貨車轉(zhuǎn)向架搖枕側(cè)架裂紋機(jī)理分析

王紀(jì)濤，馬偉東，孫寶金

（1.齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002；2.牡丹江金緣鉤緩制造有限公司驗(yàn)收室，黑龍江 牡丹江 157000）

轉(zhuǎn)向架是鐵路貨車關(guān)鍵的大部件，而搖枕和側(cè)架則是走行部位主要的承重零件，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及制造工藝直接影響鐵路貨車的行車安全。由于搖枕和側(cè)架屬于比較典型的薄壁箱體框架結(jié)構(gòu)，這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的鑄件本身裂紋傾向較大，裂紋是各種鑄造缺陷中對(duì)搖枕、側(cè)架的使用性能危害最大的一種。路內(nèi)各家工廠生產(chǎn)鐵路貨車搖枕、側(cè)架已經(jīng)有幾十年的歷史，鑄造工藝已經(jīng)比較成熟，但是并沒(méi)有完全解決裂紋問(wèn)題。尤其在近幾年，由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的提高和無(wú)損檢測(cè)手段的提升，搖枕側(cè)架的裂紋問(wèn)題日益凸顯。對(duì)搖枕側(cè)架裂紋形成的原因和機(jī)理進(jìn)行分析，對(duì)于減少和控制搖枕側(cè)架裂紋危害，保證搖枕側(cè)架的使用性能，意義重大。

1 裂紋形成機(jī)理

1.1 裂紋形態(tài)

用掃描電鏡拍攝的鑄件探傷裂紋斷口形貌照片如圖1所示。觀察斷口的形貌照片發(fā)現(xiàn)，斷口表面較為疏松，胞狀樹(shù)枝晶如液滴狀交錯(cuò)分布，柱狀樹(shù)枝晶間有裂紋存在，有類似韌窩狀的塑性變形，屬熱裂紋形態(tài)。熱裂是鑄件在高溫下出現(xiàn)的裂紋缺陷，在鑄件表面上可以觀察到的裂紋稱為外裂紋（圖2），隱藏在鑄件內(nèi)部的裂紋稱為內(nèi)裂紋（圖3），熱裂是鑄鋼件生產(chǎn)中常見(jiàn)的缺陷之一。

熱裂紋沿晶界展開(kāi)，外形曲折而不規(guī)則。外裂紋表面寬而內(nèi)部窄，裂口從鑄件表面向內(nèi)部延伸。內(nèi)裂紋是鑄件中心寬，越靠近鑄件表面越窄。

圖1 裂紋微觀形態(tài)

圖2 表面熱裂紋

圖3 內(nèi)裂紋

外裂紋斷口表面呈氧化色，鑄鋼外裂紋斷口近似黑色。如對(duì)鑄鋼件裂口作磨片檢查，會(huì)發(fā)現(xiàn)裂口邊緣有脫碳現(xiàn)象，說(shuō)明裂口在高溫下形成并氧化；內(nèi)裂紋由于發(fā)生在鑄件內(nèi)部，氧化不明顯，常有枝狀晶。外裂常產(chǎn)生在鑄件截面厚度有突變或局部凝固慢的部位，如壁與壁的十字相交處、冒口根部、兩塊冷鐵之間。內(nèi)裂產(chǎn)生在鑄件內(nèi)部最后凝固的部位，常在縮孔附近。

1.2 搖枕、側(cè)架凝固特性

鑄件斷面按凝固特性可分為逐層凝固、糊狀凝固和中間凝固。碳鋼凝固特性為逐層凝固，但搖枕、側(cè)架為大型薄壁箱體類鑄件，溫度梯度很大，實(shí)際應(yīng)以糊狀凝固為主。

糊狀凝固過(guò)程，晶體在熔液內(nèi)部形核和生長(zhǎng)，并且很快就連成一片（形成結(jié)晶骨架）。在連成一片前，液體和固體可以一起做“整體”補(bǔ)縮；當(dāng)形成結(jié)晶骨架后，便將尚未凝固的熔液分割成一個(gè)個(gè)互不相通的小熔池，最后形成縮松，所以糊狀凝固時(shí)縮松傾向較大。結(jié)晶骨架的形成，使固態(tài)線收縮提早開(kāi)始，加之晶間裂紋出現(xiàn)時(shí)得不到熔液的充填愈合，因而糊狀凝固時(shí)熱裂紋傾向較大。

1.3 熱裂紋形成機(jī)理

熱裂紋形成機(jī)理的解釋主要有液膜理論、強(qiáng)度理論。液膜理論是鑄件冷卻到固相線附近的時(shí)候，晶粒周圍存在少量未凝固液體，構(gòu)成液膜。鑄件收縮受阻時(shí)，變形主要集中在液膜上，變形達(dá)到某一臨界值，液膜開(kāi)裂形成晶間裂紋。

強(qiáng)度理論：鑄件在凝固期間，因砂型、砂芯、冒口及澆注系統(tǒng)等的阻礙而不能自由收縮時(shí)，在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變或應(yīng)力超過(guò)該金屬在該溫度下的斷裂強(qiáng)度或者斷裂應(yīng)變從而產(chǎn)生熱裂紋。熱裂紋的產(chǎn)生與鑄造合金本身的特性、鑄件結(jié)構(gòu)、鑄型特性、澆注系統(tǒng)有關(guān)。合金凝固溫度區(qū)間較寬、結(jié)晶時(shí)形成了粗大的樹(shù)枝晶容易產(chǎn)生熱裂紋，所有擴(kuò)大合金凝固溫度區(qū)間及增大合金凝固收縮量的元素（如鑄鋼中的P、S等）都促進(jìn)熱裂紋產(chǎn)生，鑄件凝固收縮時(shí)受鑄型和砂芯的阻力越大，產(chǎn)生的應(yīng)力也越大，越容易開(kāi)裂，澆口、冒口設(shè)置不合理，使鑄件在溫度較高的澆冒口部位冷卻緩慢，容易產(chǎn)生裂紋；澆注速度和澆注溫度對(duì)熱裂產(chǎn)生的影響比較復(fù)雜，需要據(jù)實(shí)際情況綜合考慮；鑄件結(jié)構(gòu)不合理（例如兩個(gè)截面成直角及壁厚截面十字交叉等）也是熱裂紋產(chǎn)生的原因之一。

2 型、芯砂對(duì)搖枕、側(cè)架裂紋產(chǎn)生的影響

2.1 型、芯砂退讓性對(duì)搖枕、側(cè)架裂紋產(chǎn)生的影響

按強(qiáng)度理論“鑄件內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)變或應(yīng)力超過(guò)該金屬在該溫度區(qū)間的斷裂強(qiáng)度或者斷裂應(yīng)變而產(chǎn)生熱裂”，因此鑄型和砂芯的退讓性好，鑄件凝固收縮時(shí)受到的阻力小，形成裂紋的傾向性也小。

現(xiàn)搖枕、側(cè)架主要型砂工藝有水玻璃砂、潮模砂、呋喃樹(shù)脂砂，其中呋喃樹(shù)脂砂退讓性最差。在1000℃左右溫度時(shí)的抗壓強(qiáng)度是水玻璃砂的5到10倍，而變形量?jī)H僅為1/5。因此，鑄件收縮時(shí)受阻礙非常明顯，這種收縮阻礙對(duì)搖枕、側(cè)架這類薄壁箱體結(jié)構(gòu)的鑄件尤為明顯。呋喃樹(shù)脂砂在澆注后樹(shù)脂高溫焦化變成了非常堅(jiān)硬的碳化骨架，其熱穩(wěn)定性比較高。同時(shí)熱膨脹較大，所以退讓性比較差。

2.2 型、芯砂熱傳導(dǎo)性對(duì)搖枕、側(cè)架裂紋產(chǎn)生的影響

由于不同的型砂工藝，采用粘結(jié)濟(jì)不同，因此其熱傳導(dǎo)性也存在差別。水玻璃砂熱傳導(dǎo)性較呋喃樹(shù)脂砂強(qiáng)，鑄件表面能夠相對(duì)較快凝固，形成凝固層并向內(nèi)延伸凝固，不易產(chǎn)生表面裂紋。

2.3 型、芯砂中有害元素對(duì)搖枕、側(cè)架裂紋產(chǎn)生的影響

型、芯砂中的有害元素，可通過(guò)表面相互滲透作用游離到金屬表層，對(duì)金屬的表層的凝固順序造成破壞，形成低熔點(diǎn)共晶物及裂紋源。如呋喃樹(shù)脂砂中含有的硫等有害元素。在呋喃樹(shù)脂砂澆注鑄鋼件時(shí)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，鑄件表層的滲硫深度達(dá)到2mm.呋喃樹(shù)脂砂澆注時(shí)，鑄件表層的型砂很快加熱到800℃到900℃，正常情況下，樹(shù)脂在500℃到600℃熱分解基本結(jié)束，受熱分解后氣體成分為SO2、SO3、H2S.這些氣體在鑄件凝固期間很容易和金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成MnS、FeS等低熔點(diǎn)共晶物，其熔點(diǎn)只有975℃[1]。在凝固過(guò)程初期，δ 鐵先形成晶核長(zhǎng)大，而這些硫化物因?yàn)槿埸c(diǎn)較低被擠至初生晶粒的周圍，最后凝固于枝晶晶界處，產(chǎn)生熱脆點(diǎn)，從而形成裂紋源。

2.4 型、芯砂對(duì)搖枕、側(cè)架產(chǎn)生裂紋影響的工藝驗(yàn)證

為驗(yàn)證型、芯砂對(duì)搖枕、側(cè)架產(chǎn)生裂紋影響程度，設(shè)計(jì)如下工藝驗(yàn)證方案：采用搖枕、側(cè)架雙型模型用鋼板將其對(duì)分，分別采用呋喃樹(shù)脂砂和酯硬化水玻璃砂造型、制芯，該試驗(yàn)方案保證了不同型、芯砂工藝的搖枕、側(cè)架具有相同的鑄造工藝和澆注溫度、澆注時(shí)間。該方案能科學(xué)、合理地反映出型、芯工藝對(duì)搖枕、側(cè)架表面裂紋情況的影響。驗(yàn)證情況如圖4及表1所示。

圖4 采用兩種型砂工藝造型

表1 搖枕側(cè)架不同工藝的裂紋數(shù)量

試驗(yàn)結(jié)果證明呋喃樹(shù)脂砂工藝產(chǎn)生裂紋傾向較大。

3 鑄造工藝設(shè)計(jì)對(duì)搖枕、側(cè)架生產(chǎn)裂紋的影響

3.1 澆冒口的位置對(duì)搖枕、側(cè)架裂紋產(chǎn)生的影響

有些熱節(jié)在鑄件凝固收縮過(guò)程中處于拉應(yīng)力的集中點(diǎn)，在這些熱節(jié)點(diǎn)安放冒口或開(kāi)澆口將促成熱裂。冒口大，使內(nèi)澆道通過(guò)冒口能增強(qiáng)順序凝固，使鑄件內(nèi)向冒口方向的溫度梯度加大，內(nèi)應(yīng)力增大，在冒口根部常引起裂紋。在這樣的熱節(jié)點(diǎn)上不適宜設(shè)置冒口，而應(yīng)采用冷鐵消除熱節(jié)的影響。

如早期K2側(cè)架工藝，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原因A部將產(chǎn)生較大的鑄造應(yīng)力，為保證A部密實(shí)度又將冒口置于A部正上方，導(dǎo)致該部位熱節(jié)增大并造成應(yīng)力增大，使冒口根部產(chǎn)生熱裂紋（圖5）。

圖5 K2 側(cè)架A 部冒口位置

3.2 澆注系統(tǒng)和冒口布局對(duì)搖枕、側(cè)架裂紋產(chǎn)生的影響

澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不當(dāng)（阻礙鑄件收縮），冒口、直澆口或澆口杯距砂箱箱帶太近，合箱時(shí)披縫太大，芯骨過(guò)分粗大等原因，均可造成鑄件收縮受阻而導(dǎo)致熱裂。

3.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)搖枕、側(cè)架裂紋產(chǎn)生的影響

流經(jīng)一個(gè)內(nèi)澆道的金屬量過(guò)大，金屬流經(jīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使內(nèi)澆道附近金屬和鑄型溫度太高，此區(qū)域容易出現(xiàn)熱裂紋。為防止內(nèi)澆道附近局部過(guò)熱，應(yīng)限制每個(gè)內(nèi)澆道的金屬流入量，采用截面小而數(shù)量多的內(nèi)澆道，分散引入金屬可減少熱裂傾向。

原K6搖枕工藝，澆注系統(tǒng)從端頭引入，為開(kāi)放式階梯澆注系統(tǒng)。從澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖中可以判斷，將有70%以上的鋼水從底端水口注入，導(dǎo)致?lián)u枕承臺(tái)區(qū)域過(guò)熱，產(chǎn)生裂紋傾向較高（圖6、圖7）.

圖6 原K6 搖枕澆注系統(tǒng)

圖7 K6 搖枕承臺(tái)部位裂紋

搖枕、側(cè)架采用端頭引入和過(guò)橋澆注方式，澆注系統(tǒng)對(duì)鑄件收縮阻礙較少，不易產(chǎn)生裂紋。側(cè)架從大梁和搖枕心盤(pán)兩側(cè)引入時(shí)，由于橫澆道較長(zhǎng)，凝固過(guò)程中對(duì)鑄件產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，在澆口部位或澆口周圍易產(chǎn)生裂紋。

3.4 冷鐵對(duì)搖枕、側(cè)架裂紋產(chǎn)生的影響

搖枕、側(cè)架冷鐵的作用是實(shí)現(xiàn)鑄件同時(shí)凝固和局部順序凝固，同時(shí)能有效的消除表面裂紋。但冷鐵的設(shè)計(jì)和使用不當(dāng)同樣會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

冷鐵厚度通常為激冷部位厚度的0.5倍～1.0倍，冷鐵設(shè)計(jì)過(guò)厚大，激冷作用太強(qiáng)，導(dǎo)致冷鐵覆蓋部位和周邊凝固速度差距大，常在冷鐵根部或冷鐵周邊形成裂紋。

冷鐵擺放不當(dāng)同樣易產(chǎn)生裂紋。冷鐵擺放時(shí)，間距應(yīng)為冷鐵長(zhǎng)度的1/2～1/3，否則由于冷鐵擺放過(guò)密導(dǎo)致鑄件局部激冷過(guò)強(qiáng)，凝固較快，在一定激冷范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，在冷鐵對(duì)接處或冷鐵下方產(chǎn)生裂紋（圖8）.

4 鋼水質(zhì)量及澆注對(duì)搖枕側(cè)架裂紋產(chǎn)生的影響

4.1 搖枕、側(cè)架鋼種化學(xué)成分

鐵路貨車鑄鋼搖枕、側(cè)架常用材質(zhì)化學(xué)成分見(jiàn)表2.

圖8 側(cè)架大梁澆口部位裂紋和搖枕水口下方裂紋

表2 鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

4.2 化學(xué)元素對(duì)搖枕、側(cè)架裂紋的影響

熱裂紋的形成溫度主要在實(shí)際線收縮開(kāi)始溫度至固相線溫度之間，即在有效結(jié)晶溫度區(qū)間內(nèi)。在該溫度區(qū)間內(nèi)，合金強(qiáng)度越低，線收縮率越大，則愈易形成熱裂。凡是減小合金線收縮系數(shù)的因素都可降低熱裂傾向?；诣F、球鐵在有效結(jié)晶溫度區(qū)間內(nèi)，其線收縮系數(shù)可取負(fù)值，所以極少出現(xiàn)熱裂紋缺陷。而碳鋼由于線收縮系數(shù)為正值，故出現(xiàn)熱裂。凡是擴(kuò)大有效結(jié)晶溫度區(qū)間的元素都增加熱裂傾向。

提高合金的高溫強(qiáng)度可減少熱裂。碳鋼鑄件熱裂傾向和化學(xué)成分關(guān)系如下。

碳：當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2%時(shí)，正處在碳鋼包晶點(diǎn)“J”附近，具有最小的結(jié)晶溫度范圍。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，具有最高的抗熱裂性和最低的熱裂傾向。

硫：顯著降低鋼的抗裂力。當(dāng)鋼中含錳不足時(shí)，硫以Fe-FeS共晶形態(tài)存在。Fe-FeS共晶點(diǎn)溫度只有935℃，擴(kuò)大了有效結(jié)晶區(qū)間，因而增大了鋼的熱裂傾向。減少硫元素的滲入，進(jìn)而減少表面裂紋的產(chǎn)生[2-4]。

磷：降低鋼的抗裂能力。

錳：由于錳可以和硫形成高熔點(diǎn)的硫化物，因而增加錳可以顯著減少鋼的裂紋傾向，但超過(guò)一定限度后，錳又使鋼的抗裂力急劇下降。當(dāng)w（S）等于0.03%時(shí)，w（Mn）在0.8%～1.0%范圍內(nèi)，鋼具有較高的抗裂力。

鋁：作為脫氧劑，在w（C）約0.4%時(shí)，未脫氧的鋼有較高的抗裂力，隨著鋁含量增多，抗裂力降低。當(dāng)w（Al）=0.045%時(shí)，抗裂力最低。導(dǎo)致硫化物溶解大為增加。凝固后期，在晶界上以硫化物夾雜物形式析出。達(dá)到0.1%時(shí)，形成Al2S不溶于鋼液，使抗裂力增長(zhǎng)。w（Al）＞0.1%時(shí)，抗裂力下降。

硅：w（Si）＜0.3%～0.4%時(shí)，增加硅可減小鋼的裂紋傾向。

氧：在鐵中是表面活性元素，降低鋼液的表面張力，分布于晶界的氧化夾雜物消弱晶間聯(lián)系，因而促成熱裂。

氮：降低鋼液表面張力，促進(jìn)熱裂。

氫：含氫高的鋼，具有發(fā)達(dá)的柱狀晶和粗晶，所以容易形成熱裂。

根據(jù)上述元素對(duì)鋼的熱裂影響情況，可繪制出圖9.從圖9中可看出裂紋傾向最小時(shí)，鋼中合金元素的情況，在生產(chǎn)中控制難度較大。

圖9 裂紋傾向最小時(shí)各元素的含量

4.3 澆注工藝對(duì)搖枕、側(cè)架裂紋產(chǎn)生的影響

鋼水的澆注溫度、澆注速度對(duì)熱裂紋的傾向性也有較大影響，澆注溫度如高于固相線太多，則固液間范圍增大，鑄件各斷面之間溫度梯度也增大，易產(chǎn)生熱裂。澆注溫度太低，則在凝固過(guò)程中，對(duì)薄厚相差大的鑄件，液體金屬不易順序地進(jìn)行補(bǔ)縮，金屬組織不易致密，因而也易于產(chǎn)生熱裂。所以一般情況，澆注溫度不宜太高或太低，但稍低些有利于減少熱裂傾向。同理，慢速澆注，即用很小的澆注速度澆注，必然增加鑄件內(nèi)部縱向溫度梯度，增大內(nèi)應(yīng)力和熱裂傾向。所以搖枕、側(cè)架應(yīng)采用低溫快澆。

5 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其他的影響因素

5.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對(duì)鑄件裂紋產(chǎn)生的影響

1）鑄件壁厚薄厚懸殊，薄厚過(guò)渡突然。

如K6側(cè)架A部上方壁厚由25mm到16mm，在過(guò)渡區(qū)易產(chǎn)生熱裂紋。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及裂紋情況如圖10所示。

圖10 K6 側(cè)架A 部產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及裂紋情況

2）由于結(jié)構(gòu)原因，導(dǎo)致鑄件收縮嚴(yán)重受阻

搖枕斜楔擋在縱向方向阻礙鑄件收縮，該部位應(yīng)力較大，同時(shí)由于斜楔擋圓角較小，該部探傷裂紋較普遍。

5.2 其他影響因素

1）環(huán)境溫度。環(huán)境溫度低可造成鑄件冷卻過(guò)快，同樣也對(duì)型砂性能造成影響。如呋喃樹(shù)脂砂硬化速度與環(huán)境溫度有關(guān)，鑄鋼用固化劑通常采用苯磺酸和二苯磺酸。冬季為保證呋喃樹(shù)脂砂的正常硬化時(shí)間，固化劑中的酸含量較夏天高，因此，型芯中硫元素較高，裂紋傾向較高。

2）鋼中的夾渣與偏析。夾渣與偏析容易增加應(yīng)力集中，因而增加裂紋傾向。

3）鑄件冷卻速度。鑄件在型中冷卻太快，或打箱過(guò)早在型外冷卻速度太快，都會(huì)造成過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力，而增加熱裂傾向。

4）切割冒口及熱處理。鑄件熱切割或熱處理時(shí)受熱速度過(guò)快或者冷卻速度過(guò)快，各部溫度過(guò)分不均，容易產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力，而導(dǎo)致熱裂紋傾向。

6 結(jié) 論

搖枕、側(cè)架裂紋的產(chǎn)生是由型砂工藝、鑄造工藝、金屬凝固特性、鋼水質(zhì)量、澆注溫度、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、焊修工藝、環(huán)境等因素共同作用的結(jié)果。對(duì)于搖枕側(cè)架這樣的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄鋼件，在鑄造過(guò)程中要完全避免原始裂紋的產(chǎn)生，難度很大。通過(guò)選擇和控制已識(shí)別的影響裂紋產(chǎn)生的因素，可以將鑄件原始裂紋的產(chǎn)生幾率降到最低。首先應(yīng)選擇合適的型砂工藝降低產(chǎn)生裂紋的傾向性，其次要做細(xì)致的鑄造工藝，優(yōu)化澆冒口、冷鐵、鑄筋設(shè)計(jì)，避免裂紋的產(chǎn)生。三是生產(chǎn)過(guò)程中控制好型芯強(qiáng)度、鋼水質(zhì)量、澆注溫度等影響裂紋產(chǎn)生的影響因素。

最后通過(guò)探傷手段檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)裂紋，經(jīng)過(guò)焊修處理，在鑄件交驗(yàn)前，可將裂紋消除。

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