新型CL60 鋼地鐵車輪摩擦磨損試驗研究*

孫培文 朱愛華 付曹政，2 楊建偉 魏華成 溫 麒

（1. 北京建筑大學城市軌道交通車輛服役性能保障北京市重點實驗室 北京 100044； 2. 北京軌道交通技術裝備集團有限公司 北京 100071； 3. 太原重工軌道交通設備有限公司 山西太原 030032）

輪軌損傷不僅增加了地鐵運營維護成本， 還會影響車輛運行的穩定性和舒適性， 甚至會影響到車輛系統的安全。 國內外學者從不同角度研究了輪軌關系及減少輪軌損傷的措施。 由于輪軌磨損受到多個方面的影響， 磨損機制非常復雜， 模擬試驗研究是分析輪軌摩擦磨損性能的一種重要方法， 國內外學者通過輪軌摩擦磨損試驗對不同輪軌材料的使用性能進行了研究。

DIAO 等［1］針對鐵路ER8 車輪， 通過鐵素體強化和滲碳強化處理來改善HiSi 鋼的磨損性能。 ZENG等［2］對ER7、 ER8、 ER9、 HiSi 和0.07V 5 種車輪鋼材料進行了滾動／滑動磨損測試， 結果表明添加碳促進了應變硬化， 而固溶強化和沉淀強化降低了應變硬化。 周韶博［3］利用MJP-30A 試驗機對比研究了ER8和ER8C 高速車輪材料， 發現硬度高的ER8C 車輪試樣的平均磨損量比ER8 試樣小9.6%。 常崇義等［4］進行了3 種不同車輪與3 種不同軌試樣材料匹配的共9種工況磨耗試驗， 結果表明車輪試樣多邊形磨耗導致的徑跳， 會隨輪軌材料硬度比的提高而逐漸降低。ZHANG 等［5］將3 種不同硬度的奧氏體球墨鑄鐵（ADIs） 和ER8 車輪鋼與U75V 鋼軌進行匹配， 發現隨著ADIs 材料硬度的增加， 其磨損質量損失和磨損率越來越低。 丁昊昊等［6］使用WR-1 輪軌磨損試驗機研究了U71Mn、 PD3 和PG4 材質的鋼軌與AAR-B車輪匹配時的磨損性能， 發現隨鋼軌硬度增加， 鋼軌磨損率減小， 車輪磨損率增大， 輪軌系統總磨損率呈先減小后增大的趨勢。 ZENG 等［7］開發了一種更高強度和韌性的高硅高錳低鉻車輪鋼， 通過對比沖擊試驗發現， 與ER8、 ER9 傳統車輪鋼比較， 改進后的車輪鋼在不影響沖擊韌性的情況下， 具有較高的強度。

王文健等［8］試驗研究發現隨碳含量的增加， 車輪鋼硬度也隨之增加， 且磨損量隨之降低。 劉吉華等［9］利用MMS-2A 摩擦磨損試驗機對不同輪軌材料間進行了匹配試驗， 發現當車輪硬度接近鋼軌硬度時能夠顯著改善輪軌材料磨損狀態。 STOCK 和PIPPAN［10］使用UIC ORE S1002 輪和60E1 軌在輪軌實驗臺上進行磨損實驗， 結果表明高強度鋼的耐磨性和抗RCF性能明顯提高。 LIU 等［11］利用雙圓盤磨損試驗機對CL60 車輪和U17Mn 鋼軌試樣進行了磨損試驗， 研究了不同加工參數對輪軌試樣磨損性能的影響。 胡月等人［12］利用WR-1 磨損試驗機， 使用CL60 車輪與U75V 熱軋鋼軌試樣匹配， 進行單向和雙向滾滑磨損試驗， 探究了換向運行工況下CL60 車輪表面損傷、裂紋擴展、 磨屑尺寸隨正反向循環次數的演變規律。蔡智超等［13］使用非線性超聲的方式， 對CL60 車輪和U75V 鋼軌的磨損進行了檢測， 結果發現， 輪軌的早期磨損會導致塑性變形層的產生， 進而引起裂紋等損傷。 李英奇［14］將4 種U75V 鋼軌分別與CL60、 CL70車輪匹配進行了摩擦磨損實驗， 結果發現， 車輪材料的硬度增加， 能提升其本身的耐磨性， 但會增加與之對摩鋼軌的磨耗量。

現有地鐵車輪材料主要為CL60 鋼， 其使用中存在著踏面和輪緣磨耗過快的問題。 而目前國內外學者針對地鐵車輪材料的實驗研究， 主要集中于新型車輪材料的匹配方面， 而針對CL60 鋼材料的改進研究較少。 通過重新設計和優化原CL60 鋼材料中各元素的比例， 并添加微量元素， 得到的新型CL60 鋼的硬度和強度會明顯改善。

本文作者采用GPM-60 摩擦磨損驗機模擬輪軌磨損試驗， 探究不同載荷工況下， 原CL60 鋼車輪材料與新型CL60 鋼車輪材料與U75V 鋼軌材料相匹配的摩擦磨損行為； 利用掃描電子顯微鏡、 金相顯微鏡、 布氏硬度計及精密電子天平等設備對輪軌試樣的磨損量、 表面形貌以及塑性變形進行對比分析， 研究了2 種CL60 鋼車輪材料的使用性能。

1 模擬試驗設計

1.1 試驗模擬準則

試驗模擬了2 種CL60 鋼車輪材料與同一種軌試樣材料在不同載荷下的滾滑磨損行為， 模擬試驗采用的試樣尺寸、 施加的載荷及轉速， 按照赫茲模擬準則［15］計算得出。 要確保模擬試驗條件下的輪軌接觸狀態與實際運行條件下相似， 則需要滿足以下2 個條件：

式中：σlab、σfield分別為試驗和實際運行條件下輪軌材料間最大接觸應力； （a／b）lab、 （a／b）field分別為試驗和實際運行條件下輪軌接觸斑長短軸的比值。

鋼軌試樣、 車輪試樣直徑均為60 mm， 根據模擬試驗準則可計算得到車輪試樣的軸向表面圓弧半徑R為21 mm， 輪軌試樣的結構尺寸如圖1 所示。

圖1 輪軌試樣尺寸示意Fig.1 Schematic of the dimensions of the wheel-rail sample

根據赫茲模擬準則［15］計算， 試驗所加載的垂向載荷為160、 223 N， 用來模擬10、 14 t 2 種不同的現場軸質量； 試驗所加載的模擬試驗轉速為379 r／min，模擬地鐵車輛在常用運行速度60 km／h 的工況； 設備主、 陪試軸轉動滑差率為5%， 試驗周期為1×105轉。

模擬試驗采用的輪軌試件選用實際運行線路中的CL60 車輪鋼材料和U75V 熱軋鋼軌材料， 同時選擇新型CL60 車輪鋼進行對比。 試驗分別將2 種CL60鋼車輪試樣與U75V 鋼軌試樣在160、 223 N 載荷下進行滾動-滑動試驗。 模擬試驗在干態常溫環境下進行， 試驗工況見表1。

表1 輪軌載荷模擬工況Table 1 Wheel-rail load simulation conditions

1.2 試驗材料及分析

1.2.1 新型CL60 鋼材料的制備

為改善原CL60 鋼材料的性能， 在材料中增加了Si、 Mn、 Cr 元素的含量， 降低了P、 S 的含量， 并添加了Mo、 V 等微量元素。 Cr 含量的提高， 既提升了車輪鋼的硬度， 又減少了車輪踏面在使用過程中產生的氧化物數量， 抑制了氧化磨損行為［16］， 增強了鋼材料的抗磨損性能， 且不會明顯降低其抗塑性變形能力。 V 元素的適量添加可以顯著增強鋼的屈服比， 降低其脫碳敏感性， 對于改善其冶金表面質量具有明顯的效果［17-18］。

在材料成分調整的基礎上， 對新型車輪材料的熱加工工藝進行了優化。 采用變冷速淬火、 水量精準控制、 脈沖式爐溫控制和分步淬火等工藝， 使得車輪組織耐磨性和整體力學性能更加均勻， 新型車輪鋼在力學性能上較原CL60 鋼有了較好的提升。

1.2.2 試驗材料分析

試驗前， 使用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液處理輪軌試樣， 采用TM-1000 掃描電子顯微鏡分析輪軌試樣微觀組織表面形貌， 如圖2 所示。 輪軌試樣的主要力學性能如表2 所示。

表2 模擬輪軌試樣主要力學性能Table 2 Main mechanical properties of simulated wheel-rail samples

圖2 輪軌試樣微觀組織形貌Fig.2 Microstructure and morphology of wheel-rail samples： （a） original CL60 steel wheel sample；（b） new CL60 steel wheel sample； （c） U75V rail sample

由圖2 可知， 車輪和鋼軌試樣材料組織均以細珠光體為主， 新型CL60 鋼材料中鐵素體（白色網狀物體）含量比原CL60 鋼材料低； 由表2 可知， 新型CL60 鋼材料的硬度較原CL60 鋼材料有一定程度的提升。

2 不同載荷下的摩擦磨損研究

為分析軸質量對輪軌材料損傷的影響， 在160、223 N 載荷工況下， 通過GPM-60 滾動接觸磨損試驗機對原CL60 鋼、 新型CL60 鋼車輪試樣與U75V 鋼軌試樣進行了磨損試驗， 模擬地鐵車輪在10、 14 t 軸質量下的磨損性能， 并分別從摩擦副磨損量、 磨損率、磨痕微觀形貌以及橫斷面塑性變形等方面分析軸質量對2 種輪軌材料損傷特性的影響。

2.1 磨損對比分析

2.1.1 磨損量對比分析

通過JA30003 精密電子天平對試驗前后的輪軌試樣進行稱量， 得到160、 223 N 載荷下原CL60 鋼車輪和新型CL60 鋼車輪試樣的磨損量， 分別與2 種車輪試樣對摩的軌試樣的磨損量， 以及2 種車輪及其對摩軌試樣總磨損量， 如圖3 所示。

圖3 不同載荷下2 種CL60 車輪-軌試樣磨損量對比Fig.3 Comparison of wear amount of two CL60 wheel-rail samples under different loads： （a） wear amount of the original CL60 steel wheel sample and rail sample； （b） wear amount of new CL60 steel wheel samples and rail samples； （c） total wear amount of the two wheel-rail samples

由圖3 可知：

（1） 隨著載荷的增加， 2 種車輪材料磨損均增大， 對摩的軌試樣磨損減輕； 2 種車輪材料和軌試樣總磨損量均有所增加。

（2） 在160 和223 N 載荷工況下， 與原CL60 鋼試樣比較， 新型CL60 鋼車輪試樣磨損量減小， 下降率分別為37.0%、 11.9%； 同時隨著輪試樣硬度的增加，對摩的軌試樣磨損增大， 增加率分別為5.7%和9.5%；輪軌總磨損量減小， 下降率分別為13.5%和2%。 可見， 在低載荷時， 新輪的磨損性能優勢更明顯。

2.1.2 磨損率對比分析

輪軌試樣磨損率的定義為輪軌試樣磨損量與輪軌試樣滾動距離的比值［19］。 圖4 所示為2 種車輪和軌試樣磨損率及輪軌試樣總磨損率在不同載荷下隨試驗循環次數的變化趨勢。 可知， 與原CL60 鋼試樣比較， 新型CL60 鋼車輪試樣在試驗周期內磨損率較小， 其對摩的軌試樣磨損率較大， 新型輪軌試樣總磨損率較小。

圖4 試樣磨損率隨循環次數變化Fig.4 Variation of wear rate of the samples with the number of cycles：（a） variation of wear rate of wheel samples with the number of cycles；（b） variation of wear rate of rail samples with the number of cycles；（c） variation of total wear rate of wheel-rail samples

2.2 塑性變形對比分析

利用金相顯微鏡對4 種工況下的輪軌摩擦副橫截面塑性變形進行了分析， 如圖5 所示。

圖5 不同載荷下車輪和軌試樣塑性變形Fig.5 Plastic deformation of wheel and rail samples under different loads： （a） original CL60 wheel （left） and U75V rail（right） at 160 N； （b） original CL60 wheel （left） and U75V rail （right） at 223 N； （c） new CL60 wheel （left）and U75V rail （right） at 160 N； （d） new CL60 wheel（left） and U75V rail （right） at 223 N

由圖5 可知：

（1） 2 種車輪試樣在不同載荷下的塑性變形厚度均較其對摩軌試樣小。

（2） 隨著載荷的增加， 2 種車輪試樣和軌試樣的塑性變形層均變厚。 當載荷由160 N 增加到223 N時， 原CL60 鋼的塑性變形層厚度由87.3 μm 增至126.7 μm， 新型CL60 鋼車輪試樣78.5 μm 增至100.6 μm， 增長率分別為45.1%和28.2%； 對摩軌試樣塑性變形層厚度分別增加了23.8%和20.3%。可見， 新型CL60 鋼車輪材料塑性變形厚度減少， 在160、 223 N 載荷下， 相比原CL60 鋼車輪分別下降了10.1%和20.6%， 而對摩的軌試樣塑性變形層厚度分別增加了6.7%和3.7%。

鋼軌滾動接觸過程中材料的塑性累積會在“棘輪效應” 作用機制下萌生滾動接觸疲勞裂紋， 受塑性變形層內材料微觀組織結構的拉伸、 變形、 位錯等影響， 已萌生的疲勞裂紋極易沿塑性流變方向延伸擴展， 試樣塑性變形的減弱能夠直接降低試樣滾動接觸疲勞裂紋的萌生和擴展。

2.3 表面形貌對比分析

利用TM-1000 掃描電子顯微鏡（SEM） 對4 種工況下的輪軌摩擦副磨痕表面微觀形貌進行了分析，如圖6 所示。

由圖6 可知， 車輪試樣表面損傷形貌主要為斜線狀的疲勞裂紋， 軌試樣表面布滿了大量的剝落層和少部分起皮。 造成表面損傷的原因主要在于： 輪軌試樣材料表面組織沿著滾動方向發生塑性變形， 這種塑性變形會隨著輪軌試樣周期性的滾動滑動加劇， 當車輪材料承受的接觸應力超過其屈服極限時， 試樣材料表層發生開裂， 并且由于較大的法向力和切向力會向材料深處擴展， 最終形成斜線狀疲勞裂紋。

相比原CL60 車輪材料， 新型CL60 材料車輪試樣疲勞裂紋略有改善， 對摩鋼軌試樣的起皮與塊狀剝落更為密集。 硬度較高的新型輪試樣抵抗塑性變形的能力更強， 其塑性變形的減弱對車輪試樣滾動接觸疲勞裂紋的萌生和擴展具有一定的改善作用， 而對摩的軌試樣剝落更為明顯， 這與其塑性變形層的增厚有關。

3 結論

在GPM-60 滾動接觸疲勞試驗機上研究不同載荷工況下CL60 鋼車輪材料與U75V 鋼軌材料的摩擦磨損行為， 對比分析2 種CL60 鋼車輪試樣的表面形貌以及塑性變形。 主要結論如下：

（1） 隨著載荷的增加， 2 種CL60 鋼車輪試樣的磨損量均增加， 與其對摩的軌試樣磨損量減小， 但輪軌總磨損量增大； 車輪試樣表面損傷形貌呈現斜線狀的疲勞裂紋， 鋼軌試樣表面出現剝落層和少部分起皮； 輪軌試樣的塑性變形層均變厚。

（2） 相比原CL60 鋼車輪， 在160 和223 N 載荷下， 新型CL60 鋼車輪試樣磨損量分別下降了37.0%和11.9%， 輪-軌總磨損量分別下降了13.5%和2%，新輪材料塑性變形層厚度分別減少了10.1%和20.6%。 在試驗周期內新輪磨損率和新輪-軌總磨損率均減小， 車輪試樣表面疲勞裂紋無明顯變化。

（3） 新型CL60 鋼車輪具有更好的抗磨損和抗塑性變形能力。