高速动车组新材质车轮性能研究

丛　韬，韩建民，陈　刚，张关震，张　斌

(1.北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京　100044；2.中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京　100081；3.马鞍山钢铁股份有限公司 高性能轨道交通新材料及安全控制安徽省重点实验室，安徽 马鞍山　243000)

车轮作为铁路机车车辆的重要走行部件，车轮的强度、硬度、韧性等指标直接影响其服役寿命。近年来，为了提高车轮的综合性能，研究人员已对贝氏体车轮、高碳车轮展开了研究并获得了较大的进展[1-2]，但目前国内高速动车组车轮材料技术的发展明显落后于我国高速铁路的发展要求，同时，目前国内高速动车组车轮实际运用情况不佳，存在剥离、裂纹等影响运行品质的问题[3-4]，因此，需要开展高速动车组车轮新材质的开发研究工作，以提高车轮的强度和硬度，优化车轮的微观组织结构。

本文以通过成分设计试制的新材质车轮为研究对象，对新材质车轮的组织和性能与目前使用的ER8车轮进行对比分析，研究新材质车轮强度、硬度、韧性的强化机制。

1　新材质车轮成分设计及试样制备

高速动车组轮轨间的动态相互作用力随运行速度的增加呈线性规律递增[5]，从而加剧车轮踏面的磨损和接触损伤，使车轮失圆，踏面凹磨、剥离、裂纹的发生几率增加，提高车轮强度、硬度是使其满足高速动车组运用要求的必要条件。

以国内主要线路上运行的高速动车组运用条件为基础，从车轮材质的合金设计方面加以考虑，优化车轮的元素配置，改善车轮的微观组织和结构，合理控制淬透性，使经过锻轧、热处理后的车轮能稳定地得到比现行ER8车轮更高的强度和硬度，且不降低车轮的韧性指标，以提高车轮的抗接触疲劳性能和耐磨性。

车轮中常用的合金元素包括C，Mn，Si，V等，适当调整这些元素的质量分数，可以在保持现有车轮韧性水平的基础上，通过各种强化方式提高其强度和硬度。通常钢的抗拉强度越高，耐磨性和抗接触疲劳性能就越好。根据ER8车轮生产数据统计结果可知，C的质量分数超过0.58%，会使其韧性指标明显降低，而低于0.50%，其硬度水平不足，故C不作为主要的合金优化元素，因此在新材质车轮中设定C的质量分数与ER8车轮相当；Mn有促进铁素体和珠光体组织强化的作用，但会降低钢的相变点Ac1，降低车轮的抗热损伤性能，故在新材质车轮中Mn的质量分数按常规设定；Si具有多种优点，有固溶强化作用，可提高车轮的强度和硬度，同时对淬透性影响小，利于控制车轮组织，故在新材质车轮中作为优化的合金元素；添加V，具有沉淀强化、析出强化及晶粒细化作用，一是可改善强度与韧性的配合关系，二是可提高相变点Ac3，有利于提高抗热损伤性能，故在新材质车轮中作为主选合金元素。

按照以上拟定的车轮成分设计原则，经过冶炼、锻轧、热处理和机加工等工艺后，完成新材质车轮试样的研制。对新材质车轮试样包括材料力学性能、淬透性、金相组织、微观组织结构、合金元素析出行为等方面开展研究。

2　试验方法

新材质车轮试样及与其进行对比研究的ER8车轮试样化学成分的测试结果见表1。

表1　新材质车轮与ER8车轮试样化学成分的测试结果(质量分数)　%

依照GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》和GB/T 231.1—2009《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》分别进行拉伸性能和布氏硬度测试。在新材质车轮和ER8车轮的轮辋同一位置处各取30件拉伸试样和30个硬度测试点，取屈服强度、抗拉强度、断后伸长率及断面硬度测试数据的平均值作为检测结果。

依照GB/T 4161—2007《金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法》，在新材质车轮和ER8车轮的轮辋同一位置处各取断裂韧性试样10组，每组6个试样，取测试数据的平均值作为检测结果。

依照GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，在新材质车轮和ER8车轮的轮辋同一位置处各取冲击试样60组，每组3个试样，进行试验温度为+20℃和-20℃的冲击性能测试，取测试数据的平均值作为检测结果。

分别在新材质车轮和ER8车轮的原钢坯上切取φ30 mm的圆棒，加工成末端淬火试样，将试样加热至870 ℃保温40 min，依照GB/T 225—2006《钢淬透性的末端淬火试验方法(Jominy)试验》的要求在淬火装置上进行末端淬火试验，在试验后的试样上分别测量距离淬火端面1.5，3，5，7，9，11，13，15 mm处(8个测量点)的洛氏硬度值和在第8个测点后间距为5 mm直到距离淬火端面60 mm处(9个测量点)的洛氏硬度值，据此绘出2种试样钢硬度深度的末端淬透性曲线(简称末端淬透性曲线)。

金相组织观察试样经机械磨抛后采用3%硝酸酒精腐蚀，在LEICADMI4000光学显微镜(OM)上观察并测量先共析铁素体的体积分数和珠光体团尺寸；采用FEI-Quanta400扫描电子显微镜(SEM)观察断裂韧性试样的断口形貌并测量裂纹尖端韧带宽度，同时观测珠光体片层间距，采用透射电子显微镜(TEM)观测新材质车轮中析出物的性质、分布和尺寸。

3　新材质车轮的理化性能

3.1　拉伸强度和断面硬度测试结果

钢的疲劳性能和耐磨性分别与其强度和硬度大体成线性增加关系，为了改善车轮的疲劳性能和耐磨性，需要提高车轮的强度和硬度。新材质车轮和ER8车轮的屈服强度、抗拉强度和断面硬度的测试结果如图1所示。由图1可以看出：与ER8车轮相比，新材质车轮的屈服强度、抗拉强度和断面硬度均有了明显提高，抗拉强度提高9%、屈服强度提高12%、硬度指标提高15 HBW，强度和硬度指标均得到大幅提高；新材质车轮与ER8车轮的抗拉强度、屈服强度及硬度的极差分别为24和67 MPa，30和38 MPa及7和20 HBW，新材质车轮强度和硬度的波动更小，性能更加稳定，说明该种车轮材料在锻轧、热处理工艺上更易于控制。

图1　新材质车轮和ER8车轮的轮辋强度和硬度测试结果

3.2　韧性测试结果

新材质车轮和ER8车轮的轮辋韧性测试结果如图2所示。由图2可以看出：新材质车轮的断裂韧性KQ较ER8车轮提高10%，两者在+20℃和-20℃温度下的冲击性能以及断后伸长率测试结果相当，说明新材质车轮的韧性指标较ER8车轮未出现明显下降。

断裂韧性试样的断口形貌如图3所示。由图3可以看出：通过SEM观测，新材质和ER8车轮的断裂类型呈现沿晶断裂和解理断裂的特征，新材质车轮断口上测量的裂纹尖端韧带宽度(平均约47.8 μm)大于ER8车轮(平均约16.6 μm)，这与断裂韧性的测试结果具有明显的对应关系。

图2　新材质车轮和ER8车轮的轮辋韧性测试结果

图3　不同车轮断裂韧性试样的断口形貌

3.3　淬透性测试结果

新材质车轮钢和ER8车轮钢的末端淬透性曲线如图4所示。由图4可以看出：新材质车轮钢和ER8车轮钢在距离淬火端面9 mm处的硬度值分别为40和36 HRC，说明这2种钢的淬透性相当；在距淬火端面约9 mm范围内，随着与淬火端面距离的增加，钢的硬度快速减小，与淬火端面处相比，距其9 mm处的硬度下降了约30%；距淬火端面约9 mm范围外，钢的硬度下降趋于缓慢，表明距淬火端面9 mm处即为末端淬透性曲线的转折位置，由此推断为贝氏体和马氏体相变的临界位置，其金相组织主要是先共析铁素体和珠光体；ER8车轮试样的硬度水平略低一些且下降趋势略大一些，新材质车轮钢的淬透性较ER8车轮钢稍高，但总体来说这2种车轮钢的淬透性相当。

图4　新材质车轮钢和ER8车轮钢的末端淬透性曲线

3.4　金相组织

对新材质车轮试样与ER8车轮试样轮辋同一区域的金相组织进行对比分析，结果如图5所示。由图5可以看出：两者均是中碳钢经淬火后附加回火的金相组织，组成均为细珠光体和沿晶界分布的铁素体，但与ER8车轮轮辋处的金相组织相比，新材质车轮轮辋中的珠光体团尺寸更小，沿晶界的先共析铁素体组织分布状态更均匀，使珠光体的体积分数增加；新材质车轮轮辋处的晶粒度级别较ER8车轮高出2级以上，晶粒细化的效果明显。

图5　不同车轮距踏面10 mm深度处金相组织

3.5　微观组织结构和析出物

对新材质车轮和ER8车轮踏面下5，15，25和35 mm处的微观组织结构进行精细分析：①利用图像分析软件对先共析铁素体的体积分数进行了测定；②利用扫描电镜采集的图像，采用截距法统计珠光体的片层间距，得到微观组织特征对比如图6所示。由图6可以看出：ER8车轮先共析铁素体的体积分数随距踏面深度的增加变化不大，而新材质车轮先共析铁素体的体积分数随深度增加明显；在相同位置处，新材质车轮的先共析铁素体的体积分数明显高于ER8车轮，在踏面下15～35 mm范围内，新材质车轮的先共析铁素体出现明显的增加，增量达到2～3倍，较为均匀地分布在原始奥氏体晶界和晶内，显著地细化了新材质车轮的微观组织；新材质车轮和ER8车轮的珠光体片层间距随距踏面深度的增加而增加，在相同深度处，新材质车轮的珠光体片层间距均小于ER8车轮(如图7所示)；在踏面下5～15 mm范围内，新材质车轮比ER8车轮的珠光体片层间距小15%～22%，在踏面下25 mm至更深处，新材质车轮与ER8车轮的珠光体片层间距尺寸更加接近。

图6新材质车轮和ER8车轮踏面下不同位置处的微观组织特征对比

图7　不同车轮距踏面5 mm处的珠光体片层间距形貌

对新材质车轮踏面下5～35 mm范围内微观组织中的析出物进行TEM观测的结果如图8所示。由图8可以看出：新材质车轮微观组织中的析出物经物理化学相分析，主要为V的碳氮化物V(CN)，以颗粒状的占绝大多数，极少见盘状或小片状的，且大多数都是呈弥散状分布，其尺寸约在10～20 nm范围内；V(CN)的析出主要在珠光体铁素体(渗碳体片层之间)以及先共析铁素体中，呈现随着离踏面距离的增加、V(CN)析出量增加的规律。

图8　新材质车轮踏面下5～35 mm范围内析出物形貌

4　分析及讨论

综合上述性能指标和微观组织的对比分析，新材质车轮较ER8车轮的微观组织中珠光体团尺寸、珠光体片层间距减小，先共析铁素体体积分数增加，新材质车轮的强度、硬度及断裂韧性得到提高，冲击性能、断后伸长率、淬透性与ER8车轮相当。

车轮的微观组织与其强、硬度关系遵循Hall-Petch公式，因此细化珠光体团、减小珠光体片层间距，是提高车轮强度和硬度的有效手段。车轮断裂韧性试样断口观测的裂纹尖端韧带宽度在一定程度上反映车轮的裂纹尖端发生塑性形变的程度，也反映车轮断裂韧性的高与低。铁素体在一定程度上对珠光体解理裂纹的扩展具有制约作用，使裂纹扩展途径曲折，消耗较多的能量，裂纹尖端韧带将宽度增加，可使在一定尺寸条件下的断裂由解理机制转化为韧窝机制，增加车轮中铁素体的体积分数可提高车轮的断裂韧性。

新材质车轮因Si的质量分数增加，促进了其珠光体片层间距向减小的方向发展，Si是非碳化物形成元素，当发生奥氏体向珠光体的转变时，形成渗碳体的区域会把Si原子向铁素体区域排出。Si的质量分数越高，渗碳体形成区域Si的重排越困难，渗碳体的厚度因此越小，可减小珠光体片层间距。新材质车轮中添加了V，V基本不进入渗碳体而是以V的碳氮化物V(CN)形式存在，V(CN)的析出和V粒子的诱导相变作用[6]使得奥氏体更容易向铁素体转变，使先共析铁素体增加，并改变铁素体的分布和形态；在车轮锻造和轧制前加热和均热时，V(CN)质点通过质点钉扎晶界机制，阻止其晶粒长大，使新材质车轮获得更小的珠光体团尺寸，因而细化了珠光体团；另外，珠光体片层间距主要取决于转变温度，车轮钢中存在固溶的V提高了过冷奥氏体的稳定性，降低了奥氏体向珠光体转变的温度，从而减小了珠光体片层间距。

淬透性是保证车轮获得均匀的细珠光体组织的重要因素，车轮实际生产工艺为踏面淬火，在踏面表层形成1层马氏体组织，由踏面向内逐渐转变为珠光体+铁素体组织。由于车轮踏面表层不允许出现马氏体组织，这一层淬透组织必须被加工处理。淬透性越高，踏面表层出现非平衡组织的深度越大，被加工处理的金属量越多，同时车轮踏面和轮辋的金相组织越不稳定，越不可预测并越难通过稳定的工艺进行控制，因此对于车轮钢保证稳定的淬透性是很重要的。在新材质车轮的化学成分范围内，Si和V对新材质车轮钢的淬透性不产生明显的影响作用，因此其淬透性与ER8车轮钢基本一致。

以上试验表明，新材质车轮中Si的质量分数的提高并不改变车轮的基本金相组织，但可细化珠光体片层间距，提高其强、硬度，对车轮的冲击韧性并不产生明显的损害；V的加入在提高车轮强硬度的同时还可提高车轮的断裂韧性，V在现有成分体系下并没有显著改变车轮钢的淬透性，在新材质车轮的成分范围内，通过正确制定与执行热加工工艺制度，可以改变和控制其析出物的类型、形状及尺寸，使之对车轮韧性的不利影响降低到最小的程度。

5　结　论

(1)新材质车轮因调整Si的质量分数、添加V合金元素，相比ER8车轮，其珠光体团得到细化、珠光体片层间距得到减小，先共析铁素体明显增加，在新材质车轮中观察到颗粒状的钒碳氮化物呈弥散状析出。

(2)新材质车轮的抗拉强度、屈服强度、硬度和断裂韧性比ER8车轮均有明显提高，抗拉强度提高9%、屈服强度提高12%、断面硬度提高15 HBW、断裂韧性提高10%。新材质车轮的淬透性、断后伸长率、冲击韧性均与ER8车轮相当。

(3)新材质车轮通过优化化学成分，改善了车轮的微观组织结构，运用提高过冷奥氏体的稳定性、钉扎晶界等机制，使新材质车轮获得更好的强度、硬度和断裂韧性。

[1]付秀琴，张斌，张弘，等. 贝氏体车轮钢性能分析 [J] . 中国铁道科学，2008，29(5)：83-86.

(FU Xiuqin, ZHANG Bin, ZHANG Hong, et al. Performance Analysis of Bainite Wheel Steel[J]. China Railway Science, 2008, 29(5)：83-86. in Chinese)

[2]张斌，张弘，付秀琴. 新材质重载货车车轮性能研究 [J] . 中国铁道科学，2009，30(5)：65-70.

(ZHANG Bin, ZHANG Hong, FU Xiuqin. Performance Study on the Wheels of New Material for Heavy Haul Freight Trains [J]. China Railway Science, 2009, 30(5)：65-70. in Chinese)

[3]张弘. 动车组车轮踏面浅表层裂纹成因分析 [J] . 铁道机车车辆，2016，36(1)：6-9.

(ZHANG Hong. Reason Analysis of Shallow Surface Cracks on EMU Wheels Tread [J]. Railway Locomotive & Car, 2016, 36(1)：6-9. in Chinese)

[4]卢纯. 高速动车组车轮踏面滚动接触疲劳的萌生机理 [D] . 成都：西南交通大学，2015.

(LU Chun. A Study on Rolling Contact Fatigue of High-Speed EMU Wheels [D]. Chengdu：Southwest Jiaotong University, 2015. in Chinese)

[5]翟婉明. 高速铁路轮轨系统的最优动力设计原则[J]. 中国铁道科学,1994,15(2):16-21.

(ZHAI Wanming. Principles of Optimum Dynamic Design for High-Speed Wheel/Rail Systems [J]. China Railway Science, 1994, 15(2)：16-21. in Chinese)

[6]董瑞成，任海鹏，金同哲，等. 微合金非调制钢 [M]. 北京：冶金工业出版社，2000.

[7]丛韬，韩建民，张关震，等. 铁路车轮轮辋疲劳裂纹和踏面剥离掉块的微观伤损因素分析[J]. 中国铁道科学，2017，38(5)：93-99.

(CONG Tao, HAN Jianmin, ZHANG Guanzhen, et al. Analysis of Micro Damage Factors of Shattered Rim and Tread Shelling of Railway Wheel [J]. China Railway Science,2017,38(5):93-99.in Chinese)

[8]董仁泽，董茜. 碳素结构钢的回火脆性与抗剥离耐磨车轮的研制[J]. 中国铁道科学，1997，18(4)：82-87.

(DONG Renze, DONG Qian. High Temperature Temper Brittleness of Carbonic Steel and Development of Fatigue Peelback Resistant Wheel[J]. China Railway Science,1997,18(4):82-87.in Chinese)