高性能U77MnCrH鋼軌材料磨損特性

魏夕凱 梁旭 李英奇 楊光 姚寧 劉豐收

1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部， 北京 100081； 2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 金屬及化學(xué)研究所， 北京 100081；3.國鐵物資有限公司， 北京 100037

重載鐵路具有承載能力強、運送量大等特點，是國內(nèi)煤炭等能源物資重要的輸送途徑［1-2］。我國當(dāng)前已經(jīng)掌握了25、27 t 軸重重載鐵路的成套成熟技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系，還發(fā)展出了特有的30 t 軸重重載鐵路技術(shù)［3］。隨著列車軸重與運量的提升，鋼軌的磨耗［4-5］和傷損［6］也在不斷惡化。

目前重載鐵路中廣泛使用的鋼軌鋼種有U75VH（H 表示熱處理鋼軌）和U78CrVH。其中，U75VH 鋼軌的強度級別為1 180 MPa 級，其硬度和耐磨性能不及U78CrVH鋼軌［7］；U78CrVH鋼軌強度級別為1 280 MPa，其硬度高，耐磨性能好，但鋼軌上容易出現(xiàn)因軌底銹蝕坑引發(fā)的斷裂［8-9］，材料韌塑性比U75VH 鋼軌略差。重載鐵路亟須一種耐久性更優(yōu)、綜合性能更均衡的鋼軌。

2006 年，鞍山鋼鐵集團有限公司針對大秦線重載鐵路對高強鋼軌的需求，參照美國鐵路保養(yǎng)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)鋼軌技術(shù)條件，研發(fā)并試制了60 kg/m 含Cr高強鋼軌，鋼牌號為U77MnCrH，鋼中含0.25% ～ 0.40%鉻元素，熱軋態(tài)抗拉強度不小于980 MPa，熱處理態(tài)抗拉強度不小于1 180 MPa。2021 年，鞍山鋼鐵集團有限公司對U77MnCrH 鋼軌的成分和工藝進(jìn)行了優(yōu)化，鋼軌強度、硬度取得了顯著的提升。

為了明確高性能U77MnCrH 鋼軌材料的磨損特征，本文進(jìn)行摩擦磨損試驗，從階段磨損質(zhì)量、階段表面硬度、表面缺陷類型、剖面裂紋形態(tài)與走向、塑性變形層厚度等方面，對比U77MnCrH 與U75VH 兩種鋼軌材料在同一種重載工況下的磨損特征，并分析潤滑條件對鋼軌材料磨損的影響，為重載鐵路鋼軌材料與潤滑劑的科學(xué)選材提供參考。

1 試驗方法及材料

1.1 試驗設(shè)備與試驗參數(shù)

試驗設(shè)備選用GPM-30A 滾動接觸疲勞試驗機。該試驗機可加載1.2 ～ 30 kN 的垂向載荷，轉(zhuǎn)速能夠在5 ～ 2 000 轉(zhuǎn)/min 內(nèi)無級調(diào)節(jié)。通過設(shè)置主副軸轉(zhuǎn)速可滿足試驗對滑差率的要求，可用于進(jìn)行干態(tài)、水態(tài)以及各種潤滑條件下的摩擦磨損試驗。

試驗機與試樣的接觸方式見圖1。

圖1 GPM-30A試驗機與試樣接觸方式

摩擦磨損試樣接觸位置的法向應(yīng)力可根據(jù)試樣形狀和法向載荷通過赫茲接觸準(zhǔn)則計算得出［10］。對已知工況的試驗，也可根據(jù)所需試驗應(yīng)力通過赫茲接觸準(zhǔn)則制定試驗方案［11-12］。

根據(jù)有限元仿真模擬計算結(jié)果以及部分重載線路相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)［13］，選取試驗應(yīng)力1 200 MPa，通過赫茲接觸準(zhǔn)則選取對應(yīng)試驗條件如下：

1）垂向載荷1 400 N；

2）試樣外緣弧度R200，凸臺寬度5 mm；

3）車輪試樣外緣平整，無凸臺。

試驗參數(shù)見表1。

表1 試驗參數(shù)

試驗中，油脂潤滑劑采用針筒滴加，固態(tài)潤滑劑采用手持涂抹。添加頻次由試樣接觸位置的動態(tài)摩擦因數(shù)決定。轉(zhuǎn)動5 000 轉(zhuǎn)時首次添加潤滑劑，添加潤滑劑后摩擦因數(shù)不低于0.1［14］，并在接觸位置的動態(tài)摩擦因數(shù)回到0.5以上并趨于穩(wěn)定時再次添加。油脂潤滑劑每次添加量為20 μl，固態(tài)潤滑劑每次添加量為20 mg［15］。

1.2 試驗材料

使用真空直讀光譜儀（ARL4460）對試驗使用的U77MnCrH 與U75VH 鋼軌材料進(jìn)行成分檢測，結(jié)果見表2?？芍?，符合TB/ T 2344.1—2020《鋼軌 第1 部分：43 kg/m ～ 75 kg/m鋼軌》［16］的要求。

表2 U77MnCrH與U75VH鋼軌材料化學(xué)成分

經(jīng)過維氏硬度計（FM-ARS）測量，得到U75VH 與U77MnCrH鋼軌材料基體平均初始硬度分別為368.0、387.2 HV0.2。實測拉伸性能見表3。

表3 兩種鋼軌材料的拉伸性能

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 磨損質(zhì)量與磨損率

U77MnCrH 和U75VH 鋼軌材料試樣分別與CL65車輪材料進(jìn)行干態(tài)下的摩擦磨損試驗，得到磨損質(zhì)量與磨損率（磨損質(zhì)量/轉(zhuǎn)數(shù)）的變化曲線，見圖2。

圖2 兩種鋼軌材料的磨損質(zhì)量與磨損率曲線

由圖2 可知：兩種材料的磨損質(zhì)量均隨轉(zhuǎn)數(shù)增加而增大，其中前1 萬轉(zhuǎn)內(nèi)的磨損率最高；摩擦磨損1 萬轉(zhuǎn)時，U77MnCrH 的磨損質(zhì)量約為U75VH 的70%，然后兩種材料的磨損質(zhì)量變化曲線均進(jìn)入拐點；摩擦磨損2 萬 ～ 4 萬轉(zhuǎn)時，磨損進(jìn)入穩(wěn)定階段，磨損率曲線呈指數(shù)變化的趨勢逐漸減小，此階段內(nèi)U75VH的磨損質(zhì)量曲線近乎為直線，每萬轉(zhuǎn)的磨損量恒定，而U77MnCrH 磨損質(zhì)量曲線的斜率呈減小趨勢，兩種材料磨損質(zhì)量的差距逐漸增大；摩擦磨損達(dá)到4萬轉(zhuǎn)后，兩種材料磨損質(zhì)量及磨損質(zhì)量曲線的斜率再次增大，磨損率曲線也略有上升趨勢，但U77MnCrH 磨損率的上升程度略低于U75VH。由此得出，兩種材料在對磨試驗中表現(xiàn)出的磨損行為基本一致，屬于同一類磨損過程，但U77MnCrH 的耐磨性能高于U75VH 鋼軌，U77MnCrH 的減磨率（兩種材料磨損質(zhì)量差值/ U75VH磨損質(zhì)量）約為29%。

U77MnCrH 鋼軌材料匹配CL65 車輪材料時，在干態(tài)、油態(tài)潤滑、固態(tài)潤滑條件下，摩擦磨損5 萬轉(zhuǎn)后的磨損質(zhì)量分別為249、73、118 mg?？梢姡涸诋?dāng)前的試驗條件下，油脂潤滑劑的減磨效果強于固態(tài)潤滑劑；兩種潤滑劑均起到了潤滑減磨的作用，油脂潤滑劑的減磨比（潤滑條件下的磨損質(zhì)量/干態(tài)條件下的磨損質(zhì)量）約為71%，而固態(tài)潤滑劑約為55%。

2.2 試樣磨損程度的影響因素

2.2.1 轉(zhuǎn)數(shù)對磨損程度的影響

兩種鋼軌材料試樣在干態(tài)條件下摩擦磨損1 萬轉(zhuǎn)、3萬轉(zhuǎn)、5萬轉(zhuǎn)時被取下并進(jìn)行超聲清洗后，由微距攝像頭拍攝的表面宏觀傷損形貌見圖3。

圖3 不同轉(zhuǎn)數(shù)下兩種鋼軌材料的表面?zhèn)麚p宏觀形貌（干態(tài)）

由圖3 可知：①摩擦磨損1 萬轉(zhuǎn)時，兩種材料表面被大面積分散、難以清除的磨屑覆蓋，表面?zhèn)麚p形式基本由劃痕與細(xì)小的剝落坑組成，此時的磨損類型為黏著磨損伴隨磨粒磨損。其中U77MnCrH黏著磨損占主導(dǎo)位置，U75VH 則兩種磨損痕跡都較為明顯。②摩擦磨損3萬轉(zhuǎn)時，試驗進(jìn)入穩(wěn)定階段，兩種材料表面磨屑的排布較為聚集，且顏色更深，推測是磨屑尺寸變大、數(shù)量變少導(dǎo)致的。漏出的光亮硬化表面上出現(xiàn)了細(xì)小的疲勞裂紋。相比于U77MnCrH，U75VH 表面的疲勞裂紋更加明顯。③摩擦磨損5 萬轉(zhuǎn)時，兩種材料表面出現(xiàn)了連續(xù)、斜向的疲勞裂紋，裂紋靠近接觸面高應(yīng)力區(qū)域的一端朝向試樣轉(zhuǎn)動方向，U75VH 表面的疲勞裂紋更加明顯。U77MnCrH 表面磨屑有明顯減少的趨勢，而U75VH 表面依舊存在顏色較深的磨屑聚集。

2.2.2 鋼軌材料對磨損程度的影響

兩種鋼軌材料試樣在干態(tài)條件下摩擦磨損5萬轉(zhuǎn)后，沿轉(zhuǎn)動方向（縱向）取剖面，經(jīng)過鑲樣、打磨后置于金相顯微鏡下。其形貌見圖4?？芍篣75VH 沿轉(zhuǎn)動方向產(chǎn)生的裂紋在200 倍的視場內(nèi)已經(jīng)較為明顯，裂紋最深可達(dá)試樣表面以下120 μm處，且有繼續(xù)向材料內(nèi)部擴展的傾向；U77MnCrH 在相同視場的裂紋較為細(xì)小，且只停留在試樣表層數(shù)微米處，同時裂紋尖端存在向試樣表面擴展的趨勢，有轉(zhuǎn)變?yōu)閯兟?、掉塊等危害較小的缺陷的傾向，最終形成剝落坑，從而阻止裂紋向材料內(nèi)部的繼續(xù)延伸。

圖4 兩種鋼軌材料的縱向剖面裂紋金相顯微形貌

將上述試樣剖面在4%硝酸酒精溶液中浸蝕10 s后洗凈取出，置于金相顯微鏡下。其形貌見圖5?？芍簝煞N材料淺表層都產(chǎn)生了明顯的塑性變形，U75VH 的塑性變形層平均深度大于U77MnCrH，且流變?nèi)∠蚺c試樣表面的平均夾角也大于U77MnCrH，可見U75VH的抗塑性變形能力較差；兩種材料表面裂紋均沿流變層取向擴展，也解釋了圖4 中U77MnCrH 表層的裂紋擴展深度小于U75VH。

圖5 兩種鋼軌材料的塑性變形層金相顯微形貌與裂紋走向

2.2.3 潤滑條件對磨損程度的影響

摩擦磨損5 萬轉(zhuǎn)后，U77MnCrH 鋼軌試樣在不同潤滑條件下的磨損狀態(tài)見圖6?？芍涸嚇悠拭嬖?00倍視場內(nèi)無各類明顯缺陷，在500 倍視場內(nèi)可看到少量細(xì)小的掉塊，這說明適量潤滑劑的加入不會對U77MnCrH鋼軌材料的表面缺陷產(chǎn)生影響。

圖6 不同潤滑條件下U77MnCrH鋼軌試樣磨損狀態(tài)

在不同潤滑條件下，U77MnCrH 鋼軌試樣塑性變形層的金相顯微形貌見圖7。可知：干態(tài)下U77MnCrH塑性變形層的厚度比潤滑狀態(tài)下的厚度大，兩種潤滑狀態(tài)下試樣表面塑性變形層的厚度約為干態(tài)的2/3，與潤滑狀態(tài)下試樣截面硬度進(jìn)入穩(wěn)定浮動的深度比干態(tài)下試樣小這一結(jié)論一致，說明潤滑劑的加入有效緩解了材料淺表層變形。

圖7 不同潤滑條件下U77MnCrH鋼軌試樣塑性變形層金相顯微形貌

2.3 試樣表層金屬加工硬化情況對比

兩種鋼軌材料與CL65 進(jìn)行摩擦磨損試驗，得到表面硬度變化曲線，見圖8。

圖8 兩種鋼軌材料表面硬度變化曲線

由圖8 可知：兩種鋼軌材料的表面硬度隨轉(zhuǎn)數(shù)增加而不斷升高，其初始表面硬度較為接近，且前1萬轉(zhuǎn)的硬化速率也較為同步；轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到1萬轉(zhuǎn)后，兩種鋼軌材料的硬化速率開始下降，U75VH 的表面硬化進(jìn)入穩(wěn)定階段，隨轉(zhuǎn)數(shù)的增加略有提高，而U77MnCrH 在3 萬轉(zhuǎn)前保持較高的硬化速率，3 萬轉(zhuǎn)時達(dá)到峰值并保持穩(wěn)定。U77MnCrH 的加工硬化階段比U75VH 長，摩擦磨損3 萬轉(zhuǎn)時U75VH 的表層組織已經(jīng)進(jìn)入了硬化的穩(wěn)定階段，組織片層間距無法繼續(xù)縮小，棘輪效應(yīng)的出現(xiàn)導(dǎo)致其率先產(chǎn)生疲勞裂紋（參見圖3）。U77 MnCrH 在油脂潤滑、固態(tài)潤滑條件下最終表面平均硬度分別為995.2、948.5 HV。

不同潤滑條件下U77MnCrH鋼軌材料試樣及干態(tài)下U75VH鋼軌材料試樣橫縱截面硬度的梯度變化（由表面硬化層向母材方向）曲線見圖9。可知：①各試樣的截面硬度均隨與表面距離的增加而減小，并最終穩(wěn)定在350 ～ 400 HV 上下浮動。②U77MnCrH 的淺表層組織硬度高于U75VH 鋼軌，與表面硬度測量結(jié)果一致。③干態(tài)下兩種材料的截面硬度在距表面250 μm處均進(jìn)入穩(wěn)定浮動階段，即表層的加工硬化層厚度為250 μm；潤滑條件下，截面硬度在距離試樣表面150 ～200 μm 處進(jìn)入穩(wěn)定浮動階段，早于干態(tài)條件，加工硬化層厚度較小，這說明潤滑劑的加入有效緩解了材料表層加工硬化程度。

圖9 試樣截面硬度梯度變化曲線

3 結(jié)論

本文通過摩擦磨損試驗，從階段磨損質(zhì)量、階段表面硬度、表面缺陷類型、剖面裂紋形態(tài)與走向、塑性變形層厚度等方面，通過與U75VH 鋼軌材料對比，明確了高性能U77MnCrH 鋼軌材料的磨損特征，并分析了潤滑條件對鋼軌材料磨損的影響。主要結(jié)論如下：

1）U77MnCrH 鋼軌材料比U75VH 鋼軌材料的耐磨性高29%。油脂潤滑劑和固態(tài)潤滑劑都在對磨試驗中起到了潤滑減磨的作用，減磨率分別為71%和55%，油脂潤滑劑的減磨效果優(yōu)于固態(tài)潤滑劑。

2）U77MnCrH 鋼軌材料的抗塑性變形能力更強，塑性變形層更薄，片層間的流變?nèi)∠蚺c表面的夾角更小，疲勞裂紋的出現(xiàn)時機更晚，裂紋擴展深度約為U75VH鋼軌材料的20%。

3）U77MnCrH 鋼軌材料試樣加工硬化后，表面硬度與淺表層硬度均高于U75VH鋼軌材料。

4）潤滑條件下的試樣加工硬化層厚度為150 ～200 μm，小于干態(tài)條件的250 μm，潤滑劑的加入有效緩解了材料表層加工硬化程度。