車輪表面缺陷形成原因分析

陳 威，國新春，寧 珅，王 翔，朱 明

（寶武集團馬鋼交材科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

在鐵路運輸正朝高速重載方向發展趨勢下，車輪運行安全越來越受到人們的關注。經各車輪生產廠家不斷進行技改和革新，實物質量已有很大提高，車輪產品在運行過程中發生嚴重危害列車運行安全的掉塊和崩輪現象已經很少。但車輪踏面出現表面損傷缺陷（如剝離、剝落、熱裂紋等）卻時有出現。這些缺陷一般深度小于5 mm，鏇修后可繼續再用，但增大使用部門的維護工作量，縮短車輪使用壽命。尤其這些缺陷直接導致車輪踏面外形不規則，使列車在運行過程中產生高的輪/軌動態力。這些力破壞了軌道結構和車輛部件，是鐵路運行安全的潛在隱患。

1 表面缺陷主要類型

從表現形式，車輪表面缺陷主要分為剝離、剝落、熱裂紋等三種，缺陷形貌如圖1所示。

圖1 車輪表面缺陷形貌

剝離主要出現在踏面中部偏輪緣處，一般為局部出現，也可沿周向連續分布。缺陷邊緣處有細小裂紋，裂紋形貌呈馬蹄狀。深度一般小于5 mm。剝落是小塊金屬脫落后形成，深度小于1 mm，散布于整個踏面，使踏面呈麻臉狀，俗稱麻點。熱裂紋主要出現在踏面中部，基本垂直于外側面，呈刻度式分布。

2 表面缺陷形成原因及分析

車輪運行的環境比較惡劣，一般來講，能引起車輪產生表面缺陷的因素主要有三種：輪軌滑動、踏面制動、接觸疲勞。

車輪產品在出廠時，原始的基體組織為細珠光體+鐵素體。車輪初始殘余應力為周向壓應力。初始殘余壓應力對防止表面缺陷產生很有幫助。裂紋通常產生于車輪踏面，而踏面周向殘余壓應力有阻止裂紋進一步擴展的效果。

輪軌滑動是指輪軌間粘著力不夠，如制動力和牽引力過大，車輪與軌面之間產生相對滑動。車輪在運行時，滾動和滑動是并存的，當運行速度越快，滾動所占的比例就會越高。因此輪軌滑動在車輪運行過程中是一種很常見的現象。這種滑動可使踏面超過材料的相變溫度。觀察顯微組織可以發現在表層有一層薄薄的馬氏體層，如圖2所示。馬氏體層的出現反映熱影響的劇烈程度。劇烈滑動產生時，熱影響區金屬由于溫升產生熱膨脹，對周圍基體金屬產生壓應力，這些應力甚至超過了材料的屈服強度，使金屬發生了塑性變形。當冷卻下來時，表層金屬發生組織轉變，形成馬氏體。這種馬氏體組織硬且脆，韌性值較差。在該層金屬經受熱/機械循環載荷反復作用下，殘余應力與輪軌接觸應力生成的應力場強度因子超過了材料的裂紋萌生門檻值后，在產生相變的表層金屬內部和應力轉換區域裂紋將開始萌生。

圖2 車輪表面馬氏體層

裂紋擴展主要受輪軌接觸產生的剪切應力場主導，如圖3所示。當裂紋沿與徑向呈一定角度向深層擴展時，由于剪切應力場逐步衰減以及深層金屬殘余壓應力場阻礙作用，裂紋向里擴展到一定距離后（一般踏面下5 mm以內），將擇優向表層擴展。當輪軌接觸狀態較好時，熱影響層均勻分布，表面周向裂紋可能貫通，表層局部連續區域金屬脫落，形成剝離。當輪軌接觸狀態不好時，車輪踏面只是局部一些點與輪軌產生滑動，產生一些過熱斑，這些過熱斑就是熱影響區。由于過熱斑在踏面上呈分散獨立的點狀區域分布，在各區域產生的裂紋源擴展時很難相互貫通，因此這些過熱斑最后只能單獨形成小塊點狀剝落，分布于整個踏面。

圖3 表面裂紋擴展

制動剝離一般發生在踏面閘瓦制動的車輪上，分布于踏面與閘瓦接觸的整個圓周部位，是踏面發生較多的一種剝離類型。車輪踏面制動剝離前產生的熱裂紋起源于熱影響層的馬氏體白層處，熱影響層的厚度和熱應力只取決于摩擦熱及其持續的時間和溫度梯度，馬氏體白層硬度很高是萌生裂紋的主要原因，裂紋的擴展速率和擴展方向與車輪的殘余應力狀態有關。

熱裂紋擴展有兩種形態，一種在擴展初期與踏面傾斜，另一種在擴展初期與踏面垂直。在擴展初期裂紋走向就與踏面傾斜，說明熱影響區較小，裂紋在擴展初期時就受到強烈的阻礙作用。這種情況一般出現在車輪踏面表面狀態不好時，或合成閘瓦與車輪踏面貼合不太好時。在踏面表層只是某些局部區域受到熱影響。熱影響以外區域殘余壓應力沒有受到削弱，所以這種熱裂紋只能在很小區域內周向擴展，造成金屬脫落，形成剝落。

裂紋在初期擴展方向與踏面垂直，說明產生這種裂紋的熱影響區較大，裂紋是完全穿透熱影響區后才受到阻礙，在端部產生分叉，偏離徑向發展。由于這種情況的熱影響區較大，裂紋在偏離徑向發展時可能相互貫通，造成連續塊狀金屬脫落，形成剝離。

接觸疲勞損傷也是引起車輪出現表面損傷的重要因素之一。輪軌接觸產生周期性變化的應力場使得車輪踏面下產生累計殘余應變。產生應變的主要方式是滑移。循環應變的滑移首先在它面表層形成，然后逐漸擴展至內部，形成持久滑移帶。隨著滑移不斷進行，裂紋核心就由此而產生。裂紋源的擴展則受接觸應力主導。一般包括兩個階段，第Ⅰ階段裂紋沿著與踏面成45°方向擴展；第Ⅱ階段裂紋擴展的方向變為平行于接觸面。

3 減緩踏面剝離的實用性措施

3.1 運行過程中的防護措施

1）粘著控制不良，機車在運行過程中車輪會出現空轉頻繁、卸載嚴重、起坡困難及加速性能差等問題，這種運行情況極易加劇車輪踏面剝離。這對于重載機車更為重要。優化粘著控制系統、優化機車控制程序，有利于改變這一現象。

2）破碎均勻性差的砂、含黏土且濕度較大的河沙、顆粒不均勻的砂都會加劇輪軌踏面的剝離發生，所以按用砂的相關標準，使用石英含量高、干燥、砂粒均勻（沙子粒度0.5～1.0 mm）的砂子有利于減少剝離現象。

3.2 維修與維護過程中的防護

1）工藝改進，陳剛等人發現新造車輪踏面剝離發生率明顯高于已鏇修車輪，鏇修后踏面剝離發生率明顯降低[1]。一次鏇修后車輪踏面約對應新造車輪踏面5~10 mm，常規熱處理決定了新造車輪與一次鏇修后車輪在踏面的表層狀態上必然存在差異，新造車輪踏面表層存在5~7 mm深的貝氏體+珠光體復合組織層，而一次鏇修車輪主要以珠光體為主。因此使新造車輪踏面表層狀態與一次鏇修后的車輪踏面表層狀態相近，能減少車輪早期踏面剝離。

2）加強車輪的探傷技術，杜絕車輪內部質量缺陷，同時優化車輪結構、增強疲勞強度、減少車輪應力集中、改善加工工藝及縮短有效制動時間等都可防止踏面剝離的發生，提高車輪的使用壽命。

3.3 輪軌材料的改進

開發新材料，提高車輪抗磨損與接觸疲勞的能力[2]。在現有車輪鋼的基礎上，添加合金元素和利用不同熱處理工藝等，可有效提高車輪踏面的強度、韌性及接觸疲勞特性，減輕車輪對裂紋、擦傷和剝離的敏感性，增強其抗剝離的性能。

4 結論

從以上分析可以得出，引起車輪表面缺陷的因素是比較復雜的。但總的來講可以歸納為以下幾點。

表面缺陷裂紋源的產生原因可以分為熱影響和接觸疲勞兩種。無論是輪軌滑動模型，還是踏面制動模型，最初都是以熱影響的形式切入的。接觸疲勞產生是不可避免的，要減少接觸型損傷的發生，只有靠提高材料的屈服強度，有效提高車輪的接觸疲勞特性，考慮材料的強度和韌性組合等。

裂紋源擴展的驅動力主要是熱/機械疲勞的綜合作用。

雖然熱影響對車輪表層金屬的殘余壓應力有影響，但車輪輪輞整體殘余應力還是處在壓應力狀態。所以即使裂紋源初始有向徑向擴展的趨勢，最終還是要受到輪輞殘余壓應力的阻礙作用而向周向擴展。