我国高速铁路车轮

　　随着我国铁路提速战略的不断实施，高速铁路的建设正在积极筹划和建设之中。高速车轮作为高速列车的重要零部件，起着支撑整个列车的重量，并把驱动力和制动力传递给钢轨的作用，其使用质量直接关系着列车的运行安全和旅客生命财产的安全。为使车轮有良好的使用性能，研究人员对高速车轮材料进行了大量的研究，对碳的质量分数在0.4％～0.7％之间的碳素车轮钢的研究结果证明，碳的质量分数为0.5％左右的中碳车轮钢可以获得较好的综合性能。但是，仅仅靠调整碳含量很难优化车轮钢材料的综合性能，无法满足高速列车车轮用钢的要求。在确定降低碳含量、提高铁素体珠光体向奥氏体相变时的临界温度的原则下，还需要采用合适的合金化手段，进一步改善车轮钢的性能匹配，使车轮更安全有效地服役于铁路系统。硅、锰是产生固溶强化作用最显著的合金元素，在车轮钢中应该保持一定的含量，使钢的硬度提高。某车轮厂已有的经验证明，硅和锰的质量分数分别为0.3％和0.7％左右时可以使车轮钢的强度和硬度显著提高而韧性没有明显的下降。但是，仅以目前的碳、硅、锰元素配比生产的实物车轮在实际运行中仍然暴露出了强度和硬度偏低，耐磨性和抗接触疲劳性能较差的问题。因此，在成分设计方面，添加微合金元素就成为对高速车轮用钢进一步强化的主要手段，笔者研究了微合金元素铬对高速车轮钢显微组织和力学性能的影响。
　　1 实验材料和方法
　　设计并生产两炉车轮钢连铸圆坯，其化学成分(质量分数)见表1。由于车轮采用的是强制性标准，铬的质量分数要求≤0.30％，所以含铬试验钢铬的质量分数按0.15％～0.30％设计，含铬试验车轮中铬的质量分数为0.23％，两炉钢其它元素的含量基本相同。为使试验结果对实际生产有更好的指导性，试验车轮的生产完全采用与正常车轮生产相同的工艺，即95t转炉冶炼→LF精炼→VD合金微调→圆坯连铸→锻压轧制→等温→淬火加热→淬火→回火→机加工→成品检验。

　　表1 试验车轮钢成品的化学成分 %
　　试验钢号 C Si Mn S P Cr O N
　　1 0.51 0.33 0.72 0.006 0.015 0.23 0.0024 0.0060
　　2 0.50 0.32 0.72 0.008 0.015 - 0.0018 0.0062

　　对成品车轮按照标准取样，进行拉伸和冲击实验等基本力学性能测试。并用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜进行样品的显微组织和精细结构观察，并进行硬度分析。为了解铬在车轮钢中的分布情况，对钢中的渗碳体进行化学相分析。
　　2 实验结果
　　2.1 基本力学性能
　　对试验车轮的轮辋进行了常规力学性能试验，表2和图1分别是试验车轮轮辋的拉伸性能、硬度和冲击性能。从实验结果可看出，无铬钢的强度和硬度都较低，仅为847MPa和HB246，略超过文献规定的下限指标。和无铬车轮钢相比，含铬车轮钢材料的强度和硬度有了明显的提高，增量分别为50MPa和HB15。尤其是距轮辋表面35mm处的硬度在加铬后有了显著的提高。还应看到，含铬钢的塑性稍有下降，但仍然远远超过规定的下限水平。冲击实验的结果显示，加铬后对冲击性能有一定的影响，但影响不是太大。
　　表2 试验车轮轮辋的常规力学性能
　　试验车轮 试验温度/℃ σb/MPa σ0.2/MPa δ/% Ψ/% 踏面下35㎜处断面的硬度(HB)
　　含铬钢 21.5 900 570 16.5 45.5 261
　　无铬钢 21.5 847 525 18.0 54.0 246

　　图1 试验车轮轮辋的冲击曲线(V形缺口试样)

　　2.2 显微组织
　　含铬车轮钢和无铬车轮钢轮辋经热处理(淬火+回火)后的显微组织如图2所示。从图中可看出，两种钢的显微组织主要是珠光体，含铬钢的先共析铁素体比无铬钢略少。另外，含铬钢的显微组织比无铬钢的细小，显示出加铬对车轮钢的组织细化有一定的作用。

　　(a)含铬钢；(b)无铬钢
　　图2 轮辋经淬火+回火处理后的显微组织

　　车轮钢属于铁素体-珠光体型中高碳钢，其性能取决于铁素体和珠光体组织各自的体积分数、形态和分布状况。其中珠光体组织的体积分数占80％以上，其组织形态和分布对钢的性能有很大的影响。珠光体片层间距的大小，决定了珠光体组织性能的优劣，是车轮钢材料的一个非常重要的材料参数。影响珠光体片层间距大小的因素主要有转变温度和合金元素的含量等。进一步的TEM观察可以发现，加铬使珠光体的片层间距减小，使组织得到进一步细化，如图3所示。加铬提高铁在γ相中的自扩散激活能，降低奥氏体转变为铁素体和珠光体的形核和长大速度，因而使珠光体的转变温度降低，珠光体的片层间距减小。

　　(a)含铬车轮钢； (b)无铬车轮钢
　　图3 含铬车轮钢和无铬车轮钢的珠光体组织(TEM)

　　为了验证加铬对细化车轮钢珠光体片层间距的效果，并定量估算含铬车轮钢和无铬车轮钢珠光体的表观片层间距，在扫描电镜下以1～2万的倍数观察珠光体，对珠光体片层间距进行大量的数据统计，结果示于图4(图中横轴采用片层间距的倒数来表征，以求更接近珠光体的本征参数)。可以看出，含铬钢出现概率峰的片层间距为270～300nm，概率峰值约为0.4，而无铬钢出现概率峰的片层间距为330～380nm，概率峰值约为0.3。另外，含铬车轮钢的片层间距分布总体向片层间距减小的方向偏移。数据统计的结果说明，加铬使车轮钢的珠光体组织产生细化效果，片层间距减小。

　　图4 含铬钢和无铬钢珠光体片层间距的统计分布图

　　另外，通过化学相分析研究了含铬试验车轮钢中的碳化物，结果显示，碳化物全部都由渗碳体构成。定量分析发现，渗碳体中溶解有合金元素锰和铬，其组成是(Fe0.981C0.006Mn0.013)3C，渗碳体中铬的含量是基体含量的3倍。渗碳体中溶解有铬等合金元素，使合金渗碳体相更稳定，在奥氏体化过程中渗碳体的溶解速率降低。在高速列车的服役过程中，由于刹车产生摩擦热，导致车轮表面急剧升温，甚至达到奥氏体相变温度，但是这一过程是很短暂的，如果车轮钢的原始组织中渗碳体相更稳定，将在一定程度上延缓原始组织向奥氏体转变的速率，从而降低在随后快冷过程中形成马氏体的可能。因此，在车轮钢中加入适量的铬在一定程度上有助于提高车轮钢的抗剥离性能。
　　2.3 含铬车轮钢的性能分析
　　高速车轮在实际运行中由于轮轨接触面在接触应力的作用下导致踏面表层金属塑性变形并引发疲劳裂纹的萌生和发展，产生接触疲劳损伤，结合以前对铁路提速车轮(型号为KKD、HDS)失效原因的研究分析结果可知，硬度偏低的车轮发生接触疲劳剥离的可能性较大，车轮的磨耗速度也较快。反之，强度和硬度较高的车轮抗接触疲劳性能和耐磨性较好。然而，实验证明，单纯增加碳含量来提高车轮的强度和硬度不仅不能提高车轮的服役能力，而且因为显著降低钢的韧塑性而使车轮的综合性能下降。合理的做法是，添加适量的微合金元素，在基本不降低车轮韧性的前提下增加强度和硬度。本研究在钢中加入少量的铬，从而提高了车轮的耐磨性和抗接触疲劳性能。
　　含铬试验车轮钢材料中铬的添加在钢中产生固溶强化，其强化效果仅次于硅、锰，而韧性又没有明显降低，而且铬能够细化珠光体的片层间距。用显微硬度计和扫描电镜，研究了车轮钢珠光体组织片层间距和显微硬度的关系，数据的统计结果示于图5。结果显示，含铬钢的珠光体片层越细，珠光体的显微硬度越高。对于本研究中的车轮钢，两者间的定量关系为H=15.9×1/s+187，式中H为珠光体的显微硬度(HV)，s为珠光体的片层间距。结合图4对片层间距的统计数据，含铬和无铬两种钢的珠光体组织的平均硬度约为HV280和HV268，考虑两种钢中少量铁素体还对硬度有稀释作用，说明以上硬度的计算值和表2给出的硬度的实测值吻合较好。

　　图5 车轮钢中珠光体的显微硬度与片层间距的关系

　　高速车轮在运行过程中还存在的另一种重要的失效形式是摩擦热导致相变而产生的踏面剥离，即列车在刹车、转弯时，轮轨间的相对滑动引起摩擦热，经过急剧的升温和降温过程，轮辋表面形成相变马氏体薄层，在接触应力的作用下，在马氏体薄层的尖端发生裂纹的萌生并扩展，最终导致局部区域小块金属的脱落。总体来说，产生这种剥离的机制比较复杂，从根本上解决此问题应从提高奥氏体化温度、延缓奥氏体相变、提高珠光体和贝氏体相变的上限冷速促使冷却产生非马氏体相变等人手。苏航的工作证明在现实中提高珠光体和贝氏体相变的上限冷速是不可行的。前面的相分析结果显示，加铬使珠光体组织更稳定，这在一定程度上减缓了轮轨相对滑动期间原始组织向奥氏体化转变的速率，因此减少了在随后的冷却过程中马氏体相变的可能性，从而提高了车轮的抗剥离性能。
　　3 结论
　　在高速车轮钢中加入少量的铬，可在保持钢的韧塑性基本不变的情况下，显著提高钢的强度和硬度，有助于提高车轮钢的耐磨性和抗接触疲劳性能。这和铬对基体的固溶强化作用及对珠光体片层的细化作用密切相关。在珠光体中保持一定量的铬，对提高车轮的抗剥离性能有利。