近年來(lái)，隨著高速列車的迅猛發(fā)展,中國(guó)高鐵技術(shù)已經(jīng)穩(wěn)穩(wěn)超過(guò)了德國(guó)、法國(guó)、日本、韓國(guó)這些高速鐵路的原創(chuàng)者們。而車輪作為影響列車安全性的關(guān)鍵部件之一,隨著列車的提速與發(fā)展，為滿足列車高速行駛的安全性、可靠性。研制和開(kāi)發(fā)新一代高速車輪材料有著重要意義。
       車輪的作用
       車輪是鐵路運(yùn)輸中的重要構(gòu)件之一,它有以下作用:
       ①支撐車體的重量
       ②將驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力傳遞給鐵軌
       ③在踏面剎車的車輛中,車輪能吸收剎車時(shí)因制動(dòng)輪滑動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦熱,而且還具有散熱的功能
       從材料的角度來(lái)看,車輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,因支撐車體的重量或車輪制動(dòng)會(huì)與鐵軌產(chǎn)生摩擦而造成各種磨損和擦傷。當(dāng)車輪制動(dòng)時(shí),除產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦以外,還會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。因此,對(duì)車輪用材料來(lái)說(shuō),既要求高強(qiáng)度、高硬度和耐磨性,又要求高的韌性和耐熱性等多種性能的組合。
       常見(jiàn)的車輪損傷
       常見(jiàn)的車輪損傷主要有以下幾種類型:踏面剝離、踏面磨損、塑性變形、輪輞裂紋以及輻板裂紋等。對(duì)于高速列車車輪,以踏面剝離為主要損傷形式。研究結(jié)果表明,損傷原因主要與材料的潔凈度、性能以及車輪的使用條件有關(guān)。
       國(guó)內(nèi)外對(duì)車輪踏面剝離的研究結(jié)果認(rèn)為:踏面制動(dòng)時(shí),輪瓦接觸部位或輪軌之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),造成瞬時(shí)高溫,使車輪材料發(fā)生相變,在隨后的冷卻過(guò)程中形成所謂熱機(jī)械作用的馬氏體白層,并在輪軌接觸應(yīng)力、熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的作用下發(fā)生碎裂和脫落,從而出現(xiàn)大面積剝落掉塊。此時(shí),馬氏體的碎裂實(shí)際上成為一種裂紋源。如果馬氏體層較薄(<0.01 mm),則在運(yùn)行中可能被剪切或磨耗掉;如果馬氏體層厚度大于0.08 mm,則在正常使用過(guò)程中不易被磨耗,因而存留于踏面下,從而導(dǎo)致裂紋和剝離的產(chǎn)生。
       隨著列車運(yùn)輸向高速化發(fā)展,現(xiàn)有車輪的損傷情況特別是剝離問(wèn)題逐漸增加,影響了列車的安全運(yùn)行,嚴(yán)重阻礙了列車向高速化發(fā)展。為改善車輪的抗損傷性能,各國(guó)對(duì)新型車輪用材料進(jìn)行了大量的研究,并取得了一定的進(jìn)展。
       日本
       日本早期的車輪(包括新干線)所用材料STY80是碳含量為0.60%～ 0.75%的高碳鋼。在高速行駛時(shí),該鋼的抗裂損性能不夠。為了提高車輪在高速運(yùn)行時(shí)的抗裂損性能,日本研究人員開(kāi)發(fā)了降低碳并加入釩的鋼,稱之為V2鋼(SVTY75-2R),其成分見(jiàn)下表：        此鋼的拉伸特性與STY80鋼沒(méi)有明顯差異,但顯著提高了材料的沖擊特性和斷裂韌性。由日本國(guó)家鐵路公司和住友金屬公司分別進(jìn)行的臺(tái)車試驗(yàn)證明,V2鋼的抗裂損性能比STY80鋼高,這說(shuō)明踏面剎車的熱影響對(duì)高碳材料是不利的。
       為了與ISO標(biāo)準(zhǔn)接軌,日本于1998年修改了以前的整體軋制車輪的JIS標(biāo)準(zhǔn)[10]。其中,對(duì)材料性能的修改較少,但對(duì)材料的成分作了較大的改動(dòng),在碳含量0.46%～ 0.77%范圍內(nèi)分階段規(guī)定了6個(gè)鋼種。從這一變化可以看出日本在車輪材料使用上的發(fā)展趨勢(shì),即降低碳含量并進(jìn)行微合金化,目的是在略微降低材料的強(qiáng)度和硬度的情況下,提高材料的韌性,從而改善材料的抗裂損性能。
       歐洲
       很早歐洲就提出了采用低碳微合金化材料作為車輪用鋼。從其制定的標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表3)中可以看出,碳含量以中低碳為主,其中ER7和ER8稱為1類鋼,主要用于時(shí)速200 km的車輪,尤其是ER7鋼,是被廣泛使用的鋼種。為提高車輪的抗剝離性能,我國(guó)也參考了ER7鋼(如R7T)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)了用于200 km h列車的車輪,其抗剝離性能優(yōu)于CL60鋼。
       1998年,法國(guó)Valdunes公司研制出了一種新的鋼種,其碳含量比以上鋼種更低,下限值只有0.42%,強(qiáng)度極限約為886 MPa,而UIC 812.3標(biāo)準(zhǔn)中鋼的強(qiáng)度極限范圍為860～ 980 MPa,兩者相差不多。但新鋼種的沖擊功為24 J,比R8T鋼(沖擊功為15 J)高得多。研究結(jié)果表明,使用含有0.42%碳的鋼可以使車輪的壽命延長(zhǎng)3倍。（目前Valdunes 已被馬鋼收購(gòu)）
       中國(guó)
       目前，馬鋼股份是我國(guó)最大的生產(chǎn)高鐵車輪的鋼鐵企業(yè)，而太原重工也同樣生產(chǎn)高鐵車輪。早在1990年,馬鋼根據(jù)國(guó)家“七五”計(jì)劃攻關(guān)項(xiàng)目目標(biāo),參照前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)研制了含釩微合金化車輪用鋼,其成分(%)為:C0.49,Si 0.63,Mn 1.28,P 0.020,S 0.025,V 0.152。研究表明,該鋼種各項(xiàng)性能指標(biāo)都優(yōu)于原CL60鋼。        2000年,馬鋼技術(shù)中心與西安交通大學(xué)聯(lián)合研制了微合金化車輪用鋼,用于時(shí)速200 km的列車。該鋼種降低了原鋼種的碳含量,提高了合金元素的含量,并用釩進(jìn)行微合金化。研究結(jié)果表明,新鋼種的強(qiáng)度和硬度較高,其它各項(xiàng)性能指標(biāo)均比原鋼種好。可見(jiàn),降低材料的碳含量并進(jìn)行微合金化,可以改善車輪用材料的性能,對(duì)改善材料的抗裂損性能有一定的幫助。
       2014年，馬鋼又收購(gòu)了世界四大高鐵輪軸制造商之一的法國(guó)瓦頓公司。馬鋼還將在中國(guó)鐵總的支持下與中國(guó)鐵道科學(xué)院聯(lián)手，利用瓦頓技術(shù)平臺(tái)，在馬鋼建立世界一流的高鐵輪軸裝配和維修生產(chǎn)線，并在此基礎(chǔ)上成立研發(fā)中心，全面延伸、提高國(guó)產(chǎn)高鐵制造產(chǎn)業(yè)鏈和自主核心技術(shù)研發(fā)能力。
       小結(jié)
       降低碳含量并結(jié)合微合金化是國(guó)內(nèi)高速車輪用鋼發(fā)展的主要趨勢(shì),在碳含量基本確定的情況下,研究Cr、V、Mo、Nb等微合金的固溶強(qiáng)化機(jī)理,從碳當(dāng)量的角度綜合考慮Si、Mn、Ni對(duì)車輪材料的強(qiáng)韌指標(biāo)的影響,確定C及微合金元素的最佳成分匹配,使材料性能滿足高速列車車輪運(yùn)行的技術(shù)指標(biāo)要求。這一技術(shù)路線已有一定的研究基礎(chǔ),如何提高鋼的強(qiáng)韌性,以提高高速車輪的運(yùn)行安全,仍是高速車輪用鋼的重要研究方向。