晶粒度等級對高鐵車輪鋼滾動摩擦磨損性能的影響

歐陽愛國, 余 斌, 胡 軍, 劉燕德

(華東交通大學 機電與車輛工程學院, 江西 南昌 330013)

近年來,高速鐵路以其快速便捷、舒適高效等優點,在我國取得了日新月異的發展,逐漸形成了以“四縱四橫”為基礎,“八縱八橫”為目標的高速鐵路網[1-3]。截至2021年底,我國高速鐵路運營里程突破4萬公里,穩居世界第一,預計到2030年,我國高鐵里程將達到4.5萬公里[4-5]。隨著國內高速列車的快速發展,運營速度不斷提升,車輪和鋼軌的服役環境不斷發生惡化,使得輪軌間損傷問題也越趨嚴重,以磨損和滾動接觸疲勞為主的車輪損傷問題日益突出[6-7]。

晶粒度作為影響車輪性能的重要參數之一,直接影響著材料的力學性能和磨損性能,晶粒細化不僅可以提高車輪材料的強度,而且可以提高車輪材料的塑性和韌性[8-9]。張好強等[10]使用了不同WC-Co基硬質合金刀具對不銹鋼進行干式切削,分析了不同WC晶粒尺寸刀具的磨損機理,表明WC晶粒尺寸越細小,材料的耐磨性越好,切削過程中磨損速度越慢,材料的磨損量越小。韓忠立[11]研究了不同晶粒尺寸的690合金管試樣的微動磨損性能,結果表明,晶粒尺寸越大,材料的磨損體積也越大,磨痕深度相應的也更深。蔣拓等[12]研究了不同表面晶粒尺寸的TB11合金耐磨性之間的關系,表明TB11合金表面晶粒尺寸越小,耐磨性越強。邱應堃等[13]研究晶粒尺寸對等原子比CoCrNi中熵合金摩擦磨損的影響,結果表明,試樣晶粒尺寸越小,摩擦因數、磨損率和磨損體積越低,摩擦磨損性能越好。以上研究結果表明,晶粒細化以及減小晶粒尺寸分布能夠有效地提高材料的摩擦學性能。目前,晶粒度對高鐵車輪鋼滾動摩擦磨損性能影響的相關研究還未見文獻報道?？紤]到不同晶粒度對車輪材料摩擦學性能的影響,本研究以高鐵車輪鋼為研究對象,通過試驗對比研究不同晶粒度試樣滾動摩擦磨損規律及其磨損機理,采用掃描電鏡觀察試樣磨損的表面樣貌,分析不同晶粒度試樣的摩擦磨損性能差異。

1 試驗材料與方法

試驗材料選用我國高速列車廣泛使用的ER8車輪鋼和U75VG鋼軌鋼作為研究對象,其化學成分如表1所示。輪軌試樣材料的直徑均為φ60 mm。

表1 試驗鋼的主要化學成分(質量分數,%)

將原始ER8鋼試樣在SK-G08123K的管式爐中進行875 ℃×1.5 h正火,空冷至室溫后再進行900 ℃×1.5 h淬火,水冷至室溫,記為1號試樣;將未做熱處理的原始ER8鋼試樣記為2號試樣。將原始ER8鋼試樣在管式爐中進行875 ℃×1.5 h正火,空冷至室溫后再進行810 ℃×1.5 h淬火,水冷至室溫,記為3號試樣。取3種工藝的金相試樣,用磨盤從60目研磨到2000目(間隔約400目),然后用3 μm金剛石懸濁液拋光至鏡面,之后使用無水乙醇清洗以去除表面氧化層,再用10%(體積分數)硝酸酒精溶液進行浸蝕,最后用流水沖洗、無水乙醇清洗,吹干在光學顯微鏡下使觀察顯微組織,并用Leica LAS4.12軟件進行晶粒度統計,使用面積法對晶粒的平均直徑進行測量,得出1、2和3號試樣的晶粒度等級分別為9.5級、10.0級和11.0級。表2為3種試樣對應的熱處理工藝及晶粒度等級,圖1為3種不同晶粒度等級試樣的顯微組織。

圖1 ER8車輪鋼不同晶粒度試樣的顯微組織(a)1號,9.5級;(b)2號,10.0級;(c)3號,11.0級Fig.1 Microstructure of the ER8 wheel steel specimens with different grain size grades(a) specimen 1, grade 9.5; (b) specimen 2, grade 10.0; (c) specimen 3, grade 11.0

表2 ER8車輪鋼不同熱處理工藝下的晶粒度

取3種工藝的磨損試樣,先經800目磨盤研磨,經超聲波清洗10 min后采用GPM-30型輪軌滾動接觸疲勞試驗機進行磨損試驗,試驗采用雙輪對滾接觸方式,主試樣為ER8車輪鋼,副試樣為U75VG鋼軌鋼,試樣的裝配如圖2所示。輪軌滾動接觸試驗模擬實際情況下磨耗踏面車輪在16 t軸重列車在線運行情況,根據赫茲接觸理論[14-15],輪軌間的接觸應力為557.2 MPa,試驗力為1380 N,主試樣的轉速為800 r/min,摩擦時間為30 min。試驗在干摩擦狀態下進行,滑差率為0.5%。

圖2 滾動磨損試驗試樣裝配圖Fig.2 Assembly diagram of rolling wear test specimen

試驗前后均采用無水乙醇對磨損試樣進行超聲波清洗,烘干后使用精度為0.01 g的精密電子天平稱取試樣質量,每個試樣分別稱量3次,取平均值,并計算磨損質量損失。再根據式(1)計算質量磨損率,衡量試樣的耐磨性。磨損試驗過程中摩擦因數由試驗機實時記錄并保存。試驗結束后采用SU8010場發射掃描電鏡(SEM)觀察不同晶粒度等級試樣的磨損表面形貌。

(1)

式中:λ為磨損率,g/m;m為磨損前后的質量差,g;r為輪軌接觸半徑,m;n為旋轉角速度,r/min;t為磨損試驗時長,min。

2 試驗結果與討論

2.1 摩擦因數和磨損率

ER8鋼不同晶粒度等級試樣的穩態平均摩擦因數和磨損率如圖3所示,由圖3可以看出,晶粒度9.5級的試樣在穩定磨損階段的平均摩擦因數最高,為0.35,晶粒度10.0級的試樣在穩定磨損階段的平均摩擦因數為0.26,而晶粒度11.0級的試樣在穩定磨損階段的平均摩擦因數最低,為0.19。結果表明,試樣晶粒度等級越高,其相應的穩態平均摩擦因數越小。摩擦因數作為表征磨損行為的指標,可以反映接觸面的摩擦狀態[16]。一般而言,磨損程度越嚴重的試樣其摩擦因數越高,抗磨損能力越弱,因此11.0級晶粒度試樣的耐磨性能最好。

圖3 ER8鋼不同晶粒度試樣的穩態平均摩擦因數和磨損率Fig.3 Steady state average friction factor and wear rate of the ER8 steel specimens with different grain size grades

由圖3還可以看出,晶粒度9.5級的試樣磨損率為4.421×10-5g/m,而晶粒度10.0級、11.0級試樣的磨損率分別為1.326×10-5和0.663×10-5g/m,分別相較于9.5級晶粒度試樣的磨損率降低了70.0%和85.0%。試樣晶粒度等級越高,其對應的晶粒尺寸越小。由此可知,晶粒尺寸會影響材料的磨損率,在相同試驗條件下,試樣磨損率隨晶粒尺寸發生顯著變化,試樣晶粒尺寸越大,其相應的磨損率越高,耐磨性越差,因此同樣可得11.0級晶粒度試樣的耐磨性能最好。

2.2 磨損形貌

圖4和表3為ER8鋼不同晶粒度等級試樣的表面磨損形貌和EDS分析結果。由圖4(a～c)可以看出,晶粒度9.5級試樣表面的磨損程度最為嚴重,表面有大面積剝落產生,由于試樣在磨損過程中表面產生的剝落較多,磨損量大,因此很容易造成大面積的剝落損傷。隨著晶粒度等級的變高,試樣表面的磨損程度也相應地減弱,觀察發現晶粒度10.0級、11.0級試樣雖然均存在不同程度的剝落,但相較于晶粒度9.5級試樣來說剝落較少。由圖4(d～f) 可以看出,3種試樣表面均存在塊狀粘著物(點1、3、5),對比其EDS分析結果可以發現,均有氧元素存在。根據試樣表面平整處(點2、4、6)與塊狀粘著物處的EDS分析結果可以發現,塊狀粘著物處的氧元素含量明顯較高,表明試樣表面產生了大量的氧化物,并且晶粒度11.0級試樣表面平整處和塊狀粘著物處的氧含量均高于晶粒度9.5級和10.0級試樣,表明晶粒度11.0級試樣表面氧化嚴重,氧化磨損程度進一步提高,試樣表面形成了一定厚度的氧化層。

圖4 ER8鋼不同晶粒度試樣的表面磨損樣貌(a,d)1號,9.5級;(b,e)2號,10.0級;(c,f)3號,11.0級Fig.4 Surface wear morphologies of the ER8 steel specimens with different grain size grades(a,d) specimen 1,grade 9.5; (b,e) specimen 2,grade 10.0; (c,f) specimen 3,grade 11.0

表3 圖4中不同位置的EDS分析結果(質量分數,%)

3種不同晶粒度等級試樣經過反復的滾動磨損后,9.5級晶粒度試樣的磨損程度最為嚴重,產生的剝落最多,表面有大面積的剝落損傷,相應的磨損率最高,這一結果與圖3中3種不同晶粒度等級試樣磨損率結果相對應。另外,11.0級晶粒度試樣磨損后表面氧化嚴重,試樣表面產生了大量的氧化物,氧化物在磨損過程中起到減磨的作用,因此11.0級晶粒度試樣的摩擦因數最小,這一結果與圖3中3種不同晶粒度等級試樣的摩擦因數結果相對應。

試樣晶粒度等級越低,其晶格尺寸越大,晶界占據的面積越小,粗晶粒中由于晶界密度的減小,產生的氧化膜相較細晶粒而言更加脆弱,因此細晶粒產生的氧化膜可以更好的保護試樣,使得試樣的穩態平均摩擦因數和磨損率均有所降低,晶粒細化后試樣的耐磨性顯著改善,其磨損性能也得到了提升。

3 結論

1) 在相同滾動摩擦磨損試驗條件下,ER8鋼試樣的晶粒度等級越高,其穩態平均摩擦因數越小,磨損率也越低。晶粒度11.0級試樣的穩態平均摩擦因數為0.19,磨損率為0.663×10-5g/m,而晶粒度10.0級、9.5級試樣的穩定平均摩擦因數分別為0.26、0.35,磨損率分別為4.421×10-5、1.326×10-5g/m。晶粒度10.0級、11.0級試樣的磨損率分別相較于晶粒度9.5級試樣降低了70.0%和85.0%。

2) 晶粒度9.5級試樣表面的磨損程度最為嚴重,表面有大面積的剝落產生,而晶粒度11.0級試樣磨損后表面氧化嚴重,剝落較少,且試樣表面產生的大量氧化物在磨損過程中起到減磨的作用,摩擦因數較小。