俄標φ957車輪結(jié)構(gòu)及組織性能研究

龐晉龍，肖 峰，陳 剛，張 磊，鄧榮杰，楊曉東

（寶武集團馬鋼軌交材料科技有限公司 安徽馬鞍山 243000）

車輪是鐵路車輛的關(guān)鍵行走部件，是車體受到載荷最大部件［1］。俄聯(lián)邦鐵路車輛用車輪執(zhí)行的標準為GOST 10791-2011《整體輾鋼車輪技術(shù)規(guī)范》［2］，主要根據(jù)運行時速、軸重、車輛用途，挑選不同材質(zhì)、不同制造精度的車輪。本文以馬鋼供俄聯(lián)邦的φ957車輪為例，從車輪輪型結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、熱處理工藝、實物解剖、檢測等方面，詳細研究分析車輪實物質(zhì)量水平，驗證了材質(zhì)、工藝、設(shè)備、檢測的合理性，從而保證車輪的優(yōu)異質(zhì)量，在確保φ957車輪滿足GOST 10791-2011標準的前提下，可安全服役于俄聯(lián)邦鐵路。目前該車輪已實現(xiàn)批量化的制造及供貨。

1 車輪輪型結(jié)構(gòu)可靠性效核

本次俄標φ957車輪依據(jù)GOST 10791-2011標準附圖A.1的直輻板整體車輪［2］，車輪為斜形輻板，其具體尺寸見下圖1。車輪運行工況為：最大軸重23.5 t，運行時速＜120 km/h，采用踏面制動方式。

依據(jù)AAR S-660標準［3］，采用ANSYS有限元軟件對車輪進行熱力學彈性應(yīng)力有限元分析，以評價φ957車輪結(jié)構(gòu)的可靠性。因磨耗到限車輪應(yīng)力遠大于新造車輪，本次僅對磨耗到限車輪進行計算，磨耗到限車輪的剩余輪輞厚度為1英寸；由于車輪結(jié)構(gòu)的對稱性，選取1/2車輪模型進行計算分析，采用8節(jié)點單元劃分網(wǎng)格。本次分析中所用載荷包括車輪踏面制動引起的熱載荷Th（即35HP的熱載荷在20分鐘內(nèi)均勻地施加到車輪踏面上），以及輪軌接觸面上的垂直載荷V2（即：V2＝49604磅作用在距輪輞外側(cè)面1英寸處）。

圖1 φ957車輪結(jié)構(gòu)示意圖［2］

2 車輪材質(zhì)及熱處理工藝研究

Φ957車輪的最高運行時速為120 km/h，最大軸重23.5 ton。依據(jù)GOST 10791-2011標準要求，本次車輪鋼為2號鋼，其具體成分要求如表1，類似我國TB/T 2817-2018標準的CL60車輪鋼。

根據(jù)車輪服役特性，此Φ957車輪鋼主要以C元素為關(guān)鍵強化的技術(shù)思路，即在高C的基礎(chǔ)上，以提高車輪高強硬度和耐磨性，且隨C含量增加，強度、硬度呈上升趨勢，塑性、沖擊功指標均有較大富余量。另外，車輪鋼不加額外合金，可直接降低車輪制造成分，可提高珠光體轉(zhuǎn)變臨界冷卻速度，易于控制踏面異常組織深度，提高輪輞組織和硬度均勻性，以提高車輪的抗剝離和抗失圓性能，這對于改善車輪的使用性能是非常有益的。因此保證車輪實物質(zhì)量的前提下，能起到降本和改善車輪使用性能的雙重效果。

圖2 磨耗到限車輪的計算結(jié)果

表1 φ957車輪化學成分（質(zhì)量分數(shù)）/%

眾所周知，車輪熱處理工序是車輪制造過程最重要的一個環(huán)節(jié)，是獲得良好的組織狀態(tài)和力學性能。不但要獲得優(yōu)異的綜合性能，同時要求具有良好的組織結(jié)構(gòu)。φ957車輪壓軋成形及緩冷結(jié)束后，為了獲得合適的服役狀態(tài)組織，須將軋態(tài)車輪再次加熱至奧氏體化溫度后，進行踏面淬火處理，如圖3所示，其冷卻速率使輪輞由表及里遞減，其目的是在踏面一定深度內(nèi)得到強度較高且滿足韌性的珠光體組織，以滿足車輪耐磨性、抗裂性等要求。同時車輪熱處理制度還應(yīng)考慮在車輪踏面形成一定的壓應(yīng)力，以滿足車輪踏面抗疲勞性能的需要［2］-［4］。

3 車輪組織性能分析

車輪組織性能將直接決定車輪服役性能，直接影響到車輛的安全穩(wěn)定運行，因此本文對熱處理后車輪組織和力學性能進行研究分析，組織包括高倍顯微組織、晶粒度和宏觀組織；其力學性能主要包括：輪輞拉伸、輻板沖擊、輪輞硬度等。

圖3 車輪淬火方式示意圖

3.1 車輪組織及晶粒度

車輪微觀組織結(jié)構(gòu)直接關(guān)乎著車輪的性能，Φ957車輪熱處理、機加工結(jié)束后，對車輪輪輞和輻板進行金相觀察，如圖4所示，顯微組織由片層珠光體和先共析鐵素體構(gòu)成，先共析鐵素體大多沿晶界分布，其中珠光體組織含量占組織的絕大多數(shù)，且珠光體團尺寸均勻、較細，使得車輪能夠獲得較高的強硬度，具有良好的耐磨性能［5］。

圖4 957車輪微觀組織形貌及晶粒度

晶粒度表示晶粒大小的尺度，對車輪性能有很大影響。晶粒越細小，則強度和硬度越高，同時塑性和韌性也越好。車輪輪輞進行淬火和回火后，其晶粒度細化非常明顯，由圖4所示，其晶粒度達到8級，從而確保了車輪高強韌性。

3.2 車輪強硬度

車輪的耐磨性與車輪輪輞強硬度成線性增加關(guān)系，為了提高車輪耐磨性和抗失圓等服役特性，必須提高φ957車輪熱處理穩(wěn)定性，最大程度降低每批車輪及每件車輪周向的性能波動。

本次φ957車輪熱處理采用27 m環(huán)形加熱爐進行淬火加熱和回火，在車輪淬火加熱和回火過程中，必須嚴格控制車輪加熱爐爐溫均勻性，控制車輪周向加熱、淬火冷卻效果，從而有效控制所有批次車輪強硬度及車輪周向性能均勻性。

表2 φ957車輪的關(guān)鍵力學性能指標

每批次車輪熱處理結(jié)束后，隨機抽取1件車輪進行解剖分析，其強硬度取樣位置和檢測結(jié)果如圖5所示，都符合GOST 10791標準的關(guān)鍵指標要求。車輪輪輞Rm約1020 Mpa，且各批次強度波動較?。煌卉囕喼芟蛉?塊斷面硬度進行踏面下30 mm處布氏硬度檢測，斷面硬度為300 HB左右，周向硬度均勻性差值僅2 HB，差值非常小，再次驗證了車輪熱處理工藝控制良好，保證了車輪周向強硬度均勻性，從而提高車輪耐磨性和抗失圓風險。

圖5 車輪強度及硬度檢測

3.3 車輪輻板低溫沖擊韌性

俄羅斯幅員遼闊，且地理位置偏北，絕大部分屬亞寒帶大陸性氣候，冬季漫長而嚴寒，車輪常年在較低環(huán)境下運行，對車輪低溫性能要求較高。因此，此次φ957車輪實物質(zhì)量在滿足標準GOST 10791-2011《整體輾鋼車輪技術(shù)規(guī)范》的基礎(chǔ)上大幅提高車輪輻板的低溫沖擊韌性，從而確保車輪在高寒地區(qū)的服役安全性。

本次對熱處理后φ957車輪輻板部位進行沖擊檢測，其檢測結(jié)果均穩(wěn)定在60 J/cm2，遠遠高于標準要求（GOST 10791標準的輻板-60℃沖擊值≥15 J/cm2，沖擊槽口為U（5，2）），檢測結(jié)束后，對車輪沖擊樣品斷口進行斷口掃描分析，結(jié)果見圖6，可見試樣均為韌性斷裂，槽口區(qū)域韌帶區(qū)較長，具有良好的韌性性能。

圖6 沖擊斷口觀察

并且對3種沖擊試樣橫截面左、右、中進行金相觀察，由圖7可知：試樣不同位置均存在晶粒大小均勻，斷裂發(fā)散點組織均勻。

4 結(jié)論

根據(jù)φ957車輪軸重、運行時速等服役特性，確定車輪材質(zhì)2號鋼及輪輞淬火的熱處理方式；

對車輪實物進行解剖分析，綜合研究了車輪微觀組織、晶粒度及宏觀結(jié)構(gòu)；并對其拉伸、硬度、沖擊韌性等力學性能進行測試分析，均符合GOST標準要求，且富裕量較大；車輪具有良好的組織及綜合力學性能，具有高強韌匹配特性；

馬鋼制造的φ957車輪具有優(yōu)異的服役性能和可靠性。

圖7 沖擊試樣的金相組織觀察