地鐵車輪低溫沖擊韌性研究

王建國

(太原重工軌道交通設備有限公司，山西太原030024)

0 引言

車輪在列車運行中起承載、傳遞動力以及制動等作用。與高強度和高耐磨性一樣，在地鐵安全運行過程中沖擊韌性具有重要意義。ER9車輪是一種在歐洲廣泛應用的車輪，其性能要求遵循歐洲鐵路標準(NF EN13262:2009)，需達到強度、硬度、沖擊性能的良好匹配。本次用戶對出口某國家的ER9地鐵車輪低溫沖擊韌性提出了更高要求，－20℃時，KV2平均值≥10J(歐標要求≥8J)。所以，生產這批車輪需對工藝進行精確控制，以滿足用戶的特殊需求。

在車輪生產過程中，有一批ER9地鐵車輪低溫沖擊韌性不合格。為找出原因，對沖擊試樣的斷口、夾雜物形貌、金相組織、化學成分等做了全面分析，以研究低溫沖擊韌性低的原因。

1 試驗方法

地鐵車輪的沖擊試樣取樣位于車輪輪輞上。用戶規定，沖擊韌性檢驗用輪輞的試樣進行，每爐批解剖1個車輪，在其輪輞部位取三個沖擊試樣，試樣V型缺口槽深2 mm，并且在－20℃時，KV2≥10J。具體沖擊韌性值見表1。

沖擊試樣斷口端面方向研磨拋光后，觀察金相組織和夾雜物評級。應用英國產LEO 438VP型掃描電鏡進行斷口分析;應用PE Optimo S300Ⅴ型電感耦合等離子體發射光譜儀分析試樣成分;應用LECO公司TC 600型氮氧分析儀分析輪輞部位的氮氧含量;應用OLYMPUS的GX71金相顯微鏡進行金相組織觀察;應用能譜儀分析了夾雜物的微區成分。

2 結果和討論

2.1 化學成分

對車輪沖擊試樣進行光譜儀分析，對相應的輪輞部位進行氮氧分析儀分析，結果見表1。由化學成分分析可知，有害硫磷含量及氮氧含量均很低，說明鋼的冶煉質量較好，合金元素種類不多，其中Cr含量較高，主要為增加車輪鋼的淬透性，提高車輪輪輞在淬火過程中的冷卻速度，其作用是形成細珠光體和少量鐵素體組織，保證鋼的高強度、高耐磨性和良好的韌性，材料成分設計符合EN13262中ER9鋼的要求。

表1 試樣的化學成分及其沖擊韌性值

2.2 斷口分析

電鏡觀察，首先，在試樣的起裂部位，3#樣有寬約800 μm的塑性變形區，在塑性變形區可觀察到夾雜很少且尺寸較小，均＜5 μm(見圖1)，而2#及1#試樣起裂部位的塑性變形區寬度分別為200 μm及160 μm左右。其次，對試樣的準解理脆斷區比較:①在解理面大小方面，三個試樣相近。②在撕裂棱及二次裂紋方面，3#試樣的撕裂棱較多，而且二次裂紋較少。③同時，在三個試樣解理面上均未觀察到夾雜物。綜上所述，我們認為，鋼中夾雜物不是影響這批車輪沖擊韌性的主要影響因素。

2.3 晶粒度、夾雜物及組織分析

金相觀察，三個沖擊試樣中:①夾雜物較少，形態均為球狀，分布較彌散，夾雜尺寸均＜5μm，夾雜類型主要為球狀氧化物，其他類型夾雜極少;夾雜物評級，A～D類均為0．5級。②晶粒度評級，1#～3#樣均為7．5級;帶狀組織評級，1#樣為0．5級，2#及3#樣為0級。③經定量金相方法計算，1#～3#樣的鐵素體含量分別約為5%、3%及15%(見圖2及表2)。

圖1 1#～3#試樣斷口塑性變形區及其夾雜物(SEM)照片

表2 試樣夾雜物及組織分析

圖2 1～3試樣中典型金相組織的照片

2.4 綜合分析

3個試樣車輪鋼的夾雜物評級級別較低，斷口分析中三個試樣的斷裂解理面均為觀察到夾雜物，由此表明鋼中夾雜物不是影響這批地鐵車輪沖擊韌性差的主要因素。

根據試樣研究結果并結合以往生產實踐分析，在車輪熱處理時:①通過控制輪輞處的噴水冷卻強度，可控制相變后生成鐵素體比例。②冷速越慢，相變后生成鐵素體比例就越高［1］。③而且相對較多的呈網狀分布的鐵素體將珠光體組織有效地分割包裹在鐵素體網之內，可降低珠光體團的尺寸。④鐵素體比例越高、珠光體團尺寸越小，沖擊韌性就越高。

前期試驗發現，ER9地鐵車輪鋼而言，當冷速＞1℃/S時，容易造成冷速不均勻，導致金相組織中珠光體團粗大，相變后不能獲得足夠多的鐵素體以保證輪輞區域的沖擊韌性。因此，在后續的熱處理過程中要嚴格控制車輪輪輞的冷卻速率，以獲得均勻的細珠光體組織及含量較多的鐵素體含量。

3 改進措施及效果

根據影響車輪鋼低溫沖擊韌性的綜合原因分析，降低車輪熱處理冷卻強度為關鍵要點，具體措施:通過降低淬火加熱溫度和淬火冷卻水壓，嚴格控制淬火冷卻水量。

對此進行改進試驗，其車輪生產工藝為:坯料鍛軋成型，經860℃～880℃淬火加熱后對車輪踏面部位以一定的冷速噴水冷卻，通過控制淬火水壓、噴水時間等參數控制車輪輪輞的冷卻速度，并經回火處理，回火溫度約520℃。

采取以上措施優化生產工藝后，該批次1 200 t ER9地鐵車輪－20℃的沖擊韌性 KV2平均值達到10J以上，合格率100%。

4 結語

ER9地鐵車輪低溫沖擊韌性差的主要原因是鐵素體含量少、且珠光體團較粗大。在車輪熱處理時，通過控制輪輞處的噴水冷卻強度，提高了相變后生成鐵素體的比例和避免出現大塊的珠光體團，改善了地鐵車輪的低溫沖擊韌性，提高了產品的合格率。

［1］ 吳斯，李秀程，尚成嘉，等．工藝因素和組織對高速動車車輪斷裂韌性的影響［J］．材料熱處理學報，2012，33(7)：104．