不同介質下ER8車輪鋼滑動摩擦磨損性能*

楊文斌 夏金龍 肖 乾 陳道云

(華東交通大學機電與車輛工程學院 江西南昌 330013)

高速列車車輪作為列車提速的關鍵零部件，長年行駛在戶外，經受各種環(huán)境的考驗，其中不乏一些嚴苛環(huán)境，如潮濕海洋性氣候、雨雪和風沙等，這就容易使車輪表面產生腐蝕和損傷[1]。輪軌間摩擦因數不僅直接影響車輛的牽引和制動性能，而且與輪軌的磨損和表面損傷密切相關。摩擦因數受多種因素的影響，如材料本身特性、滑動速度、溫度和表面介質等[2]。20世紀80年代，前蘇聯(lián)著名摩擦學專家克拉蓋爾斯基[3]就通過大量的試驗發(fā)現，滑動速度會使表面產生溫升、變形、化學變化和磨損，因而明顯地影響摩擦因數。近年來，許多專家學者在不同載荷、不同滑動速度、不同溫度及不同介質等條件下對輪軌間摩擦因數進行了研究與討論，然而對車輪在服役過程中處于不同環(huán)境下摩擦因數的變化機制的認識仍有待加深。肖乾等人[4]借助UMT-3MT摩擦試驗機對輪軌材料進行滑動摩擦試驗，發(fā)現輪軌材料在摩擦過程中會生成多種氧化物膜層，且這種含水的氧化膜層在摩擦實驗中會起到降低摩擦因數的作用。張軍等人[5]利用液壓缸對輪軌材料施加垂向與縱向牽引力，發(fā)現輪軌間同時存在油、石英砂時的最大靜摩擦因數，與單獨存在油介質的情況相比有所增大，但依舊小于干燥清潔情況下的最大靜摩擦因數。符蓉等人[6]利用定速摩擦實驗機，研究了干、濕條件下速度、壓力與材料摩擦磨損性能的關系，得出低速時材料摩擦因數隨著摩擦壓力增加而增加的結論。RAO等[7]利用ABAQUS仿真軟件對輪軌的熱彈塑性進行了試驗分析，發(fā)現環(huán)境溫度的升高對輪軌表面溫度幾乎沒有影響。劉輝龍等[8]通過試驗發(fā)現，輪軌間的摩擦區(qū)域溫度越高最大靜摩擦因數越小。CHEN等[9]利用MRH-5A環(huán)/塊摩擦試驗機對AB1貝氏體鋼進行摩擦磨損試驗，發(fā)現在滑動磨損下貝氏體鋼的主要形貌特征為犁削磨損、黏著磨損和片狀剝落。

為探討車輪在服役過程中處于不同環(huán)境下摩擦因數的變化機制，本文作者系統(tǒng)地對比研究了ER8車輪鋼在干燥、純水和鹽水3種不同環(huán)境下的摩擦磨損行為，以期對列車車輪的維護及車輪材料的改進提供理論指導。

1 實驗部分

試驗采用ER8車輪鋼，其化學成分如表1所示。采用線切割的方式從列車ER8車輪鋼踏面以下5 mm處切取尺寸為30 mm×20 mm×5 mm的樣塊若干，分別使用120、320、600、1 500、2 000、5 000目的金相砂紙對樣塊逐級打磨拋光，在無水乙醇中超聲波清洗并烘干后，作為摩擦試驗基體材料。摩擦對偶為直徑6 mm的Si3N4陶瓷球。

表1 ER8車輪鋼的化學成分Table 1 Chemical composition of ER8 wheel steels

采用圖1所示的MFT-EC4000往復電化學腐蝕摩擦磨損試驗儀，分別考察ER8車輪材料在干燥、純水、鹽水條件下的摩擦磨損行為。干燥摩擦時摩擦副間不加任何介質，純水摩擦與3.5%鹽水摩擦時液體的流速為4.5 mL/min，頻率設置為2 Hz，滑動時間為60 min，載荷分別取2、4 和8 N。試驗后借助光學顯微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM)對試樣磨痕及對偶磨斑進行觀察，利用X射線、能譜儀(EDS)對磨痕及元素分布進行分析。

圖1 MFT-EC4000往復摩擦磨損試驗儀Fig.1 TMFT-EC4000 reciprocating friction and wear tester

2 結果與討論

2.1 介質對摩擦因數的影響

圖2和圖3分別為不同環(huán)境下不同載荷時車輪鋼試樣的摩擦因數曲線和平均摩擦因數。可見，隨著載荷的增大，3種摩擦環(huán)境下車輪的摩擦因數均不斷升高。載荷增加，樣品與陶瓷球之間的微凸體實際接觸面的接觸應力也會隨之增大，樣品表面的剝落程度和破損程度增加，從而使得摩擦因數升高，表現出摩擦因數隨載荷的增加而增大的現象。同時還可看出，在不同載荷下，干摩擦下的摩擦因數最大，純水摩擦環(huán)境下的摩擦因數次之，鹽水環(huán)境下的摩擦因數最小。這是因為在空氣介質中，法向載荷增大導致車輪鋼樣品與摩擦副之間的微凸體實際接觸面的接觸應力也會隨之增加，摩擦阻力增大，產生的摩擦熱把磨損表面的水分汽化后容易導致摩擦因數的升高；雖然磨損表面氧化物具有一定的潤滑性，但在摩擦速度較低的情況下，氧化物生成的速率較慢，且在載荷的不間斷作用下容易剝落，所以不足以抵消摩擦因數升高的趨勢。純水摩擦時，滑動速度低，有利于摩擦表面水的存留與滲透，水分的流動一方面沖刷表面微凸體，使摩擦表面相對光滑，另一方面形成流體水膜，起到隔離和潤滑作用，減小摩擦阻力[10]，從而降低摩擦因數。與純水摩擦相比，鹽水環(huán)境中的氯離子和車輪鋼樣品發(fā)生了復雜的物理化學反應，其中形成的氯化鐵具有一定的潤滑效果，進一步降低了摩擦因數[11]。

圖2 不同介質作用下不同載荷時車輪鋼試樣的摩擦因數曲線Fig.2 Friction coefficient curves of ER8 wheel steel at different loads under different conditions：(a)2 N；(b)4 N；(c)8 N

圖3 不同環(huán)境與不同載荷條件下車輪鋼試樣的平均摩擦因數Fig.3 Average friction coefficients of ER8 wheel steel at different loads under different conditions

從圖3可看出，在相同載荷下環(huán)境對摩擦因數的影響較大。其中干摩擦下的摩擦因數較大，特別是在載荷為8 N時，干摩擦因數最大可達0.503。在純水摩擦和鹽水摩擦環(huán)境下，在載荷較低時兩者的摩擦因數相差并不大，隨著載荷的增大，差距逐漸明顯。

2.2 磨痕形貌對比分析

圖4(a)、(b)、(c)所示為光學顯微鏡下觀察得到的干摩擦條件下試樣的磨損表面形貌?？梢娫嚇幽ッ鎱^(qū)域被犁溝完全覆蓋，這些犁溝是由于Si3N4陶瓷球上的微小凸體的微觀切削和不同程度的耕犁而形成的；同時隨著載荷的增大磨痕寬度增大，且隨載荷的增大磨面上產生與附著的磨屑變多。圖4(d)、(e)、(f)所示為純水摩擦條件下試樣的磨損表面形貌。與干摩擦相比，純水環(huán)境下試樣的磨痕略微變寬，且犁溝尺寸變大，磨面也相對光滑。這是因為產生的磨屑顆粒隨著水的流動在磨面進行往復摩擦磨損，對樣品具有一定擠壓作用；同時磨屑顆粒逐漸向磨痕邊緣靠近堆積，而磨屑顆粒對磨面具有一定的犁削作用，從而使得磨痕擴張。

圖4 不同環(huán)境與不同載荷條件下試樣的磨痕光學照片Fig.4 The optical photographs of wear tracks of the samples at different loads under different conditions：(a)dry friction， 2 N；(b)dry friction，4 N；(c)dry friction，8 N；(d)pure water lubrication，2 N；(e)pure water lubrication，4 N；(f)pure water lubrication，8 N；(g)3.5%NaCl solution lubrication，2 N； (h)3.5%NaCl solution lubrication，4 N；(i)3.5%NaCl solution lubrication，8 N

如圖4(g)、(h)、(i)所示，與前2種摩擦環(huán)境相比，鹽水環(huán)境下摩擦產生了更多的黑色氧化物和磨屑，并且顯現出更大的磨痕寬度。

圖5(a)、(b)、(c)所示為干摩擦條件下樣品磨痕的SEM照片。可見試樣表面出現了一定數量的剝落坑和片狀剝落物，并且有黑色氧化物分布在樣品磨面。其中黑色區(qū)域是在摩擦過程中產生局部高溫氧化所致[12]。原因是干摩擦條件下，接觸摩擦產生的大量摩擦熱破壞了樣品表面的保護膜，且生成一定數量的氧化物與磨屑；而在載荷的不斷作用下，氧化物與磨屑易剝落，裸露的表面又重新生成新的氧化物，周而復始。摩擦產生的熱量越多，片狀剝落和撕裂越明顯，生成的氧化物越多。另外，在載荷為2 N時試樣表面僅出現較淺的犁溝，而隨著載荷的增大，犁溝逐漸明顯，同時破壞也更明顯。原因是施加的載荷越大，陶瓷球與樣品磨面之間接觸越緊密，導致兩者之間的亞表面產生了一定的塑性變形，發(fā)生了一定程度的黏著現象。因此干摩擦條件下試樣磨損機制為典型的黏著磨損、磨粒磨損和氧化磨損。

圖5 不同環(huán)境與不同載荷條件下試樣的磨痕SEM照片Fig.5 SEM images of wear marks of the samples at different loads under different conditions：(a)dry friction， 2 N；(b)dry friction，4 N；(c)dry friction，8 N；(d)pure water lubrication，2 N；(e)pure water lubrication，4 N；(f)pure water lubrication，8 N；(g)3.5%NaCl solution lubrication，2 N； (h)3.5%NaCl solution lubrication，4 N；(i)3.5%NaCl solution lubrication，8 N

圖5(d)、(e)、(f)所示為純水環(huán)境下樣品磨痕的SEM照片。對于純水摩擦，載荷的改變對摩擦表面形貌影響并不明顯，試樣表面僅出現小顆粒狀磨屑和黑色氧化層，并沒有大程度的損傷行為。主要是因為在純水環(huán)境下，車輪鋼試樣伴隨著不間斷的往復運動，其脫落的磨屑顆粒容易被水沖刷帶走，而較大的磨屑顆粒則被保留在摩擦表面，起到拋光劑的作用[13-14]，同時可能會對摩擦副表面起到一定的支撐效果，降低球體對樣品的剪切應力[15]，從而降低了摩擦副表面的磨損載荷。此外，在純水環(huán)境下大幅度降低了往復摩擦所產生的摩擦熱，降低了磨面的溫升和熱軟化。上述綜合原因導致純水摩擦形貌損傷程度較為輕微。

圖5(g)、(h)、(i)所示為NaCl 溶液環(huán)境下樣品磨痕的SEM照片。在NaCl 溶液中樣品表面的小磨屑在反復摩擦和氧化的作用下，逐漸堆積成為大顆粒的磨屑，這些顆粒不僅在鹽水環(huán)境下起著隔離的作用，抑制黏著磨損，還能有效降低摩擦因數。另外，試樣表面出現微小的裂紋，可能是摩擦磨損過程中硬質磨屑對合金表面的破環(huán)所致。同時摩擦過程中摩擦副的往復運動促進了陰極反應過程，NaCl 溶液中的Cl-會沿著微裂紋向涂層深度方向滲透，促進點蝕的形成，加速腐蝕的進行[16]，使得試樣表面容易出現局部腐蝕現象；且鹽水環(huán)境中樣品腐蝕程度與速率加快，這說明磨損與腐蝕有相互促進作用。而溶液中其他離子能促進膠體在摩擦表面凝聚成硅膠提供邊界潤滑，使其獲得較低的摩擦因數。這與LIU等[17]的研究結果一致。采用掃描電鏡(SEM)自帶的能譜儀(EDS)對載荷為4 N時車輪鋼試樣的磨痕表面元素成分進行分析，結果如表2所示?？梢钥闯?，在不同介質下，試驗后的車輪試樣磨損表面元素分布有明顯區(qū)別。干摩擦和純水摩擦時磨損表面的氧元素含量較少且相差不大，說明氧化程度較低。3.5%NaCl溶液中摩擦磨損試驗生成的氧含量最多，這主要是因為在NaCl溶液中，鐵和少量碳容易與水膜中的H+構成原電池，而Cl-的存在增強了電解質溶液的導電能力，導致車輪鋼試樣的氧化程度加重。由上述分析可知，列車服役時的環(huán)境因素對車輪摩擦磨損性能有較大影響。

3 摩擦機制分析

在相同法向載荷條件下，結合圖4和圖5所示的磨損形貌，可觀察到干摩擦下磨損表面出現大量的剝落坑與片狀剝落，并觀察到細小的犁溝。這是由于試樣表面與對摩副表面之間的微凸體在法向載荷的作用下擠壓形成黏結點，并在剪切應力的作用下進入往復“黏著-剪切”階段，此時磨損機制為黏著磨損。伴隨著相對滑動作用的不斷進行，黏結點容易剪切成磨屑，且磨屑在摩擦熱和往復擠壓作用下堆積變大，從而以片狀的形式從試樣表面剝落，形成剝落坑。與此同時，滑動摩擦磨損過程中，存在于摩擦副之間的硬質相在剪切應力作用下擠壓切削形成犁溝，此時表現出的磨損機制為磨粒磨損，EDS檢測到某些區(qū)域氧含量較高(見表2)，表明存在氧化磨損，所以干摩擦的磨損機制為黏著磨損、磨粒磨損和氧化磨損。

而純水摩擦和鹽水摩擦過程中受到液體的沖刷，很大程度上降低了往復摩擦所引起的高溫。同時，液體的存在使得純水摩擦和鹽水摩擦具備一定的水膜潤滑作用，大幅度抑制了黏著磨損的發(fā)生，故純水摩擦和鹽水摩擦的黏著磨損程度基本可以忽略不計。純水摩擦和鹽水摩擦試樣表面均出現明顯的犁溝和氧化物，表明在2種介質下車輪鋼試樣均發(fā)生了磨粒磨損和氧化磨損，鹽水摩擦試樣磨損表面氧含量最高，并伴隨著腐蝕坑的生成，純水摩擦和鹽水摩擦的磨損機制均為磨粒磨損和氧化磨損。

4 結論

(1)ER8車輪鋼試樣在不同環(huán)境下的摩擦因數隨著載荷的增加而遞增，其中干燥環(huán)境下摩擦因數最大，純水環(huán)境下次之，3.5%氯化鈉溶液環(huán)境下摩擦因數最小。

(2)在干燥環(huán)境下ER8車輪鋼試樣的磨痕寬度最小，說明其磨損率最低；在純水環(huán)境下磨痕較寬，磨損率大于干摩擦下；在3.5%氯化鈉溶液環(huán)境中，磨痕寬度最大，犁溝更為密集，說明磨損率最大。

(3)干燥空氣條件下，車輪鋼試樣在摩擦過程中生成了一定數量的氧化物，摩擦機制為黏著磨損、磨粒磨損和氧化磨損。純水環(huán)境下，車輪鋼表面產生了較多氧化物，摩擦機制為磨粒磨損、氧化磨損。3.5%氯化鈉溶液環(huán)境下，車輪鋼表面腐蝕較為嚴重，為典型的腐蝕磨損和磨粒磨損混合作用機制。