轮轨硌伤诱发滚动接触疲劳机制的材料影响

利用GPM-30滚动接触疲劳磨损试验机,在油润滑条件下试验研究轮轨材料对丝锥硌伤诱发局部滚动接触疲劳(LRCF)的影响,涉及ER8高速车轮钢、U71MnG高速钢轨钢,以及1280 MPa和1380 MPa级的贝马复相、PG4、PG5等4种新开发的重载钢轨钢。发现硌伤诱发的剥离掉块仅发生在硬度低于300 HV的ER8和U71MnG高速轮轨材料,且只有在硌伤深度超过150~200μm的临界值时发生,对于硬度高于400 HV的重载钢轨材料,表面硌伤不太可能诱发局部滚动接触疲劳。试样表面和剖切观测显示,初始疲劳裂纹可萌生于硌伤内部和前、后沿,底部萌生的裂纹更容易导致包含深裂纹和大块剥离的局部滚动接触疲劳,后沿比前沿更容易萌生初始裂纹。与U71MnG高速钢轨相比,硬度更低的ER8高速车轮钢试样上硌伤引发剥离掉块的可能性更高,但U71MnG钢轨钢试样上萌生的初始裂纹可扩展得更宽、更深,更易引发大块剥离,局部滚动接触疲劳造成的后果更严重。

高速列车用车轮钢、轴承钢和弹簧钢的发展

概述了高速铁路用的几类关键钢铁材料——车轮钢、轴承钢和弹簧钢的国内外现状、存在问题和发展趋势。针对列车提速对这些材料提出的新要求,分析了材料研究和开发的策略,并介绍了已获得的部分进展情况。

温度及应变速率对高速车轮钢形变行为的影响

为高速车轮服役性能评价及失效分析提供依据,在-60~400℃温度及6.67×10-4~3 782s-1应变速率范围内对高速车轮钢进行拉伸及压缩试验,测量其屈服应力、抗拉强度、断面收缩率、伸长率、应变硬化指数、应变硬化系数等材料力学参量,研究材料力学参量随温度和应变速率的变化。结果表明：在试验范围内高速车轮钢的屈服应力、抗拉强度随应变速率常用对数的升高而线性增加,随温度的升高而基本呈线性降低;屈服应力在试验温度上升范围内下降了225 MPa,在试验应变速率增加范围内上升了270 MPa,而断面收缩率和伸长率则随温度的升高而增加、随应变速率的增加而略有降低;应变硬化指数基本不随温度的变化而变化,但随加载速率的增加而降低;应变硬化系数随温度和应变速率的增加而降低;温度及加载速率对高速车轮钢材料塑性本构关系的定量影响可通过包含温度和应变速率参数的Hollomon方程描述。

热处理对高速车轮组织和断裂韧性的影响

以ER8车轮钢为对象,采用预处理+终处理方法改善车轮组织状态,并分析了工艺参数对晶粒尺寸及分布的影响。结果表明:经过870℃×1.5 h预处理+840℃×1.5 h终处理,晶粒平均尺寸及分布均匀性明显改善,断裂韧性得到显著提高;在保温1.5 h的终处理中,900℃时异常晶粒快速长大,平均晶粒尺寸出现局部峰值;随着初始组织均匀性的提高,异常晶粒尺寸与正常晶粒尺寸相对差(RD)达到峰值的温度有提高趋势。

温度对高速车轮钢断裂韧性的影响

针对高速车轮钢低温环境下服役安全评价的需求,按照试验规范,在20,0,-20,-40,-60和-80℃下,分别进行标准圆棒拉伸试样的拉伸试验、紧凑拉伸(CT)试样的断裂韧性试验和Charpy-V型缺口冲击试样的冲击韧性试验,分析温度影响高速车轮钢断裂韧性的机理,研究高速车轮钢的断裂韧性随温度变化的规律。结果表明:20^-80℃下,高速车轮钢的断裂韧性和冲击韧性处于韧—脆转变区,且随温度的降低而降低;随着温度的降低,由于车轮钢屈服应力升高,CT试样的裂纹尖端由塑性形变强化而导致的解理起裂逐渐变为直接解理起裂;采用Master Curve法预测高速车轮钢的断裂韧性时,适用的最低温度仅为-14.4℃,不能满足高速车轮钢的实际服役环境温度(最低-40℃)需要;根据高速车轮钢的断裂韧性随温度降低基本呈线性下降的趋势,给出了室温(25℃)至-80℃温度范围内高速车轮钢的断裂韧性随温度变化的线性拟合关系式,以满足利用室温断裂韧性预测高速车轮钢低温断裂韧性的需要。

高速列车车轮用钢研究和应用的进展

介绍了欧洲和日本高速列车车轮用钢的研究与发展情况,综述了其研究成果。高速列车车轮用钢在含碳量0 .5 %并添加少量微合金元素时,具有良好的强度和韧性以及抗剥离性能。

高速车轮钢表面激光熔覆铁基合金涂层的摩擦磨损性能

为了探究激光熔覆对高速车轮钢合金涂层摩擦与磨损性能的影响,利用LDM2500-60型半导体全固态激光器在高速车轮钢表面激光熔覆制备Fe基合金涂层。分别采用金相显微镜、能量色散X射线光谱仪、X射线衍射仪(XRD)分析了熔覆涂层的组织结构、元素分布以及物相,利用MM-2000高速摩擦试验机研究了高速车轮材料激光熔覆处理前后轮轨材料的摩擦磨损性能。结果表明:激光熔覆处理能有效改善车轮材料的抗磨损性能,熔覆涂层主要由γ-Fe、Cr7C3碳化物以及含铁固溶体等物相组成,涂层组织主要以树枝晶和共晶为主;车轮合金涂层的磨损速率相比基体材料降低了51%左右,车轮熔覆铁基合金后的轮轨磨损机制主要表现为轻微的磨粒磨损和氧化磨损。

激光熔覆铁基合金粉末修复高速列车车轮磨损研究

针对高速列车车轮踏面磨耗问题,利用5 kW横流CO2激光器,采用预置铁基合金粉末法,对车轮钢表面进行激光熔覆修复研究。通过选择合适水平的正交试验,确定了高速列车车轮钢表面激光熔覆铁基合金粉末的最优工艺激光功率、离焦量、扫描速度分别为:2.5 kW、20 mm和5 mm·s-1;采用扫描电镜(SEM)、自动转塔数显显微硬度计、摩擦磨损试验机、微机控制电子万能试验机对合金化涂层的显微组织、性能及界面结合强度进行性能测试。结果表明,通过激光熔覆制备的合金化涂层与车轮钢基体形成冶金结合、组织均匀致密,合金化涂层硬度从车轮钢基体到表面呈梯度分布,由基材的246 HV提高到326.5 HV,相对耐磨性为1.33,界面结合强度达到163.91 MPa。

快速车轮钢的质量控制

为了提高车轮钢质量 ,满足高速铁路对车轮的需要 ,对马钢生产的快速车轮钢的化学成分、气体含量、非金属夹杂和力学性能作了统计分析。介绍了目前快速车轮钢的实物质量 。

不锈钢超高速磨削试验研究

为避免不锈钢磨削中发生砂轮堵塞,减轻磨削烧伤的程度,提高加工效率,优化加工工艺,对不锈钢进行超高速磨削试验研究。在高速/超高速磨削条件下,研究了不同砂轮线速度、工件进给速度和进给量对不锈钢磨削的磨削力、表面粗糙度和表面形貌的影响作用,并检测了不同工况下的砂轮表面状态。研究结果表明,不锈钢在超高速磨削状态下,选择合理的工作台速度和磨削深度能有效提高加工效率,同时又能保证磨削质量。

低合金高速钢W3 Mo2Cr4 V2NbNRE辊轮材料的组织和性能

针对高速线材轧机上常用的高碳高铬铸钢辊轮耐磨性低,使用寿命短,而普通高速钢辊轮和硬质合金辊轮成本较高的情况,研制出一种使用温度在550℃左右,复合添加氮、铌、稀土的低钨、钼含量的高速钢W3Mo2Cr4V2NbNRE辊轮材料。经1250℃淬火,550℃3次回火后的硬度为HRC64,550℃×20h的热稳定性试验后的硬度为HRC62,具有良好的红硬性。其耐磨性接近普通高速钢W18Cr4V辊轮的水平,而成本比普通高速钢低。

高速列车车轮材料研究的综述

介绍了欧洲和日本高速列车车轮用钢研究与发展,综述了国内高速列车车轮用钢选用方面的研究成果。含碳量约为0.5%并添加少量微合金元素的试验钢具有良好的强韧性和抗剥离性能,适合我国高速列车车轮用钢。

微观组织对车轮钢力学性能和磨损性能的影响研究

车轮钢和轨道钢的微观组织和力学性能对高铁运行的安全性和服役寿命具有决定性影响。该工作采用淬回火和淬火雾冷两种热处理制度制备了具有等轴状铁素体和粒状渗碳体的回火索氏体车轮钢和片状渗碳体分布在铁素体中的索氏体车轮钢。通过优化热处理制度,两种钢的晶粒均在7级,属于细晶组织。对两种组织的钢进行伸试验,两种钢的拉伸强度大于900 Mpa,延伸率大于15%;由于淬回火车轮钢中颗粒渗碳体的弥散强化作用,其强度比淬火雾冷的车轮钢更高。夏比冲击试验表明,在室温下淬火雾冷的车轮钢冲击吸收功高于淬回火车轮钢,但随着冲击温度的降低,淬火雾冷的车轮钢冲击功幅度下降幅,而淬回火钢一直到-20℃韧性几乎不降低。模拟高铁载荷和时速500 km运行下轮轨接触频率,将两种钢与相同轨道钢配副做滚动接触疲劳试验。结果表明：淬回火车轮钢的疲劳寿命更长,裂纹的萌生主要发生在试样的表面和亚表面夹杂物或应力集中处,在表面萌生的裂纹一般会沿一定的角度向内部扩展,然后沿平行于试样表面进行扩展,最后从试样上撕裂下来。裂纹扩展一般沿着夹杂物与基体界面进行;当夹杂物阻碍裂纹前进时,裂纹会绕过夹杂继续扩展。在摩擦之后,车轮轨与轨道钢的硬度都有1~2HRC的硬度下降,组织成分由于发生了再结晶及塑性变形下,条带状碳化物被碾碎等因素,使其与原始组织有了很大的不同。在硬度为34HRC左右时有最好的抗摩擦性能。

高速重载线钢轨打磨策略研究初探

基于国内外钢轨打磨现状 ,分析研究高速重载线钢轨打磨策略 ,从打磨限值标准、打磨车工作参数标准、打磨质量控制标准等方面论述高速重载线钢轨打磨策略的研究思路、研究方法和关键技术。

我国大圆弧辐板系列高速辗钢车轮的研制和开发

论述大圆弧辐板系列高速轻型车轮的结构特点及试验研究的主要结果 。

CBN砂轮加工高速钢刀具磨削性能实验研究

随着超硬含铝高速钢及其他难加工材料在工具行业的不断应用,对刀具的磨削加工提出了更高的要求.CBN砂轮具有热稳定性好,化学惰性强,耐磨性好,磨削效率高,加工表面质量高,无烧伤和裂纹等特点,因此,运用CBN砂轮进行超硬含铝高速钢磨削加工将获得极优的表面质量和加工效率.

D2高速车轮钢在滑动磨损下的白层形成与剥落

通过对不同转数滑动磨损后的D2高速车轮钢进行表面形貌和微观组织观察与分析,研究白层形成、发展与剥落过程以及他们之间的联系.结果表明:随着滑动磨损转数的增加,试块表面磨损方式由黏着磨损逐渐转变为磨粒磨损,同时在磨损表面形成纳米晶白层.该白层由铁素体纳米晶和极少量渗碳体小颗粒组成,其形成机制属于塑性变形机制.从横截面角度观察,白层的形成过程主要分为五个阶段:1)在磨损犁沟内出现月牙形塑性变形层,铁素体发生细化;2)磨损表面形成相对均匀的严重塑性变形层,渗碳体碎化成短棒状甚至是颗粒状;3)犁沟内形成厚度小于1μm的白层,其内组织为纳米级的铁素体和渗碳体小颗粒;4)犁沟内白层增厚成月牙形;5)相邻犁沟内的月牙形白层相互连接,厚度可达10μm.白层剥落过程如下:主要在脊缘处产生裂纹源,表面裂纹沿着与摩擦力成30°~45°方向向犁沟内扩展并交汇,在表层沿着白层与变形层交界处或白层内部扩展,最后使表层金属分层甚至出现金属薄片(含有白层)剥落.

原始组织对高速车轮钢滚滑接触疲劳磨损性能的影响

采用滚滑接触疲劳磨损试验和纳米压痕试验以及光学显微镜、扫描电镜等研究了两种不同原始组织高速车轮钢的滚滑接触疲劳磨损行为。结果表明:无碳化物贝氏体车轮钢比珠光体车轮钢具有更好的耐磨性。两种钢经磨损试验后,表层组织发生演变并在表面产生白层组织。珠光体钢白层区域弹性模量低,塑韧性差,白层易剥落降低耐磨性;无碳化物贝氏体钢次表层变形区的塑韧性较好,阻碍其表面裂纹向内扩展,提高了耐磨性。

高速超高速磨削用CFRP砂轮功率消耗试验研究

针对钢基体砂轮质量大、在高速超高速磨削中功率消耗大的问题,从启动功率、空耗功率、磨削功率等几方面,测量并分析了碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)基体砂轮与钢基体砂轮功率消耗的情况。试验结果表明:与钢基体砂轮相比,CFRP砂轮的质量轻,能够有效减小砂轮在高速超高速磨削中的启动功率、空耗功率以及磨削功率;验证了CFRP砂轮在高速超高速磨削中减轻主轴负荷、减少能源消耗的优越性能。

浸泡砂轮工艺及磨削机理

研究了碘化钾浸泡刚玉系砂轮的磨削机理及最佳工艺。结果表明，采用碘化钾浸泡刚玉系砂轮可减轻砂轮表面糊塞和粘屑现象，降低磨削温度，减小磨削力，改善磨削表面质量，该方法简单易行，成本低。