閘片托斷裂原因分析及預防

劉鵬， 張曉宇， 張海軍

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

1 閘片托斷裂現(xiàn)象

閘片托是鐵路機車車輛基礎制動產(chǎn)品中非常重要的安全部件，材質(zhì)為QT500-7 球墨鑄鐵，硬度要求170～230HB，球化率不得低于3 級，主要作用是將制動力傳遞于閘片之上，保證閘片與制動盤的接觸符合制動要求，使車輛減速或停止。閘片托應具有較高的力學性能以及尺寸精度，要求組織致密，內(nèi)部不允許有任何氣孔、縮孔、夾渣、縮松等鑄造缺陷。在使用現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)個別閘片托在使用半年后發(fā)生斷裂如圖1、圖2 所示，本文就該情況進行分析，并提出預防措施。

2 金相分析

圖1 閘片托斷裂形貌1

圖2 閘片托斷裂形貌2

通過對斷口進行掃描電子顯微鏡觀察，以檢驗分析斷口的微觀形貌特征；對斷口縱截面進行金相觀察，以檢驗分析斷口縱截面的組織相貌特征，同時對比GB/T9441-2009《球墨鑄鐵金相檢驗標準》，對閘片托的外觀、斷裂位置及宏觀斷口形貌進行檢查，以確定斷裂起源和斷裂特征。

圖3 閘片托的斷裂位置

圖4 閘片托的裂紋源位置

2.1 斷口的宏觀形貌檢查

閘片托的斷裂形貌如圖3 所示，閘瓦托外表面為鑄造形成的自然表面，呈深黑色，斷口表面大部分為灰色，局部顏色已變黃，發(fā)生了銹蝕。裂紋起源于閘瓦托表面向斜下擴展，穿過固定銷孔后，最后斷裂掉塊。在表面裂紋源處局部已發(fā)生由于磕碰而產(chǎn)生的變形，成為銀亮色。斷口局部放大如圖4 所示。

2.2 斷口的掃描電鏡微觀形貌觀察

圖5 斷口裂紋源處的低倍微觀形貌

圖6 斷口裂紋源處的微觀形貌 ×100

圖7 斷口擴展區(qū)處的微觀形貌 ×500

圖8 斷口擴展區(qū)處的微觀形貌 ×1000

圖9 斷口裂紋源處金相磨面位置示意圖

圖10 表層縱截面的石墨形態(tài)顯微形貌

圖5 所示為閘片托斷口裂紋源處的低倍微觀形貌，可以觀察到斷口靠近表面的裂紋源處局部被碾壓變形。把裂紋源進一步放大至100 倍后，如圖6 所示，觀察整個視場，裂紋源處由于受碾壓磕碰變形，以及氧化銹蝕等影響，難以辨認微觀特征形貌。圖7 所示為閘片托斷口擴展區(qū)處的500 倍微觀形貌，觀察整個視場可以清晰觀察到在基體表面上附著有許多氧化腐蝕產(chǎn)物。進一步放大至1000 倍后，如圖8 所示，斷口主要為河流花樣，屬于脆性解理形貌。

2.3 斷口裂紋源處縱截面的金相檢驗

對閘片托斷口裂紋源處進行橫向線切割，如圖9 所示，并對其縱截面進行金相檢驗分析。由圖可知，組織為鐵素體、珠光體和石墨，斷口裂紋源處，即部件表層大約厚度0.4mm 范圍內(nèi)，石墨形態(tài)為分散分布的片狀以及菊花狀，如圖10、11 所示。向基體內(nèi)部的擴展區(qū)斷口石墨形態(tài)則為球狀，如圖12、13 所示。遠離表面及斷口的內(nèi)部基體石墨形態(tài)為球狀，對比GB/T9441-1988《球墨鑄鐵金相檢驗標準》發(fā)現(xiàn)，球化分級為2 級，如圖14、15 所示。

3 斷裂原因分析

3.1 斷裂性質(zhì)

根據(jù)斷裂位置、宏觀形貌、斷口微觀形貌和斷口裂紋源縱截面的金相等檢驗結果，可以看出閘片托斷裂性質(zhì)屬于脆性斷裂。

3.2 斷裂原因分析

石墨密度小，強度低、硬度低、塑性和韌性趨于零，而片狀石墨對基體的割裂嚴重，它的存在如同在基體上存在大量小缺口，既減少承載面積，又增加裂紋源，在石墨尖角處易造成應力集中，力學性能、特別是疲勞強度降低。當切削深度小于片狀石墨層時，加工表面粗糙度會增加；片狀石墨的存在會降低鑄件表面的硬度，零件的強度分布不均勻。

金相檢驗結果表明，導致閘片托使用半年后突然斷裂的原因，主要是由于閘片托表層裂紋源處和向內(nèi)擴展的部分區(qū)域存在未被球化的石墨，大量片狀石墨存在于表層時，其強度和韌性遠遠低于心部，容易在表層片狀石墨處產(chǎn)生應力集中，閘片托在使用過程中，車輛運行的交變載荷通過固定銷對其傳遞一定的拉應力促使裂紋萌生并逐步擴展，最終導致其失效斷裂。

4 球墨鑄鐵表面片狀石墨產(chǎn)生原因

片狀石墨產(chǎn)生的原因有：

（1）經(jīng)球化處理后，鐵水中熔解的鎂由于蒸發(fā)、與空氣中的氧反應、與型砂及涂料中硫的反應而損失，但鎂蒸發(fā)、氧化的損失不如鎂與硫的反應造成的損失嚴重。球化處理后鐵水中殘余鎂量的高低，會影響片狀石墨組織的多少：殘余鎂量越低，片狀石墨組織會越多。

圖11 表層縱截面的金相組織形貌（腐蝕后）

圖12 斷口縱截面石墨形態(tài)顯微形貌

圖13 斷口縱截面的金相組織形貌（腐蝕后）

圖14 基體石墨形態(tài)金相顯微形貌

圖15 基體金相組織形貌（腐蝕后）

（2）當型砂中硫含量較高時，鑄件表面會出現(xiàn)片狀石墨層；當型砂中硫含量很高（約0.2%），同時鑄型表面積與鑄件斷面面積之比也高時，即鐵水與鑄型接觸充分，則片狀石墨可能延伸到整個鑄件斷面。

（3）型腔截面尺寸、熱節(jié)等影響鐵水和型砂中硫之間反應時間的因素，如都會影響片狀石墨層的形成，尤其是在鑄件澆注位置底面，片狀石墨層最容易形成，也是最厚的地方。

（4）澆注系統(tǒng)設計不當，均會導致形成片狀石墨層。如鐵水流動距離過長，前后水在型腔內(nèi)混合不均勻時；鐵水流動慢時，也會造成鎂損失過多等。

經(jīng)過對閘片托鑄造工藝的分析，發(fā)現(xiàn)片狀石墨產(chǎn)生原因是：此零件是用呋喃樹脂砂生產(chǎn)的，樹脂、固化劑都是有機物，球墨鑄鐵件在澆注冷卻過程中會出現(xiàn)鑄件表面層的滲碳現(xiàn)象，滲碳層可達0.5～1.0mm 深。在用酸類固化劑時，在球鐵表面有≤0.5mm 的滲硫?qū)?，造成表層有片狀石墨，導致鑄件表層球化不良。呋喃樹脂砂的舊砂由于其可多次重復使用的特性，在沒有對舊砂中含硫量有效檢測的情況下，含硫量超標同樣會造成表層球化不良。

5 片狀石墨層的預防

針對片狀石墨產(chǎn)生的原因，為了提高閘片托球化的均勻性，采用以下措施進行改進：

（1）對造型工藝進行改進，采用水玻璃砂造型，減少造型中的硫含量和有機物含量；

（2）合理控制球化劑加入量，并嚴格控制球化劑的質(zhì)量來防止球化不良，保證球化處理后鐵水中有足夠的殘余鎂量，甚至在與型砂中硫的反應或與空氣（氧）長期接觸后仍有足夠的殘余鎂量，以保證球化。殘余鎂量一般要求達到0.03%～0.08%。

（3）使用硫含量低的煤粉，要求含硫量≤2.0%，最好含硫量≤1.0%。

（4）在重復使用舊砂時砂中含硫量<0.15%，并定期進行舊砂報廢，防止型砂中硫的積累。

（5）合理控制澆鑄速度，使先流入鑄型的鐵水與后續(xù)流入的鐵水充分混合，保證鐵水的均勻性。

經(jīng)過改進，閘片托石墨球化狀況得到明顯改善，金相檢測結果如圖16、圖17、圖18。

圖16 腐蝕前：球化率85%

圖17 腐蝕后：珠光體20%

圖18 表層位置（未發(fā)現(xiàn)蠕蟲狀石墨）

6 結 論

閘片托脆性斷裂的原因是表層存在大量未被球化的片狀石墨組織，使閘片托在受力時，在表層片狀石墨處萌生裂紋并擴展，最終導致部分閘瓦托從固定銷處斷裂。

通過采取合理的鑄造工藝，嚴格的球化劑質(zhì)量控制；以及優(yōu)化設計鑄造系統(tǒng)，可以防止球化不良，提高球墨鑄鐵件的使用壽命。

［1］ 曹慶峰，等.球墨鑄鐵曲軸失效斷口微觀分析［J］.熱加工工藝，2008（19）：135-136.

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［3］ 史鑒開，史小雨.淺析球墨鑄鐵件表面片狀石墨層［J］.機械工人（熱加工），2007（2）：69.

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