17型車鉤鉤體裂紋形成原因分析

王亞成

(中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司銅陵車輛監(jiān)造項(xiàng)目部 上海 244000)

1 問題的提出

車鉤鉤體是鐵路運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵零部件，鉤體尾銷孔起著連接車鉤，傳遞牽引力的作用。近年來，為提高鐵路運(yùn)輸效率，70 t貨車已成為鐵路貨運(yùn)的主營車輛，且全路貨運(yùn)大部分已按90 km/h速度行駛。載重噸位和運(yùn)營速度的提升都對(duì)車鉤的質(zhì)量提出了更高的要求[1]。17型車鉤就是適用于70 t及以上貨車的車輛配件。

監(jiān)造過程中，核查發(fā)現(xiàn)編號(hào)為0835號(hào)的17型鉤體鉤尾銷孔內(nèi)牽引弧面存在目視可見裂紋狀缺陷3條，經(jīng)探傷確認(rèn)，長度在20～25 mm之間，裂紋狀缺陷部位如圖1所示，裂紋狀缺陷宏觀形貌如圖2所示。

圖1 裂紋狀缺陷部位

圖2 裂紋狀缺陷宏觀形貌

2 鑄造工藝簡述

鉤體鑄造生產(chǎn)時(shí)，型砂采用濕型砂，多觸頭震壓造型機(jī)造型；芯砂采用樹脂砂，其中整體芯采用ISOCURE(三乙胺固化樹脂砂冷芯盒)射芯工藝，手工芯采用自硬樹脂砂工藝；鑄件澆注、清砂后，經(jīng)過切割澆冒口、預(yù)正火、拋丸、澆冒口清根、磁粉探傷、一次清理焊修、調(diào)質(zhì)、二次清理、磁粉探傷、表面淬火、低溫回火、磁粉探傷、成品檢查等工序。工藝規(guī)定最后的磁粉探傷、成品檢查若發(fā)現(xiàn)缺陷，并需要焊后回火時(shí)，回火后的鉤體應(yīng)重新進(jìn)行表面淬火+低溫回火處理。

車鉤鉤尾銷孔牽引弧面表面淬火采用火焰加熱?；鹧鎸?duì)牽引弧面直接加熱，完成加熱后快速切換到噴淋工位進(jìn)行噴水淬火。

3 生產(chǎn)過程分析

經(jīng)調(diào)查，0835號(hào)鉤體在冶煉、造型、制芯、合箱、預(yù)正火、調(diào)質(zhì)工序無異常，理化性能和金相組織符合TB/T 456標(biāo)準(zhǔn)要求，表面淬火+低溫回火后磁粉探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)鉤身存在鑄造缺陷，缺陷清除、焊修后進(jìn)行消除應(yīng)力回火處理，并根據(jù)工藝要求進(jìn)行了第2次表面淬火+低溫回火處理，磁粉探傷又發(fā)現(xiàn)鉤尾球面存在鑄造缺陷，缺陷清除、焊修后進(jìn)行消除應(yīng)力回火處理，回火后進(jìn)行了第3次表面淬火+低溫回火處理。

4 理化檢驗(yàn)

4.1 化學(xué)成分

化學(xué)成分光譜分析結(jié)果如表1所示，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 金相及掃描電鏡檢驗(yàn)分析

4.2.1裂紋狀缺陷表面觀察

用掃描電鏡對(duì)缺陷表面形貌進(jìn)行觀察，檢驗(yàn)面同磁粉探傷面。缺陷斷續(xù)分布，部分區(qū)域表面裂開，缺陷如圖3所示。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 /%

圖3 缺陷形貌圖

4.2.2缺陷斷面檢驗(yàn)

對(duì)缺陷進(jìn)行斷面檢查，缺陷走向垂直于表面，深約3.794 mm(見圖4)。缺陷在近鑄件表面端部開口較小，尾部比較圓鈍，裂紋狀缺陷內(nèi)未見氧化鐵和夾雜，微觀形貌如圖5所示。

圖4 缺陷斷面

圖5 缺陷根部微觀形貌

4.2.3缺陷部位金相組織檢驗(yàn)

對(duì)斷面試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，腐蝕后試樣明顯可見3個(gè)分區(qū)，分區(qū)界面呈弧形分布，標(biāo)記為A、B、C，如圖6所示。

圖6 試樣腐蝕后宏觀形貌

分區(qū)界面弧形分布是由于淬火加熱時(shí)火焰以點(diǎn)狀方式對(duì)牽引弧面加熱，導(dǎo)致弧面里層金屬加熱影響區(qū)呈弧形分布所致。

對(duì)A、B、C區(qū)進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，A區(qū)為馬氏體組織，缺陷兩側(cè)未見脫碳層。B區(qū)為馬氏體/貝氏體+鐵素體，C區(qū)為回火索氏體，如圖7～10所示。

圖7 50×A區(qū)缺陷尾端顯微組織

圖8 500×A區(qū)缺陷處顯微組織

圖9 500×B區(qū)顯微組織

圖10 500×C 區(qū)顯微組織

5 分析與討論

車鉤鉤體制造缺陷一般有鑄造夾砂、縮孔、氣孔、表面裂紋等類型。

根據(jù)化學(xué)成分分析結(jié)果，鉤體化學(xué)成分符合TB/T 456標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)電鏡掃描分析，缺陷尾部圓滑，未出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展尖端，說明缺陷不屬于后期淬火應(yīng)力所導(dǎo)致的裂紋。缺陷兩側(cè)未見脫碳和氧化物，說明缺陷部位在鑄造高溫時(shí)未與空氣接觸，在缺陷面未發(fā)生高溫氧化現(xiàn)象。在缺陷兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)夾雜物，說明缺陷不是由鑄造夾砂引起。

0835號(hào)車鉤采用外冷鐵和保溫冒口鑄造工藝，從工藝上防止了縮孔缺陷的產(chǎn)生。

經(jīng)調(diào)查，0835鉤體尾銷孔砂芯采用自硬樹脂砂工藝。采用該工藝鑄造時(shí)，在高溫鋼水的作用下，作為砂芯黏結(jié)劑的樹脂燃燒氣化，正常情況下，氣體通過砂芯中設(shè)置的通氣孔排出(氣體進(jìn)入鋼液時(shí)的阻力大于氣體通過砂粒間隙進(jìn)入通氣孔的阻力)，而不會(huì)進(jìn)入鋼液中。如果砂芯發(fā)氣量偏大(操作不規(guī)范造成樹脂加入量偏大)或通氣孔排氣受阻時(shí)，氣體受氣壓作用，在鋼水覆蓋砂芯表面凝固前瞬間通過芯液界面侵入鋼水內(nèi)形成氣泡并向前運(yùn)動(dòng)，受鋼水凝固結(jié)晶阻力的影響，小氣泡形成了針狀孔洞被封閉在鑄件的淺表層內(nèi)部，形成了侵入性氣孔。侵入性氣孔的嚴(yán)重程度與發(fā)氣量、鋼水溫度及通氣孔排氣受阻情況成正比，其侵入深度和鋼水的冷卻速度成反比[2]。說明采用該工藝鑄造時(shí)，工藝執(zhí)行不規(guī)范有可能導(dǎo)致在鑄件近表層產(chǎn)生氣孔。

根據(jù)缺陷斷面放大圖像分析，缺陷縱剖面呈現(xiàn)端頭開口小，內(nèi)部大形貌，缺陷面無氧化、脫碳及夾雜物等，符合鑄造氣孔的形貌，因此判定缺陷為鑄件近表層下的鑄造氣孔缺陷。

根據(jù)金相組織檢驗(yàn)結(jié)果，鉤體尾銷孔表面組織從表面到里層分別為馬氏體、馬氏體/貝氏體+鐵素體、回火索氏體，說明鉤體經(jīng)歷過表面淬火[3]，符合車鉤技術(shù)條件要求。缺陷分布在淬透區(qū)域。

因鉤體材質(zhì)為E級(jí)鑄鋼，淬透性較高，表面淬火后，存在較大的組織應(yīng)力。根據(jù)生產(chǎn)過程質(zhì)量信息排查結(jié)果，缺陷鉤體經(jīng)歷過3次表面淬火后發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，如果表面下淬透區(qū)域存在影響鑄件組織致密性的缺陷，在缺陷部位表層組織將形成拉應(yīng)力，在多次表面淬火后，拉應(yīng)力疊加，將導(dǎo)致缺陷部位表層較薄的組織被拉開，造成次表面下的缺陷開口，在表面形成裂紋。若表層較厚，其強(qiáng)度大于淬火形成的拉應(yīng)力時(shí)，不會(huì)形成裂紋缺陷。

6 結(jié)論

采用化學(xué)成分分析、金相分析、掃描電鏡等方法對(duì)材質(zhì)為E級(jí)鋼的某車鉤構(gòu)體裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：鉤體化學(xué)成分符合TB/T 456標(biāo)準(zhǔn)要求，鉤體尾銷孔淺表層內(nèi)部存在皮下氣孔缺陷，在進(jìn)行表面淬火產(chǎn)生拉應(yīng)力將皮下氣孔表層金屬組織撕開形成表面裂紋。