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钢轨材料对轮轨磨损及微观结构影响的研究

蒋文娟  
【摘要】:由于铁路在经济的发展中举足轻重的地位,向高速化和重载化发展成为各国发展铁路的目标。但是铁路的高速化和重载化发展给轮轨系统提出了更高的要求,同时新的服役环境也将使现有轮轨材料的匹配性问题置于更加突出的位置,因此对于目前还在广泛使用的钢轨、车轮材料进行深入的匹配性研究是具有重要的现实意义的。在实验室条件下模拟轮轨运动,研究轮轨材料之间的匹配性,对减少轮轨伤损,使铁路运输能够更快更好的发展具有重要的指导意义。 本文根据赫兹接触理论,利用MMS-2A微机控制摩擦磨损试验机研究了车轮材料CL60与四种国内常用的钢轨材料U71Mn热轧、U71Mn淬火、PD3热轧及PD3淬火钢在干态下模拟轴重为15t、21t以及25t时的匹配状况,并结合光学显微镜(OM)、维氏硬度仪(MVK-H21)、扫描电子显微镜(SEM)和XRD等表面分析测试设备,通过对摩擦副的磨损量、磨损量的变化、磨痕表面变化、表层结构变化以及磨屑的形貌与物相等的分析,对本实验中的轮轨材料的滚动接触疲劳与磨损行为,得到结论如下: 1)随着载荷的增大轮轨试样的磨损量都增大,但是载荷对车轮的影响比钢轨大很多,车轮是磨损增大,而钢轨是疲劳的比例增大。载荷增大使轮轨试样磨损量增加的速率增大;也使钢轨的塑性变形层增厚,对车轮的影响却不大,但是使裂纹出现的位置更靠近表面。 2)在同一个载荷下,钢轨材料的硬度提高,其磨损量减小,表面损伤减小,但是疲劳所占比例增大;而钢轨硬度的提高使车轮的磨损量增大,表面损伤增大,但以磨损为主。同时钢轨试样的磨损量增加的速率随着钢轨硬度的增大而减小,而车轮的情况与之相反。硬度越大的钢轨,其塑性变形层越薄,出现裂纹和空洞的位置越浅。钢轨的硬度几乎不影响车轮的塑性变形层的厚度,也几乎不影响裂纹出现的位置,但是钢轨硬度的提高使车轮试样的裂纹尺寸增大。因此,对于国内常用的车轮钢CL60,硬度最小的U71Mn热轧钢可以最为最佳的钢轨配副。 3)磨屑的形状受材料的影响,热轧钢摩擦副的磨屑基本上呈片状,大小相对比较均匀,而淬火钢摩擦副的磨屑大小不均,是粉末与片状磨屑的混合。四种摩擦副磨屑的XRD曲线几乎可以完全重合,没有大的区别,磨屑成分主要是Fe2O3和马氏体。载荷越大,峰的强度越高,说明Fe2O3和马氏体的含量越高。


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