球墨鑄鐵車輪在城市軌道交通工程中的應用研究

董 鵬

(中鐵十八局，廣西 南寧 530012)

城市發(fā)展離不開交通設施的支持，隨著城市化進程的不斷發(fā)展，對于城市軌道交通的要求也越來越高，車輪作為軌道交通行走的關鍵部件，必須要適應當下“低速輕載”的特殊要求[1-4]。當前，城市軌道車輪常見的失效形式為粘著磨損、滾動接觸疲勞磨損以及車輪崩裂，因此有必要對車輪材料進行專項研究，以滿足既安全舒適、又抗折耐磨，同時兼顧經(jīng)濟低成本的特點[5-7]，典型城軌車輪斷面示意見圖1。

圖1 典型城際軌道車輪斷面

球墨鑄鐵材料誕生于20世紀中期，具有高強、高韌性、高耐磨、低成本等特性被大量應用于汽車曲軸、齒輪、機電設備等領域，進入21世紀以來，我國的城市軌道交通行業(yè)取得了飛躍式發(fā)展，對于球墨鑄鐵的需求量也在不斷加大，應用及發(fā)展前景一片良好[8-9]。球墨鑄鐵材料的主要組成材料為基體組織和球狀石墨，由于石墨的含量通常低于15%，因此，球墨鑄鐵車輪的力學行為主要取決于基體組織(主要為鐵素體和珠光體的相對含量)的相對含量，珠光體成分及含量的變化均會引起車輪性能的改變，影響車輪的質量，進而影響行車安全[10-13]。

文章基于前人研究理論，從實際運用出發(fā)，對四種不同珠光體含量的球墨鑄鐵材料進行了對比分析，并與傳統(tǒng)車輪鋼力學性能進行比較，可為球墨鑄鐵材料在城市軌道交通中的推廣應用提供借鑒。

1 實驗設計

1.1 實驗組情況

影響球墨鑄鐵材料基體組織中珠光體、鐵素體含量以及共析轉變溫度的主要元素為硅、銅、鎳，實驗中共設計四種因素水平對球墨鑄鐵性質的影響。其中：硅含量的設計值為2.2%、2.7%和3.2%，銅含量的設計值為0%、0.6%和1.2%，鎳含量的設計值為0%、0.6%和1.2%，正交實驗組中，保持其余元素含量基本一致，見表1。

表1 試驗組成分/%

1.2 基體組織分析

基體組織對于材料的性能有著至關重要的影響，實驗分析得到的球墨鑄鐵材料的球化率以及基體組織特征見圖2。球化率反映了石墨相在合金球墨鑄鐵材料中的分布水平，從圖中可以看到：硅、銅、鎳三種元素的改變對石墨相球化率的影響并不明顯，四組材料的球化率均在80%左右，表明石墨球在基體中呈現(xiàn)比較均勻的分布態(tài)勢；鐵素體和珠光體是影響球墨鑄鐵材料性能的最主要因素，隨著硅元素含量的減少，鐵素體在不斷減少，而珠光體在不斷增加，但兩者相加的含量并沒有明顯變化，這主要是因為硅是鐵素體的穩(wěn)定化元素，在鑄鐵冷卻階段，鐵素體和珠光體的競爭主要與碳元素的擴散方式有關，當硅元素降低而銅、鎳元素相應增加時，碳元素的共析轉變會在低溫下進行，同時伴隨緩慢的碳擴散，在碳擴散過程中就會帶來更多的珠光體組織，從而鐵素體含量降低。

2 性能對比分析

2.1 力學行為

試驗獲得的不同實驗組的力學測試結果特征曲線見圖3。從圖3(a)中可以看到：球墨鑄鐵材料的應變率受基體組織的影響較為顯著，在低珠光體含量下，表現(xiàn)為低強度高塑性特征，破壞形式為延性，而在高珠光體含量下，則表現(xiàn)為高強度低塑性特征，破壞形式為脆-延性。從圖3(b)中可以看到：隨著珠光體含量的增加，球墨鑄鐵材料硬度逐漸升高，當珠光體含量達到90%后，其硬度將顯著增加，屈服強度與極限拉伸強度的變化特征與硬度類似，這是因為鐵素體與珠光體之間的加工硬化率的差異所導致，硅元素提供了穩(wěn)定的鐵素體，從而使球墨鑄鐵具有良好的形變特征，但鎳元素會提高相應物質之間抵抗位錯運動及形變的能力，從而使得強度升高，塑性變形能力降低。

圖2 基體組織統(tǒng)計情況

圖3 球墨鑄鐵力學性能測試結果

2.2 干態(tài)滾滑復合磨損性能

磨損性能是評價車輪質量好壞的主要指標之一，因此對不同試驗組進行了干態(tài)滾滑復合磨損試驗，其結果見圖4。從圖中可以看到：球墨鑄鐵的摩擦系數(shù)隨著滾動周期的不斷增長，整體上呈三階段變化特征，即“增長-降低-穩(wěn)態(tài)”三個階段；在滾動前期，由于鑄鐵車輪表面存在一定的磨合期，在反復滾動摩擦過程中，表面光滑層首先磨損，從而使得摩擦系數(shù)增加，當光滑面磨損后，由于鑄鐵材料需要在內部調整至平衡狀態(tài)，因此在疲勞磨損過程中，摩擦系數(shù)會逐漸降低并逐漸趨于一個穩(wěn)定值以適應往復滾動的工作需求，當內部應力達到平衡后，車輪的摩擦系數(shù)也逐漸處于一個穩(wěn)定狀態(tài)，并將保持相對較長的穩(wěn)態(tài)時間；從試驗曲線可以看出：珠光體含量越高，硬度越大，車輪的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)越大，但摩擦系數(shù)表現(xiàn)也越不穩(wěn)定，波動情況更加復雜，這不僅表現(xiàn)為初期摩擦系數(shù)較長的增長和降低過程，也表現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)階段中其摩擦系數(shù)的抖動較大，這對行車安全與車輪磨損是極為不利的；S1組的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)最小，其值約為0.22，S2和S3的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)分別為0.25和0.32，S4組的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)最大，達到了0.41，這主要由于硬度小的試驗組在滾動磨損過程中會發(fā)生較大的剪切變形，從而在摩損接觸區(qū)域出現(xiàn)比較多的石墨(扮演潤滑劑角色)，導致摩擦系數(shù)減小，而硬度較大的試驗組主要發(fā)生脆性斷裂破壞，在滾動周期內較難發(fā)生大的剪切變形破壞，因此摩擦盤內的石墨較少，故而摩擦系數(shù)較大。

圖4 周期滾動條件下摩擦系數(shù)變化

2.3 磨損速率對比

圖5為80000轉后各試驗組和傳統(tǒng)鋼軌總磨損率的對比。從圖中可以看到：S1、S2、S3三組試驗組中，隨著基體硬度的逐漸升高，車輪的磨損率逐漸降低，表現(xiàn)出較好的抗磨損性能； S4組雖然基體硬度更大，但磨損速率反而更大，表現(xiàn)出較差的抗磨損性能，這是因為材料的磨損性能不僅與硬度、強度相關，也與斷裂特性有關，由于第四組球墨鑄鐵材料具有一定的脆性斷裂破壞特征，其抵抗變形的能力較差，具有最小的彈塑積，因此表現(xiàn)為較差的抗磨損性能；與傳統(tǒng)鋼軌車輪進行對比可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)車輪的總磨損率為31.9%，S1、S2、S3、S4四組的磨損率分別為28.5%、17%、12.7%和60%，可見當硅含量為2.2%，銅和鎳的含量為0.6%時有較佳抗磨損性能，較傳統(tǒng)鋼軌車輪的抗磨損能力提升約60.2%。

圖5 球墨鑄鐵車輪與傳統(tǒng)鋼軌車輪的磨損率對比

3 討論

傳統(tǒng)車輪鋼的抗拉強度和屈服強度要求為980 MPa和600 MPa，球墨鑄鐵車輪相較于傳統(tǒng)鋼軌車輪而言，其抗拉強度和屈服強度均有所降低，但是其屈服強度仍高于城際軌道交通車輪規(guī)定的等效應力值(271.65 MPa)，因此，從強度上來講，球墨鑄鐵材料車輪滿足相關要求；當球墨鑄鐵材料中含少量銅、鎳元素時，車輪具有更優(yōu)異的抗磨損特性，且由于石墨的存在，其摩擦系數(shù)也較傳統(tǒng)鋼軌車輪顯著降低，這對于提高車輪使用壽命、減少車輪維護費用具有重要意義[14-15]。

通常，城際軌道車輪材料主要優(yōu)先考慮抗磨損性能和斷裂韌性，從上述力學試驗和磨損試驗結果可以得到：S3試驗組含有較高的珠光體組織(85.5%)、較高的抗拉強度(676 MPa)以及較好的延伸率(8.6%)，同時具有更好的抗磨損特性(較傳統(tǒng)車輪提升60%)，因此，該配比下的球墨鑄鐵材料可以作為城際軌道車輪的潛在利用材料。

4 結論

1)硅、銅、鎳元素含量的改變對球化率的影響較小，對珠光體和鐵素體含量的影響較大。

2)珠光體含量越高，球墨鑄鐵車輪的強度和硬度越高，但塑性變形能力降低，脆性破壞特征越明顯。

3)車輪為摩擦系數(shù)與珠光體含量呈正比，珠光體含量越高，車輪的摩擦系數(shù)越不穩(wěn)定，其穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)越大，不利于車輪的抗磨損性能。

4)當硅含量為2.2%，銅和鎳的含量為0.6%時具有較佳的抗磨損性能，與傳統(tǒng)鋼軌車輪相比，能提升抗磨損能力約60%。