變速箱體裂紋產(chǎn)生的原因分析及改進(jìn)措施

符冬芽，鄧曉金

（中車戚墅堰機(jī)車有限公司，江蘇常州 213011）

1 鑄件介紹

某鑄造廠變速箱體采用樹脂砂鑄造，鑄件材料為HT200，輪廓尺寸為980mm×775mm×360mm，最大壁厚62.5mm（中間的軸承孔），最小壁厚15mm，鑄件重量225kg，結(jié)構(gòu)見圖1。生產(chǎn)過程中曾經(jīng)在鑄件的15mm 筋與軸承孔外圈連接部位和軸承孔的中部同時出現(xiàn)裂紋缺陷（圖2、3），造成鑄件報廢。

圖1 變速箱鑄件簡圖

2 裂紋外部特征、性質(zhì)

2.1 筋部裂紋

從圖2 可以看出，筋與法蘭連接部位裂紋呈寬度均勻的連續(xù)直線狀，經(jīng)切開觀察斷口具有金屬光澤，所以，裂紋屬冷裂紋。

圖2 筋部裂紋

2.2 軸孔中部的裂紋

首次發(fā)現(xiàn)裂紋是在機(jī)加工后，對鑄件毛坯檢查，發(fā)現(xiàn)部分鑄件該位置同樣存在缺陷，其特征為裂紋處呈凸起張開的直線狀，略有曲折，長度從半個內(nèi)孔到整個內(nèi)孔，切開觀察斷口呈暗灰的氧化色，深度在5mm～25mm 之間，屬熱裂紋。

以上分析說明兩部位的裂紋分屬兩種不同性質(zhì)的裂紋。

3 裂紋原因分析

3.1 筋部裂紋

3.1.1 鑄造應(yīng)力

鑄件的壁厚差造成其冷卻收縮不一致，產(chǎn)生鑄造應(yīng)力。箱體軸孔部位較筋板的壁厚差大，筋的冷卻和收縮快于軸孔部位較多，當(dāng)軸孔部位進(jìn)入彈性狀態(tài)時，筋板處已冷卻至較低溫度，已基本不發(fā)生收縮，而軸孔部位還要繼續(xù)收縮，收縮受到筋板的阻礙，因此在筋板產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，應(yīng)力大于鑄件強(qiáng)度極限即發(fā)生裂紋。

3.1.2 鑄件的抗裂能力

降低灰鑄鐵件材料強(qiáng)度，雖然能減小鑄件的線收縮、降低鑄鐵的彈性模量，從而使鑄件的鑄造應(yīng)力減小，但隨強(qiáng)度的降低，其抵抗裂紋的能力也降低。曾經(jīng)多次對同一品種鑄件發(fā)生裂紋和正常鑄件進(jìn)行硬度檢測對比，發(fā)現(xiàn)裂紋鑄件硬度普遍較低，如牌號為HT200、鑄件壁厚25mm 處硬度均在HBW140 以下，而未出現(xiàn)裂紋的鑄件，相同部位硬度均在HBW160 以上。這充分說明，鑄件抵抗裂紋的能力隨強(qiáng)度降低幅度大大超過應(yīng)力的減小。所以，同結(jié)構(gòu)的灰鑄鐵鑄件材料性能低時裂紋傾向相比于材料性能高時大。

3.1.3 應(yīng)力集中

收縮應(yīng)力集中在鑄件的轉(zhuǎn)角處，這已為大量生產(chǎn)實踐證明。例如同樣是薄壁件，筒類鑄件不易產(chǎn)生裂紋，而框形鑄件易發(fā)生裂紋。這是因為：前者應(yīng)力不易集聚，周邊能均衡地承擔(dān)應(yīng)力，而后者應(yīng)力易集聚在轉(zhuǎn)角處。箱體轉(zhuǎn)角處的圓角僅為5mm，極易因應(yīng)力集中造成局部斷面的高應(yīng)力。

圖3 軸承孔中部裂紋

3.2 軸孔中部裂紋

鑄件厚大部分的軸孔中部裂紋是因為鑄件凝固過程析出石墨而產(chǎn)生膨脹，在凝固后期表層已結(jié)殼，內(nèi)部析出大量石墨產(chǎn)生體積膨脹，多余體積無處釋放，形成的膨脹力使表面層承受拉應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力大于材料在該溫度下的強(qiáng)度極限，鑄件表面沿晶粒間裂開，形成裂紋缺陷。由于軸孔中部的冷卻條件最差，形成的結(jié)殼層最薄，所以裂紋產(chǎn)生于軸孔的中部，綜合以上原因，裂紋是由石墨化膨脹產(chǎn)生。該類裂紋多發(fā)生于低牌號灰鑄鐵（HT150 HT200）、大模數(shù)（1.5～4cm）的厚壁鑄件。一方面鑄件化學(xué)成分中碳、硅含量較高，石墨化膨脹量大，產(chǎn)生的膨脹力大；另一方面，鑄件較厚實鼐內(nèi)腔散熱條件差，法蘭部位凝固時間長（模數(shù)約為2cm）、結(jié)殼層薄。從發(fā)生缺陷鑄件的加工表面發(fā)暗、存在均勻分布的石墨針孔，即鑄件的厚大部分存在疏松缺陷（圖2、3），可以判定該鑄件的碳當(dāng)量較高、力學(xué)性能較低。

4 裂紋的預(yù)防措施

4.1 冷裂紋的預(yù)防措施

防止冷裂紋，必須從減少鑄造應(yīng)力、增加易裂處的強(qiáng)度和減少應(yīng)力集中傾向著手。具體的措施：適當(dāng)降低鐵液碳當(dāng)量，提高材料力學(xué)性能；增加筋的厚度，減少壁厚差；增加筋與法蘭的連接圓角。

4.2 膨脹裂紋的預(yù)防措施

為消除膨脹裂紋，必須要減少凝固末期的石墨化膨脹、增加結(jié)殼層厚度、使膨脹量釋放減少膨脹應(yīng)力。具體可采取以下措施：

（1）降低碳當(dāng)量，適當(dāng)提高牌號，一方面減少石墨化膨脹，另一方面可以增加結(jié)殼層的抗裂能力。

（2）在厚大冷卻慢的部位設(shè)置冷鐵，加快冷卻，提高厚大部分的結(jié)殼層厚度。

（3）加大內(nèi)澆道厚度或在較厚實位置設(shè)置冒口，使膨脹產(chǎn)生的金屬液部分或全部轉(zhuǎn)入冒口或澆道。

綜合以上分析，為防止變速箱的兩處裂紋，采取了降低鐵液碳當(dāng)量，提高力學(xué)性能，加大筋的厚度及筋與法蘭的連接圓角三項工藝措施。

5 效果

上述措施實施后，減少了生成石墨的膨脹量，減小膨脹脹力；增加了裂紋部位的抗裂能力；減輕了應(yīng)力集中傾向，有效防止了兩部位的裂紋缺陷，同時消除了軸承孔等厚大部位的疏松缺陷，提高了鑄件的致密度。