（哈爾濱鐵路局哈爾濱車輛監(jiān)造項(xiàng)目部，黑龍江牡丹江 157013）

1 情況描述

某企業(yè)生產(chǎn)的16H 型車鉤鉤舌在大秦線行車過程中發(fā)生了斷裂，其斷口形態(tài)為冰糖狀。生產(chǎn)的一件F51AE 型鉤舌在澳大利亞力拓公司的鐵路專用線上被拉斷。照片顯示斷口狀態(tài)與大秦線上斷裂鉤舌的斷口以及試棒破斷斷口相類似。

2 產(chǎn)生斷裂的原因分析

2.1 過程分析

1）查看冶煉、熱處理工序現(xiàn)場情況，對問題爐次及前后各10 個(gè)冶煉爐次的冶煉記錄和熱處理記錄進(jìn)行審查；

2）對問題爐次鉤舌隨機(jī)抽取5 件探傷檢查，確認(rèn)裂紋發(fā)生的時(shí)機(jī)；

3）對問題爐次鉤舌實(shí)物取樣檢查機(jī)械性能；

4）對問題爐次及前后各三個(gè)爐次的化學(xué)成分做全元素的分析檢查；

5）對斷口表面狀態(tài)做進(jìn)一步分析。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 斷裂部分金相組織分析

隨機(jī)抽取5 個(gè)問題鉤舌實(shí)物進(jìn)行探傷檢查，探傷檢查發(fā)現(xiàn)在鉤舌澆口處均存在裂紋，在兩個(gè)有較長裂紋鉤舌上采用鋸切和加工的方法制取了8 個(gè)裂紋部位的金相試樣，金相檢查結(jié)果見表1，金相照片見圖1、圖2、圖3.

表1 E 級(jí)鋼鉤舌金相組織與裂紋兩側(cè)脫碳層特征

由圖1、2、3 可以看出，裂紋處金相組織為索氏體；澆冒口處有缺陷，封閉缺陷基體有脫碳，說明有氣體；澆冒口處表層裂紋兩側(cè)有脫碳層，說明裂紋產(chǎn)生于熱處理之前；圖3b)有三叉裂紋，說明裂紋沿晶界分布。

圖1 05136 試樣內(nèi)部缺陷處金相組織（索氏體）

圖2 05208 試樣內(nèi)部缺陷處基體表層有脫碳

圖3 05094 表層裂紋兩邊脫碳、分叉、轉(zhuǎn)向（脫碳層硬度HV229）

2.2.2 對問題爐次鉤舌實(shí)物做機(jī)械性能測試

對問題爐次鉤舌實(shí)物三個(gè)加工拉伸試棒和沖擊試塊，并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 E 級(jí)鋼16H 鉤舌的力學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：兩個(gè)試樣無下屈服強(qiáng)度點(diǎn)；三個(gè)試樣的延伸率、斷面收縮率和沖擊值都不合格。

2.2.3 化學(xué)成分檢測

對問題爐次及前后各三個(gè)爐次的化學(xué)成分做全元素的分析檢查。檢查結(jié)果見表3，ZG25Mn-CrNiMo 化學(xué)成分范圍見表4.

結(jié)果表明，365 爐和364 爐Al 含量高出正常對比爐次約一倍。

對斷口采用掃描電鏡高倍形貌觀測和X 光能譜元素分析及俄歇能譜表面元素分析，分析結(jié)果見圖4、圖5、圖6、圖7.

表3 光譜全元素分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表4 ZG25MnCrNiMo 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖4 362 爐韌性斷口

圖5 365 爐脆性斷口的形貌和夾雜

圖6 365 爐脆性斷口夾雜的能譜分析

結(jié)果表明，脆性斷口面有較多的Al2O3、、MnS 和局部富集的Mn；脆性斷口上存在AlN；脆性斷口未發(fā)現(xiàn)富集的As、Sn、Sb、Pb 等元素。

金化所專家分析的結(jié)論是：365 爐鉤舌產(chǎn)生異常斷口的原因是沿晶界存在AlN.

金化所專家同時(shí)建議:

1）全面優(yōu)化熔煉工藝，以保證最佳的Al 含量、最佳的N 含量、Mn 的充分固溶；

2）改進(jìn)Al 的加入方法；鉤舌全元素分析中增加Al 元素的監(jiān)控；制定Al 含量的最佳范圍和判廢準(zhǔn)則；

3）完善鉤舌連體小樣斷口特征的質(zhì)量判定準(zhǔn)則；

4）對上述異常斷口現(xiàn)象進(jìn)行重現(xiàn)試驗(yàn)，以確保生產(chǎn)過程的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

2.3 公司工藝部門分析工作

公司工藝部門對鐵科院金化所的分析報(bào)告進(jìn)行了認(rèn)真研究，商定從以下幾個(gè)方面開展工作：

1）確定E 級(jí)鋼鋁含量控制的合理范圍；

2）制定生產(chǎn)過程中控制含鋁量的措施；

3）嚴(yán)格整個(gè)冶煉過程的質(zhì)量控制；

4）嚴(yán)格熱處理工藝，保證連續(xù)式熱處理爐溫度均勻性。

圖7 365 爐脆性斷口表面俄歇能譜表面元素分析

表5 含鋁量高的爐次斷口與性能統(tǒng)計(jì)

通過對近400 多個(gè)爐次試棒斷口的篩查，對斷口異常的E 級(jí)鋼進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表5.通過統(tǒng)計(jì)表可以看出，在基爾試棒中（在澆注全爐鋼水3/4 時(shí)澆注）含鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.08%左右時(shí)仍然存在微量沿晶斷口，同時(shí)可以看出雖然機(jī)械性能都能合格，但50%以上的沖擊韌性僅略有富余。斷口的宏觀照片見圖8.因此對E 級(jí)鋼而言，在確保不出現(xiàn)沿晶斷口的情況下，含鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)至少應(yīng)控制在0.07%以下。經(jīng)過對近90 多個(gè)爐次的性能檢查，發(fā)現(xiàn)有4 爐存在性能不合格現(xiàn)象，見表6、表7，經(jīng)檢查該4 爐斷口未發(fā)現(xiàn)異常，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)該4 爐基爾試棒的鋁含量均比包內(nèi)樣有所降低，說明鋼水包內(nèi)的鋁在澆注過程中分布不均勻以及存在少量的燒損，同時(shí)也說明一定的鋁含量對細(xì)化晶粒進(jìn)而提高機(jī)械性能有好處。因此為保證機(jī)械性能指標(biāo)，含鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)至少應(yīng)控制在0.03%以上。總體結(jié)論為：E 級(jí)鋼鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制的合理范圍在0.03%～0.07%.

圖8 不同含鋁量試棒斷口宏觀形態(tài)

表6 不合格爐次化學(xué)成分表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

為了保證鋼水中鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對爐內(nèi)插鋁和包內(nèi)沖鋁以及吹氬喂絲等工藝方法進(jìn)行了比較，認(rèn)為采取吹氬喂絲工藝具有控制穩(wěn)定、鋁的吸收率高、分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行了連續(xù)五個(gè)爐次吹氬喂絲工藝試驗(yàn)，并對現(xiàn)場操作者進(jìn)行了培訓(xùn)指導(dǎo)，效果良好。

通過對整個(gè)冶煉操作過程的審查，發(fā)現(xiàn)在操作過程中存在脫碳量控制不穩(wěn)定、脫碳時(shí)間過長、扒渣不徹底、還原期過長等問題，針對冶煉過程存在的問題，企業(yè)采取了以下措施：

1）嚴(yán)格控制脫碳量0.35%以上，使鋼水中雜質(zhì)通過碳氧結(jié)合充分上浮進(jìn)入爐渣中，有效去除雜質(zhì)；

2）嚴(yán)格控制脫碳速度，避免脫碳速度過快造成過氧化及鋼水大沸騰，以此降低鋼水中的氧、氮含量；

表7 不合格爐次機(jī)械性能表

3）嚴(yán)格控制還原期白渣保持時(shí)間，充分脫氧、脫硫，通過合理控制氬氣攪拌時(shí)間，使成分均勻化，使夾雜物充分上浮進(jìn)入爐渣，減少M(fèi)nS，Al2O3偏析。

這些問題在現(xiàn)場指導(dǎo)過程中基本解決。

針對連續(xù)式熱處理爐溫度均勻性檢測問題，采用試棒法及拖偶試驗(yàn)法相結(jié)合的檢測方法，進(jìn)行定期檢測，保證熱處理爐爐溫的均勻性。

3 結(jié)論

鉤舌斷裂對鐵路運(yùn)行安全會(huì)造成嚴(yán)重危害，嚴(yán)重者會(huì)造成列車分離，影響整條運(yùn)輸線路行車安全，對于一個(gè)企業(yè)生存發(fā)展同樣會(huì)造成嚴(yán)重危害，事關(guān)一個(gè)企業(yè)的生死存亡，以及對全體員工切身利益造成嚴(yán)重危害。因此保證鉤舌壽命期內(nèi)無裂紋是需要企業(yè)采取具體措施、嚴(yán)格控制制造過程來保證的。

防止鉤舌產(chǎn)生裂紋的方法有：

1）加強(qiáng)冶煉過程控制：控制脫碳速度0.01%～0.03%/min、脫碳量控制在0.35%以上，使鋼水內(nèi)雜質(zhì)、夾雜物充分上浮進(jìn)入爐渣中。

2）冶煉過程中全部采用吹氬喂絲工藝加鋁，殘鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)嚴(yán)格控制在0.03%～0.06%，通過控制吹氬時(shí)間保證成分均勻，避免Al、Mn 元素偏析。

3）保證熱處理爐爐溫均勻性。

為防止鉤舌斷裂這項(xiàng)質(zhì)量問題對鐵路運(yùn)行安全造成的嚴(yán)重危害，必須不斷改進(jìn)工作方法，采取必要的工藝措施，提高工作標(biāo)準(zhǔn)，完善工作質(zhì)量，滿足鐵路提速重載、快捷運(yùn)輸不斷發(fā)展的需要。