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钢轨裂缝缺陷分析
邓建辉
(四川省攀枝花钢铁集团公司钢铁研究院，攀枝花617000)
摘 要：钢轨在线路焊接时，发现钢轨端面轨底脚部位有一严重裂缝缺陷。经对缺陷的形貌特征及缺陷中夹杂物成分分析，认为钢轨中的裂缝缺陷是因铸锭时保护渣卷入钢水中所造成。
关键词：钢轨；夹杂；缺陷
柳州铁路局在进行钢轨线路焊接打磨时，发现一支炉号为P0131537的U71Mn60Kg/m钢轨端面轨底脚部位有一严重裂缝缺陷。为查明钢轨缺陷产生的原因，取样进行检验分析。
1 缺陷的宏观特征及微观检验
1.1 缺陷宏观特征
缺陷在钢轨横截面一侧轨脚距轨底下表面约2mm位置，呈现为一空洞型裂缝。沿钢轨纵向进行切割，裂缝沿钢轨纵向长约265mm，沿钢轨横向宽约28mm，高0.9～1.3mm，见图1。
经观察，裂缝与钢轨外表面不相通，是一封闭的空洞型裂缝缺陷，具有某种大型夹杂物从中脱落而脱碳现象，主裂缝中也未见到夹杂类物质，是空洞型成的特征。
图1 钢轨轨脚部位裂纹缺陷形貌
1.2 微观检验
用金相显微镜和JSM5600L扫描电镜对失效件进行微观检验分析，其基体为珠光体组织，未见裂缝与钢轨外表面有相连接的通道，裂缝周围也无氧化脱碳现象，主裂缝中也未见到夹杂类物质，是空洞型裂缝。但在裂缝的上下靠基体组织面和裂缝宽的末端发现有残留的非金属夹杂(渣)，且裂缝宽的末端有分岔裂纹，分岔裂纹中塞满了夹杂类物质，见图2～4。
用VNCA能谱仪对分岔裂纹中的夹杂物进行分析，夹杂物颗粒主要成分为SiO2，Al2O3，CaO和K2O等，见图5和表1。
图2 裂缝内无脱碳现象 100×
图3 裂缝的分岔裂纹形貌
3 裂纹缺陷成因分析
由图1和对缺陷的纵向切割结果可知，裂缝缺陷为空洞型，裂缝宽达28mm，高1.3mm，空洞体积达8.2cm3。金相检验结果表明，裂缝缺陷没有与钢轨表面相通，并且裂缝缺陷周围也未氧化脱碳，说明该裂缝缺陷无氧化脱碳条件，是存在于钢轨中的封闭型缺陷，这种封闭型缺陷不是钢轨轧制时折叠等因素造成。这样大的空洞型裂缝缺陷，是钢坯中原夹有的某种非金属夹杂物，在轧制过程中受到轧制挤压后从中脱落而形成的，并且这种非金属夹杂物是外来物，不是内生的氧化物，因内生氧化物尺寸一般不可能这样大。就外来非金属夹杂物造成这样大的空洞型缺陷，也实属罕见。
图4 分岔裂纹中夹杂物形貌 100×
图5 分岔裂纹中夹杂物测定
由图4和图5可见，裂缝宽的末端有分岔裂纹，且分岔裂纹中充满了夹杂物。分岔裂纹是钢坯在轧制时裂缝中的夹杂物在轧制力的作用下，被挤压并随轧件发生宽展并嵌入钢中而形成，所以分岔裂纹主要出现在裂缝宽的末端，且沿轧件宽展方向延伸发展。
由表1能谱分析(质量分数)结果可见，分岔裂纹中的夹杂物主要含SiO2，CaO，Al2O3，K2O，Na2O和MnO等。夹杂物的主要成分及含量与铸锭时用的保护渣成分相似，保护渣成分为SiO238%，Al2O39%和CaO9%，其余有钠、钾和锰等元素。由此表明，钢轨中的裂缝缺陷是铸锭时保护渣卷入钢水中形成的大型夹渣所造成。
从该炉钢的铸锭记录知，有两个钢锭模分别出现模裂300mm和350mm，浇注时出现冒火；另一个钢锭模因模潮出现“翻钢”现象。这说明铸钢用的钢锭模质量较差，具有保护渣被卷入钢水中形成夹渣的条件。
在铸锭过程中，保护渣被卷入钢水中形成较大的夹渣，钢坯在轧制成钢轨过程中，夹渣被轧扁并发生宽展和延伸，当切开钢轨裂缝缺陷时，夹渣脱落，成了所看到的具有一定长度和高、宽的空洞型裂缝。留在钢坯中的夹渣中有硬度较高的SiO2这类物质，轧制时被挤压嵌入钢中，形成在高倍下看到的分岔裂纹及其中的夹杂物。
4 结论与建议
(1)钢轨中的空洞型裂缝是与钢轨表面不相通的封闭型缺陷，是铸锭时保护渣卷入钢水中形成的大型夹渣所造成的。
(2)加强质量管理，提高锭模和铸锭质量，防止保护渣等类物质卷入钢水中形成夹渣缺陷。
(3)钢轨内部轨底脚边沿属现行超声波探伤盲区，探伤检测难以发现，但这类缺陷危害极大，严重危及行车安全。因此对目前的超声波探伤方法应进行改进，在轨底脚部位设置探头，以避免探伤检测的漏检。
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