侯沛云， 杜曉鐘

(1.太原重工軌道交通設(shè)備有限公司，太原 030032；2.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

當(dāng)前，火車車輪的熱成形一般采用“模鍛+軋制”的聯(lián)合成形方式，它屬于一種典型的逐步成形技術(shù)。在車輪的鍛軋塑性成形過程中，將鋼坯進(jìn)行分步變形，通過合理的逐步成形和科學(xué)的變形積累而獲得優(yōu)質(zhì)內(nèi)、外質(zhì)量的輪坯，同時(shí)使車輪的熱成形過程保持了較高的生產(chǎn)率和協(xié)調(diào)的生產(chǎn)節(jié)奏[1]。軋制是車輪熱成形過程中最重要的環(huán)節(jié)，模鍛初成形的輪坯須經(jīng)過由多個(gè)軋輥組成的輥型的軋制變形，才能獲得外形尺寸精準(zhǔn)、表面質(zhì)量良好的軋制輪坯。在車輪軋制過程中，斜輥?zhàn)鳛槲ㄒ坏闹鲃?dòng)輥，其使用壽命的長(zhǎng)短與車輪的制造成本及生產(chǎn)的高效性、連續(xù)性密切相關(guān)，因此研究斜輥的失效原因?qū)囕喩a(chǎn)企業(yè)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

由多年的車輪生產(chǎn)實(shí)踐可知，通常情況下每個(gè)斜輥可軋制生產(chǎn)車輪3 000件左右。但在一定時(shí)期內(nèi)，每個(gè)斜輥僅生產(chǎn)(600～800)件車輪后即發(fā)生徑向通體開裂甚至掉塊現(xiàn)象而提前失效現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到車輪的成形質(zhì)量與生產(chǎn)效率。本文主要對(duì)斜輥開裂現(xiàn)象進(jìn)行原因分析，旨在為提高斜輥制造質(zhì)量與使用壽命提供依據(jù)，以確保車輪的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 現(xiàn)場(chǎng)宏觀介紹

造成斜輥開裂失效的可能因素有許多，如斜輥本身結(jié)構(gòu)、材質(zhì)選用、制造質(zhì)量、安裝與使用等等[2]。因多年的車輪鍛軋一直使用與現(xiàn)用斜輥相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材質(zhì)及安裝與使用方式，故可排除這些因素導(dǎo)致本次斜輥開裂失效的可能性，本文主要從斜輥制造質(zhì)量方面進(jìn)行其失效的有關(guān)試驗(yàn)與分析。

通過現(xiàn)場(chǎng)觀察，失效斜輥的宏觀形貌如圖1(a)-(c)所示。由圖可見，斜輥外表面存在一條裂紋沿徑向截面發(fā)生裂通，外表面有厚約30 mm的掉塊，其一側(cè)斷口的工作曲面處有明顯的疲勞條紋，另一側(cè)為快速瞬斷；內(nèi)表面裂紋沿內(nèi)花鍵齒根處發(fā)展，目測(cè)裂紋已貫通整個(gè)徑向截面。根據(jù)該裂紋分布狀況，下面分別從斜輥原材料、組織狀態(tài)、斷口形貌等方面進(jìn)行取樣試驗(yàn)，并對(duì)其服役情況進(jìn)行進(jìn)一步的深入分析。

圖1 斜輥開裂、掉塊宏觀形貌

2 試驗(yàn)與分析

2.1 材質(zhì)分析

2.1.1 化學(xué)成分分析

5CrMnMo是傳統(tǒng)上最廣泛使用的熱作模具鋼之一[3]，該鋼種作為本公司車輪斜輥的制作材料在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中得到了良好的應(yīng)用。斜輥的化學(xué)成分應(yīng)符合TB/T 1299-2014 工模具鋼中關(guān)于5CrMnMo的要求[4]，其熱處理硬度范圍應(yīng)滿足工藝要求 HRC40-45.為檢驗(yàn)該斜輥制作材質(zhì)的符合性，對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分取樣，按照GB/T 223的規(guī)定對(duì)其材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如表1.

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

試驗(yàn)結(jié)果表明，斜輥所有化學(xué)元素含量均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，表明該斜輥材料化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，排除了斜輥錯(cuò)用鋼種或材料化學(xué)成分不合格的可能性。

2.1.2 低倍試驗(yàn)分析

使用熱酸浸裝置對(duì)斜輥徑向全截面進(jìn)行低倍酸浸，低倍試片形貌見圖2所示。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1979-2001對(duì)其低倍組織進(jìn)行評(píng)級(jí)[5]，結(jié)果見表2.

圖2 低倍試片及硬度測(cè)試點(diǎn)

表2 低倍組織試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，斜輥徑向截面試片低倍組織合格，未發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)、縮孔殘余、分層、裂紋、異形偏析和金屬異物等缺陷；鍛造致密度、均勻性良好，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見鍛造缺陷。由此表明斜輥低倍組織和鍛件質(zhì)量符合要求。

2.1.3 鋼質(zhì)純凈度分析

按GB/T 10561規(guī)定的A方法對(duì)失效斜輥徑向截面的典型部位進(jìn)行了非金屬夾雜物的檢驗(yàn)[6]，檢測(cè)評(píng)級(jí)結(jié)果見表3.

表3 非金屬夾雜物分析結(jié)果

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，失效斜輥所用材質(zhì)的非金屬夾雜物級(jí)別較低，鋼質(zhì)純凈度良好，滿足使用要求。

通過以上三項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果可知，該斜輥采用5CrMnMo模具鋼，材料成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，徑向截面試片低倍組織合格，鍛件致密度、組織均勻性良好，鋼質(zhì)純凈度較高，可見材料與鍛件質(zhì)量不是導(dǎo)致斜輥開裂的原因。

2.2 斷面硬度與微觀組織分析

2.2.1 斷面硬度試驗(yàn)

為檢驗(yàn)斜輥的熱處理硬度，對(duì)其徑向斷面的典型部位(近外表面、中部、近內(nèi)表面)進(jìn)行洛氏硬度試驗(yàn)，測(cè)試點(diǎn)1-6分布如圖2所示。洛氏硬度測(cè)試結(jié)果見表4.

表4 徑向斷面硬度試驗(yàn)值(HRC)

洛氏硬度試驗(yàn)結(jié)果表明，斜輥徑向截面硬度測(cè)試值均超出其技術(shù)要求HRC40-45的熱處理硬度范圍。

2.2.2 微觀組織分析

對(duì)斜輥裂紋附近的內(nèi)、外表面取樣進(jìn)行組織、晶粒度檢驗(yàn)，其檢測(cè)結(jié)果如表5.

表5 組織、晶粒度檢測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，該斜輥內(nèi)、外表面基體組織均為粗大針狀馬氏體+殘留奧氏體，馬氏體針級(jí)別為6級(jí)，內(nèi)部還存在明顯組織偏析，屬嚴(yán)重過熱組織形態(tài)，如圖3(a)-(d)所示。斜輥內(nèi)、外表面均存在小裂紋，小裂紋較細(xì)呈曲折、斷續(xù)狀分布，裂紋旁無氧化、表面無脫碳，具有應(yīng)力開裂微觀特征。

圖3 內(nèi)、外表面裂紋與微觀組織

從以上兩項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果可知，在整個(gè)徑向截面上硬度檢測(cè)都高于技術(shù)要求，外表面至內(nèi)表面基體晶粒度4～6級(jí)，組織均為粗大針狀馬氏體+殘留奧氏體，馬氏體針級(jí)別6級(jí)，內(nèi)部還有明顯組織偏析。通常情況下，熱作模具鋼的晶粒度級(jí)別以7～10級(jí)為宜，馬氏體針級(jí)別以2～4級(jí)為宜。這說明該斜輥的晶粒度粗大，組織異常，屬嚴(yán)重過熱組織形態(tài)，其主要原因是工件熱處理時(shí)加熱溫度過高、加熱時(shí)間過長(zhǎng)所致；同時(shí)，工件硬度過高，說明回火不到位。這些都將大大增加材料的脆性，直接影響工件的抗疲勞能力與使用壽命。

2.3 斷口形貌分析

2.3.1 宏觀斷口分析

失效斜輥的整個(gè)徑向斷口見圖4所示。其主要分為兩個(gè)明顯區(qū)域，即外表面最深約30 mm月牙形區(qū)和大部分的銀亮色平坦區(qū)。宏觀分析表明：徑向裂紋分別起源于二處，一是外表面工作曲面的接觸疲勞裂紋，與表面呈斜角；二是內(nèi)表面花鍵上端齒根角處彎曲疲勞開裂，并向截面內(nèi)部及花鍵長(zhǎng)度方向疲勞擴(kuò)展至大部分截面。

圖4 徑向斷口宏觀形貌

2.3.2 掃描電鏡斷口分析

利用掃描電鏡進(jìn)一步對(duì)斜輥外表面、內(nèi)表面處斷口進(jìn)行觀察與分析。

外表面處斷口掃描電鏡微區(qū)分析表明，開裂起源于工作面曲面，明顯可見的疲勞條紋分布類似于表面的曲面形態(tài)，疲勞擴(kuò)展區(qū)呈弧形的月牙形，裂源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)屬典型的輾壓變形平面并伴隨曲折小裂紋，見圖5(a)-(d)所示。這說明斜輥受接觸應(yīng)力很大，同時(shí)材料有明顯脆性。變截面區(qū)屬于終斷區(qū)，系起源于大疲勞面的快速撕裂，見圖5(e)-(f).

圖5 外表面斷口掃描電鏡照片

內(nèi)表面處斷口電鏡微區(qū)分析表明，開裂起源于內(nèi)表面花鍵上端齒根角部，齒根角處可見明顯的加工刀痕；裂源區(qū)呈磨光平面形貌并伴有撕裂小裂紋，疲勞裂紋沿著花鍵齒根角面和截面深度方向擴(kuò)展，乃至整個(gè)長(zhǎng)度方向和大部分厚度方向，見圖6(a)-(d)所示。裂源區(qū)具有嚴(yán)重的應(yīng)力集中，基體材料有明顯脆性，屬應(yīng)力集中型高頻交變應(yīng)力作用下彎曲疲勞開裂。

圖6 內(nèi)表面斷口掃描電鏡照片

通過上述宏觀、微觀斷口分析表明，斜輥徑向裂紋分別起源于外表面工作曲面與內(nèi)表面花鍵上端齒根角處，斜輥通裂屬外表面接觸疲勞開裂+內(nèi)表面花鍵上端齒根角部應(yīng)力集中型彎曲疲勞開裂及表面掉塊。

3 斜輥服役狀態(tài)分析

下面結(jié)合斜輥服役狀態(tài)對(duì)其徑向開裂原因進(jìn)行進(jìn)一步分析。

在車輪軋制過程中，斜輥的工作條件較為惡劣，不僅受到高溫坯料塑性流動(dòng)的強(qiáng)烈擠壓和摩擦，而且要在較快的生產(chǎn)節(jié)奏下反復(fù)急冷急熱，極易遭到損壞[7-8]。為防止變形和開裂，要求斜輥應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、韌性和耐磨性，同時(shí)還須保持良好的熱強(qiáng)性及耐熱疲勞性能[9]。然而由于該斜輥熱處理工藝或操作不當(dāng)，造成基體組織異常、晶粒粗大、硬度過高，直接導(dǎo)致各項(xiàng)性能指標(biāo)惡化，脆性大大增加，耐熱疲勞能力下降。

如此質(zhì)量狀態(tài)的斜輥在服役過程中，在輾壓應(yīng)力與接觸應(yīng)力作用下，必然在工作曲面上產(chǎn)生表面接觸疲勞裂紋，同時(shí)沿曲面法向?qū)⒕薮蟮膲毫鬟f至內(nèi)表面花鍵上端。由于內(nèi)花鍵傳動(dòng)時(shí)齒根部承受較大的彎曲應(yīng)力，在齒根角處應(yīng)力提升源作用下易產(chǎn)生應(yīng)力集中，一旦超過材料強(qiáng)度極限，極易產(chǎn)生疲勞開裂。在交變的彎曲應(yīng)力不斷作用下，疲勞裂紋沿著花鍵齒根角面、截面深度方向乃至整個(gè)長(zhǎng) 度方向和大部分厚度方向擴(kuò)展，直至所剩截面無法承受工作應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生快速撕裂，并與外表面疲勞裂紋匯合形成徑向貫通裂紋和表面掉塊。

4 結(jié)論

對(duì)于此次斜輥開裂與掉塊失效，通過以上試驗(yàn)與分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)斜輥所用材料符合標(biāo)準(zhǔn)要求，鍛造致密度、均勻性良好，鋼質(zhì)純凈度較高，斜輥開裂非原材料原因?qū)е隆?/p>

(2)斜輥徑向裂紋屬外表面接觸疲勞開裂+內(nèi)表面花鍵齒根角部應(yīng)力集中型高頻彎曲疲勞開裂匯合形成的徑向通體開裂與掉塊。

(3)斜輥開裂產(chǎn)生的主要原因?yàn)椋簾崽幚砉に嚮虿僮鞑划?dāng)，產(chǎn)生嚴(yán)重過熱組織，基體晶粒粗大，同時(shí)因回火不充分導(dǎo)致硬度過高，使材料脆性大大增加，耐熱疲勞能力下降，導(dǎo)致斜輥疲勞開裂并擴(kuò)展至斷裂。