車輪沖擊韌性關鍵影響因素研究

魏 天，國新春，陶盈龍，寧 珅，華 磊，劉海波，楊曉東

（寶武集團馬鋼交材科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

車輪是火車的重要走行部件，客戶出于車輛的安全性能考慮，要求車輪必須具有良好耐磨性，同時，兼顧良好穩(wěn)定的沖擊韌性。沖擊韌度反映了材料在高速沖擊載荷作用下抵抗斷裂的能力，是材料重要的力學性能參數(shù)之一。因此，沖擊韌度也是評價車輪鋼性能的重要指標之一。影響材料沖擊韌度的因素有很多，主要有晶粒尺寸、夾雜物以及熱處理狀態(tài)等。但不同的材料由于斷裂模式的不同，影響沖擊韌度的主要因素也有所不同[1-4]。發(fā)現(xiàn)影響車輪沖擊韌性規(guī)律，可為后期改善車輪沖擊韌性研究工作提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗方法

試驗用機車車輪材料為EN 13262《鐵路應用—輪對和轉向架—車輪—產(chǎn)品要求》中ER9 牌號，其中：C、Si、Mn、P、S和Cr元素的質量分數(shù)分別為0.58%、0.30%、0.78%、0.006%、0.003%和0.24%，還有微量N、Ti 元素，其余為Fe 元素。車輪鋼經(jīng)切錠、加熱、軋制熱處理后，試制成Φ920 mm 尺寸車輪。從熱處理態(tài)車輪輪輞上利用線切割技術取夏比V 型缺口沖擊試樣，使所用沖擊試樣缺口位置和方向一致。按照GB/T 229《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》在ZBC 1501-BZ 沖擊試驗機上進行沖擊試驗，沖擊能量為50 J。對斷裂后的所有沖擊試樣在Zeiss-DVO18 掃描電子顯微鏡上進行斷口形貌觀察，在Axioskop 2 MAT顯微鏡下進行金相和夾雜觀察。

2 車輪沖擊韌性關鍵影響因素

2.1 斷口組織對沖擊韌性的影響

一般來說，沖擊試樣纖維區(qū)尺寸相對較寬，且韌窩較深，說明裂紋啟裂（萌生）吸收功較高。韌帶尺寸相對較窄且韌窩較淺，其裂紋啟裂功較小。對于中碳鋼-20 ℃KV2 沖擊試驗，裂紋啟裂功占沖擊吸收功的主要部分,其纖維區(qū)的形態(tài)決定了沖擊功的大小。從以上試樣中纖維區(qū)寬度、韌窩形態(tài)與沖擊性能的對應關系（見表1）來看，也正好符合這一觀點。從組織檢驗結果來看，鐵素體含量和組織的均勻性均對沖擊性能產(chǎn)生影響。鐵素體含量多，則沖擊性能高，鐵素體含量低，則沖擊性能也低。對于鐵素體含量相差不多的試樣，如果組織均勻性好，則沖擊性能稍高；如果組織不均勻，則沖擊性能有所下降。

表1 試樣中纖維區(qū)寬度、韌窩形態(tài)與沖擊性能的對應關系

2.2 TiN 夾雜對沖擊韌性的影響

針對同鋼種車輪試樣分別為12.1 J、9.3 J、6.0 J 和5.2 J 的沖擊結果進行TiN 夾雜檢驗，如圖9～圖12所示。12.1 J 沖擊試樣發(fā)現(xiàn)2 粒TiN 夾雜。9.3 J 沖擊試樣發(fā)現(xiàn)5 粒TiN 夾雜。6.0 J 沖擊試樣TiN 夾雜數(shù)量較多，呈現(xiàn)彌散分布，尺寸偏小。5.2 J 沖擊試樣TiN 夾雜數(shù)量較多，呈現(xiàn)彌散分布，尺寸偏大且存在條鏈狀分布。沖擊性能高的試樣，TiN 夾雜的數(shù)量相對較少。沖擊性能低的試樣，TiN 夾雜的數(shù)量相對較多。取樣車輪鋼中w（N）為0.004%左右，Ti 是強氮化物形成元素，奪走鋼中的N，使析出的AlN 減少，釘軋晶粒的作用減弱，造成鋼的晶粒粗化溫度降低到車輪實際熱處理加熱溫度以下，導致晶粒異常長大，從而降低了低溫韌性。

圖1 22.0 J 試樣沖擊斷口100×

圖2 22.0 J 試樣組織500×

圖3 12.1 J 試樣沖擊斷口100×

圖4 12.1 J 試樣組織500×

圖5 9.3 J 試樣沖擊斷口100×

圖6 9.3 J 試樣組織500×

圖7 6.0 J 試樣沖擊斷口100×

圖8 6.0 J 試樣組織500×

圖9 12.1 J 夾雜檢驗

圖10 9.3 J 夾雜檢驗

圖11 6.0 J 夾雜檢驗

圖12 5.2 J 夾雜檢驗

2.3 晶粒度對沖擊韌性的影響

車輪的熱處理方式為整體加熱＋踏面連續(xù)淬火＋整體回火。車輪分別以900 ℃、870 ℃和840 ℃整體加熱后，在輪輞中心部位取樣。然后，利用線切割制作V 型缺口，所有試樣缺口位置和方向一致。按照GB/T 229—1994 在JB-300B 沖擊試驗機上進行室溫沖擊試驗，沖擊能量為150 J，沖擊速率為5.2 m/s。斷裂后的沖擊試樣在Zeiss-DVO18 掃描電子顯微鏡（SEM）內進行斷口觀察。在不同溫度正火處理及沖擊功的沖擊試樣上取金相試樣，磨制、拋光后，用3%（體積分數(shù)）硝酸酒精溶液侵蝕。在光學顯微鏡下進行顯微組織觀察，并根據(jù)GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》進行晶粒度評定。900 ℃淬火加熱處理試樣的晶粒較為粗大，平均晶粒直徑為31.3 μm。經(jīng)過870 ℃、840 ℃淬火加熱處理的試樣，晶粒明顯細化和均勻化，平均晶粒直徑分別為21.4 μm、13.6 μm。900 ℃淬火加熱處理試樣的沖擊韌度最差，沖擊功分布于16～24 J，8 個試樣的平均值為18.9 J。870 ℃淬火加熱試樣的沖擊功分布于22～28 J，8 個試樣的平均值為24.3 J。850 ℃淬火加熱處理試樣的沖擊功分布于27～33 J，8 個試樣的平均值為30.5 J。

3 結語

從試樣中纖維區(qū)寬度、韌窩形態(tài)與沖擊性能的對應關系來看，沖擊試樣纖維區(qū)尺寸相對較寬且韌窩較深的試樣，沖擊功較高。而纖維區(qū)尺寸相對較窄且韌窩較淺的試樣，沖擊功較低。同鋼種試樣中，沖擊功大小均符合此規(guī)律，說明試驗結果是準確的。同鋼種試樣中，沖擊大小與組織狀態(tài)有關，并符合以下規(guī)律：

1）鐵素體含量高的試樣沖擊功較高，鐵素體含量低的試樣沖擊功較低。

2）鐵素體含量基本相同的情況下，組織均勻性及晶粒尺寸對沖擊性能產(chǎn)生明顯影響，組織不均勻試樣和晶粒較大的試樣，沖擊功明顯下降。