隨著我國鐵路提速戰略的不斷實施，高速鐵路的建設正在積極籌劃和建設之中。高速車輪作為高速列車的重要零部件，起著支撐整個列車的重量，并把驅動力和制動力傳遞給鋼軌的作用，其使用質量直接關系著列車的運行安全和旅客生命財產的安全。為使車輪有良好的使用性能，研究人員對高速車輪材料進行了大量的研究，對碳的質量分數在0.4％～0.7％之間的碳素車輪鋼的研究結果證明，碳的質量分數為0.5％左右的中碳車輪鋼可以獲得較好的綜合性能。但是，僅僅靠調整碳含量很難優化車輪鋼材料的綜合性能，無法滿足高速列車車輪用鋼的要求。在確定降低碳含量、提高鐵素體珠光體向奧氏體相變時的臨界溫度的原則下，還需要采用合適的合金化手段，進一步改善車輪鋼的性能匹配，使車輪更安全有效地服役于鐵路系統。硅、錳是產生固溶強化作用最顯著的合金元素，在車輪鋼中應該保持一定的含量，使鋼的硬度提高。某車輪廠已有的經驗證明，硅和錳的質量分數分別為0.3％和0.7％左右時可以使車輪鋼的強度和硬度顯著提高而韌性沒有明顯的下降。但是，僅以目前的碳、硅、錳元素配比生產的實物車輪在實際運行中仍然暴露出了強度和硬度偏低，耐磨性和抗接觸疲勞性能較差的問題。因此，在成分設計方面，添加微合金元素就成為對高速車輪用鋼進一步強化的主要手段，筆者研究了微合金元素鉻對高速車輪鋼顯微組織和力學性能的影響。 9 H) @ Y' J, R* L+ P* x' w
1 實驗材料和方法 ; S D0 g8 U; R6 r0 G" ^: ~: P
設計并生產兩爐車輪鋼連鑄圓坯，其化學成分(質量分數)見表1。由于車輪采用的是強制性標準，鉻的質量分數要求≤0.30％，所以含鉻試驗鋼鉻的質量分數按0.15％～0.30％設計，含鉻試驗車輪中鉻的質量分數為0.23％，兩爐鋼其它元素的含量基本相同。為使試驗結果對實際生產有更好的指導性，試驗車輪的生產完全采用與正常車輪生產相同的工藝，即95t轉爐冶煉→LF精煉→VD合金微調→圓坯連鑄→鍛壓軋制→等溫→淬火加熱→淬火→回火→機加工→成品檢驗。 9 j! Y) @9 Y/ ^1 b4 d% H! k
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表1 試驗車輪鋼成品的化學成分 %
5 \9 A% `4 D" Z2 D! s2 u: P$ h- s試驗鋼號 C Si Mn S P Cr O N
% u+ W4 t( j. T: k2 E' |1 0.51 0.33 0.72 0.006 0.015 0.23 0.0024 0.0060
4 h( X- _8 P- R7 q9 }# d2 0.50 0.32 0.72 0.008 0.015 - 0.0018 0.0062
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對成品車輪按照標準取樣，進行拉伸和沖擊實驗等基本力學性能測試。并用光學顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡進行樣品的顯微組織和精細結構觀察，并進行硬度分析。為了解鉻在車輪鋼中的分布情況，對鋼中的滲碳體進行化學相分析。
3 y5 r( `4 e3 z2 實驗結果 3 V0 p, Q) i( ?/ Z4 h( u
2.1 基本力學性能
3 o: X" m) f( l, C: C; G# d對試驗車輪的輪輞進行了常規力學性能試驗，表2和圖1分別是試驗車輪輪輞的拉伸性能、硬度和沖擊性能。從實驗結果可看出，無鉻鋼的強度和硬度都較低，僅為847MPa和HB246，略超過文獻規定的下限指標。和無鉻車輪鋼相比，含鉻車輪鋼材料的強度和硬度有了明顯的提高，增量分別為50MPa和HB15。尤其是距輪輞表面35mm處的硬度在加鉻后有了顯著的提高。還應看到，含鉻鋼的塑性稍有下降，但仍然遠遠超過規定的下限水平。沖擊實驗的結果顯示，加鉻后對沖擊性能有一定的影響，但影響不是太大。
8 B) P a" ^7 R# I! n表2 試驗車輪輪輞的常規力學性能 3 |3 t0 R9 E. N m7 ~) J+ ?' W
試驗車輪 試驗溫度/℃ σb/MPa σ0.2/MPa δ/% Ψ/% 踏面下35㎜處斷面的硬度(HB)
7 ?9 ]5 i0 T' ^+ u- k8 v9 z含鉻鋼 21.5 900 570 16.5 45.5 261
) T4 G! W* |- \% T% d% Q無鉻鋼 21.5 847 525 18.0 54.0 246
, ]) h% E6 J! g6 k4 o6 z# I' L, W3 a
) ^ _! {5 j1 H* I. J+ R8 p3 H/ J, ^- a# W3 a. c
7 i: @& ]5 ?7 @# |4 m6 N圖1 試驗車輪輪輞的沖擊曲線(V形缺口試樣) # z$ [2 M) e* m6 U
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2.2 顯微組織 5 E' V& ?" |- M; H1 u9 k/ r# D
含鉻車輪鋼和無鉻車輪鋼輪輞經熱處理(淬火+回火)后的顯微組織如圖2所示。從圖中可看出，兩種鋼的顯微組織主要是珠光體，含鉻鋼的先共析鐵素體比無鉻鋼略少。另外，含鉻鋼的顯微組織比無鉻鋼的細小，顯示出加鉻對車輪鋼的組織細化有一定的作用。
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( t/ F/ G; O. U: ?4 y3 k(a)含鉻鋼；(b)無鉻鋼 / Z2 L2 P- T5 ^
圖2 輪輞經淬火+回火處理后的顯微組織 5 K- [# L, ] A4 [
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車輪鋼屬于鐵素體-珠光體型中高碳鋼，其性能取決于鐵素體和珠光體組織各自的體積分數、形態和分布狀況。其中珠光體組織的體積分數占80％以上，其組織形態和分布對鋼的性能有很大的影響。珠光體片層間距的大小，決定了珠光體組織性能的優劣，是車輪鋼材料的一個非常重要的材料參數。影響珠光體片層間距大小的因素主要有轉變溫度和合金元素的含量等。進一步的TEM觀察可以發現，加鉻使珠光體的片層間距減小，使組織得到進一步細化，如圖3所示。加鉻提高鐵在γ相中的自擴散激活能，降低奧氏體轉變為鐵素體和珠光體的形核和長大速度，因而使珠光體的轉變溫度降低，珠光體的片層間距減小。 7 g$ e/ n/ r5 @4 Z6 A7 B8 I
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(a)含鉻車輪鋼； (b)無鉻車輪鋼 2 j |# |( B, }) a- x
圖3 含鉻車輪鋼和無鉻車輪鋼的珠光體組織(TEM)
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為了驗證加鉻對細化車輪鋼珠光體片層間距的效果，并定量估算含鉻車輪鋼和無鉻車輪鋼珠光體的表觀片層間距，在掃描電鏡下以1～2萬的倍數觀察珠光體，對珠光體片層間距進行大量的數據統計，結果示于圖4(圖中橫軸采用片層間距的倒數來表征，以求更接近珠光體的本征參數)?？梢钥闯觯t鋼出現概率峰的片層間距為270～300nm，概率峰值約為0.4，而無鉻鋼出現概率峰的片層間距為330～380nm，概率峰值約為0.3。另外，含鉻車輪鋼的片層間距分布總體向片層間距減小的方向偏移。數據統計的結果說明，加鉻使車輪鋼的珠光體組織產生細化效果，片層間距減小。 ! M7 u! O4 z) T6 T( C
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. g" j! i1 ~6 {9 X圖4 含鉻鋼和無鉻鋼珠光體片層間距的統計分布圖 ; R$ m( `4 H: W+ u
0 }+ A- H% V3 ]$ Q/ }0 x3 H- o另外，通過化學相分析研究了含鉻試驗車輪鋼中的碳化物，結果顯示，碳化物全部都由滲碳體構成。定量分析發現，滲碳體中溶解有合金元素錳和鉻，其組成是(Fe0.981C0.006Mn0.013)3C，滲碳體中鉻的含量是基體含量的3倍。滲碳體中溶解有鉻等合金元素，使合金滲碳體相更穩定，在奧氏體化過程中滲碳體的溶解速率降低。在高速列車的服役過程中，由于剎車產生摩擦熱，導致車輪表面急劇升溫，甚至達到奧氏體相變溫度，但是這一過程是很短暫的，如果車輪鋼的原始組織中滲碳體相更穩定，將在一定程度上延緩原始組織向奧氏體轉變的速率，從而降低在隨后快冷過程中形成馬氏體的可能。因此，在車輪鋼中加入適量的鉻在一定程度上有助于提高車輪鋼的抗剝離性能。 $ E# t+ f7 \& Z, }
2.3 含鉻車輪鋼的性能分析 9 ?! P k' U5 q+ ?
高速車輪在實際運行中由于輪軌接觸面在接觸應力的作用下導致踏面表層金屬塑性變形并引發疲勞裂紋的萌生和發展，產生接觸疲勞損傷，結合以前對鐵路提速車輪(型號為KKD、HDS)失效原因的研究分析結果可知，硬度偏低的車輪發生接觸疲勞剝離的可能性較大，車輪的磨耗速度也較快。反之，強度和硬度較高的車輪抗接觸疲勞性能和耐磨性較好。然而，實驗證明，單純增加碳含量來提高車輪的強度和硬度不僅不能提高車輪的服役能力，而且因為顯著降低鋼的韌塑性而使車輪的綜合性能下降。合理的做法是，添加適量的微合金元素，在基本不降低車輪韌性的前提下增加強度和硬度。本研究在鋼中加入少量的鉻，從而提高了車輪的耐磨性和抗接觸疲勞性能。
: o9 U; X; k* V; y$ P含鉻試驗車輪鋼材料中鉻的添加在鋼中產生固溶強化，其強化效果僅次于硅、錳，而韌性又沒有明顯降低，而且鉻能夠細化珠光體的片層間距。用顯微硬度計和掃描電鏡，研究了車輪鋼珠光體組織片層間距和顯微硬度的關系，數據的統計結果示于圖5。結果顯示，含鉻鋼的珠光體片層越細，珠光體的顯微硬度越高。對于本研究中的車輪鋼，兩者間的定量關系為H=15.9×1/s+187，式中H為珠光體的顯微硬度(HV)，s為珠光體的片層間距。結合圖4對片層間距的統計數據，含鉻和無鉻兩種鋼的珠光體組織的平均硬度約為HV280和HV268，考慮兩種鋼中少量鐵素體還對硬度有稀釋作用，說明以上硬度的計算值和表2給出的硬度的實測值吻合較好。
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圖5 車輪鋼中珠光體的顯微硬度與片層間距的關系 ) s6 n; P, L! M' d
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高速車輪在運行過程中還存在的另一種重要的失效形式是摩擦熱導致相變而產生的踏面剝離，即列車在剎車、轉彎時，輪軌間的相對滑動引起摩擦熱，經過急劇的升溫和降溫過程，輪輞表面形成相變馬氏體薄層，在接觸應力的作用下，在馬氏體薄層的尖端發生裂紋的萌生并擴展，最終導致局部區域小塊金屬的脫落?？傮w來說，產生這種剝離的機制比較復雜，從根本上解決此問題應從提高奧氏體化溫度、延緩奧氏體相變、提高珠光體和貝氏體相變的上限冷速促使冷卻產生非馬氏體相變等人手。蘇航的工作證明在現實中提高珠光體和貝氏體相變的上限冷速是不可行的。前面的相分析結果顯示，加鉻使珠光體組織更穩定，這在一定程度上減緩了輪軌相對滑動期間原始組織向奧氏體化轉變的速率，因此減少了在隨后的冷卻過程中馬氏體相變的可能性，從而提高了車輪的抗剝離性能。 % `" E# [; d7 b: b* [* Y
3 結論 , v0 M) g Q9 i
在高速車輪鋼中加入少量的鉻，可在保持鋼的韌塑性基本不變的情況下，顯著提高鋼的強度和硬度，有助于提高車輪鋼的耐磨性和抗接觸疲勞性能。這和鉻對基體的固溶強化作用及對珠光體片層的細化作用密切相關。在珠光體中保持一定量的鉻，對提高車輪的抗剝離性能有利。 |
發表于 2008-8-12 12:58:42
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