HT250灰鑄鐵曳引機(jī)底座斷裂分析*

陳桂豐，周 崎，李 浩，龍賽瓊

（廣州海關(guān)技術(shù)中心，廣州 510623）

0 引言

電梯是一種對(duì)人身安全關(guān)系重大的特種設(shè)備，隨著電梯在城市中的應(yīng)用越來越普及，電梯安全已成為社會(huì)焦點(diǎn)。曳引機(jī)是電梯動(dòng)力來源，也是整部電梯的安全核心，而曳引機(jī)底座則關(guān)系其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其失效往往會(huì)造成較為嚴(yán)重的事故。機(jī)座通常尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚差別大，在生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)鑄造缺陷，鑄造工藝制定方面難度較大，需要進(jìn)行反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證，工藝需嚴(yán)格控制才能保證質(zhì)量。對(duì)失效件進(jìn)行分析，能確定其工藝、原材料、設(shè)計(jì)是否存在問題，從而給工藝制定提供有力支撐，時(shí)效分析一直都是提高產(chǎn)品質(zhì)量最有效的手段之一。此次開裂的電機(jī)底座使用的材料為珠光體類型的灰鑄鐵HT250，其強(qiáng)度、耐磨性、耐熱性均較好，減振性良好，鑄造性能較優(yōu)，需進(jìn)行人工時(shí)效處理。可用于要求高強(qiáng)度和一定耐蝕能力的泵殼、容器、塔器、法蘭、填料箱本體及壓蓋、碳化塔、硝化塔等；還可制作機(jī)床床身、立柱、氣缸、齒輪以及需經(jīng)表面淬火的零件。灰鑄鐵的力學(xué)性能與基體的組織和石墨的形態(tài)有關(guān)，灰鑄鐵中的片狀石墨對(duì)基體的割裂嚴(yán)重，在石墨尖角處易造成應(yīng)力集中，灰鑄鐵件的裂紋，一般以冷裂為主，并產(chǎn)生在壁厚過渡、壁交界及結(jié)構(gòu)薄弱處。

1 來樣情況

某公司生產(chǎn)的一批灰鑄鐵曳引機(jī)底座中有6個(gè)出現(xiàn)了裂紋，均在幾何結(jié)構(gòu)突變處，該批次產(chǎn)品采用了新的鑄造工藝，其中一個(gè)機(jī)座上的裂紋呈直線貫穿整個(gè)壁厚，位于倒角處，如圖1所示箭頭處，而其他有問題機(jī)座上的裂紋也都呈現(xiàn)相同特征。

圖1 電機(jī)底座 Fig.1 Motor base

2 裂紋分析

2.1 宏觀分析

將裂紋區(qū)域用切取下后，用拉力機(jī)打開裂紋，裂紋斷面如圖2所示，裂紋斷面上有較多油漆痕跡，可以判斷裂紋在噴漆前已經(jīng)存在。斷口氧化色由A區(qū)向B區(qū)逐漸減輕，證明源區(qū)在A區(qū)［1］。斷口未見機(jī)械損傷。

圖2 斷口Fig.2 Fracture

2.2 斷口顯微分析

對(duì)裂紋斷面進(jìn)行酒精超聲清洗后，采用日立S－3400 N電子顯微鏡對(duì)A區(qū)直角位進(jìn)行觀察，斷口較其他位置平坦，且沿特定組織開裂，氧化情況也最嚴(yán)重，可判斷A區(qū)直角位為裂紋源區(qū)，如圖3所示。斷口未見疏松、縮孔、夾雜等冶金缺陷，但斷面沿特定組織開裂為不正?，F(xiàn)象。B區(qū)斷口為沿石墨及珠光體斷裂形貌，未見異常，如圖4所示。

圖3 A區(qū)形貌Fig.3 Morphology of area A

圖4 B區(qū)形貌Fig.4 Morphology of area B

3 理化檢驗(yàn)

3.1 化學(xué)成檢測(cè)

采用GB／T 4336－2016、GB／T 20123－2006標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)機(jī)座進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示機(jī)座材質(zhì)符合HT250材質(zhì)要求，結(jié)果如表1所示。

表1 化學(xué)成分Table 1 Chemical composition

3.2 金相分析

根據(jù)GB／T 7216－2009《灰鑄鐵金相檢驗(yàn)》對(duì)A區(qū)附近進(jìn)行金相檢測(cè)，結(jié)果中石墨分布形態(tài)為距離表面3 mm范圍內(nèi)為E型石墨，中心部位為A型石墨，不符合C型以上的技術(shù)要求，A型石墨為理想石墨形態(tài)，而E型石墨力學(xué)性能上具有方向性，是鑄件中不希望出現(xiàn)的［2］，石墨長(zhǎng)度處于下限，珠光體數(shù)量合格，碳化物、磷共晶、共晶團(tuán)數(shù)量也在正常范圍內(nèi)［3］，如表2所示。

表2 金相檢測(cè)結(jié)果Table 2 Metallographic examination results

A區(qū)直角位存在強(qiáng)烈的枝晶排列的石墨組織，為E型石墨類型；經(jīng)腐蝕后可見共晶碳化物呈枝晶柱狀分布，如圖6和圖8所示。

圖5 鑄件中部石墨A型Fig.5 Graphite A

圖6 A區(qū)直角位均為石墨E型Fig.6 Graphite A at right angle of zone A

圖7 共晶團(tuán)數(shù)量3級(jí)Fig.7 Number of eutectic clusters Grade 3

圖8 A區(qū)直角位金相組織Fig.8 Metallographic structure of zone A at right angle

3.3 硬度分析

根據(jù)GB T 231.1－2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn)方法》檢測(cè)得機(jī)座硬度值為181 HBW，符合技術(shù)要求的不大于229 HBW。

4 綜合討論

灰鑄鐵鑄造應(yīng)力由金屬在凝固后的收縮引起，型芯妨礙收縮的鑄件會(huì)引起拉應(yīng)力，不同的冷卻速度使先冷卻的薄壁妨礙后冷卻的厚壁收縮，在厚處產(chǎn)生拉應(yīng)力，薄處產(chǎn)生壓應(yīng)力［5］。鑄造應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生熱裂或冷裂，熱裂是鑄件在凝固后期或凝固后在較高溫度下形成的裂紋，其斷面嚴(yán)重氧化，無金屬光澤，裂口沿晶粒邊界產(chǎn)生和發(fā)展，外形曲折而不規(guī)則。冷裂紋是鑄件凝固后冷卻到彈性狀態(tài)時(shí)，因局部鑄造應(yīng)力大于合金極限強(qiáng)度而引起的開裂。冷裂紋總是發(fā)生在冷卻過程中承受拉應(yīng)力的部位，特別是拉應(yīng)力集中的部位，經(jīng)驗(yàn)表明，尺寸較大、中空而壁薄的床身、箱體、蓋罩、盒殼及框形鑄件最容易產(chǎn)生冷裂，這類鑄件的相對(duì)線收縮率大，冷卻收縮時(shí)受到砂芯阻礙，導(dǎo)致敞口轉(zhuǎn)角、壁厚轉(zhuǎn)變等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱處形成應(yīng)力集中，成為裂紋起始點(diǎn)［6］。同時(shí)鑄件開箱過早，落砂溫度過高，在清砂時(shí)受到碰撞、擠壓都會(huì)引起鑄件開裂［7］。

機(jī)座裂紋呈連續(xù)直線，斷口干凈具有金屬光澤，源區(qū)輕微氧化，未見沿晶界斷裂；裂紋正好處于變截面倒角處，該區(qū)域有較大應(yīng)力集中，而且該批次的電機(jī)底座縮短了開箱時(shí)間，提高了落砂溫度，增加了冷裂的風(fēng)險(xiǎn)，分析認(rèn)為屬于鑄造應(yīng)力引起的冷裂。裂紋源區(qū)存在強(qiáng)烈的枝晶排列的石墨組織及枝晶柱狀分布的共晶碳化物，為不正常鑄造組織，當(dāng)出現(xiàn)裂紋后，裂紋就容易沿碳化物及石墨間的連接迅速擴(kuò)展［6］。機(jī)座斷口宏觀未見異常，化學(xué)成分及硬度檢驗(yàn)結(jié)果也符合技術(shù)要求。

防止鑄件冷裂的措施主要有，適當(dāng)加大厚壁和薄壁交接處的過渡圓角，以減少應(yīng)力集中，提高Si／C值，以提高材料強(qiáng)度，嚴(yán)格控制開箱時(shí)間，鑄件冷卻速度應(yīng)均勻，減少局部溫度梯度［8］，改善砂芯的退讓性。

5 結(jié)束語(yǔ)

電機(jī)底座化學(xué)成分、硬度檢驗(yàn)結(jié)果符合HT250要求，裂紋源區(qū)存在強(qiáng)烈的枝晶排列的石墨組織及枝晶柱狀分布的共晶碳化物，加速裂紋擴(kuò)展，機(jī)殼裂紋屬于鑄造應(yīng)力引起的冷裂。