固化工藝對樹脂基高速打磨磨石性能影響

張 勝，劉長寶，樊小強，朱旻昊，

(1.西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031；2.西南交通大學 先進材料教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

我國是世界上鐵路運營里程最長的國家,預計到2030年我國鐵路總里程將突破20萬 km,基本實現(xiàn)國內(nèi)外鐵路互聯(lián)互通、省區(qū)間多條線路暢通、省會地市間高鐵連通、縣級地區(qū)基本覆蓋的鐵路網(wǎng)絡[1]。鋼軌在長期輪軌接觸應力下表面和內(nèi)部會產(chǎn)生各類損傷,如壓潰、波磨、肥邊、側磨、剝離掉塊、斜裂紋損傷、魚鱗狀裂紋損傷等[2]。通過鋼軌維護手段對鋼軌表面損傷進行處理,對于保證鐵路系統(tǒng)運載能力、旅客乘坐舒適程度、列車運行安全、軌道使用壽命等均有重要意義。

目前鋼軌維護主要通過鋼軌打磨作業(yè)實現(xiàn)。與換軌維護的方式相比,鋼軌打磨具有投資小、周期短、速度快等優(yōu)點,因而隨著高速鐵路的興起,快速打磨方式也逐漸成為焦點。按照打磨方式的不同,鋼軌打磨可以分為主動打磨、被動打磨、砂帶打磨和銑磨等[3]。其中被動打磨方式能達到60～80 km/h的打磨速度,是目前處理高速鐵路表面損傷最有效的手段[4]。打磨效率是打磨作業(yè)中最關注的問題,通過調(diào)整打磨參數(shù),如打磨速度、壓力等,來改善打磨作業(yè)效率[5-9]。除此之外,鋼軌打磨磨石作為打磨作業(yè)的主要工具,其質(zhì)量直接決定了打磨效果的優(yōu)劣,因而針對鋼軌打磨磨石的研究近年來逐漸展開。鋼軌打磨磨石由4部分構成:磨料、填料、結合劑、氣孔。文獻[10-12]通過調(diào)控磨粒種類與粒度搭配實現(xiàn)了磨石強度和去除能力的優(yōu)化。Liu等[13]使用玄武巖纖維作為增強材料實現(xiàn)了鋼軌打磨磨石的力學性能提升以及打磨質(zhì)量控制。Yuan等[14]利用氣孔結構減輕了打磨過程中的熱效應,為白層組織的控制提供了指導。而結合劑作為磨石的骨架承擔著將磨石各部分結合成整體的重要作用,相關研究還鮮有報道。

鋼軌打磨磨石的制備需要經(jīng)過混料、成型、燒結等步驟,燒結過程中樹脂的固化反應是磨石生產(chǎn)工藝中發(fā)生的主要反應。樹脂的固化過程本質(zhì)是由外部熱源和內(nèi)部熱源共同提供熱量,在熱傳導能力較差的各向異性材料中進行反應,包含了多個相互耦合的過程,如熱傳導、樹脂分子量升高、交聯(lián)反應、樹脂流動等[15]。樹脂的固化反應由多個分子連接,形成分子鏈。隨著固化反應進行,聚合物分子鏈不斷延長,分子量增加速率逐漸上升,隨后多個分子鏈之間發(fā)生交聯(lián),成為具有較大分子量的二維或三維網(wǎng)絡[16]。酚醛樹脂是一種普遍在鋼軌打磨磨石制備中使用的結合劑。固化后的酚醛樹脂具有良好的耐熱性、抗拉強度、耐腐蝕性等使用性能[17-19]。但亞甲基和酚羥基受熱時容易氧化,限制了酚醛樹脂的耐熱性。因此可以通過改性途徑,保護以上基團,進一步提升樹脂耐熱性能[20-21]。

本文通過設置梯度變化的固化溫度以及固化時間,制備不同固化工藝下的高速鋼軌打磨縮比磨石,從力學性能、加工性能以及加工后表面質(zhì)量3個角度對磨石的性能進行評價,對固化溫度與固化時間參數(shù)對于磨石綜合性能的影響進行了總結。為高速鋼軌打磨磨石的自主化研制提供了新的技術參考。

1 縮比磨石的制備

參考縮比磨石樹脂固化工藝[8],制備直徑40 mm,高21 mm的縮比磨石,單質(zhì)量約70 g。磨石配方各部分組成分別為磨料、填料、樹脂,其質(zhì)量百分數(shù)分別為80%、6%、14%。其中,磨料由圣戈班集團提供,所使用的樹脂由南通住友電木有限公司提供,填料由阿拉丁提供。本文中所使用的縮比磨石使用冷壓成型再燒結的方法制備。冷壓成型壓力為10 MPa,保壓時間10 min。燒結過程中磨石的固化曲線見圖1。各階段的含義見表1。表1中,Ta為去除水分溫度;Tb為熔融分散溫度;Tc為開始固化溫度;Td為完全固化溫度。升溫曲線共存在4個平臺,各平臺階段作用分別為去除水分、熔融分散、開始固化、完全固化,其中升溫過程緩慢進行,保證磨石中各部分溫度均勻升高,避免樹脂在磨石各部分固化程度不一致。為研究固化溫度以及最佳固化溫度下的固化時間對于高速鋼軌打磨磨石的影響,本實驗設置170、180、190 ℃的最終固化溫度Td,并且在打磨表現(xiàn)最優(yōu)的180 ℃的固化溫度下驗證固化時間對打磨效果的影響,設置固化時間梯度為2、3、5 h。各組別磨石編號見表2。

表1 磨石固化工藝各階段時間、溫度及其作用

表2 磨石固化組別

圖1 磨石固化溫度曲線

2 磨石性能評價

2.1 強度測試

鋼軌打磨磨石在使用過程中承載著巨大的機械力作用,強度不足時失效過程會迅速發(fā)生,引起破碎、崩邊等損傷,嚴重時甚至引起斷裂。提高磨石的強度能有效減輕磨石的失效速率,加大磨石的服役壽命,保障列車運行的安全性與穩(wěn)定性。本文使用WDW-200萬能試驗機測試磨石力學性能,加載速率為1 mm/min。

2.2 打磨測試

鋼軌打磨作業(yè)要求要去除鋼軌表面損傷層,恢復鋼軌廓形,并且與目標廓形的誤差不能超過0.02 mm[3]。使用自主設計鋼軌打磨測試平臺[13]對不同固化工藝下生產(chǎn)的鋼軌打磨磨石進行了打磨性能評估,裝置示意見圖2。鋼軌打磨過程通過旋轉的軌盤和磨石樣品接觸模擬。軌盤動力由西門子變頻電機提供,實驗轉速為900 r/min,使用氣缸加壓使得鋼軌打磨磨石樣品與鋼軌軌盤充分接觸,加載壓力為700 N。其中實驗中磨石打磨對象為U71 Mn鋼軌鋼鋼坯,購自攀鋼集團有限公司,其元素組成見表3。其力學性能:抗拉強度≥900 MPa、伸長率≥10%、斷面收縮率≥14%、硬度(HV0.05)為290。摩擦系數(shù)是評價材料摩擦磨損性能的重要參數(shù),直接反映了對磨副接觸關系,同時也能夠清晰反映摩擦熱效應的強弱。本文通過試驗臺上的傳感器采集打磨切削力與縱向壓力,使用Labview軟件處理傳感器Ⅰ、Ⅱ的數(shù)據(jù),計算得出打磨過程摩擦系數(shù),并使用型號為T620的紅外相機,對打磨過程中的溫度變化進行監(jiān)測。打磨結束后比較打磨前后鋼軌樣品質(zhì)量損失,并收集打磨后的鋼軌樣品。

表3 U71Mn的合金元素質(zhì)量分數(shù) %

1.西門子變頻電機;2.三爪卡盤;3.鋼盤;4.磨石;5.磨石夾具;6.力學傳感器(Ⅰ);7.滑塊;8.力學傳感器(Ⅱ);9.彈簧;10.氣缸;11.空壓機;12.鋼軌樣品固定銷;13.鋼軌樣品。圖2 鋼軌打磨設備示意[13]

2.3 磨石質(zhì)量與鋼軌表面質(zhì)量測試

對磨石進行切割處理,使用DSX100體式顯微鏡對所制備的磨石表面及切面進行觀察,探究固化工藝對于鋼軌表面及內(nèi)部組織的影響。在打磨完成之后對打磨后表面進行再次觀察,研究打磨過程對于磨石表面組織的影響。使用JSM IT500掃描電子顯微鏡與Contour GT-K白光干涉儀觀察打磨后鋼軌樣品表面形貌變化,使用μ-X360S便攜式殘余應力測試儀測試鋼軌表面殘余應力,最后對鋼軌樣品進行切割制備截面金相樣品,研究打磨過程對于鋼軌樣品表面組織的影響?？偨Y測試數(shù)據(jù),評價打磨后鋼軌表面質(zhì)量。所有測試過程均在25 ℃以及50%～60%濕度下進行。

3 結果與討論

3.1 磨石力學性能測試

力學性能測試結果見圖3。由圖3(a)可知,在相同固化時間下,可以觀察到隨著固化溫度的增長,磨石的強度有所提高。這說明隨著固化溫度的升高,磨石的固化程度升高,磨粒與結合劑交聯(lián)更加緊密,從而提高磨石整體抗載荷能力。同時,磨石表面和切面形貌觀察結果見圖4。由圖4可知,隨著固化溫度的升高,磨石表面變得細膩有光澤,顏色加深,說明升高溫度有利于樹脂固化;內(nèi)部樹脂由于和氧氣接觸不充分,固化后顏色變化不明顯,樹脂普遍呈現(xiàn)出晶瑩的黃色。所有磨石內(nèi)部均能觀察到氣孔和間隙分布,有利于磨石進行排屑與散熱,隨著溫度的升高其分布沒有明顯差異。磨粒表面均呈現(xiàn)出黃色特征,說明表面保持著酚醛樹脂的粘附關系,這是樹脂發(fā)揮機械性能的基礎。

圖3 不同固化溫度、時間下磨石應力、應變曲線

圖4 不同固化溫度下磨石表面形貌、切面形貌

在相同固化溫度下,隨著固化時間的延長,磨石的力學性能依然存在增強趨勢,結果見圖3(b)。同樣地,隨著固化時間的延長,酚醛樹脂受熱時間更長,交聯(lián)更加充分,磨石表面呈現(xiàn)出更加晶瑩的外形,磨石內(nèi)部組織依然存在氣孔與縫隙,且升高溫度并不改變氣孔和縫隙的分布情況,結果見圖5。由圖5可知,隨著固化時間或固化溫度增加,磨石的力學性能有提升的趨勢,其中固化溫度的提高對于力學性能的影響更為顯著。

圖5 不同固化時間下磨石表面形貌、切面形貌

由于樹脂與磨粒之間主要通過范德華力或機械結合作用連接,隨著固化時間的延長以及固化溫度的升高,樹脂的交聯(lián)程度增大,樹脂與磨粒的結合更加緊密,改善了結合劑對磨料的把持作用,從而提高磨石的力學性能。

3.2 磨石打磨性能分析

打磨過程中的摩擦系數(shù)變化見圖6。由圖6可知,170 ℃固化溫度下磨石在打磨過程中摩擦系數(shù)起伏較大,處于較高水平,固化溫度升高后磨石打磨系數(shù)有所下降,180、190 ℃固化溫度下磨石打磨摩擦系數(shù)無明顯差異。在180 ℃的固化溫度下使用不同的固化時間對磨石進行固化后,隨著固化時間的延長,磨石打磨過程中的平均摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出隨著固化溫度升高先減小再上升的趨勢,其中3 h固化后磨石的摩擦系數(shù)最低。整體而言,摩擦系數(shù)曲線在打磨過程中基本穩(wěn)定在一個值周圍,在低溫下長時間固化的磨石,其摩擦系數(shù)曲線存在較大波動。

圖6 不同固化溫度、時間下摩擦系數(shù)變化

打磨過程中磨石的溫度變化見圖7。

圖7 不同固化溫度、時間下磨石溫度變化

由圖7可知,打磨初期對磨副之間會經(jīng)歷一個跑合期,而后打磨溫度逐漸穩(wěn)定。固化溫度對磨石跑合期長短影響幾乎沒有。改變固化時間后跑合期長短產(chǎn)生了較大變化。在長時間固化后,磨石的跑合期打磨溫度最高,但跑合期過后溫度能迅速下降。尖銳的磨料擁有較小的接觸面積,從而導致瞬時打磨溫度較高。長時間固化下磨石打磨溫度曲線較為曲折,說明該時間下磨石脆性增大,容易引起磨石的自銳產(chǎn)生新的尖銳磨粒,最終導致溫度的升高。在不同的固化溫度下,180 ℃固化后磨石打磨過程中溫度控制效果較好,整體近似為一條稍微上揚的直線。其他二者溫度較高且數(shù)值幾乎無差別,同時均可近似為直線。隨著固化時間的增長,磨石打磨溫度波動幅度逐漸增大。磨石在2 h短時間固化后具有較好的打磨溫度穩(wěn)定性,固化時間的增長對于打磨溫度的控制不利。

打磨過程中的紅外與火花照片見圖8。由圖8可知,各組數(shù)據(jù)之間紅外照片并沒有明顯差異,對磨副接觸處的溫度始終處于整個接觸體系的最高值,并且最高溫度主要出現(xiàn)在對磨副開始與脫離接觸位置?；鸹ㄕ掌@示,隨著固化溫度的提升,火花量先增大后減小,隨著固化時間的延長,火花量一直減少。隨著打磨時間的延長,磨石與鋼軌接觸位置的火花量明顯減少,14 s之后幾乎無火花產(chǎn)生。

圖8 不同固化溫度、時間下打磨過程紅外與火花照片

對比打磨前后鋼軌樣品質(zhì)量,得出打磨量隨著固化工藝的變化,結果見圖9。

圖9 不同固化溫度、時間下打磨量隨工藝變化

由圖9可知,磨石打磨量與磨石強度變化不一致。隨著固化溫度的升高,打磨量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,在180 ℃的固化溫度下顯示出優(yōu)異的打磨量;隨著固化時間的延長,打磨量呈現(xiàn)出減小趨勢。提高固化溫度和固化時間雖然能夠有效提高磨石的強度,但是過高溫度與過長時間進行固化會降低磨石本身的磨削性能。其數(shù)據(jù)與打磨過程火花量變化存在統(tǒng)一性。

3.3 打磨后鋼軌表面質(zhì)量

使用白光干涉儀以及便攜式殘余應力測試儀對打磨后鋼軌表面質(zhì)量進行了分析,結果見圖10。Ra反應表面輪廓平均起伏情況,Rz反應表面最大起伏情況,二者結合能綜合反應鋼軌表面起伏情況。由圖10可以看出,被尖銳的磨石打磨過后,鋼軌表面存在著諸多溝壑,溝壑的起伏情況決定了鋼軌的表面粗糙度。隨著固化溫度的升高,鋼軌表面粗糙度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。隨著固化時間的延長,鋼軌表面粗糙度呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。其中180 ℃下固化2 h具有最大的表面粗糙度,溝壑起伏最為嚴重。

圖10 不同固化溫度、時間下打磨測試后鋼軌表面三維形貌

鋼軌表面殘余應力在一定程度上影響鋼軌的服役壽命[22]。殘余應力測試結果見圖11。由圖11可知,沿著鋼軌打磨方向的x方向上殘余應力為拉應力,垂直于打磨方向的y方向上殘余應力為壓應力。隨著固化溫度的增長,殘余應力呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢,以180 ℃固化溫度下的磨石進行打磨,鋼軌表面殘余壓應力與拉應力最高。隨著固化時間的不斷延長,殘余拉應力逐漸減小,殘余壓應力先減小后增大。其中3 h固化下鋼軌表面殘余應力狀態(tài)最好,殘余壓應力與拉應力均保持在較低水平。殘余應力隨固化溫度、固化時間的變化與粗糙度變化具有較高的一致性,說明磨粒切削深度是殘余應力產(chǎn)生的一大重要因素。

圖11 打磨后鋼軌表面殘余應力

打磨后磨石表面形貌見圖12。由圖12可知,所有的磨石在經(jīng)過打磨后,表面都產(chǎn)生了一定程度的鋼軌材料附著。暴露在較高的打磨溫度下,鋼軌表面會產(chǎn)生氧化。隨著氧化程度的升高,鋼軌表面顏色發(fā)生從黃色到藍色再到紫色的演變[23]。鋼軌表面粘附金屬的顏色隨著固化溫度的升高先加深后變淺,隨著固化時間的推移有變輕趨勢。這與磨石打磨量變化較為一致,打磨量大的時候生成的磨屑較多,更容易粘附在表面阻礙局部表面散熱,形成高氧化程度的鋼軌粘附。

圖12 不同固化溫度、時間下磨石打磨測試后打磨區(qū)表面光學照片

打磨后鋼軌表面形貌見圖13。由圖13可知,鋼軌表面主要形貌為打磨產(chǎn)生的溝壑,還零散分布著許多碎屑,這些碎屑來源于鋼軌表面與磨石表面,為打磨磨損過程的產(chǎn)物。某些表面區(qū)域還產(chǎn)生了犁溝。從鋼軌表面顯微形貌來看,隨著固化溫度的升高、固化時間的延長,鋼軌表面劃痕更加細膩,表面更加干凈。

圖13 不同固化溫度、時間下磨石打磨測試后鋼軌表面SEM形貌

對打磨后的鋼軌截面進行金相觀察,結果見圖14。由圖14可知,隨著固化溫度的提高,鋼軌表面白層厚度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。隨著固化時間的延長,鋼軌表面白層厚度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在180 ℃固化3 h時達到頂點。部分樣品表面沒有形成連續(xù)可觀測的白層組織。

圖14 不同固化溫度、時間磨石打磨測試后鋼軌表面白層

總結打磨測試的所有參數(shù),得出鋼軌打磨磨石的綜合性能雷達圖,見圖15。由圖15可知,從抗壓強度、打磨溫度、打磨量、粗糙度、殘余應力以及白層厚度等6個角度對磨石性能進行評價。隨著固化溫度的提高,磨石綜合性能中材料去除降低,但是表面質(zhì)量情況得到好轉。隨著固化時間的延長,磨石材料去除性能顯著降低,同時鋼軌表面質(zhì)量得到明顯改善。所以提高固化溫度與延長固化時間都能有效提高打磨后鋼軌表面質(zhì)量,其中固化時間延長所造成的影響更大。但是提高固化溫度與延長固化時間后,材料去除效果明顯降低。

圖15 不同固化溫度、時間下打磨綜合性能

4 結論

1)改良固化工藝,按梯度設置了170、180、190 ℃的固化溫度燒結制備了鋼軌打磨磨石縮比試樣,同時在180 ℃下通過設置2、3、5 h的固化時間,制備了不同固化時間下的鋼軌打磨磨石縮比試樣,對兩類磨石進行了測試,從磨石力學性能、打磨性能以及打磨后鋼軌表面質(zhì)量等3個方面進行了評價,研究了固化溫度與固化時間對于磨石性能的影響。

2)隨著固化溫度的提高以及固化時間的延長,磨石中樹脂的固化程度不斷加深,色澤更加暗淡,表面裸露的結合劑部分更加光滑。提高固化溫度與固化時間能夠有效提高磨石的力學性能,使得磨石在熱力耦合工作環(huán)境下不易發(fā)生斷裂失效。

3)磨石的打磨性能與打磨后鋼軌表面質(zhì)量在改善工藝中存在著競爭關系。當提高固化溫度與延長固化時間后,磨石的綜合打磨性能有所降低,但是打磨后鋼軌表面質(zhì)量得到良好控制。