車(chē)輪輪輞周向裂紋原因分析

徐會(huì)文 李樹(shù)林 張 磊 李 巖 姚 鵬

(太原重工軌道交通設(shè)備有限公司，山西030032)

輾鋼整體車(chē)輪由鋼錠或連鑄坯經(jīng)加熱鍛造、輾軋而成，并經(jīng)過(guò)淬火、回火熱處理工藝，具有強(qiáng)度高、韌性好、自重輕、安全可靠等特點(diǎn)[1]，能適應(yīng)重載和高速的要求，被廣泛應(yīng)用在客車(chē)、貨車(chē)、機(jī)車(chē)、城軌、地鐵等軌道車(chē)輛中。作為軌道車(chē)輛走行部最關(guān)鍵的部件之一，車(chē)輪承載了車(chē)輛的全部運(yùn)動(dòng)載荷，其產(chǎn)品質(zhì)量直接關(guān)系到軌道車(chē)輛的行車(chē)安全[2]。

我公司生產(chǎn)的某型車(chē)輪進(jìn)行成品磁粉檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，該批次部分車(chē)輪外側(cè)輪輞面上存在多處長(zhǎng)短不一的周向缺陷磁痕(圖1)，最小長(zhǎng)度3 mm，最大長(zhǎng)度11 mm。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)該批次所有車(chē)輪的缺陷部位均分布在外側(cè)輪輞圓周上，使用裂紋深度測(cè)試儀對(duì)缺陷磁痕深度進(jìn)行測(cè)量，磁痕深度均在10 μm～40 μm范圍內(nèi)，隨機(jī)取2處不連續(xù)性磁痕進(jìn)行打磨，打磨深度約0.4 mm后，不連續(xù)性磁痕顯示完全消除。為確定該裂紋的性質(zhì)和產(chǎn)生原因，對(duì)缺陷產(chǎn)生部位進(jìn)行了解剖分析。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 低倍試驗(yàn)

在車(chē)輪輪輞裂紋部位取輪輞徑向低倍試樣，進(jìn)行截面熱酸浸試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，低倍試片組織致密，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。無(wú)明顯的偏析，無(wú)肉眼可見(jiàn)的宏觀缺陷，如圖2所示。

1.2 微觀試驗(yàn)

1.2.1 組織和晶粒度

圖1 外側(cè)輪輞面周向缺陷磁痕顯示Figure 1 Magnetic particle indication of circumference defect on outer rim

表1 截面熱酸浸試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of cross section hot acid pickling

圖2 輪輞截面低倍宏觀形貌Figure 2 Macroscopic morphology of rim section

對(duì)輪輞基體組織分析可知，車(chē)輪組織為珠光體+少量鐵素體，晶粒度7.0級(jí)，見(jiàn)圖3、圖4。這說(shuō)明車(chē)輪的熱處理狀態(tài)正常，組織和純凈度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2.2 裂紋微觀分析

對(duì)缺陷處橫截面觀察可知，缺陷呈45°自外而內(nèi)延伸，尖角圓鈍，帶有分叉，內(nèi)有氧化物填充，邊緣有少量細(xì)小氧化物顆粒，經(jīng)4%硝酸酒精浸蝕后，缺陷兩端脫碳嚴(yán)重，組織為鐵素體，如圖5所示。微觀形態(tài)分析表明，缺陷為典型的鍛造折疊裂紋[3]。遠(yuǎn)離缺陷處的機(jī)加工表面可觀察到殘留脫碳層約0.2 mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從圖1中可以看出，發(fā)現(xiàn)的不連續(xù)性磁痕均集中分布在車(chē)輪內(nèi)輞面的一段區(qū)域內(nèi)。車(chē)輪鍛軋工序?yàn)椋号髁霞訜帷[→鐓粗→預(yù)成型→沖孔→軋制→整形，在此過(guò)程中，如果除鱗工序?qū)ε髁舷虏康募訜嵫趸の茨芡耆宄蓛?，仍然有部分氧化皮附著在坯料上，或者在鐓粗、預(yù)成型時(shí)模腔內(nèi)已掉落的氧化皮未吹掃干凈，在后序的鐓粗工序中這些殘留的氧化皮在金屬變形流動(dòng)過(guò)程中被壓入到坯料基體中，與正常的表面金屬會(huì)合在一起形成鍛造折疊裂紋，機(jī)械加工過(guò)程未能將這些壓入的氧化皮完全去除，以淺表面裂紋的形式殘存在車(chē)輪內(nèi)輞面。

此類(lèi)缺陷一般用肉眼難以發(fā)現(xiàn)，需要使用磁粉、著色等無(wú)損檢測(cè)方法檢驗(yàn)才能顯示出來(lái)[4]。因此在磁探時(shí)才發(fā)現(xiàn)了相關(guān)車(chē)輪出現(xiàn)外輞面裂紋現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)車(chē)輪低倍組織、微觀組織、晶粒度合格，熱處理狀態(tài)正常。

(2)車(chē)輪外側(cè)輪輞面缺陷磁痕為鍛造折疊裂紋，是生產(chǎn)中表面氧化皮清理不干凈，在后續(xù)的鍛造過(guò)程中壓入車(chē)輪基體中形成。

(3)車(chē)輪外側(cè)輪輞面非缺陷區(qū)有殘留脫碳層，原因?yàn)榧庸とコ坎蛔恪?/p>

(4)預(yù)防措施：1)在鍛軋工序中加強(qiáng)除鱗環(huán)節(jié)對(duì)鋼坯上氧化皮的去除和模具中氧化皮的及時(shí)清理，防止在鐓粗、成型時(shí)將氧化皮壓入輪坯表面，形成折疊缺陷；2)增加對(duì)車(chē)輪輪輞區(qū)域的磁粉檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)類(lèi)似缺陷及時(shí)加工清除，確保能及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合格產(chǎn)品。