董 鵬

(中鐵十八局，廣西 南寧 530012)

城市發(fā)展離不開交通設(shè)施的支持，隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，對(duì)于城市軌道交通的要求也越來(lái)越高，車輪作為軌道交通行走的關(guān)鍵部件，必須要適應(yīng)當(dāng)下“低速輕載”的特殊要求[1-4]。當(dāng)前，城市軌道車輪常見(jiàn)的失效形式為粘著磨損、滾動(dòng)接觸疲勞磨損以及車輪崩裂，因此有必要對(duì)車輪材料進(jìn)行專項(xiàng)研究，以滿足既安全舒適、又抗折耐磨，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)低成本的特點(diǎn)[5-7]，典型城軌車輪斷面示意見(jiàn)圖1。

圖1 典型城際軌道車輪斷面

球墨鑄鐵材料誕生于20世紀(jì)中期，具有高強(qiáng)、高韌性、高耐磨、低成本等特性被大量應(yīng)用于汽車曲軸、齒輪、機(jī)電設(shè)備等領(lǐng)域，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的城市軌道交通行業(yè)取得了飛躍式發(fā)展，對(duì)于球墨鑄鐵的需求量也在不斷加大，應(yīng)用及發(fā)展前景一片良好[8-9]。球墨鑄鐵材料的主要組成材料為基體組織和球狀石墨，由于石墨的含量通常低于15%，因此，球墨鑄鐵車輪的力學(xué)行為主要取決于基體組織(主要為鐵素體和珠光體的相對(duì)含量)的相對(duì)含量，珠光體成分及含量的變化均會(huì)引起車輪性能的改變，影響車輪的質(zhì)量，進(jìn)而影響行車安全[10-13]。

文章基于前人研究理論，從實(shí)際運(yùn)用出發(fā)，對(duì)四種不同珠光體含量的球墨鑄鐵材料進(jìn)行了對(duì)比分析，并與傳統(tǒng)車輪鋼力學(xué)性能進(jìn)行比較，可為球墨鑄鐵材料在城市軌道交通中的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)組情況

影響球墨鑄鐵材料基體組織中珠光體、鐵素體含量以及共析轉(zhuǎn)變溫度的主要元素為硅、銅、鎳，實(shí)驗(yàn)中共設(shè)計(jì)四種因素水平對(duì)球墨鑄鐵性質(zhì)的影響。其中：硅含量的設(shè)計(jì)值為2.2%、2.7%和3.2%，銅含量的設(shè)計(jì)值為0%、0.6%和1.2%，鎳含量的設(shè)計(jì)值為0%、0.6%和1.2%，正交實(shí)驗(yàn)組中，保持其余元素含量基本一致，見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)組成分/%

1.2 基體組織分析

基體組織對(duì)于材料的性能有著至關(guān)重要的影響，實(shí)驗(yàn)分析得到的球墨鑄鐵材料的球化率以及基體組織特征見(jiàn)圖2。球化率反映了石墨相在合金球墨鑄鐵材料中的分布水平，從圖中可以看到：硅、銅、鎳三種元素的改變對(duì)石墨相球化率的影響并不明顯，四組材料的球化率均在80%左右，表明石墨球在基體中呈現(xiàn)比較均勻的分布態(tài)勢(shì)；鐵素體和珠光體是影響球墨鑄鐵材料性能的最主要因素，隨著硅元素含量的減少，鐵素體在不斷減少，而珠光體在不斷增加，但兩者相加的含量并沒(méi)有明顯變化，這主要是因?yàn)楣枋氰F素體的穩(wěn)定化元素，在鑄鐵冷卻階段，鐵素體和珠光體的競(jìng)爭(zhēng)主要與碳元素的擴(kuò)散方式有關(guān)，當(dāng)硅元素降低而銅、鎳元素相應(yīng)增加時(shí)，碳元素的共析轉(zhuǎn)變會(huì)在低溫下進(jìn)行，同時(shí)伴隨緩慢的碳擴(kuò)散，在碳擴(kuò)散過(guò)程中就會(huì)帶來(lái)更多的珠光體組織，從而鐵素體含量降低。

2 性能對(duì)比分析

2.1 力學(xué)行為

試驗(yàn)獲得的不同實(shí)驗(yàn)組的力學(xué)測(cè)試結(jié)果特征曲線見(jiàn)圖3。從圖3(a)中可以看到：球墨鑄鐵材料的應(yīng)變率受基體組織的影響較為顯著，在低珠光體含量下，表現(xiàn)為低強(qiáng)度高塑性特征，破壞形式為延性，而在高珠光體含量下，則表現(xiàn)為高強(qiáng)度低塑性特征，破壞形式為脆-延性。從圖3(b)中可以看到：隨著珠光體含量的增加，球墨鑄鐵材料硬度逐漸升高，當(dāng)珠光體含量達(dá)到90%后，其硬度將顯著增加，屈服強(qiáng)度與極限拉伸強(qiáng)度的變化特征與硬度類似，這是因?yàn)殍F素體與珠光體之間的加工硬化率的差異所導(dǎo)致，硅元素提供了穩(wěn)定的鐵素體，從而使球墨鑄鐵具有良好的形變特征，但鎳元素會(huì)提高相應(yīng)物質(zhì)之間抵抗位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及形變的能力，從而使得強(qiáng)度升高，塑性變形能力降低。

圖2 基體組織統(tǒng)計(jì)情況

圖3 球墨鑄鐵力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.2 干態(tài)滾滑復(fù)合磨損性能

磨損性能是評(píng)價(jià)車輪質(zhì)量好壞的主要指標(biāo)之一，因此對(duì)不同試驗(yàn)組進(jìn)行了干態(tài)滾滑復(fù)合磨損試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖中可以看到：球墨鑄鐵的摩擦系數(shù)隨著滾動(dòng)周期的不斷增長(zhǎng)，整體上呈三階段變化特征，即“增長(zhǎng)-降低-穩(wěn)態(tài)”三個(gè)階段；在滾動(dòng)前期，由于鑄鐵車輪表面存在一定的磨合期，在反復(fù)滾動(dòng)摩擦過(guò)程中，表面光滑層首先磨損，從而使得摩擦系數(shù)增加，當(dāng)光滑面磨損后，由于鑄鐵材料需要在內(nèi)部調(diào)整至平衡狀態(tài)，因此在疲勞磨損過(guò)程中，摩擦系數(shù)會(huì)逐漸降低并逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定值以適應(yīng)往復(fù)滾動(dòng)的工作需求，當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到平衡后，車輪的摩擦系數(shù)也逐漸處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，并將保持相對(duì)較長(zhǎng)的穩(wěn)態(tài)時(shí)間；從試驗(yàn)曲線可以看出：珠光體含量越高，硬度越大，車輪的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)越大，但摩擦系數(shù)表現(xiàn)也越不穩(wěn)定，波動(dòng)情況更加復(fù)雜，這不僅表現(xiàn)為初期摩擦系數(shù)較長(zhǎng)的增長(zhǎng)和降低過(guò)程，也表現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)階段中其摩擦系數(shù)的抖動(dòng)較大，這對(duì)行車安全與車輪磨損是極為不利的；S1組的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)最小，其值約為0.22，S2和S3的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)分別為0.25和0.32，S4組的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)最大，達(dá)到了0.41，這主要由于硬度小的試驗(yàn)組在滾動(dòng)磨損過(guò)程中會(huì)發(fā)生較大的剪切變形，從而在摩損接觸區(qū)域出現(xiàn)比較多的石墨(扮演潤(rùn)滑劑角色)，導(dǎo)致摩擦系數(shù)減小，而硬度較大的試驗(yàn)組主要發(fā)生脆性斷裂破壞，在滾動(dòng)周期內(nèi)較難發(fā)生大的剪切變形破壞，因此摩擦盤內(nèi)的石墨較少，故而摩擦系數(shù)較大。

圖4 周期滾動(dòng)條件下摩擦系數(shù)變化

2.3 磨損速率對(duì)比

圖5為80000轉(zhuǎn)后各試驗(yàn)組和傳統(tǒng)鋼軌總磨損率的對(duì)比。從圖中可以看到：S1、S2、S3三組試驗(yàn)組中，隨著基體硬度的逐漸升高，車輪的磨損率逐漸降低，表現(xiàn)出較好的抗磨損性能； S4組雖然基體硬度更大，但磨損速率反而更大，表現(xiàn)出較差的抗磨損性能，這是因?yàn)椴牧系哪p性能不僅與硬度、強(qiáng)度相關(guān)，也與斷裂特性有關(guān)，由于第四組球墨鑄鐵材料具有一定的脆性斷裂破壞特征，其抵抗變形的能力較差，具有最小的彈塑積，因此表現(xiàn)為較差的抗磨損性能；與傳統(tǒng)鋼軌車輪進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)車輪的總磨損率為31.9%，S1、S2、S3、S4四組的磨損率分別為28.5%、17%、12.7%和60%，可見(jiàn)當(dāng)硅含量為2.2%，銅和鎳的含量為0.6%時(shí)有較佳抗磨損性能，較傳統(tǒng)鋼軌車輪的抗磨損能力提升約60.2%。

圖5 球墨鑄鐵車輪與傳統(tǒng)鋼軌車輪的磨損率對(duì)比

3 討論

傳統(tǒng)車輪鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度要求為980 MPa和600 MPa，球墨鑄鐵車輪相較于傳統(tǒng)鋼軌車輪而言，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均有所降低，但是其屈服強(qiáng)度仍高于城際軌道交通車輪規(guī)定的等效應(yīng)力值(271.65 MPa)，因此，從強(qiáng)度上來(lái)講，球墨鑄鐵材料車輪滿足相關(guān)要求；當(dāng)球墨鑄鐵材料中含少量銅、鎳元素時(shí)，車輪具有更優(yōu)異的抗磨損特性，且由于石墨的存在，其摩擦系數(shù)也較傳統(tǒng)鋼軌車輪顯著降低，這對(duì)于提高車輪使用壽命、減少車輪維護(hù)費(fèi)用具有重要意義[14-15]。

通常，城際軌道車輪材料主要優(yōu)先考慮抗磨損性能和斷裂韌性，從上述力學(xué)試驗(yàn)和磨損試驗(yàn)結(jié)果可以得到：S3試驗(yàn)組含有較高的珠光體組織(85.5%)、較高的抗拉強(qiáng)度(676 MPa)以及較好的延伸率(8.6%)，同時(shí)具有更好的抗磨損特性(較傳統(tǒng)車輪提升60%)，因此，該配比下的球墨鑄鐵材料可以作為城際軌道車輪的潛在利用材料。

4 結(jié)論

1)硅、銅、鎳元素含量的改變對(duì)球化率的影響較小，對(duì)珠光體和鐵素體含量的影響較大。

2)珠光體含量越高，球墨鑄鐵車輪的強(qiáng)度和硬度越高，但塑性變形能力降低，脆性破壞特征越明顯。

3)車輪為摩擦系數(shù)與珠光體含量呈正比，珠光體含量越高，車輪的摩擦系數(shù)越不穩(wěn)定，其穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)越大，不利于車輪的抗磨損性能。

4)當(dāng)硅含量為2.2%，銅和鎳的含量為0.6%時(shí)具有較佳的抗磨損性能，與傳統(tǒng)鋼軌車輪相比，能提升抗磨損能力約60%。