鋼軌表面裂紋缺陷形成的模擬試驗(yàn)

任安超 周劍華 朱 敏 費(fèi)俊杰 鄭建國 吉 玉 田 青

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080)

隨著火車運(yùn)行速度不斷提高，對鋼軌的內(nèi)、外在質(zhì)量要求也越來越高[1-2]。鋼軌表面缺陷主要包括結(jié)疤、鐵皮壓入、折疊、矯痕、軋痕、劃傷以及裂紋，特別是當(dāng)鋼軌表面如果出現(xiàn)裂紋時(shí)，隨著車輪不斷的碾壓，致使裂紋不斷擴(kuò)展，嚴(yán)重時(shí)會造成鋼軌的斷裂，極大的影響了列車的行車安全[3-5]。鋼軌表面裂紋的產(chǎn)生非常復(fù)雜，有鑄坯缺陷演變而來，也有軋制過程中產(chǎn)生[6]。作者通過在鑄坯上人為制造缺陷，通過正常軋制模擬分析該鑄坯缺陷的演變過程，為確定鑄坯表面缺陷與鋼軌表面質(zhì)量之間的對應(yīng)關(guān)系提供理論依據(jù)。

1 缺陷調(diào)查及研究方法

1.1 缺陷調(diào)查

在重軌質(zhì)量檢查過程中發(fā)現(xiàn)軌頭側(cè)面有縱向裂紋缺陷(圖1-6)，從圖1、圖2和圖3可以看出，有宏觀可見的顯裂紋、不可見的隱裂紋以及酸洗后可見裂紋。沿垂直于裂紋方向切割取樣，從圖4可以看出裂紋深度達(dá)1.2mm，內(nèi)部氧化鐵厚實(shí)，兩旁脫碳明顯，選擇性內(nèi)氧化物密集。裂紋的發(fā)生毫無規(guī)律，偶然性強(qiáng)，給原因的排查帶來了極大的困難。通過對重軌孔型系統(tǒng)分析、懷疑重軌鑄坯的棱部缺陷是重軌裂紋產(chǎn)生的可能原因。

1.2 研究方法

為了找出重軌裂紋與鑄坯缺陷之間的對應(yīng)關(guān)系，在用于生產(chǎn)60kg/m鋼軌的鑄坯上制作人工缺陷，通過正常軋制，觀察缺陷演變結(jié)果。按照圖7所示在鑄坯上鉆6個(gè)Φ16mm×20mm的孔，通過軋成60kg/m重軌，觀察缺陷演變后的宏觀情況，沿垂直于裂紋方向切割取樣，采用Olympus PME3型光學(xué)顯微鏡和Quanta 400掃描電鏡觀察裂紋形貌，采用Oxford 6650能譜儀進(jìn)行元素分析。

2 模擬結(jié)果及分析

根據(jù)鑄坯軋制變形規(guī)律，圖7鑄坯人工缺陷理論上對應(yīng)鋼軌缺陷如圖8所示。本文選擇人工缺陷1進(jìn)行跟蹤。

圖1 肉眼可見的裂紋 圖2 打磨后裂紋 圖3 酸洗后宏觀形貌

圖4 裂紋形貌(深1.2mm) 圖5 裂紋附近脫碳 圖6 氧化鐵和鋼基內(nèi)氧化

圖7 人工制造鑄坯缺陷示意圖 圖8 人工鑄坯缺陷對應(yīng)鋼軌關(guān)系示意圖

圖9人工鑄坯缺陷對應(yīng)鋼軌實(shí)物圖圖10鋼軌缺陷深度圖11鋼軌缺陷周邊脫碳

圖12 裂紋旁內(nèi)氧化物的成分

對比圖1和圖9可知，兩缺陷宏觀形貌極為類似，且缺陷深度相當(dāng)(見圖4與圖10)，裂紋兩邊伴有明顯脫碳(見圖5與圖11)，裂紋內(nèi)氧化鐵厚實(shí)，裂紋邊部點(diǎn)狀內(nèi)氧化物密集，硅、錳富集，主要為選擇性氧化產(chǎn)物(見圖6與圖12)。

以上對比分析可判斷鑄坯人工缺陷軋制演變與正常軋制鋼軌表面缺陷分析結(jié)果具有明顯的對應(yīng)關(guān)系，依據(jù)此判斷，通過對重軌鑄坯棱部周圍詳細(xì)檢查，鑄坯棱部確實(shí)存在肉眼可見的裂紋(見圖13)，從而確認(rèn)鋼軌表面裂紋是由鑄坯缺陷所致。

圖13 鑄坯角部縱向裂紋宏觀形態(tài)

3 結(jié)論

依據(jù)鋼軌軋制變形規(guī)律，通過對人工缺陷鑄坯軋制，分析對比人工模擬缺陷與正常生產(chǎn)鋼軌表面缺陷，可判斷鑄坯表面缺陷與鋼軌表面缺陷具有明顯的對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)過對鑄坯棱部的排查，鑄坯棱部確實(shí)存在肉眼可見的裂紋，從而確認(rèn)了重軌鑄坯的棱部缺陷是重軌裂紋產(chǎn)生的根本原因。為了保證鋼軌質(zhì)量，在軋制重軌前，加大了對軋制鋼軌鑄坯的檢查力度，鋼軌合格率提高了0.5%，同時(shí)保證了鋼軌上線后列車的運(yùn)行安全。

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