0. 引言

重載鐵路主要用于煤炭、礦石等大宗原材料的輸運(yùn)，具有運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代鐵路貨運(yùn)的重要發(fā)展方向[1]。鋼軌作為重載鐵路的重要承載部件，服役于廣域環(huán)境（高寒、濕熱、風(fēng)沙等）和極端工況（40 t大軸重、每年450 Mt高運(yùn)載量），不可避免會(huì)出現(xiàn)側(cè)磨、肥邊、壓潰等損傷，嚴(yán)重威脅重載列車運(yùn)行安全性和線路集疏運(yùn)效率[2-4]。

“以磨代換”是當(dāng)前軌道交通鋼軌重要的維護(hù)策略。鋼軌主動(dòng)打磨技術(shù)依靠高速旋轉(zhuǎn)的杯狀磨石端面去除鋼軌軌頂損傷材料層，具有效率高、速度快、廓形修復(fù)精度高等優(yōu)點(diǎn)，在重載鐵路鋼軌維護(hù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5-7]。在高轉(zhuǎn)速（約3 600 r·min?1）、高載荷（約2 000 N）、粗磨料、無冷卻/潤滑等極端作業(yè)工況下，磨石/鋼軌打磨配副的表界面行為（材料去除、磨石磨損機(jī)制、鋼軌表面質(zhì)量等）一直是相關(guān)領(lǐng)域研究人員關(guān)注的重點(diǎn)[8-9]。鋼軌打磨過程中的材料去除行為和鋼軌表面質(zhì)量與打磨轉(zhuǎn)速等密切相關(guān)。GU等[10]研究發(fā)現(xiàn)，隨著打磨轉(zhuǎn)速由2 000 r·min?1增大到4 000 r·min?1，U71Mn鋼軌的材料去除效率雖逐漸提升，但磨削塑性變形層厚度遞增150%，磨削后鋼軌表面質(zhì)量下降。目前，有關(guān)鋼軌打磨過程中材料去除行為的研究主要集中在強(qiáng)度約880 MPa與硬度約290 HBW的U71Mn鋼方面[11-15]，對于有著更高強(qiáng)度、更高硬度要求的重載鐵路用鋼軌，如U75V鋼等在打磨過程的材料去除行為研究鮮有報(bào)道。

作者以重載鐵路用典型鋼軌材料U75V鋼為研究對象，開展不同打磨轉(zhuǎn)速下的鋼軌打磨試驗(yàn)，研究了鋼軌表面質(zhì)量演變規(guī)律，探究了鋼軌材料去除行為與機(jī)理。研究結(jié)果可為重載鐵路鋼軌高效率、高可靠性打磨工藝參數(shù)的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1. 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)對象為中國寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的U75V鋼軌，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為0.71~0.80C，0.50~0.80Si，0.70~1.05Mn，<0.03P，<0.03S，0.04~0.12V，余Fe。在鋼軌軌頂距表面3 mm、側(cè)面2 mm位置截取如圖1所示的鋼軌試樣，打磨面為48 mm×10 mm平面。磨石由武漢菲羅摩擦材料有限公司提供，尺寸為?150 mm×70 mm×55 mm，由酚醛樹脂（質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%~18%）、填料（質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%~10%）、磨料（質(zhì)量分?jǐn)?shù)72%~83%）組成。

圖 1 鋼軌試樣的形狀和尺寸

Figure 1. Shape and dimension of rail specimen

將鋼軌試樣打磨面拋光，使其粗糙度Sa為0.8 μm，在自行設(shè)計(jì)的鋼軌打磨試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行打磨試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。磨石與鋼軌試樣的接觸模式為面-面接觸，與現(xiàn)場鋼軌打磨時(shí)的接觸模式相同。通過熱電偶測量試驗(yàn)過程中鋼軌/磨石界面的打磨溫度?；谇捌阡撥壌蚰パ芯拷Y(jié)果，打磨轉(zhuǎn)速分別取1 000，2 000，3 000 r·min?1，打磨載荷為960 N。在打磨試驗(yàn)過程中，待打磨速度穩(wěn)定后，氣缸推動(dòng)活塞使鋼軌試樣與磨石接觸，打磨5 s后鋼軌自動(dòng)斷開，打磨暫停；冷卻55 s后繼續(xù)開展下一次打磨，共打磨4次（累計(jì)打磨時(shí)間20 s）。不同打磨轉(zhuǎn)速下進(jìn)行3組試驗(yàn)。打磨工況與現(xiàn)場鋼軌打磨作業(yè)保持一致，為干磨削工況。采用扭矩傳感器采集打磨過程中的實(shí)時(shí)扭矩并計(jì)算摩擦因數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中：f為摩擦因數(shù)；T為扭矩平均值；R為鋼軌試樣與磨石接觸平面的幾何中心與磨石回轉(zhuǎn)中心軸線間的距離，取60 mm；N為載荷，取960 N。

圖 2 鋼軌打磨試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意

Figure 2. Schematic of rail grinding tester structure

采用精度為0.000 1 g的PTX-FA210S型電子天平稱取鋼軌試樣打磨前后的質(zhì)量，計(jì)算質(zhì)量損失，即打磨量。采用VHX-2000型超景深顯微鏡和MICROMEASUER-2型白光共焦三維形貌輪廓儀觀察鋼軌表面形貌，計(jì)算表面粗糙度。采用JSM-6510LV型掃描電子顯微鏡（SEM）及配備的JINCAx-actSN57014型能譜儀（EDS）對鋼軌試樣表面和磨屑的微觀形貌以及微區(qū)成分進(jìn)行分析。采用線切割方法沿打磨方向截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%硝酸乙醇溶液腐蝕后，采用DMI8-C型光學(xué)顯微鏡（OM）和JSM-6510LV型掃描電子顯微鏡觀察截面形貌。采用MVD-1000JMT2型維氏顯微硬度計(jì)測試鋼軌試樣的截面硬度，測試間距為40 μm，載荷為2.94 N，保載時(shí)間為10 s，距表面相同距離處測3個(gè)點(diǎn)取平均值。

2. 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 打磨行為

由圖3可以看出，隨著打磨轉(zhuǎn)速的增加，鋼軌試樣的打磨量、摩擦因數(shù)均先減小后增大，而打磨溫度則持續(xù)升高。隨著打磨轉(zhuǎn)速的提高，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過單位面積鋼軌試樣表面的磨粒增加，這會(huì)導(dǎo)致表面材料去除量增多，打磨量應(yīng)呈升高趨勢；打磨轉(zhuǎn)速的增加也會(huì)引起磨削力下降，摩擦因數(shù)應(yīng)呈現(xiàn)下降趨勢[16-18]。然而，在2 000 r·min?1打磨轉(zhuǎn)速下，打磨量不增反降，與摩擦因數(shù)同時(shí)達(dá)到最小值，分別為0.13 g和0.48；而在3 000 r·min?1打磨轉(zhuǎn)速下，摩擦因數(shù)不降反增。打磨溫度的升高會(huì)導(dǎo)致打磨產(chǎn)生的磨屑堵塞磨石，降低磨石切削效率[19]，同時(shí)阻隔磨石與鋼軌的直接接觸，因此2 000 r·min?1打磨轉(zhuǎn)速下的打磨量不升反降。而在3 000 r·min?1打磨轉(zhuǎn)速下，打磨表面溫度進(jìn)一步提高，高溫導(dǎo)致樹脂結(jié)合劑對磨料的把持力下降，磨石磨損加劇，并導(dǎo)致磨石自銳性提升，磨石切削作用加強(qiáng)，因此摩擦因數(shù)、打磨量均大幅升高；摩擦高溫所產(chǎn)生的熱疲勞作用也會(huì)導(dǎo)致表面材料更易剝落，使得材料去除量進(jìn)一步增加。隨著打磨轉(zhuǎn)速的增加，磨石與鋼軌摩擦行程增大，摩擦產(chǎn)熱加劇，溫度升高；當(dāng)打磨轉(zhuǎn)速大于2 000 r·min?1時(shí)，較快的磨石旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致空氣流動(dòng)加劇，鋼軌表面熱對流散熱量增加，因此打磨溫度升高趨勢變緩[20]。

圖 3 鋼軌試樣的打磨量、打磨溫度和摩擦因數(shù)隨打磨轉(zhuǎn)速的變化曲線

Figure 3. Curves of grinding amount, grinding temperature and friction coefficient vs grinding rotation speed of steel rail sample

2.2 表面形貌

由圖4可以看出：隨著打磨轉(zhuǎn)速增加，鋼軌表面因磨料犁耕、切削作用導(dǎo)致的磨痕數(shù)量減少，但磨痕深度和寬度均增大；在1 000，2 000，3 000 r·min?1打磨轉(zhuǎn)速下，鋼軌試樣表面粗糙度Sa分別為6.6，7.2，8.4 μm，隨打磨轉(zhuǎn)速增加，表面粗糙度遞增。鋼軌表面磨痕數(shù)量的減少表明參與切削的磨料數(shù)量減少，這歸因于磨削高溫導(dǎo)致打磨產(chǎn)生的磨屑黏附堵塞磨石，阻隔磨石與鋼軌的直接接觸。隨著打磨轉(zhuǎn)速增加，打磨溫度繼續(xù)升高，磨石磨損加劇導(dǎo)致下層磨料外露，此時(shí)磨料以較大切深進(jìn)行磨削，因此表面粗糙度增加[21-22]。

圖 4 不同打磨轉(zhuǎn)速下鋼軌試樣表面的三維形貌

Figure 4. Three-dimensional morphology of rail sample surface under different grinding rotation speeds

由圖5可知，隨著打磨轉(zhuǎn)速的增加，鋼軌試樣表面燒傷程度加劇，由打磨轉(zhuǎn)速1 000 r·min?1下的藍(lán)色燒傷、紫色燒傷逐漸過渡到打磨轉(zhuǎn)速2 000，3 000 r·min?1下大面積的黑色燒傷，說明打磨后鋼軌試樣表面質(zhì)量逐漸惡化。隨著打磨轉(zhuǎn)速的增加，鋼軌試樣表面的磨痕均勻性明顯下降，逐漸出現(xiàn)明顯寬且深的磨痕，同時(shí)由于打磨溫度升高導(dǎo)致鋼軌材料的軟化程度加劇，鋼軌材料的塑性流動(dòng)現(xiàn)象也相應(yīng)加劇。

圖 5 不同打磨轉(zhuǎn)速下鋼軌試樣表面的微觀形貌

Figure 5. Micromorphology of rail sample surface under different grinding rotation speeds

由圖6可知，隨著打磨轉(zhuǎn)速增加，鋼軌試樣表面磨痕均勻性變差，逐漸出現(xiàn)寬且深的磨痕。在3 000 r·min?1打磨轉(zhuǎn)速下，鋼軌試樣表面出現(xiàn)垂直于打磨方向的橫向裂紋，以及大塊材料剝落現(xiàn)象。橫向裂紋是打磨過程中熱-機(jī)耦合作用的結(jié)果。在打磨過程中，磨石磨削的縱向、橫向機(jī)械力會(huì)導(dǎo)致鋼軌表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力；鋼軌表面的面心立方結(jié)構(gòu)奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)馬氏體，體積增大導(dǎo)致鋼軌表面產(chǎn)生組織拉應(yīng)力；因鋼軌表面、深度方向冷卻速率不同，鋼軌表面會(huì)形成熱拉應(yīng)力[11]。當(dāng)最大拉應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，鋼軌表面就會(huì)出現(xiàn)主要垂直于打磨方向的裂紋。因此，在高打磨轉(zhuǎn)速下，鋼軌表面材料的去除是磨料切削與熱疲勞導(dǎo)致的材料剝層共同作用的結(jié)果。由表1可知，隨著打磨轉(zhuǎn)速增加，鋼軌試樣表面的氧含量升高，表明表面氧化加劇。

圖 6 不同打磨轉(zhuǎn)速下鋼軌試樣表面的SEM形貌

Figure 6. SEM morphology of rail sample surface under different grinding rotation speeds

2.3 磨屑形貌

由圖7可知，隨著打磨轉(zhuǎn)速的增加，條形磨屑數(shù)量明顯減少，而球狀磨屑數(shù)量顯著增加。條形磨屑是打磨過程中磨粒的連續(xù)切削形成的。由表2可知，隨著打磨轉(zhuǎn)速的增加，條形磨屑上表面（褶皺面，位置1和位置4）和下表面（成屑時(shí)從磨石前刀面流出的表面，位置2和位置5）的氧含量顯著升高，表明氧化程度加劇。由于磨削作用使鋼軌材料從磨石前刀面流出并與磨石產(chǎn)生劇烈摩擦，因此磨屑下表面氧含量明顯高于上表面。球形磨屑是由于磨粒切削過程中磨石刃尖與鋼軌接觸產(chǎn)生較高“閃溫”，導(dǎo)致鋼軌材料熔化并隨磨石的旋轉(zhuǎn)被帶出接觸區(qū)而形成的[23-24]。在3 000 r·min?1轉(zhuǎn)速下打磨鋼軌后還形成了塊狀/片狀磨屑，這是由于此時(shí)鋼軌試樣表面出現(xiàn)嚴(yán)重的燒傷裂紋，導(dǎo)致表面材料出現(xiàn)剝落損傷。

圖 7 不同打磨轉(zhuǎn)速下磨屑的微觀形貌

Figure 7. Micromorphology of wear debris under different grinding rotation speeds