王 安,田長亮,劉勝田,李家威,崔英俊

(中車齊齊哈爾車輛有限公司,黑龍江 齊齊哈爾 161002)

近年來,隨著工業(yè)科技快速發(fā)展,鐵路貨車技術(shù)以“提速、重載”為研究方向,鉤緩系統(tǒng)服役條件趨于惡化,其可靠性問題凸顯。解決這個問題可從鉤緩結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝和材料三個方面考慮[1]。受互換性和軌距等因素影響,車鉤及鉤舌的結(jié)構(gòu)設計空間受限,不能做大的結(jié)構(gòu)改進。工藝方面由于需求量大,控制生產(chǎn)成本至關(guān)重要,絕大多數(shù)的車鉤產(chǎn)品仍采用鑄造工藝成型。車鉤材料的可選范疇也被限制為鑄鋼。鑄鋼件存在原始缺陷,難以徹底消除,缺陷部位的不確定性使車鉤疲勞性能產(chǎn)生波動。車鉤、鉤舌運用載荷工況惡劣,性能要求嚴苛。其中疲勞斷裂是車鉤、鉤舌最主要的失效形式,相較于車鉤及其他鉤緩部件,鉤舌的設計使用壽命及質(zhì)保期最短[2-4]。為評估鉤舌疲勞性能表現(xiàn),往往在產(chǎn)品設計階段開展車鉤結(jié)構(gòu)疲勞試驗,對鉤舌可靠性進行驗證[5]。圖1為重載車鉤組成和車鉤疲勞試驗臺。

圖1 (a)重載車鉤組成和(b)車鉤疲勞試驗臺

某公司對一種新型重載鉤舌開展結(jié)構(gòu)疲勞試驗時,發(fā)現(xiàn)部分鉤舌壽命異常,低于設計預期。車鉤產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)疲勞試驗具有試驗設備昂貴、試驗成本高和周期較長的特點,不宜多次開展重復試驗驗證[6],其試驗數(shù)據(jù)又異常珍貴,可有效反映新型車鉤產(chǎn)品的應用表現(xiàn)。因此,對鉤舌的試驗數(shù)據(jù)進行分析尤為重要。本文通過多項試驗對異常壽命鉤舌進行分析,總結(jié)了壽命偏低的原因,并提出預防措施和改進建議,可有效提高鉤舌及相關(guān)產(chǎn)品的疲勞壽命[7-9]。

1 失效鉤舌基本情況

本試驗失效分析的鉤舌樣品為3件改進加強型重載F51AE鉤舌,鑄造順序號分別為1509、1534和1539(分別對應1#、2#和3#樣品)。疲勞試驗采用的載荷譜是根據(jù)中車齊齊哈爾車輛有限公司出口澳大利亞某公司礦石車時所提供的載荷經(jīng)統(tǒng)計處理后簡化的試驗譜,1#、2#和3#樣品的循環(huán)失效壽命分別為60896、45672和51872次,平均失效壽命約52800次。而采用相同載荷譜開展疲勞試驗的原F51AE型鉤舌的平均壽命一般為8～12萬次,本試驗失效鉤舌的壽命低于其近50%,與預期的設計壽命大幅偏離。

一般鉤舌斷裂部位為牽引突緣和鉤舌內(nèi)腕,這兩個部位應力最為集中[10],相對最為薄弱。圖2為鉤舌加載示意圖,其中序號8位置為牽引突緣,序號12位置為鉤舌內(nèi)腕。本試驗鉤舌對牽引突緣位置進行了結(jié)構(gòu)加強設計,因此三件鉤舌的斷裂部位均為鉤舌內(nèi)腕。

圖2 鉤舌加載示意圖

1#、2#和3#樣品材料為符合標準AAR M201要求的E+級鑄鋼,冶煉工藝采用EBT電弧爐冶煉+LF精煉,為同一冶煉爐次,成型后經(jīng)清鏟、打磨、探傷和熱處理等工序,熱處理采用正火+調(diào)質(zhì)處理,如圖3所示。

圖3 熱處理工藝

2 試驗檢測

2.1 化學成分分析

在鉤舌鼻部取樣,采用光譜法進行化學成分分析,結(jié)果見表1。由于三件樣品出自同一冶煉爐次,其化學成分基本相近,均符合標準AAR要求及內(nèi)部質(zhì)量控制要求。

表1 鉤舌的化學成分(質(zhì)量分數(shù),%)

按照標準GB/T 11261—2006中紅外吸收法測定氧含量,按照標準GB/T 20124—2006中熔融熱導法測定氮含量,氣體含量檢測結(jié)果見表2,符合標準AAR要求。

表2 鉤舌的氣體含量

2.2 力學性能及硬度

在1#、2#和3#樣品的鉤舌鼻部位置進行取樣,取樣位置如圖4所示。采用φ12.5標準試樣,參照標準GB/T 228進行拉伸試驗;采用-40 ℃ V型缺口試樣,參照標準GB/T 229進行沖擊試驗。力學性能檢測結(jié)果見表3,三個樣品的力學性能均滿足技術(shù)要求。

圖4 取樣位置

硬度檢測采用布氏硬度法,1#、2#和3#樣品的硬度分別為302、304和302 HBW,滿足標準AAR中硬度為241～311 HBW的要求。

2.3 金相組織及夾雜物

在鉤舌的斷口附近取樣進行夾雜物、組織、晶粒度和脫碳層檢驗。經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察試樣的金相組織及脫碳層;參照標準TB/T 2451對鑄鋼中非金屬夾雜物進行取樣和評級;晶粒度檢驗采用4%硝酸酒精+飽和苦味酸+海鷗牌洗衣液混合溶液進行腐蝕,腐蝕溫度為60～80 ℃,腐蝕時間為5 min,利用平均截距法進行晶粒度評定。評定結(jié)果見圖5和表4,檢驗結(jié)果均符合標準AAR及內(nèi)部質(zhì)量控制要求。

(a)金相組織;(b)夾雜物;(c)晶粒度

表4 金相組織、夾雜物評級及脫碳層深度

2.4 無損檢測

在試驗樣品生產(chǎn)制造過程中以及開展疲勞試驗前,均對鉤舌全表面進行了整體濕法磁粉探傷,并采用便攜式磁粉探傷儀器對關(guān)鍵部位進行手工復探,按照標準ASTM E125《鑄鐵件的磁粉檢驗用參考照片》要求,缺陷均在標準準許等級之內(nèi)。

疲勞試驗后,對斷裂鉤舌進行了工業(yè)CT探傷檢測,對鉤舌整體及紅色截面處進行掃描,如圖6所示。檢測結(jié)果表明,三件樣品鉤舌密實度均符合標準要求,未見嚴重鑄造缺陷。

圖6 試驗鉤舌的CT影像

2.5 斷口分析

圖7為1#、2#和3#樣品斷裂后的宏觀照片。 在疲勞壽命相對較長的1#樣品和較短的2#樣品上切取斷口部位,用酒精清洗后觀察斷口的宏觀形貌,如圖8所示。兩個斷口的形貌相近,均可分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三個特征區(qū)域。其中Ⅰ為裂紋源區(qū),Ⅱ為擴展區(qū)和Ⅲ為瞬斷區(qū)。對裂紋源區(qū)進行目視觀察,無明顯鑄造缺陷,但裂紋源區(qū)附近可觀察到多處尖角狀臺階撕裂,根據(jù)立斷面顏色、氧化及斷裂部位受污染程度,難以判斷各部位萌生裂紋的先后順序,按照結(jié)構(gòu)疲勞試驗的以往經(jīng)驗,斷裂類型為多源疲勞[11]。隨試驗進展,裂紋向內(nèi)部擴展,在Ⅱ區(qū)域可見明顯的疲勞弧線,符合疲勞斷裂特征。對比可見,1#樣品的擴展區(qū)大于2#樣品,而疲勞弧線的大體跨度相似,可推測其在萌生裂紋后的擴展周期更長,對應1#樣品的疲勞壽命略高于2#樣品。Ⅲ區(qū)域為瞬斷區(qū),由于樣品結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后瞬間過載形成。

(a)1#樣品;(b)2#樣品;(c)3#樣品

(a)1#樣品;(b)2#樣品

為研究斷裂過程,切取Ⅰ和Ⅱ區(qū)域,采用掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌,如圖9所示。由圖9可知,兩個斷口在裂紋源區(qū)均未見1 mm以上原始組織缺陷,擴展區(qū)存在大量韌窩及少量的撕裂棱,可判斷其產(chǎn)品內(nèi)部原始結(jié)構(gòu)的組織仍具韌性特征。裂紋源處存在較多的顯微裂紋和縮松,如圖10所示。局部斷口的擴展方向可認為與疲勞條帶方向垂直,該方向的前沿在斷裂過程中應力最集中,因而加載后形成的裂紋往往沿著擴展方向尖端向周圍延伸。其中一部分向平面延伸斷裂形成了疲勞條帶,另外向內(nèi)延伸則可能形成斷后裂紋。圖9中裂紋與疲勞條帶之間具有較大的張開角度,則推測其為原始裂紋,長度為200～300 μm。另外,觀察到密集的自由結(jié)晶區(qū),其表現(xiàn)為不規(guī)則形狀的顯微縮松。

(a)裂紋源區(qū);(b)擴展區(qū)

圖10 近表面處顯微缺陷

為排除斷裂區(qū)域顯微缺陷為違規(guī)焊補(局部)后生成,采用Smart Zoom5三維視頻顯微鏡對拉伸試樣斷口截面處進行觀察。同時因手工探傷和CT探傷對微小缺陷不敏感,對顯微缺陷尺寸進行定量測量可預防此類問題再次發(fā)生,且是成本最低的檢驗手段[12]。如圖11中標記,定量測量21處顯微裂紋及縮松,最大缺陷尺寸為294 μm,最小缺陷尺寸為86 μm,平均為126 μm。

圖11 近表面處顯微缺陷尺寸定量測量

3 結(jié)論和建議

根據(jù)上述試驗結(jié)果對疲勞壽命異常鉤舌進行失效分析,對鉤舌結(jié)構(gòu)疲勞試驗結(jié)果產(chǎn)生較大影響的因素主要有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設計、產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中的質(zhì)量控制及試驗本身。由于樣品鉤舌為對比試驗樣本,因此可排除產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計缺陷的因素;另外試驗選取的3個鉤舌均發(fā)生壽命異常,所以其疲勞表現(xiàn)可視為重復驗證后所得,即試驗數(shù)據(jù)是準確可靠的。故應按照其生產(chǎn)制造過程為主線,對鉤舌的異常指標進行排查。由于化學成分、氣體含量、力學性能、硬度、金相組織及夾雜物的檢驗結(jié)果均符合標準,無異常表現(xiàn),從而可以確定冶煉鑄鋼成分準確、熱處理工藝得當。斷口分析結(jié)果表明,在裂紋源、近裂紋源表面處和位于鉤舌鼻部的拉伸試樣內(nèi)部均存在尺寸細小、分布密集的顯微缺陷,這類顯微缺陷是影響本次鉤舌疲勞壽命的主要原因。顯微缺陷主要產(chǎn)生于鉤舌的澆注、凝固及焊后修補過程,在疲勞和性能試樣斷口中均發(fā)現(xiàn)缺陷,而焊補一般為局部行為,故缺陷應產(chǎn)生于澆注及凝固過程。

綜上所述,為減少和控制鑄鋼鉤舌顯微缺陷,提出以下改善建議:

1)加強冶煉過程控制,如控制脫碳量,采用白渣操作和爐外精煉技術(shù),提高出鋼槽及鋼水包的潔凈要求等,以提高澆注鋼水質(zhì)量;

2)針對不同鑄鋼牌號鉤舌產(chǎn)品,制定相匹配的澆注工藝,適當提高澆注溫度,并設定澆注溫度下限,控制澆注的車鉤和鉤舌數(shù)量配比,確保鋼水的流動性;

3)調(diào)整鑄造工藝,優(yōu)化鑄造用砂,如調(diào)整砂型成分、制定新砂比例下限等,試驗多種澆注結(jié)構(gòu),在關(guān)鍵部位增加冷鐵、氣針,嚴格限制打箱溫度上限或限制冷卻時間,控制冷卻環(huán)境。減少鑄造缺陷,可提高鑄造質(zhì)量;

4)國標及鐵標中未限制顯微缺陷的存在,常規(guī)檢測包含各類探傷工序均難以甄別細小缺陷,應采用視頻顯微鏡等設備,觀察統(tǒng)計拉伸斷裂樣品斷面的缺陷數(shù)量和大小,并結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)疲勞試驗數(shù)據(jù)開展相關(guān)研究,定量、定性分析后制定相應質(zhì)量控制標準。