輾軋工序對車輪摩擦磨損和接觸疲勞性能的影響*

宮彥華 趙 海 高 偉 劉學華 姚三成 江 波 童 樂 鐘 斌

(1.軌道交通關鍵零部件先進制造技術國家地方聯合工程研究中心 安徽馬鞍山 243000；2.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；3.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心 安徽馬鞍山 243000)

近年來隨著國內鐵路技術的快速發展，車輪作為車輛走行系統的核心部件，在服役過程中踏面擦傷、裂紋、剝離、踏面磨損過大等現象頻發[1-5]，嚴重影響了車輛的行車安全，大大增加了車輛維修成本，因此對車輪使用性能提出了更高的要求。

長期以來，人們認為車輪的性能取決于車輪成形后的熱處理工序，對車輪輾軋工藝的研究只注重于形狀尺寸的獲得及成形缺陷的控制[6-7]。近年來，隨著車輪的要求提高，輾軋工藝對微觀組織影響的研究逐漸得到重視[8]，如沈曉輝[9]研究了車輪成形過程中的組織演變規律，WANG等[10]研究了鐓粗過程微觀組織的演變。但目前仍只停留在輾軋工藝對車輪微觀組織影響等方面的研究，很少開展輾軋工序對車輪使用性能的影響研究。

本文作者選擇經輾軋工序成形和直接鋼水澆筑成形的車輪材料，利用GPM-30試驗機開展了摩擦磨損和接觸疲勞性能研究，對比分析了不同接觸應力狀態下摩擦磨損和接觸疲勞裂紋萌生擴展行為，結合微觀組織和夾雜物形態，分析探究了影響表面和亞表面裂紋萌生和擴展的因素。研究結果對認識輾軋工序對車輪使用性能影響具有一定的理論指導意義。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及制備

選取化學成分和性能相近但采用不同成形工藝的2種車輪材料，進行摩擦磨損和接觸疲勞性能研究，其化學成分和基本性能見表1。其中NO.1車輪材料加工基本工序為：電爐冶煉→LF爐精煉→RH爐脫氣精煉→連鑄成型→切錠→加熱→預成型→成型→軋制→緩冷→淬火熱處理→機加工，采用輾軋工藝成形，車輪輪輞鍛壓比≥4.0；NO.2車輪材料基本工序為：鋼水熔煉→真空脫氣→造型→鑄造→緩冷→淬火熱處理→機加工，采用鋼水直接澆筑成形，鍛壓比為0。在車輪踏面下15 mm處平行于踏面進行取樣，并按圖1所示加工試樣和進行摩擦磨損試驗和接觸疲勞試驗，與車輪試樣配對的試樣取自U75V軋態鋼軌。

表1 車輪試樣主要元素及性能

圖1 試驗示意

1.2 試驗方法

為了評估車輪在服役過程中輪輞抗磨損及接觸疲勞性能，在GPM-30試驗機上進行摩擦磨損和接觸疲勞試驗。試驗條件見表2，其中摩擦磨損試驗方式為干態點摩擦，接觸疲勞試驗類型為線接觸、油潤滑(20號機油)，試驗接觸應力設定為 1 100、1 200、1 300、1 400 和 1 500 MPa。接觸疲勞試驗時采用振動傳感器進行振動檢測，當振動幅度超過設定值時試驗機自動停機。文中接觸疲勞試驗振動幅度統一設定為3db。

表2 摩擦磨損與接觸疲勞試驗條件

為保障試驗結果的準確性，每組試驗進行3次。采用電子天平稱量試驗前后試樣質量，試驗結束后使用掃描電鏡、金相顯微鏡觀察車輪試樣磨損面、剖面形貌，用顯微硬度儀測量剖面顯微硬度。

2 結果與討論

2.1 試驗結果

3組車輪試樣干態磨損磨損量的平均值如圖2(a)所示，可見NO.1車輪試樣的平均磨損量明顯小于NO.2車輪試樣。根據GB 10622-1989《金屬材料滾動接觸疲勞試驗方法》進行接觸疲勞試驗，得出2種試驗車輪的S-N 曲線，如圖2(b)所示。從試驗結果來看，NO.1車輪試樣的疲勞壽命好于NO.2車輪試樣。

圖2 摩擦磨損與接觸疲勞試驗結果

2.2 接觸面形貌

2種車輪試樣干摩擦磨損試驗后接觸面形貌分別如圖3(a)、(b)所示，很顯然兩試樣均發生剝層磨損，但NO.2車輪試樣相對于NO.1車輪試樣剝層數量多、尺寸大，說明NO.2車輪試樣接觸面萌生更多的裂紋。圖3(c)、(d)示出了2種車輪試樣接觸疲勞試驗后接觸面形貌，可見試樣表面存在剝離掉塊。圖4中給出了剝離掉塊數量和面積的統計結果，可知，同一接觸應力狀態下NO.2車輪試樣的剝離掉塊數量較多、剝離面積較大。

圖3 試樣表面形貌

圖4 試樣接觸疲勞剝離情況

2.3 剖面形貌

圖5(a)、(b)示出了摩擦磨損試驗后2種車輪試樣剖面形貌，可知，2種車輪試樣近表面發生明顯的塑性變形，越靠近表面塑性變形越明顯；裂紋起源于表面并沿著塑性流變方向，擴展到一定深度后平行表面擴展然后向表面擴展，形成小的剝離剝落；NO.2車輪試樣表面不均勻塑性變形情況表現得更明顯。對摩擦磨損試驗后2種車輪試樣的裂紋深度進行了統計分析，如表3所示，很顯然NO.2車輪試樣裂紋擴展的深度較深。2種車輪試樣接觸疲勞試驗后剖面形貌如圖5(c)、(d)所示，可知，2種車輪試樣裂紋都是由表面起源向內擴展，且裂紋擴展的角度相近。由表3可知，NO.2車輪試樣裂紋擴展的深度較深。

圖5 試樣剖面裂紋形貌

表3 試樣裂紋深度

2.4 剖面顯微硬度

圖6示出了2種車輪試樣剖面顯微硬度，可見2種車輪試樣干態摩擦磨損試驗和接觸疲勞試驗后的硬度變化曲線基本一致。干態摩擦磨損試樣由表及里硬度逐漸降低，到達距表面約0.6 mm處硬度接近基體組織硬度，說明干態摩擦磨損試樣硬化層深度約0.6 mm。接觸疲勞試樣硬度由表及里硬度先增大，在距表面0.3 mm處硬度達到最大值，后逐漸減小，距表面0.6 mm處硬度接近基體組織，說明接觸疲勞試樣硬化最大處在距表面0.3 mm處。

圖6 試樣剖面顯微硬度

2.5 分析和討論

由2.2節可知，NO.2車輪試樣接觸面萌生的裂紋較多且擴展的深度更深。大量研究表明，疲勞裂紋萌生的根本原因是局部不均勻塑性變形[11]。圖7示出了2種車輪試樣的基體組織狀態，可見NO.1車輪試樣先共析鐵素體呈網狀均勻狀態分布，而NO.2車輪試樣先共析鐵素體呈斷續的不均勻狀態分布。當材料發生塑性變形時，NO.1車輪試樣不易發生不均勻的變形，而NO.2車輪試樣會發生明顯的不均勻塑性變形[12-13]，因此NO.2車輪試樣接觸面易萌生裂紋。對2種車輪試樣的基體組織進行了分析，如表4所示，每種試樣的微觀組織特性統計數量都大于15個視場。很明顯NO.1車輪試樣平均晶粒、5%最大晶粒尺寸及珠光體片層間距明顯小于NO.2車輪試樣，2種車輪試樣晶界鐵素體含量相當。珠光體晶粒尺寸較大，則珠光體團也較大，珠光體結構也呈現大的片層間距，微裂紋萌生以后不能通過塑性變形釋放，則能量需要通過裂紋擴展來釋放[10]，因而裂紋就會向試樣更深的部位擴展，致使試樣磨損和剝離掉塊更嚴重。

圖7 試樣基體組織形貌

表4 試樣微觀組織情況

在解剖分析接觸疲勞試樣時發現NO.1車輪試樣以表面起裂的斜裂紋為主，未發現平行于表面的亞表面裂紋，在NO.2車輪試樣中2種裂紋均存在，如圖8所示，平行于表面的裂紋深度大都出現在距表面100～400 μm之間。在低摩擦因數(<0.25)時接觸應力最大位置位于亞表面[14]，致使亞表面發生塑性變形，文中試驗是在油潤滑的狀態下進行的，摩擦因數約0.08，圖6(b)顯示接觸疲勞試樣亞表面硬度較高，距表面0.3 mm處硬度最高。用電子背散射EBSD( ZEISS Sigma 500 型) 進行塑性變形分析，設定大角晶界大于等于15°，小角晶界為5°～15°，圖9示出了NO.2 試樣表面、距表面300 mm、距表面600 mm EBSD圖，可見距表面300 mm處小角晶界最多，塑性變形最劇烈，致使硬度最高。

對NO.2車輪試樣平行于表面的裂紋進行了分析，發現裂紋起源處存在夾雜物，經能譜分析知該夾雜物為Al2O3。采用ASPEX分析儀對2種車輪進行非金屬夾雜物形貌分析，如圖10所示，NO.2車輪試樣中Al2O3夾雜物存在小角度尖角，而NO.1車輪試樣中Al2O3夾雜物未見明顯的小角度尖角，文獻[15]中也發現了該類型的夾雜物。接觸疲勞過程中，試樣亞表面受力較大，發生塑性累計變形，由于夾雜物不發生變形，在夾雜物處形成應力集中，當應力累計到一定程度裂紋萌生并沿著塑性變形方向擴展，形成平行于表面的長裂紋。由于NO.2車輪夾雜物未經過輾軋變形，存在小角度尖角，應力更易集中，裂紋更易萌生，同時晶粒、珠光體片層粗大，裂紋易擴展。

圖8 亞表面裂紋形貌及夾雜物成分

圖9 接觸疲勞試樣EBSD圖

圖10 夾雜物形態

3 結論

(1)經過輾軋工藝處理的車輪試樣干態摩擦磨損試驗時表面裂紋少且淺，磨損量減少；油潤滑接觸疲勞試驗時試樣剝離掉塊數量和面積減小，裂紋擴展深度變淺，接觸疲勞壽命增長。

(2)輾軋工藝能夠有效地細化晶粒、珠光體團、珠光體片層間距，使先共析鐵素體連續化，改善車輪微觀組織，減少不均勻塑性變形，抑制裂紋的萌生和擴展。

(3)油潤滑接觸疲勞試驗過程中，試樣接觸面亞表面受力最大，塑性變形最明顯；接觸疲勞試樣以表面裂紋萌生擴展為主，若亞表面存在小角度尖角的夾雜物，則裂紋在夾雜物處起源并沿平行于表面的方向擴展。