車輪開裂原因分析

2017-04-13 02:50:49王冬艷

設(shè)備管理與維修 2017年2期

關(guān)鍵詞：力學(xué)性能分析檢測(cè)

王冬艷

（遼寧北方環(huán)境保護(hù)有限公司，遼寧沈陽(yáng)110161）

車輪開裂原因分析

王冬艷

（遼寧北方環(huán)境保護(hù)有限公司，遼寧沈陽(yáng)110161）

通過對(duì)開裂車輪進(jìn)行宏觀、微觀觀測(cè)，化學(xué)成分分析，超聲波探傷檢測(cè)，力學(xué)性能檢測(cè)及金相組織檢測(cè)，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(hù)有限公司為機(jī)械加工單位，主營(yíng)為與日方某鋼鐵公司合作，長(zhǎng)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(jìn)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(jìn)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(gè)樣件，待雙方共同檢查確認(rèn)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(gè)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(guó)，65#鋼是常用的車輪鋼，65#鋼的化學(xué)成分及機(jī)械性能與SSW-Q1相近，詳見表1，經(jīng)雙方協(xié)商，采用中國(guó)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(rèn)后，按工藝流程進(jìn)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(cè)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(bào)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。可產(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(yùn)火車的重要構(gòu)件，若在使用中出現(xiàn)問題，會(huì)導(dǎo)致輸送中斷，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)嚉送觯o鋼鐵公司帶來非常嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(duì)比了原始的檔案記錄，對(duì)出現(xiàn)裂紋的原因進(jìn)行了分析，初步結(jié)論可能是3個(gè)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(duì)性的熱處理方式不對(duì)，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(dá)成一致意見，在斷裂源附近取樣，委托第三方檢測(cè)，進(jìn)行宏觀、微觀觀測(cè)，化學(xué)成分分析、超聲波探傷檢測(cè)、力學(xué)性能檢測(cè)及金相組織的檢測(cè)，以各項(xiàng)檢查報(bào)告為依據(jù)，進(jìn)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(jī)械性能值比較

2 分析過程及檢測(cè)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(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 斷口宏觀及微觀檢測(cè)

（1）斷口宏觀檢測(cè)。裂紋的表觀特性為沿徑向擴(kuò)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(cè)。使用日立S-3400N型掃描電鏡對(duì)斷裂源區(qū)微觀形貌進(jìn)行檢測(cè)，著重檢測(cè)宏觀檢測(cè)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(kuò)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(cè)

用PXUT-350B+超聲波探傷儀，把B4S-N探頭對(duì)檢測(cè)塊（看看順序用調(diào)不）進(jìn)行了超聲波檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為：在距檢測(cè)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(gè)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(gè)人素質(zhì)與信息化教學(xué)能力對(duì)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(dòng)的直接參與者、左右者、引導(dǎo)者。教師的個(gè)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(diǎn)強(qiáng)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(shí)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(gè)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(dòng)。

2.2.3 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果

化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果顯示（表2），各個(gè)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(cè)

在非缺陷區(qū)截取了拉伸和沖擊試樣，力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見表3。檢測(cè)結(jié)果顯示，車輪樣品抗拉強(qiáng)度及延伸率符合技術(shù)條件要求，沖擊值（AKU）卻很低，因?yàn)镾SW-Q1中并未規(guī)定沖擊值標(biāo)準(zhǔn)，分析時(shí)參照我國(guó)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(cè)結(jié)果遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.5 硬度檢測(cè)

硬度檢測(cè)方法為沿車輪心部軸線從踏板表面至心部每2 mm為一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)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(cè)樣品在缺陷區(qū)域截取，金相組織檢測(cè)樣品取自硬度檢測(cè)樣品。

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

（2）非金屬夾雜物分析。非金屬夾雜物檢測(cè)結(jié)果依據(jù)GB/T 10561-2005標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，評(píng)定結(jié)果為：A類粗系1級(jí)，B類細(xì)系0.5級(jí)，C類0級(jí)，D類粗系2級(jí)。

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