淺談軌道交通鑄鋼件的質(zhì)量控制

賈 旭，曹健峰，李亞軍，楊萬銀，嚴(yán)運(yùn)濤

（中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213011）

0 引言

《中國制造2025》指出，軌道交通裝備作為重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，核心基礎(chǔ)零部件是制約創(chuàng)新發(fā)展和質(zhì)量提升的癥結(jié)所在，鑄鋼件作為重要的組成部分，安全、可靠是最基本的要求。隨著列車運(yùn)行速度等級(jí)的提高、運(yùn)行工況的復(fù)雜程度的提高、乘客乘坐舒適性經(jīng)濟(jì)性地提升，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求不斷地升級(jí)，對(duì)處于產(chǎn)品鏈前端工序的鑄造工藝提出了較高地要求，主要從鑄鋼件的材料要求、產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量、外觀質(zhì)量、尺寸等方面提出了較為苛刻地要求。

軌道交通裝備主要產(chǎn)品包括車鉤緩沖裝置用鉤體、安裝座、鉤尾座、對(duì)中支架等鑄鋼件；轉(zhuǎn)向架用軸箱體、中心銷、中心銷座等鑄鋼件；制動(dòng)系統(tǒng)用軸裝制動(dòng)盤、輪裝制動(dòng)盤、制動(dòng)夾鉗等鑄鋼件。大部分產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，薄壁箱體類結(jié)構(gòu)，壁厚不均勻，壁厚差相對(duì)較大；承受復(fù)雜的載荷包括拉伸作用力、壓縮作用力、縱向沖擊載荷；部分產(chǎn)品運(yùn)行過程中承受巨大的制動(dòng)熱負(fù)荷及熱沖擊，從而引起很高的溫度梯度，帶來很高的熱應(yīng)力[1]，需要產(chǎn)品具備良好的高溫力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能以及低的彈性模量和熱膨脹系數(shù)，較高的熱疲勞強(qiáng)度。

1 技術(shù)要求

1.1 材料要求

為提高產(chǎn)品的疲勞壽命，鑄鋼件材料不再僅僅局限于常規(guī)化學(xué)成分地控制，部分產(chǎn)品對(duì)鋼中氣體提出較為嚴(yán)格的要求，例如氧含量≤0.010%，氫含量≤0.0003%，氮含量≤0.015%；對(duì)力學(xué)性能提出了較高的要求，例如某產(chǎn)品要求抗拉強(qiáng)度≥1050MPa，同時(shí)要求斷后伸長率≥8%；部分產(chǎn)品對(duì)非金屬夾雜物提出Ⅱ型夾雜物、Ⅳ型夾雜物不大于1 級(jí)的要求；部分產(chǎn)品對(duì)低溫沖擊韌性提出了較高的要求，要求-40℃的條件下Akv≥27J。

1.2 內(nèi)部質(zhì)量要求

鑄件的內(nèi)在質(zhì)量直接關(guān)系列車的運(yùn)行安全，對(duì)其質(zhì)量的控制方法主要通過射線探傷和超聲波探傷實(shí)現(xiàn)。軌道交通裝備用鑄鋼件大部分要求進(jìn)行射線探傷，缺陷等級(jí)的要求不超過ASTME446中規(guī)定A 類、B 類、C 類的2 級(jí)，不允許有D、E、F、G 四類缺陷；標(biāo)準(zhǔn)TB 2980 規(guī)定通過超聲波探傷檢測鑄鋼制動(dòng)盤的內(nèi)部質(zhì)量，具體規(guī)定為：距離盤體摩擦面8mm 厚度范圍內(nèi)不應(yīng)存在縮松缺陷，距離盤體摩擦面12mm 范圍內(nèi)不允許存在大于?2mm 當(dāng)量平底孔的缺陷。

1.3 表面質(zhì)量要求

鑄件的表面缺陷，不僅影響產(chǎn)品的美觀度，而且一定程度降低了產(chǎn)品的使用壽命，所以主機(jī)企業(yè)對(duì)外觀提出了更高的要求，主要通過目視檢查及磁粉探傷檢查進(jìn)行控制。目視檢查的部分外觀要求如下：鑄件毛坯表面允許存在直徑不大于?1.5mm，深度不大于2mm 的分散性非裂紋缺陷，在每100cm2上不多于3 個(gè)，距離邊緣或孔邊不小于10mm，間距不大于20mm；部分加工面不允許存在≥?1mm 的氣孔。技術(shù)要求均對(duì)鑄鋼件提出了磁粉探傷要求，部分鑄件要求關(guān)鍵區(qū)域的缺陷等級(jí)需滿足GB/T 9444 中質(zhì)量等級(jí)規(guī)定壁厚不大于16mm 的1 級(jí)缺陷要求。另外，部分鑄鋼件要求規(guī)定熱處理后不允許任何焊補(bǔ)，這對(duì)鑄鋼件的質(zhì)量穩(wěn)定性提出了非常高的要求。

1.4 尺寸要求

鑄鋼件的鑄件尺寸公差要求基本按照GB/T 6414 的DGT11 級(jí)執(zhí)行，但是對(duì)于關(guān)鍵尺寸的公差要求提出較高要求，如某產(chǎn)品壁厚尺寸22mm 而公差要求（-0.5，+0.8）mm，并且部分產(chǎn)品對(duì)形位尺寸提出了要求，如平面度、同軸度等，給鑄造的穩(wěn)定工藝保證能力提出了較大的挑戰(zhàn)。

2 質(zhì)量控制要點(diǎn)

2.1 鑄鋼件質(zhì)量策劃階段

2.1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)圖紙初稿完成后，需要和鑄造工藝設(shè)計(jì)人員進(jìn)行溝通，在不影響產(chǎn)品使用功能的情況下應(yīng)充分考慮鑄造工藝的適用性，優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的協(xié)同開發(fā)，使產(chǎn)品的可制造性及質(zhì)量特性試驗(yàn)檢驗(yàn)的可執(zhí)行性顯著提高。

2.1.2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

通過MAGMA、ProCAST、FLOW-3D、AnyCasting 等鑄造模擬軟件對(duì)鑄造工藝方案進(jìn)行模擬分析，從流動(dòng)場、溫度場、凝固過程等計(jì)算結(jié)果進(jìn)行鑄造缺陷的預(yù)測，并進(jìn)行工藝方案優(yōu)化，確定最優(yōu)方案并形成書面的文件，并按照文件管理要求進(jìn)行受控、歸檔；同時(shí)可以結(jié)合3D 打印技術(shù)快速驗(yàn)證鑄造工藝方案的合理性[2]。

鑄造工藝方案制定后，應(yīng)召開會(huì)議進(jìn)行工藝方案評(píng)審。評(píng)審人員應(yīng)包含工藝人員、制造管理人員、質(zhì)量管理人員以及相關(guān)的專家。評(píng)審內(nèi)容應(yīng)完整、全面，不僅要包括加工余量、反變形量、工藝補(bǔ)增量、澆注系統(tǒng)、冒口、冷鐵、過濾等工藝要求，還應(yīng)包括造型線及砂箱等工裝設(shè)備的匹配要求；鑄造工藝設(shè)計(jì)過程中需要考慮工藝的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，盡可能采用通用標(biāo)準(zhǔn)冒口、整體坭芯代替拼接坭芯等方案。

2.1.3 鑄造模具設(shè)計(jì)

模具設(shè)計(jì)過程中需確認(rèn)外模及坭芯盒的設(shè)計(jì)是否滿足拆卸、裝配要求，尺寸是否符合工藝設(shè)計(jì)要求，部分非自由公差要求的尺寸是否滿足要求；同時(shí)應(yīng)考慮砂型制作過程的可操作性，主要考慮起模、搬運(yùn)、儲(chǔ)存的便捷性；模具驗(yàn)證的方式主要通過檢測模具的尺寸來實(shí)施，必要時(shí)進(jìn)行試模；模具驗(yàn)證的主要質(zhì)量特性主要包括材質(zhì)、尺寸、裝配方式、與設(shè)備的接口方式、排氣的設(shè)計(jì)、活塊的防錯(cuò)設(shè)計(jì)等。

2.2 實(shí)施階段

2.2.1 型砂質(zhì)量控制

原砂的化學(xué)成分含量、粒形系數(shù)、含水量、含泥量、粒度、灼燒減量、發(fā)氣量等，每班生產(chǎn)前進(jìn)行型砂強(qiáng)度（起模強(qiáng)度、2h 強(qiáng)度、終強(qiáng)度）、砂流量、粘結(jié)劑及固化劑的加入量等過程參數(shù)的檢測，同時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，掌握不同環(huán)境溫度下型砂強(qiáng)度的影響因素及控制方案。

2.2.2 熔煉質(zhì)量控制

原材料廢鋼、合金的成分控制是關(guān)鍵，爐襯材料、鋼包質(zhì)量、塞桿的質(zhì)量都是影響鑄件質(zhì)量的重要因素，鋼水的成分檢測、脫氧方法、澆注溫度及澆注速度將直接影響鑄件的內(nèi)在及外觀質(zhì)量。制定合理的熔煉方式、過程參數(shù)及控制方案，可以明顯提升鑄件質(zhì)量。

2.2.3 熱處理質(zhì)量控制

熱處理工藝路線、加熱溫度及保溫時(shí)間、裝爐方式將直接影響產(chǎn)品的力學(xué)性能、金相組織、晶粒度及鑄件變形量；熱處理爐的爐溫均勻性檢測及熱電偶的檢定、冷卻液的相關(guān)參數(shù)是確保同爐鑄件質(zhì)量特性保持一致性的前提條件。

2.2.4 焊補(bǔ)質(zhì)量控制

鑄鋼件缺陷的處理通常要采用焊補(bǔ)的方法處理，焊補(bǔ)工藝應(yīng)通過焊接工藝評(píng)定，確定焊材牌號(hào)、焊接坡口、焊接電流等參數(shù)，然后結(jié)合產(chǎn)品的技術(shù)要求制定具體的作業(yè)指導(dǎo)書，確定焊補(bǔ)時(shí)機(jī)、焊補(bǔ)的部位及缺陷類型，并明確缺陷的去除及確認(rèn)方法，保存相應(yīng)的焊補(bǔ)記錄。

2.3 評(píng)價(jià)及改進(jìn)階段

2.3.1 產(chǎn)品試驗(yàn)檢驗(yàn)的控制要點(diǎn)

鑄造過程是特殊過程，鑄件質(zhì)量特性的驗(yàn)證，主要通過對(duì)附鑄試棒、單鑄試棒或者本體試樣的測試，來間接檢測同一批鑄件的質(zhì)量特性，從而需要確認(rèn)鑄件的組批原則、抽檢或試棒的鑄造方式及試棒的代表性成立的條件，也就是使同批次鑄造產(chǎn)品的全部過程因素被控制在一定的范圍內(nèi)，才能保證鑄件的性能在一定的范圍內(nèi)。抽檢一定數(shù)量鑄件，分析其性能的離散性，確定鑄件性能一致性的鑄造各過程因素允許波動(dòng)的范圍，以及鑄造批次的組批規(guī)則，確認(rèn)完成后可以通過對(duì)過程因素的測控和抽檢來控制鑄件的質(zhì)量特性，以達(dá)到用抽檢來間接測量其余鑄件特性的可靠結(jié)果。在質(zhì)量策劃過程中要重點(diǎn)對(duì)鑄件的可追溯性、唯一性標(biāo)識(shí)及批次管理制定詳細(xì)的控制方案，以確保批量化生產(chǎn)過程中所有鑄件的質(zhì)量特性處于可控狀態(tài)。

2.3.2 質(zhì)量問題處理

實(shí)際生產(chǎn)過程中，鑄造缺陷成為鑄造質(zhì)量問題的最常見原因。在原因分析過程中需要選擇合適有效的質(zhì)量工具，例如采用特性要因圖及SPC統(tǒng)計(jì)過程分析等質(zhì)量工具，同時(shí)結(jié)合8D 方法及5M1E、PDCA 循環(huán)等進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，將起到較為明顯的效果。改進(jìn)的效果宜采取評(píng)審會(huì)議的形式進(jìn)行，對(duì)取得效果的措施進(jìn)行固化，同時(shí)識(shí)別需要提升的地方，并將這些資料進(jìn)行儲(chǔ)存并應(yīng)用到新項(xiàng)目和培訓(xùn)方面。

軌道交通產(chǎn)品有其特殊的要求，重要產(chǎn)品質(zhì)量的驗(yàn)證需要進(jìn)行型式試驗(yàn)、CRCC 認(rèn)證及裝車考核運(yùn)用，各階段試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)才可以說明產(chǎn)品滿足適用要求。

2.4 過程質(zhì)量管控管理要求

2.4.1 變更管理

識(shí)別影響鑄件質(zhì)量的過程關(guān)鍵因素，如型砂種類、澆注系統(tǒng)的尺寸及位置、冒口的種類及尺寸、冷鐵的厚度、生產(chǎn)設(shè)備等發(fā)生變化時(shí)，均需要進(jìn)行工藝驗(yàn)證，對(duì)相關(guān)的質(zhì)量特性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，必要時(shí)進(jìn)行首件鑒定確認(rèn)，在相關(guān)特性未確認(rèn)的情況下不得繼續(xù)生產(chǎn)；鑄造的變更一般對(duì)在制品及已發(fā)貨產(chǎn)品沒有影響，可能會(huì)對(duì)后工序的加工有一定影響，需要識(shí)別為變更項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.4.2 不合格品的管理

首先識(shí)別產(chǎn)品重要度等級(jí)，再具體細(xì)化產(chǎn)品質(zhì)量特性的重要度等級(jí)，將具體要求轉(zhuǎn)化到鑄鋼件毛坯技術(shù)條件及例行試驗(yàn)大綱中，使之具有可操作性；不合格品的管理一定程度上代表了生產(chǎn)單位的管理水平。

2.4.3 質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)管理

鑄件生產(chǎn)單位應(yīng)建立、實(shí)施和保持文件化的質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)管理過程，以識(shí)別質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)，采取與產(chǎn)品和服務(wù)的安全性影響相適應(yīng)的控制措施，適時(shí)評(píng)審措施的有效性，并持續(xù)改進(jìn)。在每個(gè)過程中都需要基于風(fēng)險(xiǎn)管理的思想，在前期的質(zhì)量策劃、工藝驗(yàn)證與確認(rèn)、產(chǎn)品生產(chǎn)制造、產(chǎn)品交付等過程中識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并運(yùn)用合適的工具方法、專家評(píng)審、知識(shí)管理成果等方法對(duì)其進(jìn)行評(píng)審，并采取有效措施對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制。

3 結(jié)束語

軌道交通裝備用鑄鋼件的質(zhì)量控制，關(guān)鍵在于過程控制，以業(yè)務(wù)流程為載體，將質(zhì)量要求融入流程的策劃、執(zhí)行、監(jiān)控、評(píng)價(jià)和改進(jìn)等環(huán)節(jié)，建立規(guī)范有效的流程來保證鑄件產(chǎn)品質(zhì)量。實(shí)施過程中，需要從產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)全過程進(jìn)行著手，詳細(xì)策劃各過程的質(zhì)量要求，不折不扣地執(zhí)行工藝要求，監(jiān)控各過程的實(shí)施情況，不斷進(jìn)行評(píng)價(jià)和改進(jìn)，全面提高產(chǎn)品質(zhì)量，提升顧客滿意度，實(shí)現(xiàn)中國速度向中國質(zhì)量的轉(zhuǎn)變。