楊文斌 夏金龍 肖 乾 陳道云

(華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院 江西南昌 330013)

高速列車車輪作為列車提速的關(guān)鍵零部件，長(zhǎng)年行駛在戶外，經(jīng)受各種環(huán)境的考驗(yàn)，其中不乏一些嚴(yán)苛環(huán)境，如潮濕海洋性氣候、雨雪和風(fēng)沙等，這就容易使車輪表面產(chǎn)生腐蝕和損傷[1]。輪軌間摩擦因數(shù)不僅直接影響車輛的牽引和制動(dòng)性能，而且與輪軌的磨損和表面損傷密切相關(guān)。摩擦因數(shù)受多種因素的影響，如材料本身特性、滑動(dòng)速度、溫度和表面介質(zhì)等[2]。20世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)著名摩擦學(xué)專家克拉蓋爾斯基[3]就通過大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滑動(dòng)速度會(huì)使表面產(chǎn)生溫升、變形、化學(xué)變化和磨損，因而明顯地影響摩擦因數(shù)。近年來，許多專家學(xué)者在不同載荷、不同滑動(dòng)速度、不同溫度及不同介質(zhì)等條件下對(duì)輪軌間摩擦因數(shù)進(jìn)行了研究與討論，然而對(duì)車輪在服役過程中處于不同環(huán)境下摩擦因數(shù)的變化機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍有待加深。肖乾等人[4]借助UMT-3MT摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)輪軌材料進(jìn)行滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)輪軌材料在摩擦過程中會(huì)生成多種氧化物膜層，且這種含水的氧化膜層在摩擦實(shí)驗(yàn)中會(huì)起到降低摩擦因數(shù)的作用。張軍等人[5]利用液壓缸對(duì)輪軌材料施加垂向與縱向牽引力，發(fā)現(xiàn)輪軌間同時(shí)存在油、石英砂時(shí)的最大靜摩擦因數(shù)，與單獨(dú)存在油介質(zhì)的情況相比有所增大，但依舊小于干燥清潔情況下的最大靜摩擦因數(shù)。符蓉等人[6]利用定速摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)，研究了干、濕條件下速度、壓力與材料摩擦磨損性能的關(guān)系，得出低速時(shí)材料摩擦因數(shù)隨著摩擦壓力增加而增加的結(jié)論。RAO等[7]利用ABAQUS仿真軟件對(duì)輪軌的熱彈塑性進(jìn)行了試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度的升高對(duì)輪軌表面溫度幾乎沒有影響。劉輝龍等[8]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，輪軌間的摩擦區(qū)域溫度越高最大靜摩擦因數(shù)越小。CHEN等[9]利用MRH-5A環(huán)/塊摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)AB1貝氏體鋼進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在滑動(dòng)磨損下貝氏體鋼的主要形貌特征為犁削磨損、黏著磨損和片狀剝落。

為探討車輪在服役過程中處于不同環(huán)境下摩擦因數(shù)的變化機(jī)制，本文作者系統(tǒng)地對(duì)比研究了ER8車輪鋼在干燥、純水和鹽水3種不同環(huán)境下的摩擦磨損行為，以期對(duì)列車車輪的維護(hù)及車輪材料的改進(jìn)提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

試驗(yàn)采用ER8車輪鋼，其化學(xué)成分如表1所示。采用線切割的方式從列車ER8車輪鋼踏面以下5 mm處切取尺寸為30 mm×20 mm×5 mm的樣塊若干，分別使用120、320、600、1 500、2 000、5 000目的金相砂紙對(duì)樣塊逐級(jí)打磨拋光，在無(wú)水乙醇中超聲波清洗并烘干后，作為摩擦試驗(yàn)基體材料。摩擦對(duì)偶為直徑6 mm的Si3N4陶瓷球。

表1 ER8車輪鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of ER8 wheel steels

采用圖1所示的MFT-EC4000往復(fù)電化學(xué)腐蝕摩擦磨損試驗(yàn)儀，分別考察ER8車輪材料在干燥、純水、鹽水條件下的摩擦磨損行為。干燥摩擦?xí)r摩擦副間不加任何介質(zhì)，純水摩擦與3.5%鹽水摩擦?xí)r液體的流速為4.5 mL/min，頻率設(shè)置為2 Hz，滑動(dòng)時(shí)間為60 min，載荷分別取2、4 和8 N。試驗(yàn)后借助光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)試樣磨痕及對(duì)偶磨斑進(jìn)行觀察，利用X射線、能譜儀(EDS)對(duì)磨痕及元素分布進(jìn)行分析。

圖1 MFT-EC4000往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)儀Fig.1 TMFT-EC4000 reciprocating friction and wear tester

2 結(jié)果與討論

2.1 介質(zhì)對(duì)摩擦因數(shù)的影響

圖2和圖3分別為不同環(huán)境下不同載荷時(shí)車輪鋼試樣的摩擦因數(shù)曲線和平均摩擦因數(shù)?？梢姡S著載荷的增大，3種摩擦環(huán)境下車輪的摩擦因數(shù)均不斷升高。載荷增加，樣品與陶瓷球之間的微凸體實(shí)際接觸面的接觸應(yīng)力也會(huì)隨之增大，樣品表面的剝落程度和破損程度增加，從而使得摩擦因數(shù)升高，表現(xiàn)出摩擦因數(shù)隨載荷的增加而增大的現(xiàn)象。同時(shí)還可看出，在不同載荷下，干摩擦下的摩擦因數(shù)最大，純水摩擦環(huán)境下的摩擦因數(shù)次之，鹽水環(huán)境下的摩擦因數(shù)最小。這是因?yàn)樵诳諝饨橘|(zhì)中，法向載荷增大導(dǎo)致車輪鋼樣品與摩擦副之間的微凸體實(shí)際接觸面的接觸應(yīng)力也會(huì)隨之增加，摩擦阻力增大，產(chǎn)生的摩擦熱把磨損表面的水分汽化后容易導(dǎo)致摩擦因數(shù)的升高；雖然磨損表面氧化物具有一定的潤(rùn)滑性，但在摩擦速度較低的情況下，氧化物生成的速率較慢，且在載荷的不間斷作用下容易剝落，所以不足以抵消摩擦因數(shù)升高的趨勢(shì)。純水摩擦?xí)r，滑動(dòng)速度低，有利于摩擦表面水的存留與滲透，水分的流動(dòng)一方面沖刷表面微凸體，使摩擦表面相對(duì)光滑，另一方面形成流體水膜，起到隔離和潤(rùn)滑作用，減小摩擦阻力[10]，從而降低摩擦因數(shù)。與純水摩擦相比，鹽水環(huán)境中的氯離子和車輪鋼樣品發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，其中形成的氯化鐵具有一定的潤(rùn)滑效果，進(jìn)一步降低了摩擦因數(shù)[11]。

圖2 不同介質(zhì)作用下不同載荷時(shí)車輪鋼試樣的摩擦因數(shù)曲線Fig.2 Friction coefficient curves of ER8 wheel steel at different loads under different conditions：(a)2 N；(b)4 N；(c)8 N

圖3 不同環(huán)境與不同載荷條件下車輪鋼試樣的平均摩擦因數(shù)Fig.3 Average friction coefficients of ER8 wheel steel at different loads under different conditions

從圖3可看出，在相同載荷下環(huán)境對(duì)摩擦因數(shù)的影響較大。其中干摩擦下的摩擦因數(shù)較大，特別是在載荷為8 N時(shí)，干摩擦因數(shù)最大可達(dá)0.503。在純水摩擦和鹽水摩擦環(huán)境下，在載荷較低時(shí)兩者的摩擦因數(shù)相差并不大，隨著載荷的增大，差距逐漸明顯。

2.2 磨痕形貌對(duì)比分析

圖4(a)、(b)、(c)所示為光學(xué)顯微鏡下觀察得到的干摩擦條件下試樣的磨損表面形貌?？梢娫嚇幽ッ鎱^(qū)域被犁溝完全覆蓋，這些犁溝是由于Si3N4陶瓷球上的微小凸體的微觀切削和不同程度的耕犁而形成的；同時(shí)隨著載荷的增大磨痕寬度增大，且隨載荷的增大磨面上產(chǎn)生與附著的磨屑變多。圖4(d)、(e)、(f)所示為純水摩擦條件下試樣的磨損表面形貌。與干摩擦相比，純水環(huán)境下試樣的磨痕略微變寬，且犁溝尺寸變大，磨面也相對(duì)光滑。這是因?yàn)楫a(chǎn)生的磨屑顆粒隨著水的流動(dòng)在磨面進(jìn)行往復(fù)摩擦磨損，對(duì)樣品具有一定擠壓作用；同時(shí)磨屑顆粒逐漸向磨痕邊緣靠近堆積，而磨屑顆粒對(duì)磨面具有一定的犁削作用，從而使得磨痕擴(kuò)張。

圖4 不同環(huán)境與不同載荷條件下試樣的磨痕光學(xué)照片F(xiàn)ig.4 The optical photographs of wear tracks of the samples at different loads under different conditions：(a)dry friction， 2 N；(b)dry friction，4 N；(c)dry friction，8 N；(d)pure water lubrication，2 N；(e)pure water lubrication，4 N；(f)pure water lubrication，8 N；(g)3.5%NaCl solution lubrication，2 N； (h)3.5%NaCl solution lubrication，4 N；(i)3.5%NaCl solution lubrication，8 N

如圖4(g)、(h)、(i)所示，與前2種摩擦環(huán)境相比，鹽水環(huán)境下摩擦產(chǎn)生了更多的黑色氧化物和磨屑，并且顯現(xiàn)出更大的磨痕寬度。

圖5(a)、(b)、(c)所示為干摩擦條件下樣品磨痕的SEM照片?？梢娫嚇颖砻娉霈F(xiàn)了一定數(shù)量的剝落坑和片狀剝落物，并且有黑色氧化物分布在樣品磨面。其中黑色區(qū)域是在摩擦過程中產(chǎn)生局部高溫氧化所致[12]。原因是干摩擦條件下，接觸摩擦產(chǎn)生的大量摩擦熱破壞了樣品表面的保護(hù)膜，且生成一定數(shù)量的氧化物與磨屑；而在載荷的不斷作用下，氧化物與磨屑易剝落，裸露的表面又重新生成新的氧化物，周而復(fù)始。摩擦產(chǎn)生的熱量越多，片狀剝落和撕裂越明顯，生成的氧化物越多。另外，在載荷為2 N時(shí)試樣表面僅出現(xiàn)較淺的犁溝，而隨著載荷的增大，犁溝逐漸明顯，同時(shí)破壞也更明顯。原因是施加的載荷越大，陶瓷球與樣品磨面之間接觸越緊密，導(dǎo)致兩者之間的亞表面產(chǎn)生了一定的塑性變形，發(fā)生了一定程度的黏著現(xiàn)象。因此干摩擦條件下試樣磨損機(jī)制為典型的黏著磨損、磨粒磨損和氧化磨損。

圖5 不同環(huán)境與不同載荷條件下試樣的磨痕SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of wear marks of the samples at different loads under different conditions：(a)dry friction， 2 N；(b)dry friction，4 N；(c)dry friction，8 N；(d)pure water lubrication，2 N；(e)pure water lubrication，4 N；(f)pure water lubrication，8 N；(g)3.5%NaCl solution lubrication，2 N； (h)3.5%NaCl solution lubrication，4 N；(i)3.5%NaCl solution lubrication，8 N

圖5(d)、(e)、(f)所示為純水環(huán)境下樣品磨痕的SEM照片。對(duì)于純水摩擦，載荷的改變對(duì)摩擦表面形貌影響并不明顯，試樣表面僅出現(xiàn)小顆粒狀磨屑和黑色氧化層，并沒有大程度的損傷行為。主要是因?yàn)樵诩兯h(huán)境下，車輪鋼試樣伴隨著不間斷的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其脫落的磨屑顆粒容易被水沖刷帶走，而較大的磨屑顆粒則被保留在摩擦表面，起到拋光劑的作用[13-14]，同時(shí)可能會(huì)對(duì)摩擦副表面起到一定的支撐效果，降低球體對(duì)樣品的剪切應(yīng)力[15]，從而降低了摩擦副表面的磨損載荷。此外，在純水環(huán)境下大幅度降低了往復(fù)摩擦所產(chǎn)生的摩擦熱，降低了磨面的溫升和熱軟化。上述綜合原因?qū)е录兯Σ列蚊矒p傷程度較為輕微。

圖5(g)、(h)、(i)所示為NaCl 溶液環(huán)境下樣品磨痕的SEM照片。在NaCl 溶液中樣品表面的小磨屑在反復(fù)摩擦和氧化的作用下，逐漸堆積成為大顆粒的磨屑，這些顆粒不僅在鹽水環(huán)境下起著隔離的作用，抑制黏著磨損，還能有效降低摩擦因數(shù)。另外，試樣表面出現(xiàn)微小的裂紋，可能是摩擦磨損過程中硬質(zhì)磨屑對(duì)合金表面的破環(huán)所致。同時(shí)摩擦過程中摩擦副的往復(fù)運(yùn)動(dòng)促進(jìn)了陰極反應(yīng)過程，NaCl 溶液中的Cl-會(huì)沿著微裂紋向涂層深度方向滲透，促進(jìn)點(diǎn)蝕的形成，加速腐蝕的進(jìn)行[16]，使得試樣表面容易出現(xiàn)局部腐蝕現(xiàn)象；且鹽水環(huán)境中樣品腐蝕程度與速率加快，這說明磨損與腐蝕有相互促進(jìn)作用。而溶液中其他離子能促進(jìn)膠體在摩擦表面凝聚成硅膠提供邊界潤(rùn)滑，使其獲得較低的摩擦因數(shù)。這與LIU等[17]的研究結(jié)果一致。采用掃描電鏡(SEM)自帶的能譜儀(EDS)對(duì)載荷為4 N時(shí)車輪鋼試樣的磨痕表面元素成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，在不同介質(zhì)下，試驗(yàn)后的車輪試樣磨損表面元素分布有明顯區(qū)別。干摩擦和純水摩擦?xí)r磨損表面的氧元素含量較少且相差不大，說明氧化程度較低。3.5%NaCl溶液中摩擦磨損試驗(yàn)生成的氧含量最多，這主要是因?yàn)樵贜aCl溶液中，鐵和少量碳容易與水膜中的H+構(gòu)成原電池，而Cl-的存在增強(qiáng)了電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電能力，導(dǎo)致車輪鋼試樣的氧化程度加重。由上述分析可知，列車服役時(shí)的環(huán)境因素對(duì)車輪摩擦磨損性能有較大影響。

3 摩擦機(jī)制分析

在相同法向載荷條件下，結(jié)合圖4和圖5所示的磨損形貌，可觀察到干摩擦下磨損表面出現(xiàn)大量的剝落坑與片狀剝落，并觀察到細(xì)小的犁溝。這是由于試樣表面與對(duì)摩副表面之間的微凸體在法向載荷的作用下擠壓形成黏結(jié)點(diǎn)，并在剪切應(yīng)力的作用下進(jìn)入往復(fù)“黏著-剪切”階段，此時(shí)磨損機(jī)制為黏著磨損。伴隨著相對(duì)滑動(dòng)作用的不斷進(jìn)行，黏結(jié)點(diǎn)容易剪切成磨屑，且磨屑在摩擦熱和往復(fù)擠壓作用下堆積變大，從而以片狀的形式從試樣表面剝落，形成剝落坑。與此同時(shí)，滑動(dòng)摩擦磨損過程中，存在于摩擦副之間的硬質(zhì)相在剪切應(yīng)力作用下擠壓切削形成犁溝，此時(shí)表現(xiàn)出的磨損機(jī)制為磨粒磨損，EDS檢測(cè)到某些區(qū)域氧含量較高(見表2)，表明存在氧化磨損，所以干摩擦的磨損機(jī)制為黏著磨損、磨粒磨損和氧化磨損。

而純水摩擦和鹽水摩擦過程中受到液體的沖刷，很大程度上降低了往復(fù)摩擦所引起的高溫。同時(shí)，液體的存在使得純水摩擦和鹽水摩擦具備一定的水膜潤(rùn)滑作用，大幅度抑制了黏著磨損的發(fā)生，故純水摩擦和鹽水摩擦的黏著磨損程度基本可以忽略不計(jì)。純水摩擦和鹽水摩擦試樣表面均出現(xiàn)明顯的犁溝和氧化物，表明在2種介質(zhì)下車輪鋼試樣均發(fā)生了磨粒磨損和氧化磨損，鹽水摩擦試樣磨損表面氧含量最高，并伴隨著腐蝕坑的生成，純水摩擦和鹽水摩擦的磨損機(jī)制均為磨粒磨損和氧化磨損。

4 結(jié)論

(1)ER8車輪鋼試樣在不同環(huán)境下的摩擦因數(shù)隨著載荷的增加而遞增，其中干燥環(huán)境下摩擦因數(shù)最大，純水環(huán)境下次之，3.5%氯化鈉溶液環(huán)境下摩擦因數(shù)最小。

(2)在干燥環(huán)境下ER8車輪鋼試樣的磨痕寬度最小，說明其磨損率最低；在純水環(huán)境下磨痕較寬，磨損率大于干摩擦下；在3.5%氯化鈉溶液環(huán)境中，磨痕寬度最大，犁溝更為密集，說明磨損率最大。

(3)干燥空氣條件下，車輪鋼試樣在摩擦過程中生成了一定數(shù)量的氧化物，摩擦機(jī)制為黏著磨損、磨粒磨損和氧化磨損。純水環(huán)境下，車輪鋼表面產(chǎn)生了較多氧化物，摩擦機(jī)制為磨粒磨損、氧化磨損。3.5%氯化鈉溶液環(huán)境下，車輪鋼表面腐蝕較為嚴(yán)重，為典型的腐蝕磨損和磨粒磨損混合作用機(jī)制。