提高大功率機車車輪抗剝離性能的生產(chǎn)實踐

國新春

（寶武集團馬鋼交材科技有限公司， 安徽 馬鞍山 243000）

貨運重載已成為當今世界鐵路運輸?shù)闹髁靼l(fā)展方向，大功率機車營運而生，投入運營的數(shù)量逐年遞增。但是，重載帶來的車輪踏面剝離質(zhì)量問題也越發(fā)突出，嚴重影響車輪的使用壽命。一般定義剝離是指車輪在運行過程中由于制動熱作用或輪軌滾動接觸疲勞作用而在踏面圓周或部分圓周上呈現(xiàn)出的金屬掉塊剝落損傷和魚磷狀或龜紋狀熱裂紋現(xiàn)象[1]。在車輪出現(xiàn)微裂紋后，一般要對輪對進行相應(yīng)的落輪旋削或打磨，車輪踏面出現(xiàn)剝離掉塊嚴重時需要更換輪對，這都將大大增加鐵路部門的運輸成本[2-3]。

1 大功率機車車輪常見剝離形貌特征

根據(jù)多年大功率機車運營的跟蹤結(jié)果，大功率機車車輪的剝離型式主要分三種：接觸疲勞剝離、制動剝離、擦傷剝離。其表面形貌如圖1 所示。由于剝離的形成原因各有差異，故在實際觀察中剝離可呈現(xiàn)出不同的宏觀形貌[4-10]，其對應(yīng)關(guān)系如表1。

表1 剝離類型、表面形貌、金相組織形態(tài)及失效原因

圖1 機車車輪典型剝離形貌

車輪疲勞剝離機理是車輪在行進過程中，受到復合型載荷（垂向力、切向力和橫向力）周期性的塑性變形的作用，使得車輪踏面變形區(qū)的殘余應(yīng)力達到其應(yīng)力極限，疲勞裂紋將會向車輪踏面內(nèi)部擴展。在塑性積累區(qū)邊緣明顯有翹起的金屬層，它是表層材料處于破碎和剝離的臨界狀態(tài)，如圖2 所示。制動剝離和擦傷剝離被認為是熱裂紋損傷和機械作用下馬氏體白層破碎的結(jié)果。

圖2 塑性變形區(qū)的顯微照片

制動熱和擦傷熱往往會使車輪踏面與軌道面接觸區(qū)達到材料的奧氏體化溫度，奧氏體化區(qū)域的深度可以在踏面下方達1 mm。在隨后在空氣中快速冷卻的過程中，過冷的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘤驳鸟R氏體，在輪軌接觸表面形成馬氏體白層，馬氏體白層的厚度可達0.2~0.7 mm。局部的馬氏體白層與基體有著不同的材料性質(zhì)，是裂紋萌生和剝離產(chǎn)生的重要原因。

2 提高大功率機車抗剝離性能的生產(chǎn)工藝改進

2.1 微合金化車輪鋼的成分設(shè)計

從剝離產(chǎn)生的機理分析，提高車輪踏面變形抗力是抑制剝離的有效途徑之一。車輪用鋼成分中，硅元素和錳元素的加入可以起到固溶強化的作用，同時提高車輪鋼的熱穩(wěn)定性，從而降低車輪材料對滾動接觸疲勞和棘輪效應(yīng)的敏感性，而減緩疲勞裂紋的萌生[11]。硅元素是非碳化物形成元素，不存在于滲碳體中而主要固溶于體心立方晶格的鐵素體中，和鐵原子較大的尺寸差使鐵素體晶格產(chǎn)生強烈的畸變，形成固溶強化。這種固溶強化作用不僅體現(xiàn)在車輪鋼的先共析鐵素體中，還存在于珠光體鐵素體中。車輪鋼顯微組織以珠光體組織為主，因此，硅元素的加入會增加車輪鋼的總體強度，且較碳元素相比，對材料塑性的降低較小。硅元素可有效縮短珠光體轉(zhuǎn)化時間，減少馬氏體的形成。

2.2 提高熱處理加熱爐均勻性

熱處理工藝是決定車輪綜合性能的關(guān)鍵，環(huán)形加熱爐采用分區(qū)溫度控制，提高加熱爐的溫度場的均勻性。沿環(huán)形爐圓周方向設(shè)置10 個溫度控制區(qū)，每控制區(qū)上部爐頂沿爐寬方向?qū)ΨQ安裝二根熱電偶參與爐溫自動調(diào)節(jié)。爐壁兩側(cè)對稱位置裝分別裝有兩支監(jiān)控爐溫電偶，這樣爐溫控制和檢測做到全覆蓋，無死角。

環(huán)形加熱爐燒嘴密集布置并且采用以小火焰控制。提高爐溫的均勻性，全爐使用高速燒嘴脈沖控制加大對爐膛氣氛的攪動，脈沖燃燒過程充分地攪動爐內(nèi)的氣氛來獲得均勻的加熱強度，提高爐內(nèi)傳熱效果。

爐膛壓力應(yīng)保持爐膛微正壓0~20 Pa，在此壓力下，可有效地防止外部冷氣侵入和火焰外延。爐膛壓力主要通過調(diào)節(jié)煙道閘板開度來進行調(diào)節(jié)，本方案在煙道內(nèi)布置金屬換熱器，將助燃空氣預熱到300~350 ℃，改善爐內(nèi)燃燒狀況，節(jié)能降耗。燃料燃燒效率提高，爐氣更容易充滿爐膛，爐溫會更加均勻。

為驗證改善效果，采用爐溫跟蹤儀重點對溫差最大的外環(huán)溫度進行了測量，從爐膛中部的5 號測點，到爐膛外環(huán)的1 號測點，除預熱段以外，爐內(nèi)寬度方向上的溫差基本控制在10 ℃以內(nèi)，爐溫改善效果明顯。

2.3 車輪淬火冷卻工藝

車輪鋼材料組織以珠光體組織為主，珠光體的片層間距大小在很大程度上決定了材料的總體韌性。珠光體片層間距越小，車輪鋼抗斷裂性能越好。通過對大功率車輪鋼J2 材質(zhì)研究分析，900 ℃奧氏體化后用8 ℃/s，3 ℃/s、0.8 ℃/s 等不同的冷卻速率獲得不同片層間距的珠光體組織。三種工藝下的顯微組織及珠光體偏間距如圖3，冷速的提高促進了珠光體片層間距的細化。

圖3 三種不同冷速下的的顯微組織

3 結(jié)語

車輪踏面剝離是車輪損傷的一種形式，普遍存在于現(xiàn)役列車輪對中。從形成機理和原因來區(qū)分主要分為滾動接觸疲勞剝離、制動剝離和擦傷剝離三種。滾動接觸疲勞剝離的產(chǎn)生被認為是踏面表面材料塑性變形積累導致疲勞裂紋萌生和擴展的結(jié)果。本文從車輪鋼的成分合金化、熱處理工藝改進來提高大功率機車車輪的抗剝離性能。剝離的產(chǎn)生是多因素共同耦合的作用，針對不同的影響因素可以采取一定的措施減少剝離的產(chǎn)生。如優(yōu)化機車的控制性能，減少空轉(zhuǎn)和滑行對踏面的損傷、用規(guī)范的或新型的增黏劑等等。