钩舌断裂原因及防止方法的探究

（哈尔滨铁路局哈尔滨车辆监造项目部，黑龙江牡丹江 157013）

1 情况描述

某企业生产的16H 型车钩钩舌在大秦线行车过程中发生了断裂，其断口形态为冰糖状。生产的一件F51AE 型钩舌在澳大利亚力拓公司的铁路专用线上被拉断。照片显示断口状态与大秦线上断裂钩舌的断口以及试棒破断断口相类似。

2 产生断裂的原因分析

2.1 过程分析

1）查看冶炼、热处理工序现场情况，对问题炉次及前后各10 个冶炼炉次的冶炼记录和热处理记录进行审查；

2）对问题炉次钩舌随机抽取5 件探伤检查，确认裂纹发生的时机；

3）对问题炉次钩舌实物取样检查机械性能；

4）对问题炉次及前后各三个炉次的化学成分做全元素的分析检查；

5）对断口表面状态做进一步分析。

2.2 结果分析

2.2.1 断裂部分金相组织分析

随机抽取5 个问题钩舌实物进行探伤检查，探伤检查发现在钩舌浇口处均存在裂纹，在两个有较长裂纹钩舌上采用锯切和加工的方法制取了8 个裂纹部位的金相试样，金相检查结果见表1，金相照片见图1、图2、图3.

表1 E 级钢钩舌金相组织与裂纹两侧脱碳层特征

由图1、2、3 可以看出，裂纹处金相组织为索氏体；浇冒口处有缺陷，封闭缺陷基体有脱碳，说明有气体；浇冒口处表层裂纹两侧有脱碳层，说明裂纹产生于热处理之前；图3b)有三叉裂纹，说明裂纹沿晶界分布。

图1 05136 试样内部缺陷处金相组织（索氏体）

图2 05208 试样内部缺陷处基体表层有脱碳

图3 05094 表层裂纹两边脱碳、分叉、转向（脱碳层硬度HV229）

2.2.2 对问题炉次钩舌实物做机械性能测试

对问题炉次钩舌实物三个加工拉伸试棒和冲击试块，并进行拉伸试验、冲击试验，试验结果见表2.

表2 E 级钢16H 钩舌的力学性能

实验结果表明：两个试样无下屈服强度点；三个试样的延伸率、断面收缩率和冲击值都不合格。

2.2.3 化学成分检测

对问题炉次及前后各三个炉次的化学成分做全元素的分析检查。检查结果见表3，ZG25Mn-CrNiMo 化学成分范围见表4.

结果表明，365 炉和364 炉Al 含量高出正常对比炉次约一倍。

对断口采用扫描电镜高倍形貌观测和X 光能谱元素分析及俄歇能谱表面元素分析，分析结果见图4、图5、图6、图7.

表3 光谱全元素分析结果（质量分数，%）

表4 ZG25MnCrNiMo 化学成分（质量分数，%）

图4 362 炉韧性断口

图5 365 炉脆性断口的形貌和夹杂

图6 365 炉脆性断口夹杂的能谱分析

结果表明，脆性断口面有较多的Al2O3、、MnS 和局部富集的Mn；脆性断口上存在AlN；脆性断口未发现富集的As、Sn、Sb、Pb 等元素。

金化所专家分析的结论是：365 炉钩舌产生异常断口的原因是沿晶界存在AlN.

金化所专家同时建议:

1）全面优化熔炼工艺，以保证最佳的Al 含量、最佳的N 含量、Mn 的充分固溶；

2）改进Al 的加入方法；钩舌全元素分析中增加Al 元素的监控；制定Al 含量的最佳范围和判废准则；

3）完善钩舌连体小样断口特征的质量判定准则；

4）对上述异常断口现象进行重现试验，以确保生产过程的产品质量稳定。

2.3 公司工艺部门分析工作

公司工艺部门对铁科院金化所的分析报告进行了认真研究，商定从以下几个方面开展工作：

1）确定E 级钢铝含量控制的合理范围；

2）制定生产过程中控制含铝量的措施；

3）严格整个冶炼过程的质量控制；

4）严格热处理工艺，保证连续式热处理炉温度均匀性。

图7 365 炉脆性断口表面俄歇能谱表面元素分析

表5 含铝量高的炉次断口与性能统计

通过对近400 多个炉次试棒断口的筛查，对断口异常的E 级钢进行统计，见表5.通过统计表可以看出，在基尔试棒中（在浇注全炉钢水3/4 时浇注）含铝质量分数在0.08%左右时仍然存在微量沿晶断口，同时可以看出虽然机械性能都能合格，但50%以上的冲击韧性仅略有富余。断口的宏观照片见图8.因此对E 级钢而言，在确保不出现沿晶断口的情况下，含铝质量分数至少应控制在0.07%以下。经过对近90 多个炉次的性能检查，发现有4 炉存在性能不合格现象，见表6、表7，经检查该4 炉断口未发现异常，经排查发现该4 炉基尔试棒的铝含量均比包内样有所降低，说明钢水包内的铝在浇注过程中分布不均匀以及存在少量的烧损，同时也说明一定的铝含量对细化晶粒进而提高机械性能有好处。因此为保证机械性能指标，含铝质量分数至少应控制在0.03%以上。总体结论为：E 级钢铝质量分数控制的合理范围在0.03%～0.07%.

图8 不同含铝量试棒断口宏观形态

表6 不合格炉次化学成分表（质量分数，%）

为了保证钢水中铝的质量分数对炉内插铝和包内冲铝以及吹氩喂丝等工艺方法进行了比较，认为采取吹氩喂丝工艺具有控制稳定、铝的吸收率高、分布均匀等优点，进行了连续五个炉次吹氩喂丝工艺试验，并对现场操作者进行了培训指导，效果良好。

通过对整个冶炼操作过程的审查，发现在操作过程中存在脱碳量控制不稳定、脱碳时间过长、扒渣不彻底、还原期过长等问题，针对冶炼过程存在的问题，企业采取了以下措施：

1）严格控制脱碳量0.35%以上，使钢水中杂质通过碳氧结合充分上浮进入炉渣中，有效去除杂质；

2）严格控制脱碳速度，避免脱碳速度过快造成过氧化及钢水大沸腾，以此降低钢水中的氧、氮含量；

表7 不合格炉次机械性能表

3）严格控制还原期白渣保持时间，充分脱氧、脱硫，通过合理控制氩气搅拌时间，使成分均匀化，使夹杂物充分上浮进入炉渣，减少MnS，Al2O3偏析。

这些问题在现场指导过程中基本解决。

针对连续式热处理炉温度均匀性检测问题，采用试棒法及拖偶试验法相结合的检测方法，进行定期检测，保证热处理炉炉温的均匀性。

3 结论

钩舌断裂对铁路运行安全会造成严重危害，严重者会造成列车分离，影响整条运输线路行车安全，对于一个企业生存发展同样会造成严重危害，事关一个企业的生死存亡，以及对全体员工切身利益造成严重危害。因此保证钩舌寿命期内无裂纹是需要企业采取具体措施、严格控制制造过程来保证的。

防止钩舌产生裂纹的方法有：

1）加强冶炼过程控制：控制脱碳速度0.01%～0.03%/min、脱碳量控制在0.35%以上，使钢水内杂质、夹杂物充分上浮进入炉渣中。

2）冶炼过程中全部采用吹氩喂丝工艺加铝，残铝质量分数严格控制在0.03%～0.06%，通过控制吹氩时间保证成分均匀，避免Al、Mn 元素偏析。

3）保证热处理炉炉温均匀性。

为防止钩舌断裂这项质量问题对铁路运行安全造成的严重危害，必须不断改进工作方法，采取必要的工艺措施，提高工作标准，完善工作质量，满足铁路提速重载、快捷运输不断发展的需要。