周韶博1，张银花2，张关震2，师陆冰3，王文健3
(1.中国铁道科学研究院，北京 100081;2.中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京 100081;3.西南交通大学 摩擦学研究所，四川 成都 610031)
摘 要 采用双轮对滚方式，利用MJP-30A试验机开展了ER8，ER8C 2种高速车轮材料与U71MnG钢轨材料的滚动摩擦磨损试验，对轮轨试样的磨损量、加工硬化、塑性变形规律和伤损情况进行了分析。结果表明:ER8C试样的平均磨损量小于ER8试样，且ER8C试验组中钢轨试样的磨损量相对较小;ER8C试样的塑性变形层深度远小于ER8试样，不同试验组中钢轨试样的变形层深度没有明显差异;ER8试样的表面裂纹深度与长度、表面剥落层片大小均大于ER8C试样;磨损过程包含了黏着磨损、疲劳磨损和磨粒磨损等多种机制;ER8C材料的抗磨损、抗疲劳性能均优于ER8材料。建议适当地提高车轮硬度来减缓车轮异常磨耗问题。
关键词 高速铁路;轮轨硬度匹配;试验研究;轮轨材料;摩擦磨损
轮轨之间既竞争又配合的关系是铁路领域重要的研究课题。以材料损失为特征的横断面磨损(如轨距角磨损、轮缘磨损等)和纵断面不均匀磨损(如波磨、多边形磨耗等)，以接触疲劳为特征的表面剥离掉块、点蚀与其他机械伤损(如擦伤和异物压入)共同制约着轮轨的使用寿命。高速运行状态下的轮轨对其横、纵断面变化和疲劳裂纹等伤损都更为敏感，其伤损容限范围进一步缩小。因此，高速轮轨材料的合理选择与匹配对保证运营安全和降低维护成本有着重要意义［1-3］。
目前，我国客运专线使用的高速钢轨为国产U71MnG热轧钢轨;而现役高速车轮材料有多种，如常用的ER8，ER8C等，与U71MnG形成了复杂的轮轨材质匹配关系［4］。尽管高速车轮的使用寿命普遍可达250万km以上，但凹形磨耗、多边形磨耗、轮缘磨耗等问题加重了车轮的运用维护负担，不同程度地降低了车轮的寿命并影响运营安全［6］。解决这些问题的途径之一是提高车轮的硬度，从而提高其抗磨损、抗变形的能力。
本文通过 ER8，ER8C 2种高速车轮材料与U71MnG钢轨材料在干摩擦条件下的摩擦磨损试验，从轮轨试样的磨损量、塑性变形和表面伤损等角度开展分析讨论，进而提出解决车轮异常磨耗的建议。
从 ER8，ER8C高速车轮轮辋和 U71MnG钢轨轨头切取试样，利用MJP-30A摩擦磨损试验机进行干摩擦条件下的轮轨摩擦磨损试验。试验采用双轮对滚方式。轮轨试样尺寸及相对位置见图1。轮轨试样的主要化学成分与部分力学性能指标见表1。ER8，ER8C和U71MnG试样的初始表面平均硬度值依次为279.8，304.7，289.7 HV;由此得到2种轮轨试样组合的表面硬度比分别为0.97∶1和1.05∶1。
图1 轮轨试样尺寸及相对位置(单位:mm)
试验参数:车轮试样在上，转速为1 990 r/min;钢轨试样在下，转速为2 000 r/min，转动滑差率0.5%。垂向载荷2 600 N，模拟现场轴重17 t，按照 Hertz接触准则计算轮轨接触应力为1 170 MPa。试验循环转数为40万转，每组重复2次。车轮试样编号为ER8-1，ER8-2，ER8C-1，ER8C-2;钢轨试样对应编号为 U1，U2，U3，U4。
表1 轮轨试样的主要化学成分与部分力学性能指标
主要化学成分质量百分比构件0.51 0.28 0.68 0.009 0.004 578 861 279.8 ER8C车轮 0.51 0.96 1.05 0.007 0.001 589 940 304.7 U71MnG钢轨 0.71 0.40 0.99 0.013 0.011 ≥HV ER8车轮/% 力学性能指标C Si Mn P S 屈服强度/MPa抗拉强度/MPa 表面硬度880 289.7
试验前后，利用电子分析天平(TG328A)称量轮轨试样，用维氏硬度仪(MVH-21，Japan)测量其表面硬度，并用JB-5C表面粗糙度仪记录试样的粗糙度值。试验结束后，从轮轨试样切取试块，在光学显微镜和扫描显微镜(JSM-7001F，Japan)下观察试样的表面形貌和塑性变形情况。
4组轮轨试样试验后的磨损量对比见图2。由于钢轨试样材质均相同，图中以车轮试样代号区分不同组别。ER8C试验组的轮轨试样磨损量基本上低于ER8试验组。其中，ER8C车轮试样的平均磨损量比ER8试样低9.6%，硬度较高的 ER8C表现出了更强的耐磨性。与此相比，不同组别的钢轨试样磨损量相差很大，ER8试验组的钢轨试样(U1，U2)的磨损量比ER8C组钢轨试样(U3，U4)高出1倍有余，即高硬度车轮试验组的钢轨磨损量更小。
图2 轮轨试样的磨损量对比
试验前后轮轨试样接触表面的硬度测量值对比见图3。试验后，轮轨试样都发生了显著的加工硬化，表面硬度增加了1倍以上;车轮试样的表面硬度略高于钢轨试样，但车轮试样之间、钢轨试样之间的差异很小。
图3 轮轨试样试验前后的表面硬度对比
图4 不同组合轮轨试样的表层塑性变形深度对比(单位:μm)
图4为不同组合轮轨试样表层塑性变形深度的对比。轮轨试样的表面晶粒沿着切向力作用方向被拉长，形成具有一定深度的变形层。图中车轮试样的塑性变形深度与其原始表面硬度值呈现出了一定的负相关关系，ER8车轮试样的塑性变形深度约为329.3 μm，与ER8C相比高出138%。不同组别的钢轨试样塑性变形深度相差无几。
试验前后，4组轮轨试样的表面粗糙度变化见图5。轮轨试样的初始表面粗糙度相差不大，约为0.2。试验后，ER8试验组的轮轨试样的表面粗糙度均高于ER8C试验组。图6为2组轮轨试样完成试验后的表面宏观形貌。车轮试样表面呈现出了典型的接触疲劳伤损状态，布满了疲劳裂纹;ER8车轮试样表面的疲劳裂纹长度要显著大于ER8C车轮试样。钢轨试样的表面则更为粗糙，存在不规则的剥落和磨损痕迹。ER8车轮试样在试验中明显被辗宽，与其对磨的钢轨表面磨损面宽度也明显大于与ER8C对磨的钢轨。粗糙度增大意味着接触面的摩擦系数增大，并且会显著增大表面接触应力［7］;累积的塑性变形导致接触面拓宽，且材料损失形成凹坑表面，共同改变了轮轨试样的接触几何形态，使表面状况持续恶化。以上变化加速了ER8试验组钢轨试样的磨损过程，导致其最终磨损量高于ER8C试验组。
图5 试验前后轮轨试样的表面粗糙度变化
图6 试验结束后轮轨试样的表面宏观形貌
试验结束后轮轨试样表面微观形貌见图7，表现出典型的疲劳磨损特征。从剥落痕迹来看，ER8车轮试样的剥落层片大小显著大于ER8C车轮试样和U71MnG钢轨试样;钢轨试样的剥落层片虽小，但数量众多，损失材料的同时也增大了钢轨试样表面的微观粗糙度。这可能与黏着作用导致的磨屑粘连和接触疲劳引发的表层裂纹存在联系。轮轨试样的表面均存在着大小不一的团状或粒状磨屑，作为第三体磨粒会同时加速轮轨试样的磨损。因此轮轨试样的磨损过程实际包含了黏着磨损、疲劳磨损和磨粒磨损多种磨损机制［8-9］。
图7 试验结束后轮轨试样的表面微观形貌
轮轨试样剖面裂纹的显微照片见图8。与图4中的塑性变形深度表现出的规律非常相似，ER8车轮试样的表面裂纹的深度和长度远大于ER8C车轮试样和U71MnG钢轨试样。二者的相关性可作如下解释:接触疲劳磨损条件下产生的表面裂纹多萌生于表面或次表层［10］，这一区域的材料经过多次正、切应力的循环作用后逐渐变得硬而脆;应力集中会在杂质或缺陷处产生空洞和微裂纹并向内、外部扩展。由于材料内部以压应力为主，裂纹难以向内部发展而更多地向上长大并扩展至表面。ER8材料的塑性变形层深度最大，内应力也最大，因而可以在沿深度方向更大区域内产生微裂纹并发展为图8中的长大裂纹，最终导致大层片的剥落。2组钢轨试样的表面裂纹深度与长度相差不大，但与车轮相比，钢轨试样内部裂纹尖端的扩展角度更大。这些特征与图4中塑性变形组织的形貌特点完全一致。
图8 轮轨试样的剖面裂纹对比(单位:μm)
综上所述，可知:ER8C车轮材料的耐磨性能、抗塑性变形能力和抗疲劳性能都要优于ER8车轮材料;而高硬度车轮材料没有对钢轨试样造成附加损害，ER8C试验组的钢轨材料磨损量反而更小。因此，通过提高车轮硬度来减缓实际运用中高速车轮的凹形磨耗、多边形磨耗、轮缘磨耗等问题是一种可行的方法。
1)ER8C车轮试样的平均磨损量比ER8车轮试样小9.6%;与硬度较高的ER8C试样对磨的U71MnG钢轨试样磨损量反而更小。
2)ER8C车轮试样的塑性变形层深度远小于ER8车轮试样;不同试验组中U71MnG钢轨试样的变形层深度没有明显差异。车轮试样的塑性变形深度与试样的原始表面硬度表现出了负相关关系。
3)轮轨试样的磨损过程包含了黏着磨损、疲劳磨损和磨粒磨损等多种机制;其表面磨损特征主要表现为不同大小的层片剥落;ER8C车轮试样的剥落层片大小和表面裂纹深度、长度都要小于ER8材料。不同试验组中U71MnG钢轨试样的表面损伤没有明显差异。
4)建议适当提高车轮硬度来减缓实际运用中高速车轮的凹形磨耗、多边形磨耗、轮缘磨耗等问题。
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Friction and Wear Test of High Speed Wheel Materials and U71MnG Rail Material
ZHOU Shaobo1，ZHANG Yinhua2，ZHANG Guanzhen2，SHI Lubing3，WANG Wenjian3
(1.China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2.Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;3.Tribology Research Institute，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)
Abstract Differences of wear，hardness，plastic deformation and fatigue performance between ER8 and ER8C wheel materials over U71M nG rail material were investigated by rolling friction and wear test using M JP-30A apparatus in two-wheel-roll method.T he results show that both wheel and rail samples in ER8C test group have less average wear amount than ER8 ones，and the wear amount of rail sample in ER8C test group is relatively small.T he depth of plastic deformation layer of ER8C wheel sample is far less than that of ER8，while rail samples from two groups remain the same level.Deeper and longer cracks and larger spalling damages are observed on ER8 samples than ER8C ones.T he wear process includes various mechanisms such as adhesion wear，fatigue wear and abrasive wear.ER8C is proved to have more superior anti-wear，anti-fatigue performance than ER8.It is recommended to properly improve the wheel hardness to solve the problem of abnormal wheel wear.
Key words High speed railway;W heel-rail hardness matching;Experimental study;W heel-rail material;Friction and wear
中图分类号 U214.8+2
文献标识码： A DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2017.09.32
文章编号:1003-1995(2017)09-0128-04
(责任审编 周彦彦)
收稿日期:2017-03-17;
修回日期:2017-05-22
基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划(2016G008-B)
第一作者:周韶博(1993— )，男，硕士研究生。
E-mail:hitshaoer@163.com
通信作者:张银花(1965— )，女，研究员，硕士。
E-mail:nup@sina.com
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