试验检测
文章编号：1007-6034(2019)01-0041-03DOI：10.14032/j.issn.1007-6034.2019.01.016转K6型转向架弹簧断裂原因分析与工艺改进
付祥，焦辉，武永亮，刘涛，胡宏伟
（中车长江车辆有限公司，湖北武汉430212）
摘要：针对铁路货车转K6型转向架在运用过程中弹簧出现断裂的故障，通过化学成分分析、金
相组织检验、硬度检测等方法，查明了磨簧工艺是造成弾簧支承圏斷裂的主要原因。对磨簧工艺
进行改进，采用新磨簧工艺的弹簧经1年多装车运用，运用效果良好。
关键词：弹簧断裂；转K6型转向架；磨簧烧伤；工艺改进
中图分类号：U270.331文献标识码：B
转K6型转向架是一种较为成熟的货车转向
架，目前在我国70t和80t铁路货车上已经得到广
泛运用。近段时间发现几起外圆弹簧（1）断裂的故
障，对断裂弹簧的断口（图1）进行宏观分析，发现断
裂位置全部位于弹簧支撑圈上，断裂起源于支撑圈
磨削面，由磨削面向内扩展，然后迅速沿着与弹簧圈
本身轴线成45。方向扩大，直至破断。为查明断裂
的原因，进行了以下分析和检测。
1原材料检验
外圆弹簧（1）材质采用优质的60Si2CrVAT弹簧钢，具有高强度、高韧性和良好的综合力学性能，根据TJ/CL075-2004标准的要求，对弹簧材质进行检验。
图I弹簧断口
1.1化学成分
采用岛津PDA55OO n型直读光谱仪，按照TJ/ CL075-2004标准及GB/T222的规定，对弹簧进行化学成分检测，检测结果如表1所示，原材料化学成分符合标准要求。
表I弹簧化学成分检测结果%
C Mn Si P S Cu Cr Ni V
标准0.56-0.640.40-0.70  1.40-1.80WO.015W0.015W0.200.90-1.20W0.250.10-0.20实测0.580.65  1.400.0140.0020.02  1.110.030.12
12非金属夹杂物
采用DMI5000M型莱卡金相显微镜，按照GB/T 10561中ASTM标准评级图评定，检测结果为A0、BO、C0、D1，原材料非金属夹杂物符合标准要求。1.3低倍组织
按照GB/T226的规定进行低倍组织检验，检验结果：无缩孔、裂纹、分层、白点、气孔、翻皮及夹杂，中心缩松0.5级，原材料低倍组织符合标准要求。
收稿日期：2017-12-28
作者简介：付祥（1963-），男，高级工程师，本科。2弹簧检测
21几何尺寸
按照图纸及TJ/CL075-2004标准的要求，对断簧的所有几何尺寸进行了检查，结果达到标准要求。
2.2探伤和外观检测
为查明裂纹的来源，首先对断簧的支撑圈部位进行脱漆处理，观察支撑圈磨削面，未发现目视可见裂纹，进行荧光磁粉探伤也未发现裂纹存在；外观检测却发现支撑圈磨削面都存在大面积彩磨削烧伤
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试验检测机车车辆工艺第1期2019年2月
痕迹。
2.3硬度检验
2.3.1弹簧洛氏硬度
对断簧进行洛氏硬度检测，标准规定硬度应在
42~48HRC范围内，检测结果显示弹簧断裂部位的
硬度为49.5-54.5HRC，说明断簧基体硬度超标。
2.3.2端面磨削烧伤表面和弹簧心部显微硬度
采用日本MITUTOYO公司的HM-221型显微
硬度仪，检测部位为彩磨削烧伤部位和试样心部。
彩磨削烧伤部位显微硬度为60HRC，心部显微硬
度为48HRC，彩磨削烧伤部位的硬度明显高于心
部硬度，且超出了标准的规定。
2.4光学金相检验
采用DMI5000M型莱卡金相显微镜，进行了金
相检验，除几件硬度在48HRC及以下的试样是正
常的回火屈氏体+弥散的碳化物颗粒组织外(见图
2)，其他大部分试样为回火屈氏体+少量保持马氏
体相位的回火马氏体组织(见图3)。对断口裂纹源
处进行观察，发现裂纹源位于支撑圈磨削烧伤面，磨
削烧伤面为一层白亮硬化层，组织为白隐针马氏
体(见图4)。
图2弾簧基体金相组织照片(48HRC)500x 图3弾簧基体金相组织照片(52HRC)500X
2.5断口扫描电镜观测
采用蔡司EVO-18型扫描电镜对两件断口部位进行观测，可明显地看到硬化层，测量硬化层厚度为0.14mm；在图5上可看到裂纹扩展时一道道的挤压痕迹，裂纹从照片的右下端向照片的左上方扩展，在硬化层表面下0.09~0.10mm处存在大量微细裂纹。
2.6断口能谱分析
因车辆有在海边运行的时段，为排除其他介质对断裂的影响，在扫描电镜上对断口进行了能谱分析，从能谱图上可以看到，断口硬化层和基体上只有原材料所包含的几种元素，无其他腐蚀介质的成分。基体部位显示有0元素存在，是由于断口锈蚀造成的，对分析结果无影响。
图4断口裂纹源表面金相照片100X图5裂纹扩展SEM照片
3综合分析
(1)经化学成分、非金属夹杂物、低倍组织检测，3项指标达到TJ/CL075-2004标准要求，原材料是合格的，弹簧的断裂与原材料无关。
(2)弹簧的几何尺寸符合图纸和TJ/CL075-2004标准的要求，弹簧的断裂与几何尺寸无关。
(3)弹簧支撑圈的断裂部位出现彩的磨削烧伤痕迹，经对生产现场调查，发现磨簧原采用干磨工艺，刚改为水冷湿磨工艺进行磨簧，操作工磨簧时进给量较大，磨削部位温度迅速升高，出现红亮(目测达600T或以上)，部分超过了相变临界温度，磨削完成时又遇水急冷，相当于进行了二次淬火，因而在支撑圈磨削面形成了一层白亮的淬火马氏体硬化层。淬火马氏体硬且脆，局部硬度达到60HRC，大幅降低了材料的韧性和塑性，并在硬化层与基体组织的界面产生和残存了较大的组织应力，在车辆运行过程中，由于在较大交变载荷、冲击载荷的共同作用下，裂纹首先在硬度较高，应力较大，薄而脆的淬火马氏体部位萌生。裂纹萌生后，继续在交变载荷的作用下，产生疲劳扩展。当裂纹达到一定深度，弹簧截面面积无法承受外力作用时，将产生裂纹失稳扩展直至弹簧断裂。
(4)弹簧基体组织的硬度和金相检测数据出现偏差，说明弹簧的热处理工序出现了问题，外圆弹簧(1)热处理采用锻造余热淬火+回火工艺，完成卷制的弹簧在热态下立刻进入环形均热炉进行均热，出炉立即进行油淬，随后进入网带式连续回火炉进行回火处理，经过多年的生产运用，该工艺成熟、适用。由于设备故障，弹簧回火不充分，造成弹簧基体的显微组织为回火屈氏体+少量保持马氏体相位的回火马氏体
组织，硬度超出了(42~48)HRC的规定，降低了基体的韧性，弹簧脆性增大，这进一步加速了裂纹的扩展和弹簧的断裂⑴。
(5)由于螺旋弹簧在外力作用下主要受扭力，所以断口呈现为扭转断口形貌。因弹簧支撑圈的变
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付祥，焦挥，武永亮.等转K6型转向架弹簧断裂原因分析与工艺改进
截面部位所受的应力增大，以及磨削热产生的马氏体与基体界面组织应力的共同作用，所以大部分断裂发生在弹簧支撑圈变截面过渡部位。
(6)在调查和检测过程中，除磨削产生的表面硬化层导致裂纹的萌生、扩展和断裂外，未发现整体硬度偏高的弹簧在运用周期内因硬度偏高而产生额外的疲劳损伤，以及其他形式的裂纹和断裂。
通过以上分析，对弹簧断裂的过程描绘如下：
弹簧在车辆运行过程中，裂纹首先在支撑圈变截面处的磨削硬化层处萌生，并在交变载荷作用下扩展。当裂纹扩展到一定程度时，在大的载荷作用下，迅速沿着与弹簧圈切线成45。方向失稳扩展，继而快速断裂。
4分析结论
(1)弹簧端面磨簧操作不当引起磨削烧伤，支撑圈磨削表面二次淬火，形成淬火马氏体组织是造成这次断簧的主要原因。
(2)弹簧回火过程不充分，基体组织为回火屈氏体+少量保持马氏体相位的回火马氏体组织，使弹簧硬度超标，脆性增加，在裂纹扩展过程中加速了裂纹的扩展。
5工艺改进
通过以上分析，查明了磨簧工艺是造成弹簧支承圈断裂的主要原因，必须改变原湿磨法磨簧的工艺，其具体磨簧工艺为严格控制磨簧进给量，控制磨簧温度，采用先粗磨后精磨的方法进行，特别是最后一道精磨的进给量必须小于1mm，弹簧最终的磨削面为金属本不允许有彩烧伤痕迹，加强热处理设备的检修，消除装备故障对产品质量的影响。
采用新磨簧工艺的弹簧顺利通过了300万次的疲劳试验，通过1年多的装车运用，进一步验证了新工艺的合理性。
参考文献：
[1]夏立芳.金属热处理工艺学[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版
社,2012.■
(编辑：匡玲)
(上接第40页)dB；再补偿半轴试块与TZS-60/TZS-80试块之间半轴试块与TZS-80标准试块之间的dB差值；以的dB差值；以此作为轮座部位探伤灵敏度。
此作为齿座探伤灵敏度。
(DA1.1探头波形(2)K1.3探头波形
(1)K1.1轴颈探测面(2)K1轴身探测面图8横波探头在拖车车轴半轴试块上校验探伤灵敏度
图6横波探头在动车车轴半轴试块上校验探伤灵敏度
(1)K1.6探头波形(2)K1探头波形
图7横波探头在动车车轴半轴试块上校验探伤灵敏度
2.3.4拖车车轴半轴试块的探伤灵敏度
将2.5PK1.1/K1探头置于半轴试块的轴颈/轴身上，适当移动探头到1/2号缺陷的最高反射波，此时反射波应在屏幕水平方向的第4.1/4.51格左右，调节仪器增益，使缺陷的最高反射波波高达到满屏的80%高度(见图8)，增益6dB/9dB；耦合0~63结束语
汽车弹簧
采用上述检测方法和扫查灵敏度对上海地铁3号线地铁车轴在不退轮芯的状态下进行实物检测，检测结果表明：采用直探头能有效地对车轴进行透声性能扫查和大裂纹扫査；采用斜探头能有效地检挪车轴镶入部位的疲劳裂纹。经过一段时间实物检初，已成功检出数根带有镶入部位疲劳裂纹的实物
车轴，对于提高地铁车辆运行安全性有着实质性的促进意义。对于其他地铁车辆的车轴，也可以采用上述方法进行疲劳裂纹的扫查检测。
参考文献：
[1]司万强，马兰童，余海军.机车车轴超声波探伤工艺浅析[J].
装备制造技术,2009(10):158-159.■
(编辑：李丹)
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