摘  要：针对重载车轮的损伤特点，研制了一种以C、Si为主要强化元素的铁素体一珠光体型车轮新材料，通过C、Si含量的合理配合，使车轮材料具备了高强度并保持了较高的韧性，同时具有合理的相变特性。装车运行试验表明，与目前常用的车轮材料相比，这种车轮材料的抗机械损伤性能和抗热损伤性能得到了较好的协调，更适合重载运输条件。

关键词：重载铁路；车轮；铁素体一珠光体钢；力学性能；相变特性

        根据铁道部门规划，在“十一五”末期将货车轴重由21 t提高到25 t，速度由80 km／h提高到120km／h，届时我国铁路将跨入货运重载的门槛，预计货运效率可提高50％以上。但从大秦线25 t轴重货车运用情况看，执行现行铁标TB2817—1997的CL60车轮服役表现不佳，磨耗量急剧增大了1倍以上，热裂纹发生量也明显增加，直接影响了正常运营。国外重载运输实践证明，由于机械载荷、制动热负荷大幅度增大，机械损伤(磨损、接触疲劳、辗宽)和热损伤(热裂、制动剥离)会同时成为车轮使用过程中的突出问题。

    抗机械损伤性能主要由材料强度决定，而抗热损伤性能则主要由材料韧性和相变特性决定，在确保高强度的基础上尽可能提高韧性并改进加热、冷却过程中的相变特性，这是当前解决上述问题的着眼点。J V Kristan等[9]研制了一种采用Si、Cr合金化的铁素体珠光体材料，强度水平与AAR-C级车轮相当，Ac3提高了50℃以上，在防止制动剥离上取得了较好效果；Lucchini提出了“C—Si—Mn系改良钢种”新概念，其“专家6”新材料能够获得与AAR—B级钢相当的塑性和高于AAR—C级钢的屈服强度，并能够抑制和延迟制动过程中的奥氏体转变和快速冷却过程中的马氏体转变，在保证较高的耐磨性的前提下，提高车轮钢抗热损伤的能力。

    本工作重点研究了C、Si对综合性能的影响，研制出一种合金化方式简单，更适用于重载运输条件的新型车轮材料。

1  研究思路、内容及试验方法

1．1研究思路、内容

    耐磨是铁路车轮应具备的基本功能。硬度水平相当时，铁素体一珠光体材料具有最好的耐磨性，因而，重载车轮材料应具有铁素体一珠光体组织状态。

    根据铁素体一珠光体钢组织与性能的关系，C对强、硬度贡献最大，对韧性的损害最大，Si则次之，若要保证韧性，降低C含量是最有效的，此时可通过Si弥补强度损失，从而获得较好的强韧配合。

    由化学成分与Ac1、Ac3、Ms点的关系口胡看，降低C含量、提高Si含量使车轮受热、冷却时不易发生奥氏体相变、马氏体转变，有助于改善车轮材料的抗热损伤性能。

    从合金元素对完全珠光体临界冷却速度的影响规律看，为使铁素体一珠光体组织易于获得，不宜实施复合合金化。Si对完全珠光体临界冷却速度影响很小，有利于预期组织状态目标的实现。

    综上所述，把寻求C、Si含量的合理配合作为重点研究方向是可取的，由此确定本研究的主要内容如下：

    (1)以质量分数O．1％为问隔设计4组试验钢，在实验室条件下研究C含量对车轮材料性能的影响，确定最佳C含量的范围；

    (2)C含量的范围确定后，以质量分数0．3％为间隔设计3组试验钢，在实验室条件下研究Si含量对车轮材料性能及相变特性的影响，确定重载车轮材料的合金化设计方案；

    (3)通过实物车轮试制验证新型车轮材料设计的有效性和可靠性；

    (4)进行装车试验，考察用新材料制造的车轮的使用性能。

1．2试验方法

    试验钢均采用ZCX02—26—1型200 kg真空熔炼炉冶炼，钢锭经过切头、表面机加工等前处理后，锻造成厚60 mm，宽150 mm的板材供各项试验使用。

    在马钢车轮生产线上用新材料进行车轮的批量试制。在铁道科学院的环行试验线进行装车试验。

2  试验结果

2．1C含量对车轮材料性能的影响

    试验用钢的化学成分及用Gleeble 1500热模拟试验机测定的相变温度见表1。材料的Ac3、Ms点随C含量的升高明显降低。

    根据前期摸索，采用880℃×0．5 h正火+530℃×2 h回火的工艺进行热处理可使4种试验钢的硬度水平相近(HB 240～260)，从而使试验结果更具可比性。

    在热处理后的试验钢上取样，在DN疲劳试验机上进行滚动磨损试验，在MHK500环块磨损试验机上进行了滑动磨损试验，根据《金属板材热疲劳试验方法(HB6660—92)》的规定进行了冷热疲劳试验，在钢铁研究总院结构材料研究所轴承钢研究室进行了接触疲劳试验。同时，研究了试验温度对冲击功的影响，试验结果见图1，可以看出，当碳的质量分数在0．60％左右时，抗机械损伤与抗热损伤性能可达到合理的平衡。

2．2 Si含量对车轮材料性能的影响

    试验用钢的化学成分见表2，其中试验钢I与我国普遍采用的CL60钢相同。在锻态试验用钢上取1根声25 mm试棒，经850℃×0．5 h正火+500℃×2 h回火后进行拉伸试验，初步了解si对强度和塑性的影响，结果见表2，可以看出，当si的质量分数低于O．60％时，提高强度的作用并不显著，而达到O．80％时，材料强度大幅度提高，塑性指标的降低并不明显。

    车轮热处理采用踏面喷水冷却方式，由表及里冷却速度迅速降低，冷却速度的变化特点与末端淬   透性试验相似，采用末端淬透性试验既能模拟Si在实物车轮中的真实强化作用，又能直观反映出Si对过冷奥氏体转变特性的影响，是一种简便、有效的试验方法。

    在锻态试验钢上取样，按GB225—88“钢的淬透性末端淬火试验方法”加工试样，经过850℃×O．5 h奥氏体化后进行末端淬火试验，结果见图2，Si含量的提高主要使淬火曲线向上平移，向右移动的幅度不大，说明Si对过冷奥氏体转变特性的影响不大，同时可以看出，试验钢III的淬火曲线向上平移的幅度明显大于试验钢II，且低冷却速度段的硬度均匀性也明显优于试验钢II，因此，将Si的质量分数提高至0．80％左右不仅能大幅度提高车轮轮辋硬度，还能有效提高轮辋硬度的均匀性。

    试验表明：喷水冷却时，踏面下10～35 mm范围的冷却速度在10～3℃／s，这一冷却速度范围大致对应端淬试样上距末端15～40 mm部分，试验钢III的淬火曲线位于该范围的硬度值达到了HRc35～33，换算后为HB 311～324，已经达到了AAR—C级车轮的硬度水平(HB 321～363)。

    按GB5056—85测定了试验钢工、Ⅲ的CCT曲线。Si的质量分数提高约0．6％，使Ac，和Acs分别提高20℃和10℃，它对临界冷却速度和M。点的影响均不大，因此，从抗热损伤性能角度讲，试验钢III优于普通CL60车轮钢，明显好于AAR—C级车轮钢。

    从CCT曲线还可看出，在获：．得铁素体一珠光体组织的难易程度上，试验钢Ⅲ与普通CL60车轮钢持平，这为工业生产中热处理工艺控制提供了便利条件。

2．3合金化设计方案

    由实验室试验结果看，当碳的质量分数在0．60％左右、si的质量分数提高到0．80％左右时，可使车轮材料的硬度达到AAR—C级车轮的水平，没有对塑性造成不良影响，且具有更有利的相变特性，在综合性能上明显优于CL60车轮和AAR—C级车轮，因此，确定新型重载车轮材料的合金设计方案(质量分数，％)为：C 0．58～0．63、Si O．75～0．85、

Mn 0．75～O．85、P≤O．030、S 0．005～0．020。

2．4工业性试制

    为更好地衡量实验室的工作结果，取CL60和AAR—C级钢进行比对试验，冶炼工艺路线均为转炉一LF—VD一ø380 mm圆坯连铸。工业性试制车轮钢的化学成分见表3。

    试验用钢压轧成相同规格的乒840 mm车轮，开锻温度均为1 250℃，终轧温度950℃左右。O．8％Si钢和CL60钢的热处理均热温度均为(850±5)℃，AAR—C级钢的热处理均热温度为(830±5)℃，喷水冷却时间均为200 s，回火制度均为500℃×4 h。

在试制车轮的轮辋部位取样，按TB2817—1997标准进行拉伸试验、断面硬度测试，按欧洲车轮标准ENl3262和GB／T 4161—84标准进行断裂韧性试验，按ENl3262进行了冲击功试验，在辐板部位取样分别按ENl3262和TB2817—1997进行拉伸试验和冲击功试验。拉伸试验结果见表4，断面硬度、冲击功、断裂韧性试验结果见表5。可见，O．8％Si钢车轮材料的强、硬度水平和塑、韧性水平分别与高碳AAR—C级、相同碳含量的CL60车轮材料持平，具有良好的综合力学性能。

    在车轮上由踏面起向轮辋内部取样进行组织分析，出现非珠光体组织的深度均为3～5 mm，可在后续机加工时完全消除，内部均为细珠光体+少量铁素体，实际晶粒度均为7～8级，可见在实现预期组织状态方面，Si没有给热处理工艺增加任何难度。

    制动过程中，车轮踏面硬度如果因受热而大幅降低，可能使磨损、踏面辗宽加剧，为此，在未回火态车轮上取样进行不同温度的回火试验，以研究温度对硬度的影响，结果见图3，0．8％Si钢在不同温度下硬度均明显高于CL60车轮钢，同AAR—C级车轮钢基本相当，在高温区段硬度降低幅度则明显小于CL60和AAR—C级车轮，显然，Si对于提高车轮使

用性能的稳定性是有益的。

    总体上看，工业性试制实现了预期的组织、性能目标。

2．5装车试验

    在铁道科学研究院环行试验线对用0．8％Si钢试制出的车轮、CL60车轮和AAR—C级车轮进行了装车试验，试验用车轴重25 t，试验速度80～120km／h，计划试验里程20万km，已试验里程17万km，3种车轮的磨耗量分别为2．0 mm、>5 mm、1．2 mm，0．8％Si钢车轮的磨损性能明显好于CL60车轮，与AAR—C级车轮基本持平。试验过程中定期检查踏面损伤情况，0．8％Si钢车轮和CL60车轮的状态基本相同，踏面上出现少量“热斑”和细微热裂纹，而在AAR—C级车轮的踏面上，“热斑”和热裂纹则经常出现，且“热斑”数量多、热裂纹开口度大。

    装车试验结果证明，质量分数为C 0．60％、Si 0．80％的车轮材料确实具有更好的使用性能。

3  结语

    所研制的质量分数为C 0．60％、Si 0．80％的车轮材料可使抗机械损伤和抗热损伤性能之间的矛盾得到很好的解决，能够更好地满足铁路重载的需要。

                                     朱昌逑，  江  波，  安  涛，  陈  刚，  崔银会