王丹丹，周勝鵬，谷志剛，隋 燕，叢連蔚

輕軌低地板列車車體彎軸端面開裂原因分析

王丹丹1，周勝鵬2，谷志剛3，隋 燕1，叢連蔚1

（1.錦州捷通鐵路機(jī)械股份有限公司，遼寧 錦州 121001; 2.四川飛縱電力設(shè)計(jì)有限公司 遼寧分公司，遼寧 沈陽 110000;3.遼寧工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

C級(jí)鋼彎軸在常規(guī)列車檢修過程中發(fā)現(xiàn)裂紋，通過利用宏觀檢查、化學(xué)成分分析、電鏡與能譜檢驗(yàn)、金相組織分析等方法，分析彎軸失效原因。測試后結(jié)果表明，彎軸兩端面的裂紋屬于鑄造熱裂紋是鋼液在鑄造凝固收縮中產(chǎn)生的。

C級(jí)鋼；彎軸；鑄造熱裂紋；失效分析；凝固收縮

某公司生產(chǎn)的一批輕軌低地板列車車體彎軸，經(jīng)安裝上車后，運(yùn)行狀況一直良好，經(jīng)過近10年的正常運(yùn)行服役后，當(dāng)檢修人員對(duì)列車進(jìn)行常規(guī)檢修時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)其中有4根彎軸在其軸承外端面存在大小不一的宏觀裂紋，成為列車運(yùn)行的隱患，從而造成該列車的停運(yùn)。為查找彎軸端面產(chǎn)生裂紋的原因，消除隱患，列車用戶卸下所有帶有裂紋的彎軸件并返回原生產(chǎn)單位，要求對(duì)出現(xiàn)裂紋的原因進(jìn)行失效分析。本文就是通過對(duì)具有代表性的一件開裂彎軸進(jìn)行取樣，并采取各種理化分析技術(shù)手段進(jìn)行失效分析，以確定彎軸端面出現(xiàn)裂紋的原因。

據(jù)調(diào)查，該批彎軸于2010年，采用鑄造方式生產(chǎn)的，其材質(zhì)為鐵路機(jī)車車輛生產(chǎn)常用的C級(jí)鋼，該彎軸鑄造后進(jìn)行了常規(guī)的正火+回火熱處理。

1 檢驗(yàn)方法及結(jié)果

1.1 宏觀檢查

1.1.1 外觀檢驗(yàn)

所分析的彎軸樣品的宏觀形貌見圖1~圖3。圖中可見彎軸件的兩個(gè)對(duì)稱端面上皆存在肉眼可見的數(shù)量不等、長短不同、無明顯取向、曲折分布的表面裂紋，該裂紋分布區(qū)域有明顯的冒口切割痕跡和局部補(bǔ)焊痕跡，同時(shí)該部位屬于鑄件的熱節(jié)區(qū)。

通過對(duì)彎軸左右兩端面開裂區(qū)裂紋的低倍觀察可知，彎軸左端面截面的裂紋呈逶迤狀向內(nèi)和通過補(bǔ)焊區(qū)向外擴(kuò)展，無二次分支裂紋。右側(cè)端面局部表面存在聚集的龜裂狀裂紋群。

圖1 彎軸宏觀形貌

圖2 左端面截面裂紋整體形貌

圖3 右端面裂紋群形貌

1.1.2 斷口分析

將右端面的表面裂紋沿裂紋縫隙人工打斷，進(jìn)行宏觀觀察分析，分析儀器為Stemi 508型體視顯微鏡，斷口形貌見圖4。

圖4 打斷后裂紋斷口兩側(cè)的宏觀形貌

由圖可見，其自然斷口呈明顯的結(jié)晶狀，粗大的晶塊表面覆蓋一層很厚的黑色氧化皮覆蓋物，而右下角的人工斷口呈銀白色粗大樹枝晶狀，斷口周邊無塑性變形痕跡，屬于脆性斷口。

1.2 化學(xué)成分分析

在開裂彎軸端面取樣進(jìn)行材料成分分析，分析儀器為Lab Spark 750型火花直讀光譜儀，分析結(jié)果見表1。由檢驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，開裂彎軸材料為C級(jí)鋼，其化學(xué)成分完全符合鐵標(biāo)TB/T 2942—1999 《鐵路用鑄鋼件采購與驗(yàn)收技術(shù)條件》C級(jí)鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。為含Mn較高的低碳鋼，即彎軸的材質(zhì)成分不存在問題。

表1 開裂彎軸的成分檢驗(yàn)結(jié)果及與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照 %

1.3 金相檢驗(yàn)分析

1.3.1 夾雜物分析

在彎軸兩端面裂紋嚴(yán)重區(qū)分別取樣，磨制金相試樣后，用Axio observer型金相顯微鏡進(jìn)行非金屬夾雜物分析。圖5為彎軸左端面檢驗(yàn)區(qū)夾雜物形貌。

圖5 彎軸左端面夾雜物最嚴(yán)重處情況

觀察可見，在彎軸基體中含有較多成網(wǎng)狀分布的灰色硫化鐵錳夾雜物，按標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2451—93 《鑄鋼中非金屬夾雜物金相檢驗(yàn)》進(jìn)行夾雜物級(jí)別評(píng)定，其中Ⅱ型夾雜物為4級(jí)，屬于不合格級(jí)別。由于網(wǎng)狀分布的夾雜物對(duì)基體具有較大的割裂作用，會(huì)嚴(yán)重降低該彎軸的強(qiáng)度與韌性。

1.3.2 顯微組織分析

對(duì)彎軸兩端面進(jìn)行顯微組織檢驗(yàn)與分析，其顯微組織為少量鐵素體+珠光體+網(wǎng)狀分布的回火索氏體，屬于C級(jí)鋼正常的正火+回火組織，按TB/T 3212.2—2009 《機(jī)車車輛用低合金鑄鋼金相組織檢驗(yàn)圖譜第2部分：C級(jí)鑄鋼》進(jìn)行顯微組織評(píng)定，彎軸的顯微組織為2級(jí)，符合技術(shù)要求（見圖6）。

1.3.3 裂紋分析

圖7是彎軸左端面截面裂紋由表及里的全貌，左側(cè)邊緣是明顯的焊接熔池區(qū)形貌，為鑄后的補(bǔ)焊區(qū)，箭頭所指為鑄件表面與補(bǔ)焊交接點(diǎn)。

經(jīng)顯微測量，裂紋深度為20.75 mm，最大寬度為0.25 mm。裂紋在整個(gè)端面由表面向內(nèi)壁沿晶界逶迤擴(kuò)展，最大寬度在箭頭所指的鑄件表面，并由此向內(nèi)和向外皆逐漸變細(xì)，基體區(qū)域的裂紋兩側(cè)存在較厚的白色脫碳層，而裂紋尾部卻未發(fā)生脫碳現(xiàn)象，可以說明基體裂紋在熱處理之前已經(jīng)產(chǎn)生，裂紋尾部是由于基體中存在較大的內(nèi)應(yīng)力，在后期的運(yùn)行過程中發(fā)生擴(kuò)展形成的。補(bǔ)焊區(qū)的裂紋較窄，兩側(cè)無脫碳且呈直線延伸至表面，證明該鑄件表面經(jīng)過補(bǔ)焊后未重新進(jìn)行二次熱處理，補(bǔ)焊區(qū)存在較大的內(nèi)應(yīng)力，在列車運(yùn)行一定時(shí)間后由，原始鑄造裂紋逐漸擴(kuò)展穿透補(bǔ)焊區(qū)而至表面。

圖7 左端面截面裂紋整體形貌25X

1.4 電鏡與能譜檢驗(yàn)

圖8 補(bǔ)焊區(qū)裂紋內(nèi)壁夾持物電鏡和能譜圖

圖9 鑄件基體裂紋內(nèi)部夾持物電鏡和能譜圖

2 開裂原因分析

綜合上述檢驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合該工件的具體生產(chǎn)工藝工況，分析認(rèn)為彎軸兩端面形成的肉眼可見的表面裂紋屬于鑄造外熱裂紋，亦屬結(jié)晶裂紋。裂紋分布區(qū)域有明顯的冒口切割痕跡和局部補(bǔ)焊痕跡，處于該件的熱節(jié)部位。當(dāng)液體鋼水澆入彎軸砂型后，凝固將首先從鑄件表面開始。當(dāng)鋼液冷卻到達(dá)固相線的凝固后期時(shí)，鑄件中會(huì)出現(xiàn)大量的枝晶狀骨架，當(dāng)枝晶骨架的收縮受到砂型的阻礙后，鑄件的自由收縮就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)該拉應(yīng)力超過其材料的高溫強(qiáng)度極限時(shí)，枝晶之間就會(huì)在高溫下產(chǎn)生開裂。彎軸的端面恰好為熱節(jié)區(qū)，其截面尺寸差異很大，厚與薄的不同區(qū)域的固態(tài)收縮存在嚴(yán)重的不一致性，而此時(shí)高溫下的鋼體強(qiáng)度極限很低，且該處存在大量成網(wǎng)狀分布的硫化鐵錳夾雜物，對(duì)裂紋的形成具有一定的促進(jìn)作用，因此導(dǎo)致該區(qū)域形成結(jié)晶熱裂紋。在后期補(bǔ)焊時(shí)，未將鑄造熱裂紋處完全清除干凈，就進(jìn)行了補(bǔ)焊處理，將原有的鑄造裂紋覆蓋，且補(bǔ)焊操作工序安排不當(dāng)，補(bǔ)焊后未進(jìn)行二次熱處理，導(dǎo)致補(bǔ)焊區(qū)存在較大的內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)在基體中存在著較多呈網(wǎng)狀分布的硫化鐵錳夾雜物，在列車后期的運(yùn)行中，基體中的裂紋逐漸向補(bǔ)焊區(qū)和基體內(nèi)部擴(kuò)展[1-4]。

3 結(jié)論

（1）彎軸兩端面的裂紋屬于鑄造外熱結(jié)晶裂紋，形成于鋼液的鑄造凝固收縮過程中，與鑄造后的熱處理和補(bǔ)焊操作無關(guān)。

（2）彎軸端面的補(bǔ)焊操作工序安排不當(dāng)，應(yīng)該在熱處理之前進(jìn)行補(bǔ)焊。在補(bǔ)焊之前用<4 mm-J422焊條，160～180 A電流，將缺陷除干凈，再用角磨機(jī)將缺陷口打磨成U形，減少施焊應(yīng)力，鑄造熱裂紋完全清除，然后進(jìn)行補(bǔ)焊操作[5-6]。

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Faiure Analysis of C Garde Steel Bending Shaft

WANG Dan-dan1, ZHOU Sheng-peng2, GU Zhi-gang3, SUI Yan1, CONG Lian-wei1

（1.Jinzhou Jie Tong Railway Machinery Co.,Ltd, Jinzhou 121001, China; 2.Liaoning Branch of Sichuan feizong Electric Power Design Co., Ltd, Shenyang 110000, China; 3.Materials Science and Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001,China）

Cracks were found in the C Garde Steel Bending Shaft during the routine train maintenance, the failure analysis for Bending Shaft was carried out by the Macro check, Chemical Composition Analysis, Scanning electron microscopy and energy spectrum, Metallographic structure analysis. The test results show that the bent Shaft of casting crack at both ends are casting hot crackin , They were produced during solidification shrinkage in liquid steel.

C garde steel; bending shaft; Casting hot cracking; failure analysis; solidification shrinkage

10.15916/j.issn1674-3261.2021.05.013

TG115

A

1674-3261(2021)05-0334-03

2020-06-20

王丹丹(1993-)，女，遼寧朝陽人，助理工程師。

責(zé)任編輯：劉亞兵