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發(fā)表于 2008-9-8 20:39:16
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隨著我國(guó)鐵路提速戰(zhàn)略的不斷實(shí)施，高速鐵路的建設(shè)正在積極籌劃和建設(shè)之中。高速車(chē)輪作為高速列車(chē)的重要零部件，起著支撐整個(gè)列車(chē)的重量，并把驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力傳遞給鋼軌的作用，其使用質(zhì)量直接關(guān)系著列車(chē)的運(yùn)行安全和旅客生命財(cái)產(chǎn)的安全。為使車(chē)輪有良好的使用性能，研究人員對(duì)高速車(chē)輪材料進(jìn)行了大量的研究，對(duì)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.4％～0.7％之間的碳素車(chē)輪鋼的研究結(jié)果證明，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％左右的中碳車(chē)輪鋼可以獲得較好的綜合性能。但是，僅僅靠調(diào)整碳含量很難優(yōu)化車(chē)輪鋼材料的綜合性能，無(wú)法滿(mǎn)足高速列車(chē)車(chē)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(shí)的臨界溫度的原則下，還需要采用合適的合金化手段，進(jìn)一步改善車(chē)輪鋼的性能匹配，使車(chē)輪更安全有效地服役于鐵路系統(tǒng)。硅、錳是產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用最顯著的合金元素，在車(chē)輪鋼中應(yīng)該保持一定的含量，使鋼的硬度提高。某車(chē)輪廠已有的經(jīng)驗(yàn)證明，硅和錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.3％和0.7％左右時(shí)可以使車(chē)輪鋼的強(qiáng)度和硬度顯著提高而韌性沒(méi)有明顯的下降。但是，僅以目前的碳、硅、錳元素配比生產(chǎn)的實(shí)物車(chē)輪在實(shí)際運(yùn)行中仍然暴露出了強(qiáng)度和硬度偏低，耐磨性和抗接觸疲勞性能較差的問(wèn)題。因此，在成分設(shè)計(jì)方面，添加微合金元素就成為對(duì)高速車(chē)輪用鋼進(jìn)一步強(qiáng)化的主要手段，筆者研究了微合金元素鉻對(duì)高速車(chē)輪鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響。
; k# V$ _( m8 Y/ b" j$ ^' h1 實(shí)驗(yàn)材料和方法 1 o6 i0 {) J) Q( q$ {) b% Y
設(shè)計(jì)并生產(chǎn)兩爐車(chē)輪鋼連鑄圓坯，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見(jiàn)表1。由于車(chē)輪采用的是強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求≤0.30％，所以含鉻試驗(yàn)鋼鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)按0.15％～0.30％設(shè)計(jì)，含鉻試驗(yàn)車(chē)輪中鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.23％，兩爐鋼其它元素的含量基本相同。為使試驗(yàn)結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有更好的指導(dǎo)性，試驗(yàn)車(chē)輪的生產(chǎn)完全采用與正常車(chē)輪生產(chǎn)相同的工藝，即95t轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→VD合金微調(diào)→圓坯連鑄→鍛壓軋制→等溫→淬火加熱→淬火→回火→機(jī)加工→成品檢驗(yàn)。
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表1 試驗(yàn)車(chē)輪鋼成品的化學(xué)成分 % + A# V+ A, l' E0 ~, I, z
試驗(yàn)鋼號(hào) C Si Mn S P Cr O N
: e; O! o, k0 ?9 \& a1 0.51 0.33 0.72 0.006 0.015 0.23 0.0024 0.0060 7 A; f* i$ S% A+ K/ Q, A
2 0.50 0.32 0.72 0.008 0.015 - 0.0018 0.0062
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, z7 K; g# Q! F
9 D5 j4 v6 L. K; O對(duì)成品車(chē)輪按照標(biāo)準(zhǔn)取樣，進(jìn)行拉伸和沖擊實(shí)驗(yàn)等基本力學(xué)性能測(cè)試。并用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡進(jìn)行樣品的顯微組織和精細(xì)結(jié)構(gòu)觀察，并進(jìn)行硬度分析。為了解鉻在車(chē)輪鋼中的分布情況，對(duì)鋼中的滲碳體進(jìn)行化學(xué)相分析。
/ X8 w. ~0 w- g- k" y, U. B2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
\$ n2 v$ h# R. x/ x8 _2.1 基本力學(xué)性能
" A8 r, K) |9 ?; P對(duì)試驗(yàn)車(chē)輪的輪輞進(jìn)行了常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)，表2和圖1分別是試驗(yàn)車(chē)輪輪輞的拉伸性能、硬度和沖擊性能。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，無(wú)鉻鋼的強(qiáng)度和硬度都較低，僅為847MPa和HB246，略超過(guò)文獻(xiàn)規(guī)定的下限指標(biāo)。和無(wú)鉻車(chē)輪鋼相比，含鉻車(chē)輪鋼材料的強(qiáng)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(yīng)看到，含鉻鋼的塑性稍有下降，但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)定的下限水平。沖擊實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，加鉻后對(duì)沖擊性能有一定的影響，但影響不是太大。 * o, J$ Z+ p& P1 |$ d$ Q7 i: e
表2 試驗(yàn)車(chē)輪輪輞的常規(guī)力學(xué)性能
% f P9 u" f. ?2 g7 P! [( }試驗(yàn)車(chē)輪 試驗(yàn)溫度/℃ σb/MPa σ0.2/MPa δ/% Ψ/% 踏面下35㎜處斷面的硬度(HB)
/ [9 q/ {5 N) g! C" g# I7 h- _/ A( s7 H含鉻鋼 21.5 900 570 16.5 45.5 261 3 J( }8 @) {3 V8 r: D
無(wú)鉻鋼 21.5 847 525 18.0 54.0 246 # _4 G4 H3 e, V5 f. `8 E8 k: W V
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圖1 試驗(yàn)車(chē)輪輪輞的沖擊曲線(xiàn)(V形缺口試樣)
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% {" y+ |7 D. g1 ^9 k! Q+ C0 [2.2 顯微組織 + t; ^) D2 O6 {! k n
含鉻車(chē)輪鋼和無(wú)鉻車(chē)輪鋼輪輞經(jīng)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(wú)鉻鋼略少。另外，含鉻鋼的顯微組織比無(wú)鉻鋼的細(xì)小，顯示出加鉻對(duì)車(chē)輪鋼的組織細(xì)化有一定的作用。 . {* {7 W+ ]' ?8 B6 z
, N' r; t0 x+ t0 x, ~2 t7 K
# y0 E3 h" ]8 g- X' a+ P: W' t8 r(a)含鉻鋼；(b)無(wú)鉻鋼
4 R9 ~: X, S/ l( {' D/ D圖2 輪輞經(jīng)淬火+回火處理后的顯微組織
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- J# H% S# F7 p8 o; Z2 l- t5 {車(chē)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?jǐn)?shù)、形態(tài)和分布狀況。其中珠光體組織的體積分?jǐn)?shù)占80％以上，其組織形態(tài)和分布對(duì)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(yōu)劣，是車(chē)輪鋼材料的一個(gè)非常重要的材料參數(shù)。影響珠光體片層間距大小的因素主要有轉(zhuǎn)變溫度和合金元素的含量等。進(jìn)一步的TEM觀察可以發(fā)現(xiàn)，加鉻使珠光體的片層間距減小，使組織得到進(jìn)一步細(xì)化，如圖3所示。加鉻提高鐵在γ相中的自擴(kuò)散激活能，降低奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和珠光體的形核和長(zhǎng)大速度，因而使珠光體的轉(zhuǎn)變溫度降低，珠光體的片層間距減小。 * U; P( V' R, i
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(a)含鉻車(chē)輪鋼； (b)無(wú)鉻車(chē)輪鋼 : \; {: c4 d8 N& z" r5 m
圖3 含鉻車(chē)輪鋼和無(wú)鉻車(chē)輪鋼的珠光體組織(TEM) 2 |7 G, m- G, N, V, s: t
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: Q7 n" ?) {) ~/ _5 \' T O為了驗(yàn)證加鉻對(duì)細(xì)化車(chē)輪鋼珠光體片層間距的效果，并定量估算含鉻車(chē)輪鋼和無(wú)鉻車(chē)輪鋼珠光體的表觀片層間距，在掃描電鏡下以1～2萬(wàn)的倍數(shù)觀察珠光體，對(duì)珠光體片層間距進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果示于圖4(圖中橫軸采用片層間距的倒數(shù)來(lái)表征，以求更接近珠光體的本征參數(shù))。可以看出，含鉻鋼出現(xiàn)概率峰的片層間距為270～300nm，概率峰值約為0.4，而無(wú)鉻鋼出現(xiàn)概率峰的片層間距為330～380nm，概率峰值約為0.3。另外，含鉻車(chē)輪鋼的片層間距分布總體向片層間距減小的方向偏移。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果說(shuō)明，加鉻使車(chē)輪鋼的珠光體組織產(chǎn)生細(xì)化效果，片層間距減小。 , G& n5 C( p& K
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圖4 含鉻鋼和無(wú)鉻鋼珠光體片層間距的統(tǒng)計(jì)分布圖
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+ m% u% q( m7 A% H* A另外，通過(guò)化學(xué)相分析研究了含鉻試驗(yàn)車(chē)輪鋼中的碳化物，結(jié)果顯示，碳化物全部都由滲碳體構(gòu)成。定量分析發(fā)現(xiàn)，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(wěn)定，在奧氏體化過(guò)程中滲碳體的溶解速率降低。在高速列車(chē)的服役過(guò)程中，由于剎車(chē)產(chǎn)生摩擦熱，導(dǎo)致車(chē)輪表面急劇升溫，甚至達(dá)到奧氏體相變溫度，但是這一過(guò)程是很短暫的，如果車(chē)輪鋼的原始組織中滲碳體相更穩(wěn)定，將在一定程度上延緩原始組織向奧氏體轉(zhuǎn)變的速率，從而降低在隨后快冷過(guò)程中形成馬氏體的可能。因此，在車(chē)輪鋼中加入適量的鉻在一定程度上有助于提高車(chē)輪鋼的抗剝離性能。
! n X) T$ [% ]/ R+ p; z) G' ^: U2.3 含鉻車(chē)輪鋼的性能分析 / l N- w" A! F- p9 x- z& I
高速車(chē)輪在實(shí)際運(yùn)行中由于輪軌接觸面在接觸應(yīng)力的作用下導(dǎo)致踏面表層金屬塑性變形并引發(fā)疲勞裂紋的萌生和發(fā)展，產(chǎn)生接觸疲勞損傷，結(jié)合以前對(duì)鐵路提速車(chē)輪(型號(hào)為KKD、HDS)失效原因的研究分析結(jié)果可知，硬度偏低的車(chē)輪發(fā)生接觸疲勞剝離的可能性較大，車(chē)輪的磨耗速度也較快。反之，強(qiáng)度和硬度較高的車(chē)輪抗接觸疲勞性能和耐磨性較好。然而，實(shí)驗(yàn)證明，單純?cè)黾犹己縼?lái)提高車(chē)輪的強(qiáng)度和硬度不僅不能提高車(chē)輪的服役能力，而且因?yàn)轱@著降低鋼的韌塑性而使車(chē)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(chē)輪韌性的前提下增加強(qiáng)度和硬度。本研究在鋼中加入少量的鉻，從而提高了車(chē)輪的耐磨性和抗接觸疲勞性能。 ; s. J" E# ?" `8 M1 @( z
含鉻試驗(yàn)車(chē)輪鋼材料中鉻的添加在鋼中產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，其強(qiáng)化效果僅次于硅、錳，而韌性又沒(méi)有明顯降低，而且鉻能夠細(xì)化珠光體的片層間距。用顯微硬度計(jì)和掃描電鏡，研究了車(chē)輪鋼珠光體組織片層間距和顯微硬度的關(guān)系，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果示于圖5。結(jié)果顯示，含鉻鋼的珠光體片層越細(xì)，珠光體的顯微硬度越高。對(duì)于本研究中的車(chē)輪鋼，兩者間的定量關(guān)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(jié)合圖4對(duì)片層間距的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，含鉻和無(wú)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(duì)硬度有稀釋作用，說(shuō)明以上硬度的計(jì)算值和表2給出的硬度的實(shí)測(cè)值吻合較好。
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P( I/ E2 x, a圖5 車(chē)輪鋼中珠光體的顯微硬度與片層間距的關(guān)系
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高速車(chē)輪在運(yùn)行過(guò)程中還存在的另一種重要的失效形式是摩擦熱導(dǎo)致相變而產(chǎn)生的踏面剝離，即列車(chē)在剎車(chē)、轉(zhuǎn)彎時(shí)，輪軌間的相對(duì)滑動(dòng)引起摩擦熱，經(jīng)過(guò)急劇的升溫和降溫過(guò)程，輪輞表面形成相變馬氏體薄層，在接觸應(yīng)力的作用下，在馬氏體薄層的尖端發(fā)生裂紋的萌生并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致局部區(qū)域小塊金屬的脫落。總體來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生這種剝離的機(jī)制比較復(fù)雜，從根本上解決此問(wèn)題應(yīng)從提高奧氏體化溫度、延緩?qiáng)W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(chǎn)生非馬氏體相變等人手。蘇航的工作證明在現(xiàn)實(shí)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(jié)果顯示，加鉻使珠光體組織更穩(wěn)定，這在一定程度上減緩了輪軌相對(duì)滑動(dòng)期間原始組織向奧氏體化轉(zhuǎn)變的速率，因此減少了在隨后的冷卻過(guò)程中馬氏體相變的可能性，從而提高了車(chē)輪的抗剝離性能。
- o8 P1 @1 E: v8 _3 結(jié)論 ) w6 y2 g9 P& P
在高速車(chē)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(qiáng)度和硬度，有助于提高車(chē)輪鋼的耐磨性和抗接觸疲勞性能。這和鉻對(duì)基體的固溶強(qiáng)化作用及對(duì)珠光體片層的細(xì)化作用密切相關(guān)。在珠光體中保持一定量的鉻，對(duì)提高車(chē)輪的抗剝離性能有利。 |
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