王冬艷

（遼寧北方環(huán)境保護有限公司，遼寧沈陽110161）

車輪開裂原因分析

王冬艷

（遼寧北方環(huán)境保護有限公司，遼寧沈陽110161）

通過對開裂車輪進行宏觀、微觀觀測，化學(xué)成分分析，超聲波探傷檢測，力學(xué)性能檢測及金相組織檢測，最終得出車輪開裂的主要原因是材料的鍛造缺陷及熱處理方法不當(dāng)。

車輪；材料；金相組織；探傷

1 問題分析

遼寧北方環(huán)境保護有限公司為機械加工單位，主營為與日方某鋼鐵公司合作，長期生產(chǎn)鋼鐵公司相關(guān)設(shè)備的零部件。加工方式為日本提供圖紙，北方公司按圖紙進行全工序加工。

2013年，鋼鐵公司考慮到正在使用貨用火車車輪的材料為鑄鋼SC480（ZG450），這種材料的車輪由于容易存在鑄造缺陷，導(dǎo)致使用壽命低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，研究進行材料替代，最后材料變更為SSW-Q1，并提交了制作圖，協(xié)議先做一個樣件，待雙方共同檢查確認合格后，再追加訂單。其中，樣件車輪的踏面直徑為Φ800 mm，輪轂厚度為300 mm，一側(cè)熱裝一個偏心軸（圖1）。在日本，SSW-Q1是用于制造重載車輪的專用材料，屬于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼鍛件，在中國，65#鋼是常用的車輪鋼，65#鋼的化學(xué)成分及機械性能與SSW-Q1相近，詳見表1，經(jīng)雙方協(xié)商，采用中國的GB/T 699-1999標(biāo)準(zhǔn)的65#鋼作為SSW-Q1材料的替代品，按日方提供的車輪圖紙制作。

北方公司按圖紙要求，編排了工藝流程（圖2），得到日方公司的確認后，按工藝流程進行加工，完成了產(chǎn)品制作。在加工的工程中，公司質(zhì)量檢查人員除做了必要的尺寸檢測外，還收集了鍛造廠家提供的鋼錠廠家的材料單、鍛造廠家的鍛造工藝，超聲波探傷報告，熱處理廠家的熱處理工藝，正火熱處理曲線等做為原始的質(zhì)量控制記錄，加入產(chǎn)品加工檔案?？僧a(chǎn)品在加工成成品后，車輪表面卻意外出現(xiàn)兩道開放性裂紋，車輪是貨運火車的重要構(gòu)件，若在使用中出現(xiàn)問題，會導(dǎo)致輸送中斷，嚴重時甚至?xí)嚉送?，給鋼鐵公司帶來非常嚴重的經(jīng)濟損失，所以，必須徹底查清樣件車輪出現(xiàn)裂紋的原因，并且采用在以后的制作過程中采取相應(yīng)的防范措施，確保類似情況不再發(fā)生，方可進行批量的產(chǎn)品的加工。為此，公司匯集了日方鋼鐵公司的專家、公司技術(shù)代表，鋼錠的供貨單位、鍛造廠、熱處理廠的技術(shù)人員一起，對比了原始的檔案記錄，對出現(xiàn)裂紋的原因進行了分析，初步結(jié)論可能是3個原因中的單一因素或共同作用結(jié)果。

（1）車輪化學(xué)成分與要求不符，有針對性的熱處理方式不對，導(dǎo)致車輪開裂；

（2）鍛造車輪用鋼錠存在氣孔、裂紋、折疊、結(jié)疤、層狀斷口等缺陷，在鍛造的過程中沒有完全消除，在熱處理、裝配等外應(yīng)力的作用下，以缺陷處為斷裂源，形成脆性開裂；

（3）熱處理的方式、方法出現(xiàn)了問題，內(nèi)部殘余應(yīng)大，導(dǎo)致車輪最終開裂。

最后，各方代表達成一致意見，在斷裂源附近取樣，委托第三方檢測，進行宏觀、微觀觀測，化學(xué)成分分析、超聲波探傷檢測、力學(xué)性能檢測及金相組織的檢測，以各項檢查報告為依據(jù)，進行綜合分析，得出最終的結(jié)論。

圖1 車輪外觀

圖2 車輪加工工藝流程圖

表1 SSW-Q1與65#鋼化學(xué)成分及正火狀態(tài)機械性能值比較

2 分析過程及檢測結(jié)果

2.1 開裂情況

開裂的方式為沿車輪內(nèi)孔徑向出現(xiàn)2處脆性開裂（圖3、圖4）。

2.2 試驗結(jié)果及分析

2.2.1 斷口宏觀及微觀檢測

（1）斷口宏觀檢測。裂紋的表觀特性為沿徑向擴展，斷裂源部位無宏觀塑性變形，為脆性開裂。斷裂源產(chǎn)生于車輪壁厚的中心位置，在斷裂源處，肉眼可見一處約5×3 mm平坦小亮面區(qū)，與斷面有明顯差異，顯示自然表面特性（圖5）。

（2）斷口微觀檢測。使用日立S-3400N型掃描電鏡對斷裂源區(qū)微觀形貌進行檢測，著重檢測宏觀檢測出的一處5×3 mm平坦小亮面區(qū)，發(fā)現(xiàn)該處位置未顯示斷面特性，是經(jīng)過鍛造變形后的氣泡缺陷（圖6），而斷裂擴展區(qū)形貌顯示脆性解理斷裂特性（圖7）。

2.2.2 超聲波探傷檢測

用PXUT-350B+超聲波探傷儀，把B4S-N探頭對檢測塊（看看順序用調(diào)不）進行了超聲波檢測，檢測結(jié)果為：在距檢測塊端面深約45～80 mm之間發(fā)現(xiàn)最大當(dāng)量為Φ3 mm左右的單個不連續(xù)缺陷，缺陷所在的位置及分布如圖8所示。

教師的個人素質(zhì)與信息化教學(xué)能力對于成人教育有效性來說是必須要重視的問題。教師是教育活動的直接參與者、左右者、引導(dǎo)者。教師的個人信息化教育素質(zhì)，包括信息化軟件、硬件設(shè)備的使用操作能力都是需要重點強調(diào)的培養(yǎng)方向。學(xué)校有必要定期開展培訓(xùn)，提升教師的信息化素質(zhì)。當(dāng)然教師本身也要形成終身學(xué)習(xí)意識和終身學(xué)習(xí)態(tài)度，不斷摸索信息技術(shù)的使用方法。在保障個人能力提升的基礎(chǔ)上，展開效果更好的信息化教學(xué)活動。

2.2.3 化學(xué)成分檢測結(jié)果

化學(xué)成分檢測結(jié)果顯示（表2），各個化學(xué)成分的含量全部在SSW-Q1材料要求的區(qū)間范圍內(nèi)，因此化學(xué)成分不符合要求的情況基本可以排除。

2.2.4 力學(xué)性能檢測

在非缺陷區(qū)截取了拉伸和沖擊試樣，力學(xué)性能檢測結(jié)果見表3。檢測結(jié)果顯示，車輪樣品抗拉強度及延伸率符合技術(shù)條件要求，沖擊值（AKU）卻很低，因為SSW-Q1中并未規(guī)定沖擊值標(biāo)準(zhǔn)，分析時參照我國輾鋼車輪鋼CL60（60#鋼）的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的沖擊值≥10 J的標(biāo)準(zhǔn)，檢測結(jié)果遠低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.5 硬度檢測

硬度檢測方法為沿車輪心部軸線從踏板表面至心部每2 mm為一個檢測點，檢測結(jié)果見圖9，踏面硬度及深度符合圖紙要求。

低倍組織檢測樣品在缺陷區(qū)域截取，金相組織檢測樣品取自硬度檢測樣品。

（1）低倍組織檢測。低倍組織檢測出內(nèi)部氣泡缺陷見圖10，與斷口微觀檢測結(jié)果吻合。

（2）非金屬夾雜物分析。非金屬夾雜物檢測結(jié)果依據(jù)GB/T 10561-2005標(biāo)準(zhǔn)評定，評定結(jié)果為：A類粗系1級，B類細系0.5級，C類0級，D類粗系2級。

（3）金相組織分析。車輪踏面組織細密，為細珠光體+少量鐵素體，不是淬火組織；心部組織為細珠光體+少量鐵素體（圖11和圖12）。

圖3 斷裂車輪

圖4 脆性開裂斷面圖

表3 力學(xué)性能檢測結(jié)果

圖5 脆性開裂斷面圖

圖6 斷裂源微觀檢測圖

圖7 斷裂源擴展區(qū)

圖8 當(dāng)量缺陷標(biāo)識圖

圖9 硬度檢測結(jié)果

圖10 內(nèi)部氣泡缺陷

3 結(jié)論

（1）力學(xué)性能檢測結(jié)果中沖擊值很低，說明車輪韌性較差。

（2）超聲波探傷檢測發(fā)現(xiàn)車輪心部位置存在當(dāng)量為Φ3 mm左右的單個不連續(xù)缺陷，內(nèi)部氣泡缺陷的存在割裂了基體組織，形成潛在開裂源。

（3）金相組織檢測顯示車輪的踏面及心部組織均為細珠光體＋少量鐵素體，而沒有形成回火索氏體組織，說明車輪在正火處理時方法不當(dāng)，冷卻速度較快，表現(xiàn)在車輪的檢測結(jié)果上為力學(xué)性能的沖擊值很低，材料韌性較差。

鍛造氣泡缺陷及熱處理方式不合理兩個因素是車輪開裂的原因。希望其他生產(chǎn)非標(biāo)重載車輪的廠家以此為借，嚴格控制鋼錠的質(zhì)量及熱處理工藝，避免類似情況發(fā)生。

圖11 踏面表層組織×100

圖12 心部組織×100

表2 化學(xué)成分檢測結(jié)果%

〔編輯 凌瑞〕

U27

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.02.16