HT150離心鑄造機用冷模開裂原因分析

郭亞森 郭利斌 王 博

(中信重工機械股份有限公司質(zhì)量保證部，河南471000)

管模是離心鑄造機上的關(guān)鍵部件，每次生產(chǎn)循環(huán)時，管模都受到鐵水高溫加熱和環(huán)境冷卻的交互作用，同時旋轉(zhuǎn)速度非常高，冷模還會受到摩擦力和震動沖擊力的作用，工作環(huán)境非常惡劣。

某840離心鑄造機用冷模，重量9440 kg，在離心澆鑄某高鉻鑄鐵零件過程中，當(dāng)澆鑄鐵水約3400 kg時發(fā)生開裂事故，在失效開裂冷模上取樣分析以判定開裂原因。開裂冷模的結(jié)構(gòu)見圖1。

1 試驗設(shè)備及手段

使用100 t型液壓萬能試驗機壓制斷口，觀察其宏觀斷口形貌；使用ZEISS MAT200型金相顯微鏡觀察其金相組織；使用ZEISS EVO18型掃描電子顯微鏡觀察其斷口微觀形貌；使用SANS 60 t液壓電子萬能試驗機進行拉伸試驗。

2 實驗過程與結(jié)果

2.1 宏觀斷口分析

由于冷模開裂以后，裂開的幾部分被雨水沖淋，在現(xiàn)場查看時斷口已經(jīng)嚴重銹蝕，無法判斷裂紋源位置，也無法觀察斷口宏觀特征。其中一部分斷口形貌見圖2，從圖2及現(xiàn)場查看發(fā)現(xiàn)，冷模大體上等分開裂為四部分，裂紋面全部通過圖1中銷釘孔的部位。按圖2中劃線所示位置取樣分析。

取下的三塊斷口試片見圖3，從左至右分別編為1#、2#、3#。沿畫線位置開槽并壓制斷口，斷口形貌見圖4。由斷口形貌可見，冷模從端頭(1#試片)到心部(3#試片)，從要承受高溫的內(nèi)表面(2#試片左側(cè))到外表面(2#試片右側(cè))斷口形貌無明顯差異，無石墨偏聚現(xiàn)象，斷口上無明顯的疏松、夾渣等鑄造缺陷。

圖1 開裂冷模結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structure diagram of cracking cooled metal mold

圖2 開裂冷模的部分斷口形貌Figure 2 Partial fracture morphology of cracking cooled metal mold

2.2 微觀斷口分析

如圖4(b)中方框所示，在2#斷口試片的內(nèi)壁和外壁分別切取斷口微觀分析試樣，分別編為21和22。使用掃描電鏡觀察其微觀斷口形貌，見圖5。由圖可見，冷模內(nèi)外壁斷口形貌均為解理斷裂，基體斷口形貌無明顯差別。

圖3 取下的斷口試片及斷口切槽位置Figure 3 The fracture test piece and the groove position of the fracture

(a)1#試片

(b)2#試片

(c)3#試片
圖4 宏觀斷口形貌
Figure 4 Macroscopic fracture morphology

(a)21試樣 100×(b)21試樣 1000×(c)21試樣 2000×(d)22試樣 100×

圖5 微觀斷口形貌Figure 5 Microscopic fracture morphology

圖6 石墨分布形狀Figure 6 Graphite distribution shape

圖7 基體組織
Figure 7 Microstructure of the base

2.3 金相分析

2.4 拉伸性能檢測

在3#試片的冷模內(nèi)外壁位置分別取一個拉伸試棒，編號為31(內(nèi)壁)和32(外壁)，檢測結(jié)果見表1。可見，冷模的本體拉伸性能指標(biāo)達不到該材質(zhì)150 MPa的指標(biāo)要求。

表1 冷模本體試棒拉伸性能檢測結(jié)果Table 1 Test results of tensile properties of cooled metal mold body test bar

3 分析討論

前述理化檢測情況表明，冷模材質(zhì)中不存在石墨漂浮、共晶團、碳化物等會降低材料使用性能的不良組織，但其在使用兩次后的本體力學(xué)性能偏低，強度不滿足牌號標(biāo)示的150 MPa這一指標(biāo)。而且冷模開裂部位全部位于銷釘孔的縱向母線上，該位置因銷釘孔的存在成為冷模結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)，又進一步降低冷模的承載能力。然而，雖然強度指標(biāo)偏低，一定程度上會導(dǎo)致冷模不能經(jīng)受離心力的作用而開裂，但是由于安全系數(shù)的存在，冷模并不會因為強度偏低而僅使用兩次就開裂，因此導(dǎo)致冷模開裂必然另有原因。

在離心澆鑄機冷模的實際使用過程中，當(dāng)鐵水澆入冷模時，冷模內(nèi)表面的溫度迅速升高，而冷模外表面則仍保持較低的溫度。因冷模內(nèi)表面的溫度高于中間層的溫度，內(nèi)表面的熱膨脹量大于中間層的熱膨脹量，因而使內(nèi)表面受到壓應(yīng)力的作用，外表面受到拉應(yīng)力的作用[1]。剛澆注時，冷模內(nèi)外表面溫差最大，如果冷模預(yù)熱溫度不合適就投入生產(chǎn)，或者冷模上存在裂紋，就會迅速在離心力作用下發(fā)生開裂。

此外，如果冷模加工精度不夠，或者受到摩擦力過大或者出現(xiàn)異常摩擦的情況，比如冷模端面與端蓋之間松動產(chǎn)生摩擦，以及輥道面與托輪配合不良產(chǎn)生異常摩擦等，就會導(dǎo)致冷模在轉(zhuǎn)動過程中出現(xiàn)異常震動[2-3]。而當(dāng)震動超過一定程度時，加上冷模選用的是抗沖擊能力較差的灰鑄鐵材質(zhì)，這就會導(dǎo)致冷模在震動沖擊和離心力以及熱應(yīng)力的共同作用下發(fā)生開裂。

有研究[4]表明，裂紋在灰鑄鐵中沿與外應(yīng)力垂直的片狀石墨與基體的界面連續(xù)擴展，擴展速率較球鐵和蠕墨鑄鐵中要大。也就是說，開裂冷模所選用的灰鑄鐵材質(zhì)，在產(chǎn)生原始裂紋后，抵抗裂紋擴展的能力較差。

因此，導(dǎo)致冷模開裂的原因是復(fù)雜多樣的，可能是多種因素共同作用造成的。這些因素主要有：冷模選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計不恰當(dāng)、預(yù)熱溫度不合適、內(nèi)表面檢修不徹底、受到異常摩擦或震動沖擊，以及材質(zhì)性能偏低。

4 預(yù)防措施

根據(jù)前述綜合分析，結(jié)合生產(chǎn)實際，提出了以下合理化建議：

(1)冷模材質(zhì)和結(jié)構(gòu)要求具有一定的強度，盡量選用球墨鑄鐵或低碳鋼等材質(zhì)；同時避免結(jié)構(gòu)突變和應(yīng)力集中等情況，以防冷模在高溫鐵水和離心力的作用下發(fā)生早期破裂。

(2)冷模和托輪配合部分的加工應(yīng)當(dāng)精準(zhǔn)，盡量減少離心機本身的震動；防止機身各聯(lián)接部分松動，或配合不良而引起震動；端蓋螺栓應(yīng)旋緊，端蓋與冷模接觸面的雜質(zhì)應(yīng)予以處理干凈；同時安全罩必須堅固，使整個離心機均在罩內(nèi)。

(3)對離心機必須有嚴格的檢修制度。每次使用前，應(yīng)將冷模預(yù)熱到適當(dāng)溫度，避免冷模的溫度過高或過低，減少內(nèi)外表面溫度差，提高冷模壽命。零件澆鑄完成以后，必須按工藝要求清理冷模，將冷模內(nèi)壁的雜質(zhì)和鐵渣刷除干凈。

后續(xù)生產(chǎn)過程中，根據(jù)以上建議，將冷模材質(zhì)更換為球墨鑄鐵，并加強了澆鑄前的預(yù)熱和澆鑄后的檢修，新冷模至今已重復(fù)使用16次，尚未發(fā)現(xiàn)裂紋等嚴重缺陷。

5 結(jié)論

(1)開裂冷模選用的灰鐵150材質(zhì)，強度偏低。冷模開裂于銷釘孔所在縱向母線上，該部位為冷模結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)。這是導(dǎo)致冷模開裂的主要原因。

(2)后續(xù)生產(chǎn)中，采取更換冷模材質(zhì)、加強檢修和提高生產(chǎn)安裝精度等措施以后，有效避免了冷模早期開裂問題的重復(fù)發(fā)生。