轉(zhuǎn)K6型搖枕A部位裂紋成因的調(diào)查與分析

王 亮，周 全

（1.晉西裝備制造有限責(zé)任公司，山西太原 030027；2.太原機(jī)車車輛監(jiān)造項(xiàng)目部，山西太原 030027）

鑄鋼搖枕、側(cè)架是鐵路貨車走行部的重要零件，其產(chǎn)品質(zhì)量直接關(guān)系到鐵路貨車的行車安全，為此，鐵道行業(yè)及中國(guó)鐵路總公司（原鐵道部）對(duì)該產(chǎn)品的制造、檢驗(yàn)等都有明確要求。

某搖枕、側(cè)架生產(chǎn)企業(yè)2018年7月份生產(chǎn)的一個(gè)冶煉爐次的12件轉(zhuǎn)K6型搖枕在熱處理后的探傷過程中發(fā)現(xiàn)其中5件A部位存在長(zhǎng)度不等的橫向裂紋，最長(zhǎng)的約200 mm，清除干凈后裂紋深度最深達(dá)20 mm（該部位圖紙要求壁厚為36 mm），見圖1，缺陷程度較為嚴(yán)重。

該企業(yè)是一家專業(yè)生產(chǎn)廠，有著多年的搖枕、側(cè)架生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，出現(xiàn)如此嚴(yán)重的質(zhì)量問題實(shí)屬罕見。隨后，產(chǎn)品監(jiān)造部門會(huì)同企業(yè)一同對(duì)此事展開了全面調(diào)查。

1 裂紋成因調(diào)查

首先查閱了該冶煉爐次的冶煉、澆注、探傷、檢驗(yàn)等重要記錄，均未發(fā)現(xiàn)異常；該冶煉爐次的化學(xué)成分（表1）、力學(xué)性能（表2）經(jīng)檢測(cè)符合鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求；化學(xué)成分中的殘余元素總量也在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，有害元素含量也未見異常；金相組織為正火4級(jí)，晶粒度為8級(jí)，非金屬夾雜物為Ⅲ型細(xì)系2級(jí)，均符合鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 清除干凈后的搖枕A部位橫裂紋

表1 該冶煉爐次的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 該冶煉爐次的力學(xué)性能

鑄造經(jīng)驗(yàn)表明，該爐產(chǎn)品一定是生產(chǎn)過程中某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了紕漏，要么是對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)的異常情況未進(jìn)行記錄，要么操作者和檢驗(yàn)人員對(duì)異?，F(xiàn)象缺乏認(rèn)知而沒記錄。在隨后的生產(chǎn)過程調(diào)查中證實(shí)了這一推斷。

檢查澆注工序時(shí)，發(fā)現(xiàn)澆注完的一箱搖枕（2289#和02290#）澆注異常，大量鋼水溢出箱體表面，造成大面積粘箱，見圖2.這很有可能是造成搖枕A部位裂紋的重要因素。

圖2 澆注溢鋼水造成大面積粘箱

為了證實(shí)上述推斷，查找搖枕A部位裂紋產(chǎn)生的原因，隨后對(duì)2289#和2290#兩件搖枕進(jìn)行了一系列跟蹤分析。

清砂后，2290#搖枕兩端A部位均存在目視可見裂紋。圖3為2290#搖枕其中一端A部位的橫向裂紋，長(zhǎng)度約100 mm.

圖3 2290#搖枕A部位清砂后目視可見裂紋

將鑄件表面打磨干凈，進(jìn)行熒光磁粉探傷檢查，2289#和2290#搖枕A部位均存在橫向裂紋。其中最長(zhǎng)的一條橫向裂紋長(zhǎng)度約110 mm，見圖4.

熱處理后對(duì)這兩件搖枕再次進(jìn)行了熒光磁粉探傷檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋長(zhǎng)度沒有擴(kuò)展。

最后又對(duì)2290#搖枕A部位110 mm長(zhǎng)的橫向裂紋進(jìn)行了斷口分析，見圖5.

圖5是用壓力機(jī)將裂紋處“掰開”后看到的裂紋斷面情況（由于壓力機(jī)壓力不夠大，將鑄件裂紋背面銑了一條深度約15 mm的凹槽）。從斷面上看，裂紋深度超過5 mm，最深處達(dá)10 mm，而且還存在三個(gè)直徑約2 mm、深度超過10 mm的氣孔。

圖4 2290#搖枕熒光粉探傷A部位顯示的裂紋

圖5 2290#搖枕A部位斷口

2 裂紋成因分析

該搖枕、側(cè)架生產(chǎn)企業(yè)采用酯硬化水玻璃砂造型工藝，搖枕、側(cè)架材質(zhì)為B+級(jí)鑄鋼，搖枕內(nèi)澆口開設(shè)在搖枕兩端的A部位側(cè)面。下面從應(yīng)力理論和強(qiáng)度理論兩方面對(duì)搖枕A部位裂紋進(jìn)行分析。

2.1 應(yīng)力分析

搖枕屬于箱體結(jié)構(gòu)鑄件，其壁厚差異較大，最厚處為45 mm，最薄處僅14 mm，因此鑄件凝固收縮時(shí)，各部位的冷卻速度不同，造成同一時(shí)刻收縮量不同，因此鑄件內(nèi)彼此相互制約便產(chǎn)生熱應(yīng)力。同時(shí)，鑄件由于固態(tài)相變，各部分體積發(fā)生不均衡變化又將產(chǎn)生相變應(yīng)力。

從B+級(jí)鋼材料技術(shù)條件得知，正常澆注溫度下，其自由線收縮約為2%，體收縮約為8%左右。鑄件在固態(tài)收縮時(shí)，因受到鑄型，型芯，澆冒口，箱擋及鑄件本身結(jié)構(gòu)阻礙收縮從而引起機(jī)械阻礙應(yīng)力。

熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機(jī)械阻礙應(yīng)力的矢量和超出材料的屈服極限時(shí)，鑄件將產(chǎn)生變形，超出強(qiáng)度極限時(shí)，鑄件將產(chǎn)生裂紋。

鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)，一般都會(huì)考慮這三種應(yīng)力的影響，并采取了相應(yīng)的工藝措施，例如：通過局部放置激冷砂或冷鐵，改變其凝固順序，來減少鑄件的熱應(yīng)力；通過增加型、芯的退讓性來減小鑄件的機(jī)械阻礙應(yīng)力。

澆注過程中出現(xiàn)的大面積粘箱現(xiàn)象，粘箱金屬通過鑄件出氣口和冒口與鑄件連為一體，改變了“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)”，也改變了原有工藝設(shè)計(jì)，增加了鑄件的熱應(yīng)力。由于粘箱金屬暴露在空氣中，快于鑄件凝固并收縮，當(dāng)鑄件開始凝固收縮時(shí)，粘箱金屬已凝固收縮完畢，通過出氣口、冒口的連接，將大大增加鑄件的收縮阻力，使鑄件的機(jī)械阻礙應(yīng)力顯著增加，這是造成搖枕A部位橫向裂紋的主要原因之一。

2.2 強(qiáng)度分析

由于搖枕工藝設(shè)計(jì)將內(nèi)澆口引入位置設(shè)置在搖枕兩端的A部位側(cè)面，使得該部位鑄型因鋼水流經(jīng)此處而被長(zhǎng)時(shí)間加熱，此部位鑄件幾乎最后凝固，且冷卻較慢，在鑄件冷卻、收縮過程中該部位強(qiáng)度始終最低。

從圖4裂紋斷面上還發(fā)現(xiàn)存在三個(gè)直徑約2mm、深度超過10 mm的氣孔，減小了鑄件該截面的有效面積，降低了鑄件該部位的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

澆注過程中造成的大面積粘箱，增加了鑄件的熱應(yīng)力和機(jī)械阻礙應(yīng)力，顯著增加鑄件的裂紋傾向，內(nèi)澆口位置從搖枕A部位引入，使得該部位凝固收縮時(shí)強(qiáng)度最低，氣孔的出現(xiàn)進(jìn)一步降低該部位的強(qiáng)度，從而引發(fā)搖枕在該部位開裂。

目前，該搖枕、側(cè)架生產(chǎn)企業(yè)已將澆注時(shí)鋼水溢出造成的大面積粘箱識(shí)別為異常點(diǎn)，嚴(yán)控澆注質(zhì)量，對(duì)大面積粘箱的搖枕進(jìn)行報(bào)廢處理。為了進(jìn)一步提高搖枕的產(chǎn)品質(zhì)量，已采用優(yōu)質(zhì)的注口磚及塞頭，以減少澆注過程中因鋼水包關(guān)不嚴(yán)造成的大面積粘箱，并開始研究改變搖枕內(nèi)澆口的引入位置。