ER8C高速车轮钢摩擦磨损性能研究

2020-08-04张明如

安徽冶金科技职业学院学报 2020年2期

赵海，丁毅，张明如

（1.马鞍山钢铁股份有限公司；2.轨道交通关键零部件制造技术国家地方联合工程中心安徽马鞍山 243000）

近些年，随着高速列车的运行速度增加，轮轨材料的磨损问题也越加严重，例如钢轨波磨和车轮多边化［1］、［2］，车轮偏磨，车轮踏面擦伤［3］。轮轨材料的磨损失效是一个复杂的过程，很多因素都会影响轮轨材料的磨损性能。轮轨之间存在的滑差会明显增加轮轨接触面的剪切应力从而使表层组织发生严重的塑性变形并改变表层的磨损机制。随着滑差率的增加，表层塑性变形层的厚度会逐渐增加［4］-［6］，干摩擦条件下随着滑差率的增加，轮轨材料之间磨损形式逐渐由氧化磨损方式转变为疲劳磨损方式，疲劳磨损过程中表面形成浅层的疲劳裂纹。而车速的增加却使表层的硬度和塑性变形层厚度逐渐降低，车轮材料的磨损量是逐渐增加的，而钢轨材料的磨损量是逐渐减少的［7］。

现利用GPM-30摩擦磨损试验机模拟轮轨的运行，研究了不同磨损周次下ER8C高速车轮材料表层微观组织的变化和疲劳磨损裂纹的形成与发展，探讨ER8C高速车轮材料的滚动摩擦磨损性能。

1 试验材料与方法

试验选用材料分别为主试样为ER8C车轮钢，陪试样为U71Mn钢轨钢。车轮钢和钢轨钢的化学成分如表1所示。ER8C车轮钢原始显微组织的照片如图1所示。由图可知，ER8C车轮钢的原始组织为网状的先共析铁素体+珠光体。ER8C车轮钢的原始硬度为290 HV。

表1 车轮试样化学成分

图1 ER8C车轮试样原始组织金相照片500×

使用GPM-30滚动摩擦磨损试验机研究滚动条件对ER8C车轮钢进行摩擦磨损试验。试验运行条件分别为纯滚动接触。试验的接触应力1140 MPa，模拟17 t轴重，试验的转速为1440 r/min，模拟250 km/h。试验磨损周次分别为：10万，40万和70万，全部试验均在干摩擦条件下进行，试样在运行过程中用风扇冷却，试样表面整体温度不超过80℃。试验后，车轮试样的表面宏观形貌用Universal Serial Bus microscope进行观察。不同运行转数试样的微观组织分别Lecia DM8i莱卡金相显微镜和Zeiss Supra 55场发射扫描电镜进行观察。使用FM-700显微硬度计对试样表层硬度进行测量。利用iXRD型X射线残余应力测试仪进行表面残余应力测试。

2 试验结果与讨论

2.1 表面磨损形貌

图2是ER8C车轮钢试样不同磨损周次的表面宏观磨损形貌。从图中可以看出，在10万周次，车轮试样表面相对比较平滑（图2a）。在运行到40万周次时，车轮试样表面产生多边形磨损（图2b），在运行到70万周次，车轮试样的表面多边形磨损程度加剧（图2c）。

图2 试样不同磨损周次下表面宏观形貌

图3 为不同磨损周次下试样表面微观磨损形貌。在10万磨损周次下，ER8C车轮钢试样表面主要是黏着磨损，如图3a所示。在运行到40万周次。试样表面形成波磨，从图中可以看出，波峰为黏着磨损（图3b），而波谷为疲劳磨损，疲劳磨损裂纹在表面萌生，疲劳裂纹深度大约为10μm，如图3c和图3d所示，这与Pan等的研究结果相似［2］。疲劳裂纹主要是沿珠光体和先共析铁素体界面扩展或者在先共析铁素体内部扩展［6］。

图3 试样不同磨损周次表面微观磨损形貌

2.2 磨损量与表层硬度

图4 是ER8C车轮钢试样不同磨损周次的磨损量变化曲线。从图中可以看出，随着磨损周次的增加，ER8C车轮钢试样的磨损量逐渐增加。在40万周次后，车轮试样的磨损速率明显的增加。主要是因为在40万磨损周次后，试样表面形成多边形磨损。

图4 不同磨损周次下ER8C车钢磨损量变化曲线

ER8C车轮钢试样经过不同周次磨损后表层硬度变化曲线，如图5所示。从图中可以看出，随着磨损周次的增加，ER8C车轮钢试样的表层的硬度逐渐增加。在10万磨损周次，ER8C车轮钢试样表面硬度为498 HV；在40万磨损周次，ER8C车轮钢试样表面硬度分别为529 HV；在70万磨损周次，ER8C车轮钢试样表面硬度分别为583 HV。

图5 不同磨损周次下车轮试样表层硬度分布

2.3 表层微观组织

图6 为ER8C车轮钢经过不同周次磨损后截面金相显微组织图像。从图中可以看出，经过磨损后ER8C车轮钢表面形成一定厚度塑性变形层。经过10万周次磨损后，ER8C车轮钢的塑性变形层厚度大约为18μm。随着磨损周次的增加，塑性变形层的厚度也是逐渐增加的。在磨损到40万周次，ER8C车轮钢的变形层厚度增加到大约32μm。在磨损到70万周次，ER8C车轮钢的变形层厚度进一步增加到大约45μm。

采用扫描电子显微镜（SEM）对ER8C车轮钢在磨损70万周次试样从表面到心部微观组织进行系统分析，如图7所示。从图中可以看出，在40 um-70 um处，珠光体没有发生明显变形，先共析铁素体内晶粒仍然为等轴状。而在20 um-30 um区域，先共析铁素体内晶粒进一步发生细化，但是珠光体内渗碳体仍然为片层状。在0 um-10 um区域，先共析铁素体内片层状晶粒进一步细化，而且是珠光体内渗碳体部分碎化成颗粒状。

图6 车轮试样金相显微组织

图7 在磨损70万周次的车轮试样距表面不同距离SEM图像

为了进一步弄清楚车轮试样磨损后的铁素体晶粒变化，对车轮试样磨损70万周次后距表面不同距离的铁素体晶粒进行EBSD分析，结果如图8所示。由于在距离表面0 um-10μm的区域，试样表面的应力比较大，从而导致EBSD的解析分辨率比较低。因此对不同转数的试样在距离表面10μm之后的区域进行EBSD解析。

从图8中可以看出，试样经过70万周次磨损后，在10μm区域大角度晶界增加到60%，铁素体晶粒细化到大约200 nm。铁素体属于体心立方结构，具有较高的层错能，在变形过程中形成的位错难于扩展，并且由于同方向的滑移系较多，极易发生交滑移，呈现胞状结构和缠结的位错组态在初始的铁素体晶粒内。随着磨损周次增加，胞状的位错结构或者位错缠结逐渐转变成小角度晶界（θ＜10°），最后，随着变形的逐渐严重，铁素体晶粒内的小角度晶界逐渐转变成大角度晶界（θ＞10°），从而使铁素体晶粒细化。

图8 在磨损70万周次的距离表面10 um处两种车轮试样EBSD图像（红线小角度晶界，蓝线大角度晶界）

2.4 表面残余应力

车轮试样磨损过程中表面的残余应力会发生变化，原始未经过磨损的试样表面是存在残余拉应力，轴向拉应力值约为155 MPa，经过不同转数磨损后，表面的残余应力测量结果如表2所示。从表中可以看出，经过不同转数磨损后，ER8C车轮钢试样表面形成残余压应力。随着磨损周次的增加，表面残余压应力是逐渐增加的。不同磨损转数下试样表面的轴向残余压应力是大于试样表面周向残余压应力的。在磨损40万周次车轮试样表面形成波磨，对车轮试样波峰和波谷表面进行残余应力测量，结果如表3所示。从表中可以看出，周向和轴向的波谷残余应力都是大于波峰的残余应力。因为波谷的变形相对于波峰更严重，从而使表面产生更大的残余压应力。