浅析高速车轮钢韧性控制研究

摘 要：目前，国际上把运行速度超过200km/h的列车成为是高速列车，但是由于高速列车的运行速度超过120km/h时，列车动力学会发生变化，导致车轮的使用条件也会发生显著变化。车轮是动车组的关键行走部件，是车体受到载荷最大的部件。尽管高速列车国产化基本实现，但我国高速车轮依然100%依赖进口，这已经成为国内动车组技术走向世界的一个瓶颈。据铁道部门预测，我国高速铁路网基本建成后，高速车轮年需求量大约为2.8万片/年，用钢约1万吨/年。至2025年，高速车轮的需求将超过20万只。而高速车轮服役2-3年（约240万公里）就需要全部更换一次。2025年之后，全球高速车轮每年的需求量将超过8万只。因此，高速车轮国产化的开展已经刻不容缓。本文对车轮用钢的发展进行了研究。

关键词：高速列车；钢韧性；车轮材料

速车轮安全性引起了越来越多的关注。德国高铁事故发生后的第二年，欧洲通过了 EN 59206-1：1999标准：《铁路应用：可靠性、可用性、可维护性和安全性（RAMS）标准和演示》；2007年进一步通过EN 59206-2：2007标准明确了高铁运输安全性指导原则，囊括了包括车轮安全性在内的整套安全性规范。改善制动过程，如在制动时在轮轨接触面前方喷洒细陶瓷颗粒（

但是，根据车轮中断裂力学研究，最根本的防止车轮发生脆性断裂的方法，仍然是提高车轮材料容许裂纹长度及许用应力，即提高车轮材料的韧性：

公式（1）中，ac为车轮中容许裂纹长度，σC为许用应力，KIC为断裂韧性，Y为裂纹形状系数，取0.5-1.1。

事实上，从车轮材料的发展动向上看，提高车轮材料的韧性正是各个国家追求的目标。为此，从车轮材料的冶炼及物理冶金方面，总结了韧性提高的途径。

一、冶金质量

（1）冶金缺陷对车轮钢断裂影响

高速车轮钢中主要存在的冶金缺陷包括非金属夹杂物及来自炉衬中的炉渣。这些冶金缺陷的尺寸范围从微米级至毫米级不等。Ekberg等研究了夹杂物在车轮表面下15 mm处的应力集中行为。当缺陷尺寸为1mm时，在标准加载状态下，应力集中影响范围达到了 5 mm以上，绝对值达到700 MPa以上，在如此高的应力状态下，经过反复作用，将会导致裂纹开裂。由此可见，减少车轮钢的冶金缺陷，是车轮钢获得优良抗断裂性能的前提。

（2）冶金质量控制方法

俄罗斯的梦列科夫研究了利用SiMnTi代替SiCaTiAl进行脱氧的工艺，工业试制结果表明，试验钢的硫化物和脆性硅酸盐级别降低1-1.5级，降低了车轮钢坯报废的比例，提高了生产效率。同时，钢的冲击韧性提高了约6 J，效果明显。

二、工艺过程控制

（1）淬火加热温度的影响

研究了不同加热温度条件下车轮钢（0.51%C-0.40%Si-0.75%Mn-0.20%Cr）力学性能的变化。在较低的加热温度（820℃）下，车轮钢的强度较低而韧性相对较好，随着加热温度的升高，车轮钢的强度增加而韧性呈下降趋势。当加热温度超过900°C时，强度的提高不再明显，但韧性却显著下降。在常规条件下，获得最佳强韧性匹配的加热温度范围为860～900°C之间。

（2） 冷却速度的影响

研究了同一车轮钢在不同冷却速度时的性能变化。只要在珠光体转变范围内，冷却速率越大，获得的珠光体片层间距越小，显微组织和材料的硬度也越高。同时，示波冲击的结果表明，片层间距细化极大提高了裂纹扩展功，提高了韧性。

（3）回火温度的影响

研究了不同回火温度下的力学性能变化。随着回火温度的升高，车轮钢的强度逐渐下降。在580°C以下，回火度的提高对车轮钢低温冲击韧性的改善作用不是很明显，而在630°C回火，虽然可以提车轮钢的韧性，但强度下降得也很快。因此，在满足强韧性要求的前提下，选择500°C左右的回火对于车轮钢来说是比较合适的。

（4）组织状态的影响

Ahlstrom等在欧标ER7中研究了不同组织状态对车轮钢性能影响。采用试验车轮钢成分为0.49C-0.25Si-0.73Mn-0.06V-0.005N（对比钢）及0.50C-0.22Si-0.73Mn-0.05V-0.009N （高N钢），试验钢通过改变辗轧温度及奥氏体化温度与回火温度，制造全尺寸车轮。

组织观察结果表明，H、K、L、N四种钢奥氏体晶粒度为8级，比对比钢A高1.5级。较低的辗轧温度及奥氏体化温度细化奥氏体晶粒度。细化的奥氏体晶粒通常能得到较高的韧性。

三、车轮钢合金化研究

高速车轮钢的合金设计体系长期以来仅限于珠光体铁素体这一类组织。尤其是日本的车轮钢，自从上世纪60年代0系动车组选用STY80后，该成分体系几乎在新干线上用了 50年。反观欧洲车轮钢，其成分体系C含量控制在0.5-0.6之间，对于不同的速度等级，车轮钢碳含量也不同，Si、Mn等主要合金元素含量也有变化，表现出了很大的灵活性。

（1）C元素的合金化

C是使车轮钢得到高强度的主要合金元素。人们希望在可能的范围内尽量提高C含量以降低车轮踏面的磨损，延长车轮使用寿命；但是另一方面，碳含量的升高导致车轮钢韧性和抗热疲劳性能急剧下降，网状渗碳体又是车轮钢绝对避免形成的组织，因此高速车轮的C含量控制范围在0.4-0/7%是很自然的选择。在此成分范围内综合评估C含量对车轮钢总体性能的影响表明：0.5-0.6%的C含量能得到最佳的性能匹配。

（2）Cr元素的合金化

对含0.23%Cr与不含Cr的车轮钢进行了综合性能的对比，实验结果表明，Cr元素的加入明显减小珠光体的片层间距，提高了车轮钢的强度，对耐磨性有利。同时，Cr元素的加入提高了珠光体组织的稳定性，韧性提高，冲击功提高5 J。

（3）其它微合金元素的使用

Ni，Mo， Cu， V等微合金元素的加入量取决于对车轮淬透性的影响。俄罗斯定量研究了 Cr、Ni、Cu、C、Mn等元素对淬透性的影响，得出结论：在标准给出的成分范围内，车轮钢的淬透性取决于Cr+Ni+Cu总量，并认为轮毂钢中Cr+Ni+Cu的量应不小于0.3%。Kitura等[58]在ER7钢中将Cr+Ni+Cu+Mo+V等从0.26%提到0.44%，结果显示提高微合金化元素含量后，车轮钢的淬透性过大以至于机加工困难并出现了 B组织， B组织的存在隔离了珠光体和铁素体，降低了断裂韧性，导致微合金化失败。以上实验证明了车轮钢在保持珠光体铁素体体系的前提下，只适合进行很有限的微合金化。

（4）其它组织中合金化原理

珠光体铁素体组织的车轮钢采用中高碳的合金化原则，利用渗碳体的强化作用得到高强度的同时也导致了韧性不足，抗马氏体转变能力较低的问题。为了得到优良的强度和韧性匹配，人们也研究了中低碳的贝氏体车轮钢以及马氏体-贝氏体车轮钢。必须指出的是，目前尚没有大量使用这一类车轮的报道。■

作者简介：

张伟（1987-），男，山西寿阳县人，太原理工大学在读硕士研究生，材料工程专业，现工作于太原智奇铁路设备有限公司。