踏面深度的增加，鐵素體所占比例具有逐漸增加的趨勢(shì)，這是由于輪輞淬火時(shí)，車輪鋼的冷卻速度隨輪輞深度的增加而下降。

車輪輪輞踏面下不同深度處進(jìn)行沖擊取樣分析，每個(gè)位置取3個(gè)U5沖擊樣塊，常溫下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，隨著距踏面距離的增加，車輪常溫沖擊值逐漸減小，且在踏面下30 mm-3 5mm之間有較明顯的梯度變化。隨取樣深度增加，珠光體層片間距變大的同時(shí)共析鐵素體片層變厚，在較小的斷裂吸收功條件下，試樣發(fā)生斷裂，因而宏觀顯示沖擊韌性指標(biāo)降低。

車輪輪輞踏面下不同深度處取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和計(jì)算的屈強(qiáng)比結(jié)果如圖3所示。

由于鐵心的非線性，引起電壓暫降的原因歸結(jié)為空載變壓器投切時(shí)產(chǎn)生很大的磁化電流[9，22]。因?yàn)椴煌娜嘧儔浩黠柡统潭炔煌?，所以電壓暫降在每一相的幅值大小也不同。電壓暫降幅值與鐵心中的剩磁和網(wǎng)絡(luò)阻尼、電源強(qiáng)度、開關(guān)合閘時(shí)刻等因素有關(guān)。通常，由變壓器投切造成的電壓暫降在85%以上[9，20，23]。

圖3 不同部位拉伸檢測(cè)結(jié)果

用IMAGER.M2m正置式顯微鏡在500倍下觀察車輪輪輞踏面下15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm和40 mm處的顯微組織，見圖1，均為鐵素體-珠光體組織，先共析鐵素體沿原始奧氏體晶界呈斷續(xù)網(wǎng)狀分布，由先共析鐵素體勾勒出的區(qū)域尺度看，隨著檢測(cè)深度的增加，晶粒尺寸有所增大。

圖7為一個(gè)周期內(nèi)即0.1 s時(shí)間內(nèi),讀取天線端電壓幅值隨時(shí)間的變化曲線,可以看出有且僅有一個(gè)波谷,而且物體在旋轉(zhuǎn)過程中,只有當(dāng)讀取天線每旋轉(zhuǎn)到與天線正對(duì)位置時(shí),讀取天線端電壓信號(hào)幅值才會(huì)出現(xiàn)最低值;從圖8可以看出,兩個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)了兩個(gè)波谷,采集兩個(gè)波谷之間的時(shí)間間隔即可求出電機(jī)轉(zhuǎn)速,可以求得兩個(gè)波谷之間的時(shí)間間隔約為0.1 s,與電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值相吻合。

綜上分析發(fā)現(xiàn)車輪鋼的機(jī)械性能主要取決于珠光體組織，珠光體的強(qiáng)度取決于珠光體層片間距和體積分?jǐn)?shù)。在受到外力拉伸時(shí)，珠光體屈服強(qiáng)度主要取決于珠光體層片間距，并服從Hall-Petch關(guān)系。珠光體在拉伸變形過程中，其中的滲碳體具有極低的脆斷阻力，在外力的作用下發(fā)生切變而斷裂，使得鐵素體中出現(xiàn)滑移帶，并使相鄰的滲碳體層片增加負(fù)荷。由于這些滑移僅限于滑移帶范圍內(nèi)，所以珠光體表現(xiàn)為高強(qiáng)度、低塑性和低韌性。因而踏面下隨著深度增加，珠光體含量減少，珠光體層片間距越來越大，導(dǎo)致車輪硬度、沖擊、拉伸等力學(xué)性能逐漸降低。

3 結(jié)論

在踏面下15 mm-25 mm范圍，CG10組織變化較小，致使性能變化也較小。隨著距車輪輪輞踏面下深度的增加，珠光體含量略有降低，珠光體層片間距明顯增大，致使車輪其相應(yīng)位置的硬度、沖擊、拉伸等力學(xué)性能逐漸也相應(yīng)降低。

車輪鋼的機(jī)械性能主要取決于珠光體組織，珠光體的強(qiáng)度取決于珠光體層片間距和體積分?jǐn)?shù)。

隨距踏面深度的增加，力學(xué)性能變化明顯，為真實(shí)反映生產(chǎn)車輪的性能特征，在生產(chǎn)取樣時(shí)要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求的位置進(jìn)行取樣。