高速動車組新材質車輪性能研究

叢　韜，韓建民，陳　剛，張關震，張　斌

(1.北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京　100044；2.中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京　100081；3.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 高性能軌道交通新材料及安全控制安徽省重點實驗室，安徽 馬鞍山　243000)

車輪作為鐵路機車車輛的重要走行部件，車輪的強度、硬度、韌性等指標直接影響其服役壽命。近年來，為了提高車輪的綜合性能，研究人員已對貝氏體車輪、高碳車輪展開了研究并獲得了較大的進展[1-2]，但目前國內高速動車組車輪材料技術的發展明顯落后于我國高速鐵路的發展要求，同時，目前國內高速動車組車輪實際運用情況不佳，存在剝離、裂紋等影響運行品質的問題[3-4]，因此，需要開展高速動車組車輪新材質的開發研究工作，以提高車輪的強度和硬度，優化車輪的微觀組織結構。

本文以通過成分設計試制的新材質車輪為研究對象，對新材質車輪的組織和性能與目前使用的ER8車輪進行對比分析，研究新材質車輪強度、硬度、韌性的強化機制。

1　新材質車輪成分設計及試樣制備

高速動車組輪軌間的動態相互作用力隨運行速度的增加呈線性規律遞增[5]，從而加劇車輪踏面的磨損和接觸損傷，使車輪失圓，踏面凹磨、剝離、裂紋的發生幾率增加，提高車輪強度、硬度是使其滿足高速動車組運用要求的必要條件。

以國內主要線路上運行的高速動車組運用條件為基礎，從車輪材質的合金設計方面加以考慮，優化車輪的元素配置，改善車輪的微觀組織和結構，合理控制淬透性，使經過鍛軋、熱處理后的車輪能穩定地得到比現行ER8車輪更高的強度和硬度，且不降低車輪的韌性指標，以提高車輪的抗接觸疲勞性能和耐磨性。

車輪中常用的合金元素包括C，Mn，Si，V等，適當調整這些元素的質量分數，可以在保持現有車輪韌性水平的基礎上，通過各種強化方式提高其強度和硬度。通常鋼的抗拉強度越高，耐磨性和抗接觸疲勞性能就越好。根據ER8車輪生產數據統計結果可知，C的質量分數超過0.58%，會使其韌性指標明顯降低，而低于0.50%，其硬度水平不足，故C不作為主要的合金優化元素，因此在新材質車輪中設定C的質量分數與ER8車輪相當；Mn有促進鐵素體和珠光體組織強化的作用，但會降低鋼的相變點Ac1，降低車輪的抗熱損傷性能，故在新材質車輪中Mn的質量分數按常規設定；Si具有多種優點，有固溶強化作用，可提高車輪的強度和硬度，同時對淬透性影響小，利于控制車輪組織，故在新材質車輪中作為優化的合金元素；添加V，具有沉淀強化、析出強化及晶粒細化作用，一是可改善強度與韌性的配合關系，二是可提高相變點Ac3，有利于提高抗熱損傷性能，故在新材質車輪中作為主選合金元素。

按照以上擬定的車輪成分設計原則，經過冶煉、鍛軋、熱處理和機加工等工藝后，完成新材質車輪試樣的研制。對新材質車輪試樣包括材料力學性能、淬透性、金相組織、微觀組織結構、合金元素析出行為等方面開展研究。

2　試驗方法

新材質車輪試樣及與其進行對比研究的ER8車輪試樣化學成分的測試結果見表1。

表1　新材質車輪與ER8車輪試樣化學成分的測試結果(質量分數)　%

依照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》和GB/T 231.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法》分別進行拉伸性能和布氏硬度測試。在新材質車輪和ER8車輪的輪輞同一位置處各取30件拉伸試樣和30個硬度測試點，取屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率及斷面硬度測試數據的平均值作為檢測結果。

依照GB/T 4161—2007《金屬材料平面應變斷裂韌度KIC試驗方法》，在新材質車輪和ER8車輪的輪輞同一位置處各取斷裂韌性試樣10組，每組6個試樣，取測試數據的平均值作為檢測結果。

依照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，在新材質車輪和ER8車輪的輪輞同一位置處各取沖擊試樣60組，每組3個試樣，進行試驗溫度為+20℃和-20℃的沖擊性能測試，取測試數據的平均值作為檢測結果。

分別在新材質車輪和ER8車輪的原鋼坯上切取φ30 mm的圓棒，加工成末端淬火試樣，將試樣加熱至870 ℃保溫40 min，依照GB/T 225—2006《鋼淬透性的末端淬火試驗方法(Jominy)試驗》的要求在淬火裝置上進行末端淬火試驗，在試驗后的試樣上分別測量距離淬火端面1.5，3，5，7，9，11，13，15 mm處(8個測量點)的洛氏硬度值和在第8個測點后間距為5 mm直到距離淬火端面60 mm處(9個測量點)的洛氏硬度值，據此繪出2種試樣鋼硬度深度的末端淬透性曲線(簡稱末端淬透性曲線)。

金相組織觀察試樣經機械磨拋后采用3%硝酸酒精腐蝕，在LEICADMI4000光學顯微鏡(OM)上觀察并測量先共析鐵素體的體積分數和珠光體團尺寸；采用FEI-Quanta400掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷裂韌性試樣的斷口形貌并測量裂紋尖端韌帶寬度，同時觀測珠光體片層間距，采用透射電子顯微鏡(TEM)觀測新材質車輪中析出物的性質、分布和尺寸。

3　新材質車輪的理化性能

3.1　拉伸強度和斷面硬度測試結果

鋼的疲勞性能和耐磨性分別與其強度和硬度大體成線性增加關系，為了改善車輪的疲勞性能和耐磨性，需要提高車輪的強度和硬度。新材質車輪和ER8車輪的屈服強度、抗拉強度和斷面硬度的測試結果如圖1所示。由圖1可以看出：與ER8車輪相比，新材質車輪的屈服強度、抗拉強度和斷面硬度均有了明顯提高，抗拉強度提高9%、屈服強度提高12%、硬度指標提高15 HBW，強度和硬度指標均得到大幅提高；新材質車輪與ER8車輪的抗拉強度、屈服強度及硬度的極差分別為24和67 MPa，30和38 MPa及7和20 HBW，新材質車輪強度和硬度的波動更小，性能更加穩定，說明該種車輪材料在鍛軋、熱處理工藝上更易于控制。

圖1　新材質車輪和ER8車輪的輪輞強度和硬度測試結果

3.2　韌性測試結果

新材質車輪和ER8車輪的輪輞韌性測試結果如圖2所示。由圖2可以看出：新材質車輪的斷裂韌性KQ較ER8車輪提高10%，兩者在+20℃和-20℃溫度下的沖擊性能以及斷后伸長率測試結果相當，說明新材質車輪的韌性指標較ER8車輪未出現明顯下降。

斷裂韌性試樣的斷口形貌如圖3所示。由圖3可以看出：通過SEM觀測，新材質和ER8車輪的斷裂類型呈現沿晶斷裂和解理斷裂的特征，新材質車輪斷口上測量的裂紋尖端韌帶寬度(平均約47.8 μm)大于ER8車輪(平均約16.6 μm)，這與斷裂韌性的測試結果具有明顯的對應關系。

圖2　新材質車輪和ER8車輪的輪輞韌性測試結果

圖3　不同車輪斷裂韌性試樣的斷口形貌

3.3　淬透性測試結果

新材質車輪鋼和ER8車輪鋼的末端淬透性曲線如圖4所示。由圖4可以看出：新材質車輪鋼和ER8車輪鋼在距離淬火端面9 mm處的硬度值分別為40和36 HRC，說明這2種鋼的淬透性相當；在距淬火端面約9 mm范圍內，隨著與淬火端面距離的增加，鋼的硬度快速減小，與淬火端面處相比，距其9 mm處的硬度下降了約30%；距淬火端面約9 mm范圍外，鋼的硬度下降趨于緩慢，表明距淬火端面9 mm處即為末端淬透性曲線的轉折位置，由此推斷為貝氏體和馬氏體相變的臨界位置，其金相組織主要是先共析鐵素體和珠光體；ER8車輪試樣的硬度水平略低一些且下降趨勢略大一些，新材質車輪鋼的淬透性較ER8車輪鋼稍高，但總體來說這2種車輪鋼的淬透性相當。

圖4　新材質車輪鋼和ER8車輪鋼的末端淬透性曲線

3.4　金相組織

對新材質車輪試樣與ER8車輪試樣輪輞同一區域的金相組織進行對比分析，結果如圖5所示。由圖5可以看出：兩者均是中碳鋼經淬火后附加回火的金相組織，組成均為細珠光體和沿晶界分布的鐵素體，但與ER8車輪輪輞處的金相組織相比，新材質車輪輪輞中的珠光體團尺寸更小，沿晶界的先共析鐵素體組織分布狀態更均勻，使珠光體的體積分數增加；新材質車輪輪輞處的晶粒度級別較ER8車輪高出2級以上，晶粒細化的效果明顯。

圖5　不同車輪距踏面10 mm深度處金相組織

3.5　微觀組織結構和析出物

對新材質車輪和ER8車輪踏面下5，15，25和35 mm處的微觀組織結構進行精細分析：①利用圖像分析軟件對先共析鐵素體的體積分數進行了測定；②利用掃描電鏡采集的圖像，采用截距法統計珠光體的片層間距，得到微觀組織特征對比如圖6所示。由圖6可以看出：ER8車輪先共析鐵素體的體積分數隨距踏面深度的增加變化不大，而新材質車輪先共析鐵素體的體積分數隨深度增加明顯；在相同位置處，新材質車輪的先共析鐵素體的體積分數明顯高于ER8車輪，在踏面下15～35 mm范圍內，新材質車輪的先共析鐵素體出現明顯的增加，增量達到2～3倍，較為均勻地分布在原始奧氏體晶界和晶內，顯著地細化了新材質車輪的微觀組織；新材質車輪和ER8車輪的珠光體片層間距隨距踏面深度的增加而增加，在相同深度處，新材質車輪的珠光體片層間距均小于ER8車輪(如圖7所示)；在踏面下5～15 mm范圍內，新材質車輪比ER8車輪的珠光體片層間距小15%～22%，在踏面下25 mm至更深處，新材質車輪與ER8車輪的珠光體片層間距尺寸更加接近。

圖6新材質車輪和ER8車輪踏面下不同位置處的微觀組織特征對比

圖7　不同車輪距踏面5 mm處的珠光體片層間距形貌

對新材質車輪踏面下5～35 mm范圍內微觀組織中的析出物進行TEM觀測的結果如圖8所示。由圖8可以看出：新材質車輪微觀組織中的析出物經物理化學相分析，主要為V的碳氮化物V(CN)，以顆粒狀的占絕大多數，極少見盤狀或小片狀的，且大多數都是呈彌散狀分布，其尺寸約在10～20 nm范圍內；V(CN)的析出主要在珠光體鐵素體(滲碳體片層之間)以及先共析鐵素體中，呈現隨著離踏面距離的增加、V(CN)析出量增加的規律。

圖8　新材質車輪踏面下5～35 mm范圍內析出物形貌

4　分析及討論

綜合上述性能指標和微觀組織的對比分析，新材質車輪較ER8車輪的微觀組織中珠光體團尺寸、珠光體片層間距減小，先共析鐵素體體積分數增加，新材質車輪的強度、硬度及斷裂韌性得到提高，沖擊性能、斷后伸長率、淬透性與ER8車輪相當。

車輪的微觀組織與其強、硬度關系遵循Hall-Petch公式，因此細化珠光體團、減小珠光體片層間距，是提高車輪強度和硬度的有效手段。車輪斷裂韌性試樣斷口觀測的裂紋尖端韌帶寬度在一定程度上反映車輪的裂紋尖端發生塑性形變的程度，也反映車輪斷裂韌性的高與低。鐵素體在一定程度上對珠光體解理裂紋的擴展具有制約作用，使裂紋擴展途徑曲折，消耗較多的能量，裂紋尖端韌帶將寬度增加，可使在一定尺寸條件下的斷裂由解理機制轉化為韌窩機制，增加車輪中鐵素體的體積分數可提高車輪的斷裂韌性。

新材質車輪因Si的質量分數增加，促進了其珠光體片層間距向減小的方向發展，Si是非碳化物形成元素，當發生奧氏體向珠光體的轉變時，形成滲碳體的區域會把Si原子向鐵素體區域排出。Si的質量分數越高，滲碳體形成區域Si的重排越困難，滲碳體的厚度因此越小，可減小珠光體片層間距。新材質車輪中添加了V，V基本不進入滲碳體而是以V的碳氮化物V(CN)形式存在，V(CN)的析出和V粒子的誘導相變作用[6]使得奧氏體更容易向鐵素體轉變，使先共析鐵素體增加，并改變鐵素體的分布和形態；在車輪鍛造和軋制前加熱和均熱時，V(CN)質點通過質點釘扎晶界機制，阻止其晶粒長大，使新材質車輪獲得更小的珠光體團尺寸，因而細化了珠光體團；另外，珠光體片層間距主要取決于轉變溫度，車輪鋼中存在固溶的V提高了過冷奧氏體的穩定性，降低了奧氏體向珠光體轉變的溫度，從而減小了珠光體片層間距。

淬透性是保證車輪獲得均勻的細珠光體組織的重要因素，車輪實際生產工藝為踏面淬火，在踏面表層形成1層馬氏體組織，由踏面向內逐漸轉變為珠光體+鐵素體組織。由于車輪踏面表層不允許出現馬氏體組織，這一層淬透組織必須被加工處理。淬透性越高，踏面表層出現非平衡組織的深度越大，被加工處理的金屬量越多，同時車輪踏面和輪輞的金相組織越不穩定，越不可預測并越難通過穩定的工藝進行控制，因此對于車輪鋼保證穩定的淬透性是很重要的。在新材質車輪的化學成分范圍內，Si和V對新材質車輪鋼的淬透性不產生明顯的影響作用，因此其淬透性與ER8車輪鋼基本一致。

以上試驗表明，新材質車輪中Si的質量分數的提高并不改變車輪的基本金相組織，但可細化珠光體片層間距，提高其強、硬度，對車輪的沖擊韌性并不產生明顯的損害；V的加入在提高車輪強硬度的同時還可提高車輪的斷裂韌性，V在現有成分體系下并沒有顯著改變車輪鋼的淬透性，在新材質車輪的成分范圍內，通過正確制定與執行熱加工工藝制度，可以改變和控制其析出物的類型、形狀及尺寸，使之對車輪韌性的不利影響降低到最小的程度。

5　結　論

(1)新材質車輪因調整Si的質量分數、添加V合金元素，相比ER8車輪，其珠光體團得到細化、珠光體片層間距得到減小，先共析鐵素體明顯增加，在新材質車輪中觀察到顆粒狀的釩碳氮化物呈彌散狀析出。

(2)新材質車輪的抗拉強度、屈服強度、硬度和斷裂韌性比ER8車輪均有明顯提高，抗拉強度提高9%、屈服強度提高12%、斷面硬度提高15 HBW、斷裂韌性提高10%。新材質車輪的淬透性、斷后伸長率、沖擊韌性均與ER8車輪相當。

(3)新材質車輪通過優化化學成分，改善了車輪的微觀組織結構，運用提高過冷奧氏體的穩定性、釘扎晶界等機制，使新材質車輪獲得更好的強度、硬度和斷裂韌性。

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