單一金相組織下輪軌材料摩擦磨損實(shí)驗(yàn)研究

鞏友飛,周玉雙

單一金相組織下輪軌材料摩擦磨損實(shí)驗(yàn)研究

鞏友飛,周玉雙

西安中車長(zhǎng)客軌道車輛有限公司, 陜西 西安 710000

運(yùn)行中的高速列車，輪軌間橫向與徑向相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)輪軌產(chǎn)生不可忽視的破壞作用。本文以車輪鋼CL60和鋼軌鋼U71Mn的單一金相組織試件為研究對(duì)象，使用銷-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了不同滑動(dòng)速度和不同接觸應(yīng)力下輪軌材料的滑動(dòng)磨損試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：在不同滑動(dòng)速度和接觸壓力下，單一金相組織輪軌摩擦副的平均摩擦系數(shù)或磨損率隨金相組織的變化趨勢(shì)基本一致，相同組織摩擦副的平均摩擦系數(shù)或磨損率小于相異組織摩擦副的平均摩擦系數(shù)或磨損率；隨著滑動(dòng)速度或接觸應(yīng)力的增大，輪軌平均摩擦系數(shù)或磨損率逐漸減小并趨于穩(wěn)定趨勢(shì)。

輪軌材料; 滑動(dòng)摩擦; 金相組織; 摩擦系數(shù); 磨損率

21世紀(jì)以來(lái)，隨著軌道交通不斷向高速化、重載化發(fā)展方向，輪軌磨耗引起的磨擦和磨損等問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，這急劇增加了鐵路的運(yùn)輸成本和行車安全[1]。輪軌摩擦系數(shù)和磨損與很多因素有關(guān)，比如列車軸重[2]、運(yùn)行速度[3]、材料特性[4]、接觸溫度[5]、材料硬度[6]和潤(rùn)滑條件[7]等。研究輪軌摩擦磨損特性和磨損機(jī)制可以減輕輪軌磨耗，為高速重載鐵路的發(fā)展提供重要的試驗(yàn)依據(jù)。

列車速度的提高和軸重的增加使輪軌接觸更加頻繁并且輪軌間相對(duì)黏滑運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致接觸區(qū)域產(chǎn)生更多的摩擦熱，使接觸區(qū)溫度迅速升高，甚至達(dá)到輪軌表面附近發(fā)生奧氏體化的溫度[8]。在第三介質(zhì)作用下，輪軌接觸區(qū)溫度會(huì)迅速下降，使珠光體輪軌表面附近的金相組織發(fā)生變化，最終在輪軌的持續(xù)接觸與分離后形成穩(wěn)定的馬氏體組織[9]。因此，輪軌摩擦副就會(huì)形成珠光體—珠光體摩擦副，珠光體—馬氏體摩擦副和馬氏體—馬氏體摩擦副。

目前，大多數(shù)學(xué)者從不同的角度都在致力研究輪軌摩擦磨損問(wèn)題，但是還沒(méi)有學(xué)者研究單一金相組織下滑動(dòng)速度和接觸應(yīng)力對(duì)輪軌平均摩擦系數(shù)及磨損率的影響。為此，本文選用同一種輪軌材料，熱處理得到2種金相組織，組成3對(duì)摩擦副，在不同滑動(dòng)速度和接觸應(yīng)力下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，研究了金相組織等因素對(duì)輪軌摩擦系數(shù)和磨損率的影響。

摩擦試樣選用車輪CL60作為上試件，與鋼軌鋼U71Mn下試件組合為銷盤摩擦副，表1為輪軌

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

材料的化學(xué)成分。輪軌試件采用線切割方法直接從車輪和鋼軌踏面切取，再通過(guò)車床對(duì)試樣毛坯細(xì)加工，最后在磨床上拋磨，摩擦銷和摩擦盤的試樣尺寸如圖1所示。

表 1 輪軌鋼材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

車輪鋼CL60和鋼軌鋼U71Mn均屬于亞共析鋼，兩者含碳量相當(dāng)，因此試驗(yàn)中對(duì)CL60和U71Mn的熱處理工藝確定均參照文獻(xiàn)[10]對(duì)U71Mn鋼動(dòng)態(tài)CCT曲線的研究結(jié)果，按照850 ℃奧氏體終溫后U71Mn鋼動(dòng)態(tài)CCT曲線以不同的冷卻方式可分別獲得片狀珠光體和回火馬氏體。其中，空氣冷卻可獲得片狀珠光體組織，淬水后590 ℃回火工藝可獲得回火馬氏體組織。

圖 1 摩擦銷與摩擦盤試樣尺寸

為了研究在不同的工況（滑動(dòng)速度和接觸應(yīng)力）下金相組織對(duì)輪軌磨損率的影響，避免環(huán)境溫度、表面粗糙度和接觸面積等因素對(duì)磨損率的影響，可以將前3種定為試驗(yàn)工況參數(shù)，后3種定為實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)。其中，試驗(yàn)基本參數(shù)中環(huán)境溫度為20±2 ℃，表面粗糙度約為0.1 μm，接觸面積為28.27 mm2，試驗(yàn)工況參數(shù)中金相組織包括珠光體和馬氏體，接觸應(yīng)力為3.54 MPa，5.31 MPa和7.07 MPa，滑動(dòng)速度為0.40 m/s，0.53 m/s和0.65 m/s。依據(jù)試驗(yàn)工況參數(shù)中的2種金相組織可以組成3種摩擦副：珠光體-珠光體（Pe-Pe），珠光體-馬氏體（Pe-Ma），馬氏體-馬氏體（Ma-Ma）。將上述銷盤試樣編號(hào)組合后開(kāi)始在銷-盤式試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間=180 min，摩擦銷旋轉(zhuǎn)半徑=25 mm。金相組織、滑動(dòng)速度和接觸應(yīng)力對(duì)輪軌摩擦磨損影響試驗(yàn)共18組，鋼軌磨損的磨損量可以用分析天平測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 金相組織對(duì)輪軌摩擦系數(shù)及鋼軌磨損率的影響

輪軌平均摩擦系數(shù)和鋼軌磨損率隨金相組織變化曲線分別如圖2和圖3所示。

圖 2 輪軌平均磨擦系數(shù)隨金相組織變化圖

圖 3 鋼軌磨損量隨金相組織變化圖

由圖2、3可知，在不同滑動(dòng)速度和接觸壓力下，輪軌平均摩擦系數(shù)或鋼軌磨損率隨金相組織變化趨勢(shì)基本一致。在相同滑動(dòng)速度和接觸壓力下，Pe-Ma摩擦副的平均摩擦系數(shù)和磨損率最大，Pe-Pe摩擦副的平均摩擦系數(shù)和磨損率最小。Pe-Pe和Ma-Ma摩擦副的平均摩擦系數(shù)和磨損率小于Pe-Ma摩擦副的平均摩擦系數(shù)和磨損率，即相同組織摩擦副的摩擦系數(shù)和磨損率比相異組織摩擦副的的小。

2.2 滑動(dòng)速度對(duì)輪軌摩擦系數(shù)及鋼軌磨損率的影響

不同摩擦副下輪軌平均摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度變化曲線如圖4所示。在同一摩擦副相同接觸應(yīng)力下，當(dāng)=3.54 MPa時(shí)，各摩擦副的平均摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度增大先增大或基本不變?nèi)缓笾饾u減小；當(dāng)=5.31 MPa和=7.07 MPa時(shí)，各摩擦副的平均摩擦系數(shù)均隨滑動(dòng)速度的增大呈線性減小趨勢(shì)。

圖 4 不同摩擦副下輪軌平均摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度變化圖

不同摩擦副下鋼軌磨損率隨滑動(dòng)速度的變化曲線如圖5所示。在同一摩擦副相同接觸應(yīng)力下，當(dāng)=3.54 MPa時(shí)，各摩擦副磨損率隨滑動(dòng)的增大逐漸減小且減小率逐漸增大；當(dāng)=5.31 MPa和=0.07 MPa時(shí)，各摩擦副磨損率隨滑動(dòng)的增大先迅速減小，然后基本保持不變。

圖 5 不同摩擦副下鋼軌磨損率隨滑動(dòng)速度變化圖

總之，隨著滑動(dòng)速度的增大，在輕載時(shí)，各摩擦副平均摩擦系數(shù)和磨損率呈減小趨勢(shì)；在中、高載時(shí)，各摩擦副平均摩擦系數(shù)逐漸減小，磨損率先迅速減小，然后基本保持不變。

2.3 接觸應(yīng)力對(duì)輪軌摩擦系數(shù)及鋼軌磨損率的影響

不同摩擦副下輪軌平均摩擦系數(shù)隨接觸應(yīng)力變化曲線如圖6所示。在同一摩擦副相同滑動(dòng)速度下平均摩擦系數(shù)均隨接觸壓力的增大不斷減小，尤其當(dāng)=0.65 m/s時(shí)平均摩擦系數(shù)呈線性減小趨勢(shì)。

圖 6 不同摩擦副下輪軌平均摩擦系數(shù)隨接觸應(yīng)力變化圖

圖 7 不同摩擦副下鋼軌磨損率隨接觸應(yīng)力變化圖

不同摩擦副下輪軌平均摩擦系數(shù)隨接觸應(yīng)力變化曲線如圖7所示。在同一摩擦副相同滑動(dòng)速度下，當(dāng)=0.40 m/s和=0.53 m/s時(shí)，各摩擦副磨損率隨接觸應(yīng)力的增大先迅速減小，然后基本保持不變；當(dāng)=0.65 m/s時(shí)，各摩擦副磨損率隨接觸應(yīng)力的增大基本保持不變。

總之，隨著接觸應(yīng)力的增大，各摩擦副平均摩擦系數(shù)不斷減小，在低、中速時(shí)磨損率先迅速減小，然后基本保持不變，在高速時(shí)，各摩擦副磨損率基本保持不變，受載荷影響較小。

2.4 輪軌試樣的表面摩擦磨損特性

利用光學(xué)金相顯微鏡觀測(cè)= 0.40 m/s，=3.54 MPa時(shí)輪軌表面摩擦磨損形貌，如圖8所示。通過(guò)表面形貌對(duì)比圖確定不同金相組織輪軌摩擦副摩擦磨損機(jī)理，并預(yù)測(cè)車輪軌磨損率。

圖 8 v=0.40 m/s,p=3.54 MPa時(shí)輪軌表面摩擦磨損形貌圖

由圖8可知：珠光體組織硬度較小，表面磨痕更為明顯，犁溝較多，屬于磨粒磨損；馬氏體組織硬度較大，表面磨痕更為模糊，點(diǎn)蝕和剝落較多，屬于黏著磨損。由上文中金相相組織對(duì)輪軌摩擦系數(shù)和磨損率的影響可知，珠光體組織有利于降低輪軌摩擦系數(shù)但會(huì)增大磨損率，馬氏體組織情況相反。因此，磨粒磨損時(shí)摩擦系數(shù)較小而磨損率較大，粘著磨損時(shí)情況相反。通過(guò)對(duì)比輪軌表面磨痕形貌和鋼軌磨損率的大小可以預(yù)測(cè)車輪的磨損率，即珠光體車輪、混合體車輪和馬氏體車輪的磨損率依次遞減。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)輪軌材料進(jìn)行滑動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，獲得的主要研究結(jié)果有：在不同滑動(dòng)速度和接觸壓力下，輪軌摩擦系數(shù)或磨損率隨金相組織變化趨勢(shì)基本一致；相同組織摩擦副的摩擦系數(shù)和磨損率小于相異組織摩擦副的摩擦系數(shù)和磨損率。隨著滑動(dòng)速度或接觸應(yīng)力的增大，輪軌平均摩擦系數(shù)和磨損率基本呈減小趨勢(shì)并趨于穩(wěn)定。珠光體組織硬度較小，表面磨痕更為明顯，犁溝較多，屬于磨粒磨損；馬氏體組織硬度較大，表面磨痕更為模糊，點(diǎn)蝕和剝落較多，屬于黏著磨損。

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Experimental Research on Friction Wear of Wheel-Rail Material under Single Metallographic Structure

GONG You-fei, ZHOU Yu-shuang

710000,

In the actual operation of high-speed trains, the relative lateral and radial friction between wheel and rail can have a disintegration effect on them which can not be ignored. The paper uses pin-disc friction and wear testing machine to study the sliding friction and wear of single metallographic wheel-rail friction pair maded up of wheel CL60 steel and rail U71Mn steel at different sliding velocity and different contact stress. The results shows that the average friction coefficient or wear rate of single metallographic wheel-rail friction pair is basically consistent with the change trend of metallographic structure under the different sliding velocity and contact stress. The average friction coefficient or wear rate of the same structure friction pair is less than that of the dissimilar structure. With the increase of sliding speed or contact stress, the average friction coefficient or wear rate of wheel and rail gradually decreases and tends to be stable.

Wheel-rail material;sliding friction; microstructure; friction coefficient; wear rate

U211.5

A

1000-2324(2019)03-0520-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.035

2018-03-07

2018-03-28

國(guó)家自然科學(xué)基金(51236003)

鞏友飛(1991-),男,碩士研究生,主要研究方向:城軌車輛制造，輪軌摩擦學(xué). E-mail:464708017@qq.com