高速轮轨材料匹配的滚动接触磨损性能

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Rolling Contact W ear Properties of M atching of High-speedW heel/Rail M aterialsZENG Dongfang LU Liantao ZHANGYuanbin ZHANG JiwangZHU Minhao JIN Xuesong(State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 6 1 003 1)Abstract： In order to study the influence of matching of high-speed wheel/rail steels on the roling contact wear properties offrictional pairs of wheel/rail，three high-speed wheel steels which are respectively matched with rail steels and the wear rate of thesefrictional pairs is measured by using roling/sliding wear machine.The efects of chemical compositons of wheel steels on theirmechanical properties and the roiling contact wear of wheel/rail frictional pairs are investigated.The results show that the strengthand wear resistance of a modified wheel steel which increases carbon content based on conventional wheel steel is improved，whilethe ductility and toughness of which decreases.Th e strength and wear resistance of another modifed wheel steel whose alloy contentis appropriately adjusted based on conventional wheel steel is improved more efectively，witl almost unchanged ductility andtoughn ess.Th e wear resistance of wheel steels is not afected by strain hardening under roling/sliding conditions，while it isdominated by the pre-hardness of wheel steels.The wear rate of rail steel increases linearly with the hardn ess of the correspondingwheel steel rising。

Key words：Matching ofwheel/rail materials Carbon content Alloy content Mechanical properties Rolling contact wear0 前言轮轨磨耗受曲线半径、线路长度、轴重、列车运行环境和轮轨材料等众多因素影响，因此不同线路的轮轨接触损伤情况可能不同，适合不同线路的轮轨材料匹配也可能不同。通过试验手段研究不同国家科技支撑计划项1(2009BAG12A01-B10-1)、铁道部科技研究开发计划(2009J015)和高速铁路基础研究联合基金(U1134202)资助项目。

20121115收到初稿，20130416收到修改稿高速铁路轮轨材料匹配对轮轨摩擦副摩擦磨损性能的影响，可为高速铁路的轮轨选材提供科学依据。

高速车轮材料在使用过程中出现磨损速率偏高，导致车轮不圆度增大，车辆动力学性能下降，车轮镟修周期缩短等问题l J。季怀忠等j 研究了碳的质量分数对高速车轮用钢综合性能的影响，SINGH 等[4-5]研究了微合金化对车轮钢抗磨损性能的影响。上述研究表明：通过增加碳的质量分数或调整合金成分的质量分数均可提高车轮耐磨性。这两种方法都可制备出满足高速车轮技术标准的车轮186 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 13期l 车轮材料 6102样车轮材料 6153 车轮材料 650ER7 >/520ER8 />540ER9 t>58019.519.O22.5>/14t>13/>1258.555.O56.5257265270>/245i>245>/25533.028.730.0>/17/>17≥13l3-313.816.1>/10≥10/>82.3 摩擦磨损性能经约 40 000次循环后，各摩擦副达到了稳定的磨损状态。此时各摩擦副的黏着系数维持在 0.52～0.54，材料成分的差异基本不影响轮轨试样摩擦副的粘着系数。各摩擦副在稳定磨损阶段的磨损速率如表 4所示。对于同种车轮材料，轮辋表层试样的磨损率均低于内部试样的磨损率，轮辋表层试样对应的钢轨试样的磨损率明显高于内部试样对应的钢轨试样的磨损率。1≠车轮试样的磨损率最高，2≠车轮试样的磨损率居中，3≠车轮试样的磨损率最低；与 l≠车轮试样匹配的钢轨试样的磨损率最低，与 2≠车轮试样匹配的钢轨试样的磨损率居中，与 3≠车轮试样匹配的钢轨试样的磨损率最高。虽然车轮试样或钢轨试样的磨损速率明显不同，但是轮轨试样磨损速率之和没有明显差异。

表 4 各摩擦副的磨损率 p，g]m2.4 试验后车轮试样的显微硬度和组织磨损时接触面附近材料的应变硬化导致了图 5所示的硬度梯度。最靠近接触面的材料硬化程度最高，随着深度的增加，硬化程度逐渐降低直至接近于基体硬度。轮辋表层试样 I#-A、2#-A和 3#-A的硬化层深度分别为 100 m、110 Ixm和 60 m，接触面硬度上升的百分比分别为33.3%，35.7%和21.2%，接触面附近的硬度值相近；轮辋内部试样 I#-D、2#-D和 3#-D的硬化层深度分别为 160 gm、140岬 和 90 gm，接触面附近硬度上升的百分比分别为29.8%，27%和 21%，接触面附近的硬度值相近。硬度最低的 1≠车轮材料硬化程度最高，硬度最高的2≠车轮材料硬化程度最低，3≠车轮材料的硬化程度居中∩见硬度越低的车轮材料硬化程度越高。

答0> 魁器深度 d/p.m图 5 试验后磨损面以下材料显微硬度测试结果试验后各车轮试样纵向剖面的表面显微组织如图 6所示。各车轮试样表层均发生明显的塑性流动，塑性流动方向与切向力方向相同】近接触面的珠光体和先共析铁素体组织在接触应力和切向力的作用下逐渐发展为片状组织，越靠近接触面的位置，片状组织与接触面的夹角越小，材料的塑性流动程度越明显。除 3#-A车轮试样外，其他车轮试样均出现深浅不-的表面裂纹，裂纹萌生于发生高度变形的先共析铁素体组织，并沿着材料塑性流动的方向发展▲而形成图6d所示的舌状形貌，舌状形貌进-步发生变形直至韧性被耗尽，从试样表面脱落，形成磨屑。

O O 5 5 5讲 -188 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 13期析铁素体形成强烈的固溶强化作用 ，使其强度大于 1#-.4试样中的先共析铁素体组织，因此3#-D车轮试样的耐磨性好于 1j! 车轮试样。

墨鑫墩显微硬度 H/HV0 3图7 轮轨试样磨损率随对应车轮试样显微硬度的变化BOLTON等Il 根据磨损面形貌、剖面组织和磨损规律等将轮轨磨损分为I.II型，其中I型磨损的特征是磨损面有较大的片状金属形成，轮轨试样接触面附近发生严重塑性变形，且同-试样变形层的深度相同。其磨损规律：轮轨摩擦副的磨损率之和只与垂向载荷有关，而与轮轨材料的组合情况无关。

本试验观察到的试验现象符合I型磨损的特征，因此其磨损率也遵循I型磨损的规律，即车轮材料成分的变化对轮轨材料磨损率之和没有影响。BOLTON和CLAYTON的磨损模型与经典的ARCHARD磨损模型是两种常用的轮轨磨耗计算模型L1 HJ，两种模型都认为轮轨材料的磨损率与垂向载荷、材料本身硬度和轮轨间的相对滑动速度等因素有关。本试验发现，在钢轨试样硬度相同的情况下，车轮试样的磨损率随本身硬度上升而下降，这符合以上两种磨损模型的特征。但是本试验还发现，车轮材料的组织也会对其磨损率产生影响。以上两个磨损模型均没有考虑到车轮试样(钢轨试样)的硬度对钢轨试样(车轮试样)磨损率的影响。但是本试验发现钢轨试样磨损率随着车轮试样硬度的增加近似呈线性增加的趋势，如图 7所示。文献[15]也获得与本文相似的试验结果，可见钢轨试样磨损率随对应车轮试样硬度的增加而增加，且近似呈线性关系。

3.3 应变硬化对车轮材料滚动接触磨损性能的影响从图 5可看出，在滚滑条件下，硬度越低的车轮材料应变硬化程度越明显，初始硬度不同的车轮材料发生应变硬化后的表面材料硬度基本相同。但是初始硬度较低的车轮材料的磨损速率依然高于初始硬度较高的车轮材料，车轮材料的抗磨损性能不受应变硬化程度高低的影响。从图6可看出，当表面材料在切向力作用下发生的累积塑性变形超过变形极限时，材料发生磨损。因此，材料的抗磨损性能的高低撒于材料抗塑性变形能力。但是在滚滑条件下，材料的硬化是其塑性应变的体现，其硬化程度的提高不能阻止切向力方向上的塑性流动。因此在滚滑条件下，车轮材料应变硬化程度的高低不影响其抗磨损性能。

轮轨滚动接触磨损是-个复杂的问题，不同线路的轮轨接触损伤情况可能不同，适合不同线路的轮轨材料匹配也可能不同。本试验测试了三种高速车轮材料的综合力学性能，分析了轮轨材料匹配对轮轨摩擦副摩擦磨损性能的影响，可为高速线路轮轨匹配选材提供科学依据。为了解决目前动车车轮磨损率过高的问题和避免钢轨出现接触疲劳损伤，动车组车轮可考虑选用耐磨性较好的 2j!或 3群改进型高速车轮材料。

4 结论(1)在常规的高速车轮材料中提高碳的质量分数能提高材料强度和抗磨损性能，但材料塑韧性下降；在常规的高速车轮材料中适当地增加 Si和 Mn的质量分数，降低 Cr的质量分数能更大幅度地提高材料强度和抗磨损性能，同时保持材料塑韧性基本不变。

(2)滚滑条件下，车轮材料应变硬化程度的高低不影响车轮材料的抗磨损性能，试验前车轮材料初始硬度的高低是决定其抗磨损性能的主要因素。

(3)钢轨材料的磨损率随对应车轮硬度的增加而增加，且近似呈线性关系。