高性能U77MnCrH鋼軌材料磨損特性

魏夕凱 梁旭 李英奇 楊光 姚寧 劉豐收

1.中國鐵道科學研究院 研究生部， 北京 100081； 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 金屬及化學研究所， 北京 100081；3.國鐵物資有限公司， 北京 100037

重載鐵路具有承載能力強、運送量大等特點，是國內煤炭等能源物資重要的輸送途徑［1-2］。我國當前已經掌握了25、27 t 軸重重載鐵路的成套成熟技術和標準體系，還發展出了特有的30 t 軸重重載鐵路技術［3］。隨著列車軸重與運量的提升，鋼軌的磨耗［4-5］和傷損［6］也在不斷惡化。

目前重載鐵路中廣泛使用的鋼軌鋼種有U75VH（H 表示熱處理鋼軌）和U78CrVH。其中，U75VH 鋼軌的強度級別為1 180 MPa 級，其硬度和耐磨性能不及U78CrVH鋼軌［7］；U78CrVH鋼軌強度級別為1 280 MPa，其硬度高，耐磨性能好，但鋼軌上容易出現因軌底銹蝕坑引發的斷裂［8-9］，材料韌塑性比U75VH 鋼軌略差。重載鐵路亟須一種耐久性更優、綜合性能更均衡的鋼軌。

2006 年，鞍山鋼鐵集團有限公司針對大秦線重載鐵路對高強鋼軌的需求，參照美國鐵路保養協會標準鋼軌技術條件，研發并試制了60 kg/m 含Cr高強鋼軌，鋼牌號為U77MnCrH，鋼中含0.25% ～ 0.40%鉻元素，熱軋態抗拉強度不小于980 MPa，熱處理態抗拉強度不小于1 180 MPa。2021 年，鞍山鋼鐵集團有限公司對U77MnCrH 鋼軌的成分和工藝進行了優化，鋼軌強度、硬度取得了顯著的提升。

為了明確高性能U77MnCrH 鋼軌材料的磨損特征，本文進行摩擦磨損試驗，從階段磨損質量、階段表面硬度、表面缺陷類型、剖面裂紋形態與走向、塑性變形層厚度等方面，對比U77MnCrH 與U75VH 兩種鋼軌材料在同一種重載工況下的磨損特征，并分析潤滑條件對鋼軌材料磨損的影響，為重載鐵路鋼軌材料與潤滑劑的科學選材提供參考。

1 試驗方法及材料

1.1 試驗設備與試驗參數

試驗設備選用GPM-30A 滾動接觸疲勞試驗機。該試驗機可加載1.2 ～ 30 kN 的垂向載荷，轉速能夠在5 ～ 2 000 轉/min 內無級調節。通過設置主副軸轉速可滿足試驗對滑差率的要求，可用于進行干態、水態以及各種潤滑條件下的摩擦磨損試驗。

試驗機與試樣的接觸方式見圖1。

圖1 GPM-30A試驗機與試樣接觸方式

摩擦磨損試樣接觸位置的法向應力可根據試樣形狀和法向載荷通過赫茲接觸準則計算得出［10］。對已知工況的試驗，也可根據所需試驗應力通過赫茲接觸準則制定試驗方案［11-12］。

根據有限元仿真模擬計算結果以及部分重載線路相關文獻數據［13］，選取試驗應力1 200 MPa，通過赫茲接觸準則選取對應試驗條件如下：

1）垂向載荷1 400 N；

2）試樣外緣弧度R200，凸臺寬度5 mm；

3）車輪試樣外緣平整，無凸臺。

試驗參數見表1。

表1 試驗參數

試驗中，油脂潤滑劑采用針筒滴加，固態潤滑劑采用手持涂抹。添加頻次由試樣接觸位置的動態摩擦因數決定。轉動5 000 轉時首次添加潤滑劑，添加潤滑劑后摩擦因數不低于0.1［14］，并在接觸位置的動態摩擦因數回到0.5以上并趨于穩定時再次添加。油脂潤滑劑每次添加量為20 μl，固態潤滑劑每次添加量為20 mg［15］。

1.2 試驗材料

使用真空直讀光譜儀（ARL4460）對試驗使用的U77MnCrH 與U75VH 鋼軌材料進行成分檢測，結果見表2?？芍?，符合TB/ T 2344.1—2020《鋼軌 第1 部分：43 kg/m ～ 75 kg/m鋼軌》［16］的要求。

表2 U77MnCrH與U75VH鋼軌材料化學成分

經過維氏硬度計（FM-ARS）測量，得到U75VH 與U77MnCrH鋼軌材料基體平均初始硬度分別為368.0、387.2 HV0.2。實測拉伸性能見表3。

表3 兩種鋼軌材料的拉伸性能

2 試驗結果及分析

2.1 磨損質量與磨損率

U77MnCrH 和U75VH 鋼軌材料試樣分別與CL65車輪材料進行干態下的摩擦磨損試驗，得到磨損質量與磨損率（磨損質量/轉數）的變化曲線，見圖2。

圖2 兩種鋼軌材料的磨損質量與磨損率曲線

由圖2 可知：兩種材料的磨損質量均隨轉數增加而增大，其中前1 萬轉內的磨損率最高；摩擦磨損1 萬轉時，U77MnCrH 的磨損質量約為U75VH 的70%，然后兩種材料的磨損質量變化曲線均進入拐點；摩擦磨損2 萬 ～ 4 萬轉時，磨損進入穩定階段，磨損率曲線呈指數變化的趨勢逐漸減小，此階段內U75VH的磨損質量曲線近乎為直線，每萬轉的磨損量恒定，而U77MnCrH 磨損質量曲線的斜率呈減小趨勢，兩種材料磨損質量的差距逐漸增大；摩擦磨損達到4萬轉后，兩種材料磨損質量及磨損質量曲線的斜率再次增大，磨損率曲線也略有上升趨勢，但U77MnCrH 磨損率的上升程度略低于U75VH。由此得出，兩種材料在對磨試驗中表現出的磨損行為基本一致，屬于同一類磨損過程，但U77MnCrH 的耐磨性能高于U75VH 鋼軌，U77MnCrH 的減磨率（兩種材料磨損質量差值/ U75VH磨損質量）約為29%。

U77MnCrH 鋼軌材料匹配CL65 車輪材料時，在干態、油態潤滑、固態潤滑條件下，摩擦磨損5 萬轉后的磨損質量分別為249、73、118 mg?？梢姡涸诋斍暗脑囼灄l件下，油脂潤滑劑的減磨效果強于固態潤滑劑；兩種潤滑劑均起到了潤滑減磨的作用，油脂潤滑劑的減磨比（潤滑條件下的磨損質量/干態條件下的磨損質量）約為71%，而固態潤滑劑約為55%。

2.2 試樣磨損程度的影響因素

2.2.1 轉數對磨損程度的影響

兩種鋼軌材料試樣在干態條件下摩擦磨損1 萬轉、3萬轉、5萬轉時被取下并進行超聲清洗后，由微距攝像頭拍攝的表面宏觀傷損形貌見圖3。

圖3 不同轉數下兩種鋼軌材料的表面傷損宏觀形貌（干態）

由圖3 可知：①摩擦磨損1 萬轉時，兩種材料表面被大面積分散、難以清除的磨屑覆蓋，表面傷損形式基本由劃痕與細小的剝落坑組成，此時的磨損類型為黏著磨損伴隨磨粒磨損。其中U77MnCrH黏著磨損占主導位置，U75VH 則兩種磨損痕跡都較為明顯。②摩擦磨損3萬轉時，試驗進入穩定階段，兩種材料表面磨屑的排布較為聚集，且顏色更深，推測是磨屑尺寸變大、數量變少導致的。漏出的光亮硬化表面上出現了細小的疲勞裂紋。相比于U77MnCrH，U75VH 表面的疲勞裂紋更加明顯。③摩擦磨損5 萬轉時，兩種材料表面出現了連續、斜向的疲勞裂紋，裂紋靠近接觸面高應力區域的一端朝向試樣轉動方向，U75VH 表面的疲勞裂紋更加明顯。U77MnCrH 表面磨屑有明顯減少的趨勢，而U75VH 表面依舊存在顏色較深的磨屑聚集。

2.2.2 鋼軌材料對磨損程度的影響

兩種鋼軌材料試樣在干態條件下摩擦磨損5萬轉后，沿轉動方向（縱向）取剖面，經過鑲樣、打磨后置于金相顯微鏡下。其形貌見圖4?？芍篣75VH 沿轉動方向產生的裂紋在200 倍的視場內已經較為明顯，裂紋最深可達試樣表面以下120 μm處，且有繼續向材料內部擴展的傾向；U77MnCrH 在相同視場的裂紋較為細小，且只停留在試樣表層數微米處，同時裂紋尖端存在向試樣表面擴展的趨勢，有轉變為剝落、掉塊等危害較小的缺陷的傾向，最終形成剝落坑，從而阻止裂紋向材料內部的繼續延伸。

圖4 兩種鋼軌材料的縱向剖面裂紋金相顯微形貌

將上述試樣剖面在4%硝酸酒精溶液中浸蝕10 s后洗凈取出，置于金相顯微鏡下。其形貌見圖5。可知：兩種材料淺表層都產生了明顯的塑性變形，U75VH 的塑性變形層平均深度大于U77MnCrH，且流變取向與試樣表面的平均夾角也大于U77MnCrH，可見U75VH的抗塑性變形能力較差；兩種材料表面裂紋均沿流變層取向擴展，也解釋了圖4 中U77MnCrH 表層的裂紋擴展深度小于U75VH。

圖5 兩種鋼軌材料的塑性變形層金相顯微形貌與裂紋走向

2.2.3 潤滑條件對磨損程度的影響

摩擦磨損5 萬轉后，U77MnCrH 鋼軌試樣在不同潤滑條件下的磨損狀態見圖6。可知：試樣剖面在200倍視場內無各類明顯缺陷，在500 倍視場內可看到少量細小的掉塊，這說明適量潤滑劑的加入不會對U77MnCrH鋼軌材料的表面缺陷產生影響。

圖6 不同潤滑條件下U77MnCrH鋼軌試樣磨損狀態

在不同潤滑條件下，U77MnCrH 鋼軌試樣塑性變形層的金相顯微形貌見圖7?？芍焊蓱B下U77MnCrH塑性變形層的厚度比潤滑狀態下的厚度大，兩種潤滑狀態下試樣表面塑性變形層的厚度約為干態的2/3，與潤滑狀態下試樣截面硬度進入穩定浮動的深度比干態下試樣小這一結論一致，說明潤滑劑的加入有效緩解了材料淺表層變形。

圖7 不同潤滑條件下U77MnCrH鋼軌試樣塑性變形層金相顯微形貌

2.3 試樣表層金屬加工硬化情況對比

兩種鋼軌材料與CL65 進行摩擦磨損試驗，得到表面硬度變化曲線，見圖8。

圖8 兩種鋼軌材料表面硬度變化曲線

由圖8 可知：兩種鋼軌材料的表面硬度隨轉數增加而不斷升高，其初始表面硬度較為接近，且前1萬轉的硬化速率也較為同步；轉數達到1萬轉后，兩種鋼軌材料的硬化速率開始下降，U75VH 的表面硬化進入穩定階段，隨轉數的增加略有提高，而U77MnCrH 在3 萬轉前保持較高的硬化速率，3 萬轉時達到峰值并保持穩定。U77MnCrH 的加工硬化階段比U75VH 長，摩擦磨損3 萬轉時U75VH 的表層組織已經進入了硬化的穩定階段，組織片層間距無法繼續縮小，棘輪效應的出現導致其率先產生疲勞裂紋（參見圖3）。U77 MnCrH 在油脂潤滑、固態潤滑條件下最終表面平均硬度分別為995.2、948.5 HV。

不同潤滑條件下U77MnCrH鋼軌材料試樣及干態下U75VH鋼軌材料試樣橫縱截面硬度的梯度變化（由表面硬化層向母材方向）曲線見圖9?？芍孩俑髟嚇拥慕孛嬗捕染S與表面距離的增加而減小，并最終穩定在350 ～ 400 HV 上下浮動。②U77MnCrH 的淺表層組織硬度高于U75VH 鋼軌，與表面硬度測量結果一致。③干態下兩種材料的截面硬度在距表面250 μm處均進入穩定浮動階段，即表層的加工硬化層厚度為250 μm；潤滑條件下，截面硬度在距離試樣表面150 ～200 μm 處進入穩定浮動階段，早于干態條件，加工硬化層厚度較小，這說明潤滑劑的加入有效緩解了材料表層加工硬化程度。

圖9 試樣截面硬度梯度變化曲線

3 結論

本文通過摩擦磨損試驗，從階段磨損質量、階段表面硬度、表面缺陷類型、剖面裂紋形態與走向、塑性變形層厚度等方面，通過與U75VH 鋼軌材料對比，明確了高性能U77MnCrH 鋼軌材料的磨損特征，并分析了潤滑條件對鋼軌材料磨損的影響。主要結論如下：

1）U77MnCrH 鋼軌材料比U75VH 鋼軌材料的耐磨性高29%。油脂潤滑劑和固態潤滑劑都在對磨試驗中起到了潤滑減磨的作用，減磨率分別為71%和55%，油脂潤滑劑的減磨效果優于固態潤滑劑。

2）U77MnCrH 鋼軌材料的抗塑性變形能力更強，塑性變形層更薄，片層間的流變取向與表面的夾角更小，疲勞裂紋的出現時機更晚，裂紋擴展深度約為U75VH鋼軌材料的20%。

3）U77MnCrH 鋼軌材料試樣加工硬化后，表面硬度與淺表層硬度均高于U75VH鋼軌材料。

4）潤滑條件下的試樣加工硬化層厚度為150 ～200 μm，小于干態條件的250 μm，潤滑劑的加入有效緩解了材料表層加工硬化程度。