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    貨車轉(zhuǎn)向架搖枕側(cè)架裂紋機(jī)理分析

    2015-07-11 04:02:10王紀(jì)濤馬偉東孫寶金
    鑄造設(shè)備與工藝 2015年2期
    關(guān)鍵詞:冷鐵冒口鑄件

    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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