汽车车轮轮箍钢失效与夹杂物控制

fengzhu

1  前言



我国是以铁路运输为主的国家，铁路是国民经济运输的大动脉。近年来随着我国铁路运输向着高速、重载、强力制动方向迅猛发展，为保障列车安全运行，要求列车承重和运行的重要部件—车轮轮箍具有越来越高的冶金质量。马钢股份有限公司自1963年生产车轮轮箍以来，一直致力于开发生产我国各类车轮轮箍产品，并积极开展提高产品质量的各项研究工作、取得许多研究成果。



本文将重点论述车轮轮箍破损失效原因，探讨钢中的夹杂物对车轮轮箍疲劳性能的影响，以及为降低钢中夹杂物所开展的脱氧工艺研究工作。



2  车轮轮箍失效原因



车轮轮箍运行中的疲劳失效是困扰世界各国铁路运营的一大难题。实践表明，车轮轮箍在使用过程中出现失效的两个主要表象：一是以接触疲劳为特征的车轮辋裂、轮箍崩箍、踏面剥离掉块;这里车轮的辋裂是指车轮轮箍外侧面产生沿圆周方向的裂纹，它是由踏面下的轮辋内部疲劳裂纹萌生和扩展到一定范围，轮辋分裂成中空，当疲劳裂纹发展到表面，由于运行的制动和冲击造成大块金属脱落的“疲劳掉块”。轮箍崩箍则是裂纹向内径面发展，当有效截面减至无法承受运行载荷时，内径面和踏面尚连结的部分瞬间崩断。二是轮缘和踏面的严重磨损，制动擦伤，轮缘辗堆和踏面辗宽等缺陷。它们往往发生在服役初期，不仅大大降低了车轮轮箍的使用寿命，而且也危及行车安全。这些问题产生的原因比较复杂，除了与使用条件(如轨面平整度、速度、载重、制动、气候等)和轮轨硬度匹配有关外，还与车轮轮箍钢的夹杂物有关。从1970～1989年车轮轮箍失效的分类数据统计情况看，车轮损伤以辋裂为主，其次是剥离、掉块;轮箍损伤以崩箍为主，其次是剥离、裂纹。通过对车轮破损件进行分析表明，涉及到冶金质量方面的因素中，主要为钢中夹杂物所致。



3  夹杂物对车轮使用性能的影响



众所周知，夹杂物的种类、形态、大小、分布对车轮的疲劳寿命具有十分重要的影响。但是采用铝脱氧工艺生产的车轮轮箍中夹杂物主要为Al2O3、硫化物和硅酸盐夹杂，其中以Al2O3和CaO·6 Al2O3为主要组成部分的链状Al2O3夹杂对车轮的使用寿命影响最大。这主要是因为Al2O3夹杂属脆性不变性夹杂，与基体的热变形能力差异较大，在车轮热加工的应力作用下，大块的Al2O3等脆性夹杂，经变形破碎成具有尖锐菱角的夹杂，并成链状分布在基体中，这些坚硬的形状不规则的Al2O3夹杂能将基体划伤，并在夹杂物周围产生应力集中场直至在交界面处形成空隙或裂纹，从而成为车轮疲劳源。在车轮使用的周期应力作用下， Al2O3夹杂成为车轮辋裂的起点。通过对车轮辋裂和轮箍崩箍表象观察发现，距车轮轮箍踏面10～25mm，尤其是在10～20mm范围的Al2O3夹杂是导致车轮轮辋裂纹和轮箍崩箍的主要原因。值得重视的是具有一定塑性变形能力的硫化物，淬火时比周围基体的总收缩能力大，周围不产生拉应力。当氧化物被硫化物包围时，复合夹杂物总的膨胀系数接近于基体的膨胀系数，倾向降低氧化物周围应力，抵制了断裂的产生。至于引起车轮轮箍破损的Al2O3夹杂的临界尺寸，依据多年来对国产车轮轮箍破损分析的事实说明，车轮轮箍破损疲劳源上的Al2O3夹杂的尺寸一般大于1mm，这也表明了大尺寸Al2O3夹杂在车轮轮箍破损中的重要作用。根据国内客车的运行和制动条件，应用断裂力学理论计算表明当Al2O3夹杂大于26μm时，也可使之成为疲劳裂纹的源。文献[5]则认为在下列夹杂尺寸下，发生裂纹的几率为100%：



(1)氧化物≥16μm(长度);



(2)氧硫化物≥65μm(长度);



(3)硫化物≥300μm(长度)。



崩箍都可能存在一个以上的疲劳裂纹源，它们之间既可彼此独立发展也可能相互连结加速破损过程。



硫在钢中常常会形成(Fe+FeS)低熔点的共晶体，其熔点仅898℃，在热加工过程中易产生“热脆”。因此，特殊用钢包括车轮钢都对硫含量及硫化物夹杂评级有限制。然而有关硫对钢的疲劳寿命影响的认识，目前尚存在差异。Johson[5]等人的工作表明:至少硫含量达到0.044%不会对钢的疲劳寿命产生负面影响。Turkdogan[5]则认为硫含量在0.055%时疲劳寿命最高。



氮同氧一样，在铁素体中的溶解度很小，氮在钢中主要形成弥散的夹杂物AlN和较粗大的夹杂物TiN和Ti(CN)，冷却时由于氮的溶解度的降低，在1000℃附近会从奥氏中析出高度弥散的AlN，这些AlN起到了细化晶粒、强化晶界的作用。文献研究表明，当氮含量从100×10-6降到60×10-6，接触疲劳强度提高。



4  车轮钢夹杂物控制



从车轮疲劳失效情况分析来看，夹杂物是一重要原因。随着我国铁路运输的迅速发展，对车轮质量也提出了越来越高的要求。根据这一现状铁道部于1996年重新颁布了铁路快速客车辗钢整体车轮标准TB/T2708-1996，新标准对铁路用快速客车轮提出了较高的技术要求，尤其是对钢中非金属夹杂物评级检验项目要求严格，按照GB10561-89标准评级，轮辋三个试样中夹杂物的平均级别应满足:B(氧化铝)类夹杂不大于1级，A(硫化物)类、C(硅酸盐)类、D(球状氧化物)类均不大于3级。为适应新铁标要求，我们先后在车轮轮箍钢在内在质量方面跃居世界先进行列。



4.1 车轮轮箍钢夹杂物去除理论



一般用铝脱氧的钢中都有α- Al2O3夹杂，由于Al2O3夹杂在钢液中的表面张力很大，容易结合成一种比较稳定的微粒群体的聚集物，但是大部分在几分钟内可上浮排出钢液，仅剩少部分微粒群体聚集Al2O3夹杂残留在钢中，在轧制过程中造成夹杂破碎，沿轧制方向呈长条链状分布，从而大大降低钢的使用性能。



为了避免和解决铝脱氧钢中条状氧化物对钢质危害问题，使用了复合脱氧、合成渣脱氧、真空脱氧及非金属夹杂变性处理等脱氧精炼方法。复合脱氧及非金属夹杂物变性处理是在正常脱氧后，用喷粉或其它方法往钢液中加碱土、稀土等元素，改变氧化物、硫化物等在钢中存在的形态。在本质上都是以改变脱氧产物或非金属夹杂物的组成为目的，改善其夹杂物的形貌。钙处理工艺目前被认为是最有效的手段之一，已在车轮钢生产上得到应用。文献研究表明[8]，当铝脱氧钢加入钙合金后，钙很快溶解在钢中，Ca(g)→[Ca]，一直溶解到钢液内达到钙饱和为止，多余的钙以气泡形式上升到钢液表面。当钢中w([Als])=0.02%时，钢中w([O])5×10-6，此时钙直接脱氧不占主要反应，但钙可以与大量存在钢中的Al2O3夹杂发生化学反应:3xCa+3y Al2O3={3x(CaO)·(3y-x) Al2O3}+2xAl。钙在这些Al2O3夹杂颗粒中扩散，使钙连续地进入铝的位置，置换出来的铝进入钢液。当CaO>25%时，钙铝酸盐呈液态，这种含CaO量高的液态钙铝酸盐夹杂物大部分浮出钢液，少部分未飘浮的夹杂颗粒，也是以比较小且呈球状残留在钢中。当钢中的w([S])≤0.008%，铝酸钙中CaO的含量高时，还可以发生3CaO+2Al+3S=3CaS+ Al2O3反应。在钢液凝固时由于硫在上述夹杂物中溶解度降低而析出CaS，结果形成12CaO·7 Al2O3-CsS-MnS型夹杂物(以铝酸钙为核心，外面包围着CaS)，改善夹杂物的可变形



实际上，夹杂物的临界尺寸很大程度上还取决于车轮的使用条件和自身的材料特性。研究发现，无论是辋裂还是



性。为了提高含钙合金对非金属夹杂物变性的效果，最好往这种合金中另加一些在液体钢中的溶解度很低，但能溶解钙和降低钙蒸气分压的钡元素。钙合金中含钡时，可大大提高钙的变性效果，且含钡量越高，变性效果越理想。当铝脱氧钢经钙处理后，可使钢锭组织的显微结构趋于均匀，并可改善钢水流动性，减少浇铸过程水口堵塞等问题。但钢中钙含量过高，极易导致点状夹杂物产生，从而不利于提高钢的疲劳寿命。文献研究表明，为避免点状夹杂物产生，钢中Ca含量的临界值为(14~20)×10-6，但实际上其临界值高低与酸溶铝含量有关。



4.2 去除车轮轮箍钢夹杂物试验研究



多年来，马钢公司为进一步降低车轮钢中的Al2O3夹杂，提高车轮的内在质量，在车轮轮箍钢的脱氧工艺方面进行了一系列的试验研究。80年代初期开展的车轮轮箍钢减铝试验，即原工艺终脱氧加铝600g/t减为400g/t，并使用Ca系合金替代铝脱氧，经过工业性对比试验表明：条状氧化物评级由原来的平均2.3级降至1.6级。在采用Si-Ca-V复合脱氧剂替代铝终脱氧试验中，也可有效降低钢中大型夹杂物，尤其是Al2O3夹杂含量。为开发生产GB8601-88A级车轮，1987年引进的一座瑞典“SL”喷粉装置，对铝终脱氧钢水进行喷吹Si-Ca粉变性处理，处理后钢中条状氧化物夹杂级别得到降低，钢中电解夹杂总量也由原工艺的0.0043%，降低到0.00240%，Al2O3夹杂含量所占比例由原工艺的62.86%降低到47.10%。但问题是经喷粉处理钢液温降大，对包衬要求高，烟尘较大，且不能保证处理量。为此，1991年又引入钢包喂线装置，通过对钢水进行钢包喂Si-Ca线、顶吹氩处理，使车轮轮箍钢质完全达到GB8601-88、GB8602-88A级要求。