貝氏體鋼軌鋼成分偏析帶對摩擦磨損性能的影響

韓青陽 張瑞杰 鄭春雷 何建中 李艷國 王明明 張福成

摘要 以實際使用的含有成分偏析帶的貝氏體鋼軌鋼為研究對象，利用端面摩擦磨損試驗機研究貝氏體鋼在不同偏析角度下磨損性能的變化及組織變化規律。結果表明：貝氏體鋼軌鋼的磨損機理主要表現為粘著磨損、磨粒磨損和氧化磨損;基體局部在較大摩擦力的作用下會沿著磨損方向整體剝離，形成魚鱗狀紋理;隨著載荷的增大，在磨損表面和縱截面亞表層會產生了大面積的剝離坑，同時還有大量的微裂紋形成;在不同偏析角度下貝氏體鋼表現出不同的耐磨性能，在偏析位置為90°時，磨損失重速率顯著增大，磨損量較大，符合鐵路尤其是曲線段晃車抖車導致的磨損量增加的現象，而在偏析位置為45°時磨損量最少，表現出最好的耐磨性。

關 鍵 詞 貝氏體鋼軌鋼;成分偏析;偏析角度;磨損機理;磨損性能

中圖分類號 TG142.1? ? ?文獻標志碼 A

文章編號：1007-2373（2021）06-0013-10

Abstract The change of wear properties and microstructure of bainitic steel under a variety of segregation angles are studied by end face friction and wear tester. The results show that the wear mechanism of bainitic steel is mainly adhesive wear， abrasive wear and oxidation wear; Under the action of large friction force， the whole matrix peels off along the wear direction to form fish scale texture; With the increase of load， a large area of peeling occurs on the wear surface， and a large number of microcracks occur; Bainitic steel shows different wear resistance under different segregation angles. When the segregation position is 90°， the wear weight loss rate increases significantly and the wear amount is large， which is in line with the increase of wear amount caused by shaking in railway curve section. When the segregation position is 45°， the wear amount is the least and shows the best wear resistance.

Key words bainitic rail steel; component segregation; segregation angle; wear mechanism; wear performance

0 引言

磨損和滾動接觸疲勞（RCF）是鐵路鋼軌在服役過程中的兩種主要失效模式[1]。車輪表面在塑性剪切作用下發生反復變形，導致表面裂紋的延展。根據接觸應力條件的不同，這些表面裂紋可能導致加重磨損或滾動接觸疲勞[2]。輪軌接觸通常假設為赫茲接觸。輪軌接觸片的形狀為橢圓形，接觸壓力在接觸區域呈橢圓形分布。輪軌在軌道上通過徑向方向時，在接觸界面之間沒有切向力。然而，當轉向架與輪對結合時，導致軌道輪接觸之間存在一定的縱向力。輪軌界面處產生的這些力是由輪對從其平衡滾動線（即軌道中心）橫向移動引起的縱向蠕變產生的[3]。車輪和鋼軌滑動產生的這種橫向位移，稱為偏斜旋轉，是造成橫向蠕變的原因。從而在輪軌接觸界面之間產生橫向力。除此之外，輪對的角旋轉還能引起旋轉蠕變[2]。這些是在確定磨損量和滾動接觸疲勞中起重要作用的因素。

我國在偏遠的地區，小曲線軌道占據了較大的比重，鋼軌在曲線段上由于長期的服役導致側向磨損就更加嚴重。據已有資料證實，在中國的小半徑曲線上的鋼軌有98%是由于側面磨損極限而報廢的。曲線段作為鐵軌結構強度中的薄弱環節，在機車、車輛駛入曲線段后，由于車體受到機車的牽引力而隨慣性繼續運行，軌道迫使機車、車輛轉彎，如此必將產生大量車輪撞擊鐵軌，導致軌道變形，軌道和車輪同時受到磨損。當因離心力和向心力失去平衡而形成的內外軌偏載時，更增加了鐵軌的磨損。2018年10月21日，臺灣省宜蘭市駛往臺東的客運列車行至彎道時，由于轉彎時超速并伴有磨耗嚴重，導致多個車廂側翻脫線，造成了人員重大傷亡事故。針對多年來在國內頻發的關于小半徑曲線側磨問題，王寧[4]調整超高速軌道底坡等參數，分析高速列車通過小半徑曲線的車輛動力性能，根據車輛通過曲線的性能，提出了減少軌道側面磨損的方案。劉楊煜等[5]根據多體動力學理論，利用非橢圓接觸滾道接觸模型和Archard材料磨損模型研究了三種地鐵輪切削踏板面小半徑曲線外軌側面磨損的發展規律，為延長鋼軌使用時間和減緩鋼軌側磨提供科學依據。

貝氏體鋼軌鋼具有良好的強韌性和耐磨性，可以適應鐵路行業應用中對材料高強度和高韌性的嚴苛需求[6-8]。為此貝氏體鋼軌在各國得到了廣泛研究，為解決鋼軌上剝離脫落掉塊這一問題提供了希望[9-13]。雖然貝氏體鋼軌在進行熱處理和添加合金元素之后，明顯增加了硬度和韌性，大大改善了鋼軌的力學性能，但是由于添加了合金元素，鋼軌在淬火過程中隨著澆注的高溫、過熱度，中心部夾雜會產生化學成分不均勻分布的現象，這種現象稱為偏析[14-15]。由于化學成分不均勻，導致在鋼軌內部存在不規則分布的帶狀偏析，研究表明為馬氏體組織[14]。馬氏體組織相比同一成分鋼的珠光體組織及貝氏體組織，硬度和強度最高，但塑性和韌性最低[16-17]。硬度和強度較高導致在磨損過程中較均勻，而塑性和韌性較低導致于裂紋敏感性大，在磨損過程中軌頭磨損嚴重。黃斌等[15]發現鋼在進行表面感應淬火和調質處理后可以減弱成分偏析。李文亞等[18]對空冷貝氏體鋼 5Cr3Mo2VNb 進行高溫均質化和擴散退火后發現能夠減輕成分偏析，使組織也變均勻。但目前的研究表明成分偏析在一定程度上可以改善但無法完全消除。而本實驗的研究目的主要是利用端面磨損試驗機研究鋼軌鋼不同偏析角度，不同應力對磨損性能的影響，從而探討帶狀偏析對鋼軌鋼磨損性能的影響規律。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗用貝氏體鋼為鐵路實際使用的鋼，其軌頭的化學成分見表1。其熱處理工藝為：熱軋成型后的鋼軌直接進行空冷處理，隨后進行280 ℃回火處理。

1.2 摩擦磨損試驗

利用圓盤式摩擦磨損試驗機（MMU-5G）對貝氏體鋼軌鋼在干滑動磨損狀態下的磨損性能進行測試，如圖1a）所示，下摩擦副材料為鋼軌鋼，其尺寸規格為?45 mm×6 mm，并用碳化硅（SiC）砂紙進行打磨到P2000;上摩擦副材料為45號淬火鋼，工作面尺寸為外徑?26 mm，內徑?20 mm，上摩擦副也用SiC砂紙打磨，粒度從P800到P2000。所有測試均在干燥的環境條件下進行，測試的溫度為室溫，相對濕度為40%±5%。試驗過程中下摩擦副保持固定，上摩擦副以200 r / min的速度轉動，載荷分別為400 N，700 N，1 000 N和1 500 N。在進行摩擦磨損試驗之前，需要將下試樣預磨20 min，減少表面粗糙對試驗結果的影響，從而得到更好的接觸效果。隨后進行正式磨損，磨損每隔40 min停止機器，并將下試樣卸下，冷卻至室溫后清洗、振蕩并吹干，最后使用精度為0.1 mg的電子天平記錄磨損失重量，以此反復。在進行試驗前需將試樣和儀器冷卻約10 min，每個試樣累積磨損載荷作用時間均為420 min，并在每個試樣的同一位置做好標記，以保證后續切取試樣均在同一磨損位置。3種對比試驗分別是磨損方向和偏析條帶呈0°，45°和90°，切樣方式如圖1b）所示。

1.3 性能和組織分析試驗

使用萬能液壓伺服試驗機（MTS）和擺錘式沖擊試驗機（JB-30B）測量試樣的強度指標和韌性指標;使用全自動顯微硬度儀（FM-ARS 9000）對樣品的磨損前后基體和偏析條帶處硬度進行表征。進行端面磨損試驗后，將磨損試樣解剖，測試縱截面的基體和偏析條帶上的硬度變化;使用掃描電子顯微鏡（SU 5000）和光學顯微鏡（Leica-DM 2700 M）對試樣的磨損接觸表面的形貌、橫截面組織及縱截面組織進行觀察和表征;使用3D光學表面輪廓儀（Contour GT-K）測量端面磨損樣品的磨損深度和三維形貌;使用X射線衍射儀（XRD;D-max-2500/PCX）進行物相定量分析。測量過程中，在40°至130°的2θ范圍內以Co靶為步進掃描模式，并保持掃描速度為3°/min。使用MDI JADE 6軟件的完全輪廓擬合進行精修分析。

2 試驗結果與分析

2.1 鋼軌鋼軌頭顯微組織與力學性能

對貝氏體鋼軌鋼的軌頭進行了常規力學性能測試，抗拉強度為1 364 MPa，延伸率為15.8 %，室溫沖擊韌性為86 J·cm2，硬度為42 HRC，如表2所示。

為了研究在不同偏析位置處鋼軌鋼軌頭組織，對不同偏析位置下的鋼軌鋼軌頭表面進行組織觀察。從圖2可以看出，圖2a）在偏析角度為0°時，可以看出有明顯的沿軋制方向延長的流線型的粗大偏析條帶，經統計寬度在40～150 μm左右，呈現出不均勻分布。

分別在3種偏析位置下對偏析和基體上進行顯微硬度測試，在圖2不同偏析角度下分別標注基體和偏析帶上的顯微硬度分布，對硬度結果進行記錄對比可以看出，在偏析帶上的顯微硬度明顯高于基本上的顯微硬度，平均高100 HV左右，且不同偏析位置上的顯微硬度測量值幾乎相同。

圖3是貝氏體鋼軌鋼經不同載荷作用，在不同偏析位置下，累積磨損420 min后的縱截面硬度分布，圖中0 mm處的硬度表示距離表層最近處的硬度。可以看出，距離表層最近處的硬度值最高，這是因為磨損過程中產生摩擦熱，溫度升高，試樣表面產生回火馬氏體，殘余奧氏體減少，導致硬度升高，并且隨著硬度點向心部靠近，硬度值逐漸降低。部分點會有輕微上升趨勢，這是因為硬度點正好落在了偏析條帶上，圖2已說明偏析條帶上的硬度比基本高100 HV左右，所以會導致在部分位置處的硬度值偏高。隨著載荷逐漸增大，距表層的硬度值越高，在1 500 N載荷下，偏析位置為90°時0 mm處硬度最高，在45°時0 mm處硬度最低。

2.2 摩擦磨損實驗結果及分析

2.2.1 磨損失重變化

貝氏體鋼軌鋼在不同載荷作用下磨損失重變化曲線如圖4所示，從圖4中可以看出，由于磨損時間的增加以及載荷的增大，在不同偏析位置下的鋼軌鋼磨損量均出現了不同程度的增加趨勢。當磨損載荷為400 N時，累積磨損時間達到了420 min時，偏析位置在0°時磨損量達到了142.5 mg，在90°時達到了145.4 mg，而在45°時磨損量為118.6 mg，此時在45°時磨損量最小，耐磨性最好。從圖4b）中可以看出在700 N載荷作用下隨著磨損時間的延長，磨損失重在相應的增加，偏析位置在90°下，且當磨損時間累積達到420 min時，失重量達到了303.7 mg。偏析位置在0°下累積磨損量為226.7 mg，此時偏析位置在45°下耐磨性較好，磨損量為215.7 mg。圖4c）中給出了不同偏析位置的鋼軌鋼在1 000 N作用下經不同磨損時間后的累計失重變化曲線，偏析位置在90°下失重量為404.3 mg，在0°下為411.7 mg，在45°下為382.8 mg，磨損量最少，表現出的耐磨性最好。圖4d）在1 500 N載荷作用下隨著磨損時間的延長，偏析位置在90°時累積磨損失重為726.5 mg，在0°時為747.9 mg。在45°時為672.8 mg。相比之下還是45°表現出最好的耐磨性。對比圖4a）～d）可以看出，在700 N載荷作用下3種偏析位置對磨損量的影響較為顯著，且在偏析位置為90°時，磨損失重速率顯著增大，磨損量較大，而在偏析位置為45°時磨損量最少，表現出最好的耐磨性。當磨損時間小于60 min時，3種偏析位置下的磨損失重量沒有明顯差別。隨著累積磨損時間的不斷增長，磨損表面溫度逐漸上升，同時試樣表面由于摩擦熱的作用磨損在持續復合的作用下不斷加劇。在3種偏析位置的貝氏體鋼軌鋼試樣的累積磨損量均隨著磨損時間增長而大致呈線性上升，且隨著載荷的增加，曲線斜率逐漸變大，同時磨損失重率也明顯增加，表明隨著磨損時間的增長和載荷的增大會顯著加劇磨損。

2.2.2 鋼軌鋼磨損表面的三維形貌分析

圖5給出了不同載荷作用下不同偏析位置的鋼軌鋼累積磨損時間420 min后的局部3D形貌圖。其中，紅色部分為試樣的未磨損參考基準面，低于參考基準面的部分為磨損面，從圖中可以看出沿著基準面兩邊下凹，磨損越劇烈，下凹的越深。磨損的嚴重程度從側面上觀察凹起程度也可以進行比較，并且隨著載荷的增加，磨損深度逐漸加深，磨損表面由點坑和犁溝逐漸轉變為沿滑動方向平行分布的滑道，說明高載荷下磨損過程較均勻。當載荷增加到1 500 N時，此時磨損劇烈，堆積在磨損邊緣兩側的磨損物增多，并且由于磨損過大，上下試樣在接觸過程中產生過量摩擦熱，導致材料組織軟化，磨損深度進一步加深。

2.2.3 鋼軌鋼磨損深度觀察

將在不同偏析角度的縱截面深度變化圖進行對比可以看出，由于磨損面與偏析所呈的角度不同，所表現出來的磨損深度也有較明顯差別。其中，在圖6a）磨損與偏析條帶呈45°時，縱截面最大磨損深度最小，為42.9 μm。呈0°時最大磨損深度為78.9 μm。磨損與偏析條帶呈90°時，縱截面最大磨損深度最大，達到了106.1 μm。與400 N載荷作用相比，在700 N載荷作用下磨損深度顯著增加。圖6b）偏析角度在0°時最大磨損深度為168.3 μm，較400 N載荷增加了56.8 %。在45°時最大磨損深度為99.1 μm，較400 N載荷增加了59.2%，此時磨損深度最小。而偏析角度在90°時最大磨損深度達到了267.4 μm，較400 N載荷增加了56.0%，此時磨損深度最大。圖6c）偏析角度在0°時最大磨損深度為262.3 μm，較700 N載荷增加了43.5%，此時磨損深度最大。在45°時為206.1 μm，較700 N載荷增加了55.3%，此時磨損深度最小。在90°時最大磨損深度為254 μm，較700 N載荷增加了2.4%。圖6d）偏析角度在0°時最大磨損深度為514.3 μm，較1 000 N載荷增加了51.2%，此時磨損深度最大。在45°時為426.1 μm，較1 000 N載荷增加了45.4%，此時磨損深度最小。在90°時最大磨損深度為504.8 μm，較1 000 N載荷增加了54%。從而可以看出，隨著載荷的增加，曲線從一開始的上下波動到最后的趨于平滑穩定，磨損深度也愈加變深。并且縱截面磨損深度從側面上也體現出了磨損的幅度，在不同載荷下偏析角度為45°的最大磨損深度均最小，與之前的磨損失重量規律一致。

2.2.4 鋼軌鋼磨損狀態的顯微組織觀察

圖7所示為不同載荷下3種偏析位置的磨損掃描照片。上試樣面為磨損面，左試樣面為磨損亞表層橫截面，右試樣面為磨損亞表層縱截面。在其掃描照片中可發現，不同磨損時間后，試樣磨損表面顯著的特點是平行于滑動方向的犁溝和少量由碎屑引起的微切削和分層，在400 N載荷作用下，其磨損機制主要是黏著磨損和磨粒磨損。對磨損表面的白色氧化層進行了能譜觀察，如圖8a）所示，得到主要元素為鐵原子與氧原子，說明以鐵的氧化物為主。并且氧化物的生成可以減小摩擦副之間的摩擦系數，進而有效減緩磨損[19-20]。此外，在磨損過程中，局部基體也會在較大摩擦力的作用下沿磨損方向整體剝落，形成圖7a）所示的魚鱗狀紋理。觀察其亞表層組織，從圖中可以看出在400 N載荷下，3種不同偏析位置下亞表層均出現了明顯的塑性變形層。隨著載荷的增加，磨損表面產生了大面積的剝離，并且有大量的微裂紋產生。圖7c）中有明顯的剝離塊，這是因為上下摩擦副剛接觸時，由于試樣表面粗糙導致磨損初期較劇烈，并且試樣表面成分不均勻也會引起磨損產生晃動，這樣會產生局部塑性變形，局部塑性變形會使兩個接觸面的原子彼此十分接近而產生強烈的黏著[21]。隨后，黏著點被剪斷并粘在試樣表面，然后脫落下來形成磨屑，黏著點被剪斷后在磨損表面留下黏著物與剝落坑。

經700 N載荷作用下的貝氏體組織發生嚴重塑性變形，而且因劇烈的塑性變形使得鐵素體被拉長成纖維狀組織，且距離表層較近的區域由于摩擦熱和塑性變形的原因，且大致沿磨損方向呈平行排列。圖7d）表面除了大面積的魚鱗狀起皮外還存在少量黏著物和氧化物，這表明在磨損初期試樣表面不平整形成了黏著磨損和少量氧化磨損，黏著物即是表面存在的部分突起造成的。由于載荷的增加，距離表層越近，劇烈塑性變形越嚴重，并且通過長時間的往復摩擦磨損，磨損面的溫度也會越來越高，這種由于摩擦形成的高溫會使接觸亞表面的組織過度回火，導致碳化物不斷堆積長大[22-23]。

當載荷增加到1 000 N時，磨損表面溫度持續升高，高溫下接觸點材料的軟化熔融，加之氧化物的潤滑作用，整個磨損表面滑道較明顯，試樣表面大部分被氧化層覆蓋，此時主要以氧化磨損為主。圖7g）磨損亞表層縱截面可以看到有明顯的塊狀剝落現象，形成了半圓坑，也是由于高溫摩擦熱的作用。同時，在塑性變形區組織已經完全演變為纖維狀。

當載荷增加到1 500 N時，縱截面的嚴重變形層區域變大，塑性剪切變形加深，裂紋在亞表層近似于平行方向擴展。對磨損試樣表面進行XRD試驗，以觀察在不同磨損狀態下，磨損前后試樣表面的微觀結構是否發生了變化，圖8b）為磨損后樣品的磨損表面XRD圖譜。由圖8b）可以看出，相對于原始試樣的XRD圖譜，隨著載荷的增大，磨損試樣表面XRD圖譜顯現出了除γ及α之外的衍射峰，經過對這些衍射峰進行標定，可確定該衍射峰為Fe2O3以及Fe3O4氧化物，可見，在高載荷下，由于溫升作用，磨損會導致氧化磨損的產生，從而使磨損加劇。

為了解釋不同偏析位置下的鋼軌鋼在累積磨損時間420 min后表現出不同的磨損失重量，在1 000 N載荷作用下的鋼軌鋼磨損縱截面亞表層做線掃描能譜觀察。如圖9所示，可以看出在偏析條帶處Mn元素曲線有明顯的波動，在此可以證明偏析條帶是由錳元素偏多造成的。圖9a）為偏析條帶平行排列時出現在亞表層的下方，由于偏析條帶與基體交替出現，所以在亞表層處為基體組織，此時塊狀剝離現象和凹坑較明顯。圖9b）偏析條帶與亞表層呈45°時，可以看出基體處的亞表層出現剝落掉塊，在偏析條帶處的亞表層組織較平整。圖9c）偏析條帶與亞表層垂直時，同樣在基體處的亞表層出現凹坑，在偏析條帶處的亞表層組織較平整。這是因為偏析條帶處多為Mn元素偏多，并且由圖2可以看出偏析條帶處的硬度較基體處平均高出100 HV左右，硬度值高的地方由于有偏析條帶的出現，磨損失重較少，亞表層組織較均勻。而硬度值低的地方磨損失重較高，從而導致磨損表面磨損不均勻，出現劇烈振動，導致出現剝離掉塊的現象。

圖10為鋼軌鋼累積磨損時間420 min后的磨損亞表層金相組織照片，與圖2基體處的金相組織相比，磨損后的亞表層偏析條帶有明顯的沿著磨損方向的偏移。磨損亞表層與偏析角度呈0°時，如圖10a）所示，當偏析條帶正好在亞表層處出現時，由于偏析條帶處硬度高的特性，導致磨損失重較少;當亞表層處是基體時，偏析條帶在亞表層下方，基體處比偏析條帶硬度低導致磨損失重較高。磨損亞表層與偏析角度呈45°時，偏析條帶截面比垂直時寬，所以在45°時表現出最好的耐磨性。

3 結論

本文利用干滑動端面磨損摩擦試驗機研究鋼軌鋼不同偏析角度，不同應力對磨損性能的影響規律，進一步通過磨損失重、磨損形貌、磨損縱截面硬度、顯微組織對鋼軌鋼磨損性能進行分析。得出以下結論：

1）貝氏體鋼軌鋼軌頭在進行干滑動端面摩擦磨損試驗時，磨損機理主要由黏著磨損、磨粒磨損及氧化磨損組成，其中黏著磨損和磨粒磨損在低載荷下占主要作用，局部基體存在魚鱗狀紋理和微切削現象;在高載荷下由于過摩擦熱的原因，氧化磨損占主要作用，磨損溝痕較明顯，且試樣表面大面積被顆粒狀氧化物覆蓋。

2）隨著載荷的增加，貝氏體鋼軌鋼軌頭的磨損截面亞表層塑性變形區尺寸變大，并且在高載荷下出現裂紋。不同角度的偏析條帶落在縱截面亞表層時，亞表層組織較平整，而亞表層為基體時，亞表層組織表現出剝落現象和半圓形凹坑的生成。

3）貝氏體鋼軌鋼軌頭的耐磨性與不同角度的偏析條帶密切相關。其中，磨損亞表層與偏析條帶呈90°時偏析條帶磨損量最大，符合鐵路實際運行過程中存在的晃車現象;在45°時偏析條帶由于是傾斜排列，導致落在磨損亞表層上的偏析條帶截面較寬，硬度較高的區域多，磨損損傷最小，表現出最好的耐磨性。

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