球墨鑄鐵車輪在城市軌道交通工程中的應用研究

董 鵬

(中鐵十八局，廣西 南寧 530012)

城市發展離不開交通設施的支持，隨著城市化進程的不斷發展，對于城市軌道交通的要求也越來越高，車輪作為軌道交通行走的關鍵部件，必須要適應當下“低速輕載”的特殊要求[1-4]。當前，城市軌道車輪常見的失效形式為粘著磨損、滾動接觸疲勞磨損以及車輪崩裂，因此有必要對車輪材料進行專項研究，以滿足既安全舒適、又抗折耐磨，同時兼顧經濟低成本的特點[5-7]，典型城軌車輪斷面示意見圖1。

圖1 典型城際軌道車輪斷面

球墨鑄鐵材料誕生于20世紀中期，具有高強、高韌性、高耐磨、低成本等特性被大量應用于汽車曲軸、齒輪、機電設備等領域，進入21世紀以來，我國的城市軌道交通行業取得了飛躍式發展，對于球墨鑄鐵的需求量也在不斷加大，應用及發展前景一片良好[8-9]。球墨鑄鐵材料的主要組成材料為基體組織和球狀石墨，由于石墨的含量通常低于15%，因此，球墨鑄鐵車輪的力學行為主要取決于基體組織(主要為鐵素體和珠光體的相對含量)的相對含量，珠光體成分及含量的變化均會引起車輪性能的改變，影響車輪的質量，進而影響行車安全[10-13]。

文章基于前人研究理論，從實際運用出發，對四種不同珠光體含量的球墨鑄鐵材料進行了對比分析，并與傳統車輪鋼力學性能進行比較，可為球墨鑄鐵材料在城市軌道交通中的推廣應用提供借鑒。

1 實驗設計

1.1 實驗組情況

影響球墨鑄鐵材料基體組織中珠光體、鐵素體含量以及共析轉變溫度的主要元素為硅、銅、鎳，實驗中共設計四種因素水平對球墨鑄鐵性質的影響。其中：硅含量的設計值為2.2%、2.7%和3.2%，銅含量的設計值為0%、0.6%和1.2%，鎳含量的設計值為0%、0.6%和1.2%，正交實驗組中，保持其余元素含量基本一致，見表1。

表1 試驗組成分/%

1.2 基體組織分析

基體組織對于材料的性能有著至關重要的影響，實驗分析得到的球墨鑄鐵材料的球化率以及基體組織特征見圖2。球化率反映了石墨相在合金球墨鑄鐵材料中的分布水平，從圖中可以看到：硅、銅、鎳三種元素的改變對石墨相球化率的影響并不明顯，四組材料的球化率均在80%左右，表明石墨球在基體中呈現比較均勻的分布態勢；鐵素體和珠光體是影響球墨鑄鐵材料性能的最主要因素，隨著硅元素含量的減少，鐵素體在不斷減少，而珠光體在不斷增加，但兩者相加的含量并沒有明顯變化，這主要是因為硅是鐵素體的穩定化元素，在鑄鐵冷卻階段，鐵素體和珠光體的競爭主要與碳元素的擴散方式有關，當硅元素降低而銅、鎳元素相應增加時，碳元素的共析轉變會在低溫下進行，同時伴隨緩慢的碳擴散，在碳擴散過程中就會帶來更多的珠光體組織，從而鐵素體含量降低。

2 性能對比分析

2.1 力學行為

試驗獲得的不同實驗組的力學測試結果特征曲線見圖3。從圖3(a)中可以看到：球墨鑄鐵材料的應變率受基體組織的影響較為顯著，在低珠光體含量下，表現為低強度高塑性特征，破壞形式為延性，而在高珠光體含量下，則表現為高強度低塑性特征，破壞形式為脆-延性。從圖3(b)中可以看到：隨著珠光體含量的增加，球墨鑄鐵材料硬度逐漸升高，當珠光體含量達到90%后，其硬度將顯著增加，屈服強度與極限拉伸強度的變化特征與硬度類似，這是因為鐵素體與珠光體之間的加工硬化率的差異所導致，硅元素提供了穩定的鐵素體，從而使球墨鑄鐵具有良好的形變特征，但鎳元素會提高相應物質之間抵抗位錯運動及形變的能力，從而使得強度升高，塑性變形能力降低。

圖2 基體組織統計情況

圖3 球墨鑄鐵力學性能測試結果

2.2 干態滾滑復合磨損性能

磨損性能是評價車輪質量好壞的主要指標之一，因此對不同試驗組進行了干態滾滑復合磨損試驗，其結果見圖4。從圖中可以看到：球墨鑄鐵的摩擦系數隨著滾動周期的不斷增長，整體上呈三階段變化特征，即“增長-降低-穩態”三個階段；在滾動前期，由于鑄鐵車輪表面存在一定的磨合期，在反復滾動摩擦過程中，表面光滑層首先磨損，從而使得摩擦系數增加，當光滑面磨損后，由于鑄鐵材料需要在內部調整至平衡狀態，因此在疲勞磨損過程中，摩擦系數會逐漸降低并逐漸趨于一個穩定值以適應往復滾動的工作需求，當內部應力達到平衡后，車輪的摩擦系數也逐漸處于一個穩定狀態，并將保持相對較長的穩態時間；從試驗曲線可以看出：珠光體含量越高，硬度越大，車輪的穩態摩擦系數越大，但摩擦系數表現也越不穩定，波動情況更加復雜，這不僅表現為初期摩擦系數較長的增長和降低過程，也表現在穩態階段中其摩擦系數的抖動較大，這對行車安全與車輪磨損是極為不利的；S1組的穩態摩擦系數最小，其值約為0.22，S2和S3的穩態摩擦系數分別為0.25和0.32，S4組的穩態摩擦系數最大，達到了0.41，這主要由于硬度小的試驗組在滾動磨損過程中會發生較大的剪切變形，從而在摩損接觸區域出現比較多的石墨(扮演潤滑劑角色)，導致摩擦系數減小，而硬度較大的試驗組主要發生脆性斷裂破壞，在滾動周期內較難發生大的剪切變形破壞，因此摩擦盤內的石墨較少，故而摩擦系數較大。

圖4 周期滾動條件下摩擦系數變化

2.3 磨損速率對比

圖5為80000轉后各試驗組和傳統鋼軌總磨損率的對比。從圖中可以看到：S1、S2、S3三組試驗組中，隨著基體硬度的逐漸升高，車輪的磨損率逐漸降低，表現出較好的抗磨損性能； S4組雖然基體硬度更大，但磨損速率反而更大，表現出較差的抗磨損性能，這是因為材料的磨損性能不僅與硬度、強度相關，也與斷裂特性有關，由于第四組球墨鑄鐵材料具有一定的脆性斷裂破壞特征，其抵抗變形的能力較差，具有最小的彈塑積，因此表現為較差的抗磨損性能；與傳統鋼軌車輪進行對比可以發現，傳統車輪的總磨損率為31.9%，S1、S2、S3、S4四組的磨損率分別為28.5%、17%、12.7%和60%，可見當硅含量為2.2%，銅和鎳的含量為0.6%時有較佳抗磨損性能，較傳統鋼軌車輪的抗磨損能力提升約60.2%。

圖5 球墨鑄鐵車輪與傳統鋼軌車輪的磨損率對比

3 討論

傳統車輪鋼的抗拉強度和屈服強度要求為980 MPa和600 MPa，球墨鑄鐵車輪相較于傳統鋼軌車輪而言，其抗拉強度和屈服強度均有所降低，但是其屈服強度仍高于城際軌道交通車輪規定的等效應力值(271.65 MPa)，因此，從強度上來講，球墨鑄鐵材料車輪滿足相關要求；當球墨鑄鐵材料中含少量銅、鎳元素時，車輪具有更優異的抗磨損特性，且由于石墨的存在，其摩擦系數也較傳統鋼軌車輪顯著降低，這對于提高車輪使用壽命、減少車輪維護費用具有重要意義[14-15]。

通常，城際軌道車輪材料主要優先考慮抗磨損性能和斷裂韌性，從上述力學試驗和磨損試驗結果可以得到：S3試驗組含有較高的珠光體組織(85.5%)、較高的抗拉強度(676 MPa)以及較好的延伸率(8.6%)，同時具有更好的抗磨損特性(較傳統車輪提升60%)，因此，該配比下的球墨鑄鐵材料可以作為城際軌道車輪的潛在利用材料。

4 結論

1)硅、銅、鎳元素含量的改變對球化率的影響較小，對珠光體和鐵素體含量的影響較大。

2)珠光體含量越高，球墨鑄鐵車輪的強度和硬度越高，但塑性變形能力降低，脆性破壞特征越明顯。

3)車輪為摩擦系數與珠光體含量呈正比，珠光體含量越高，車輪的摩擦系數越不穩定，其穩態摩擦系數越大，不利于車輪的抗磨損性能。

4)當硅含量為2.2%，銅和鎳的含量為0.6%時具有較佳的抗磨損性能，與傳統鋼軌車輪相比，能提升抗磨損能力約60%。