側(cè)架鑄鋼件熱裂紋的形成及防止方法

盛雁龍，王文先，李志杰，張秀清，杜志強(qiáng)，賀樂義

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.鐵道部駐包頭車輛驗收室，內(nèi)蒙古 包頭 014032；3.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014032）

0 引言

轉(zhuǎn)向架在貨車上的作用是支承車體，引導(dǎo)車輛沿軌道行駛，側(cè)架是貨車轉(zhuǎn)向架的重要組成部分，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到鐵路貨車的行駛安全。側(cè)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，斷面呈箱形，屬于大型薄壁件。側(cè)架在鑄造生產(chǎn)過程中由于鑄件壁厚不均，冷卻時不能實(shí)現(xiàn)同時凝固，導(dǎo)致局部熱應(yīng)力大，形成熱裂紋的傾向性大。本文通過對熱裂的形成溫度及形成機(jī)理、影響熱裂形成的因素進(jìn)行分析，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況尋找出解決及預(yù)防側(cè)架熱裂的方法，最終消除側(cè)架熱裂紋。

1 熱裂的形成溫度及形成機(jī)理

側(cè)架的材質(zhì)為ZG25MnCrNi，其化學(xué)成分見表1。側(cè)架所用鋼中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.26%，碳當(dāng)量為0.51%，屬于亞共析鋼。亞共析鋼由液相凝固到固相要經(jīng)歷二次相變過程，熱裂紋是在凝固溫度范圍內(nèi)鄰近固相線時形成的，形成機(jī)理目前流行的兩種理論為液膜理論和強(qiáng)度理論。

表1 ZG25MnCrNi化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

液膜理論：鑄件冷卻到固相線附近時，晶體周圍還有少量未凝固液體，構(gòu)成液膜；如果鑄件收縮受到某種阻礙，變形主要集中在液膜上，晶體周圍的液膜被拉長；當(dāng)應(yīng)力足夠大時，液膜開裂，形成晶間裂紋。

強(qiáng)度理論：鑄件凝固后期，固相骨架已經(jīng)形成并開始線收縮，由于收縮受阻，鑄件在高溫區(qū)將產(chǎn)生應(yīng)力和變形；當(dāng)應(yīng)力或變形超過合金在該溫度下的強(qiáng)度極限或變形能力時，鑄件便產(chǎn)生熱裂紋。

2 裂紋取樣分析

在出現(xiàn)裂紋的鑄件上選取典型裂紋進(jìn)行外觀與顯微組織分析，如圖1所示。由圖1（a）可以明顯看出3條裂紋，裂紋呈一定延續(xù)關(guān)系；裂紋表面形狀曲折且不規(guī)則，表面寬內(nèi)部窄，由表面向內(nèi)部延伸，斷面為氧化色，無金屬光澤，裂紋被清除后的部位無夾砂、針孔、縮孔、疏松等鑄造缺陷。從裂紋的特征分析判斷，該裂紋為鑄造熱裂紋。

對裂紋部位消磁后，取樣并用酚醛樹脂鑲樣，使用飽和的苦味酸水溶液腐蝕20s，在顯微鏡下觀察，放大倍數(shù)為200倍（如圖1（b）、圖1（c）所示），金相圖中顏色比較淺的晶粒為鐵素體組織，顏色較深的晶粒是珠光體；熱裂紋比較粗大，比較寬的地方已經(jīng)超過了幾個晶粒的寬度，從圖中可以清晰地看出裂紋為沿晶界斷裂，沿晶界斷裂為熱裂紋的典型特征。電子顯微鏡放大倍數(shù)500倍，裂紋形態(tài)如圖1（d）所示，觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋的周圍并沒有發(fā)現(xiàn)第三相的出現(xiàn)，選取裂紋周圍的點(diǎn)用電鏡的能譜進(jìn)行微觀成分分析（如圖1（e）所示），可以清晰地看出裂紋區(qū)域成分除了Fe以外，沒有出現(xiàn)S和P的微觀偏析，所以確定熱裂紋不是由于S和P微觀偏析或者生成低熔點(diǎn)的相而導(dǎo)致的。

3 熱裂的判據(jù)及其試驗驗證

3.1 熱裂的判據(jù)

熱裂的凝固補(bǔ)縮模型主要是從鑄件的凝固或補(bǔ)縮狀況來預(yù)測鑄件的熱裂紋的，若補(bǔ)縮能力大于凝固收縮則不產(chǎn)生熱裂，反之，則有熱裂產(chǎn)生。

圖1 裂紋取樣分析

3.2 試驗?zāi)Ｐ图捌浣Y(jié)果分析

試驗鑄件結(jié)構(gòu)為5根從300mm到900mm長度不同的板條，板條兩端通過橫澆道和塊狀結(jié)構(gòu)，使試驗鑄件在凝固時收縮受阻。試驗采用與側(cè)架澆注工藝相同的材料、鑄型和澆注溫度。根據(jù)熱節(jié)處出現(xiàn)裂紋的情況來最終確定ZG25MnCrNi鑄件在1 565℃的條件下出現(xiàn)熱裂傾向的臨界值。具體的試驗條件如表2所示，試驗方案工藝圖如圖2所示，鑄件的實(shí)物圖如圖3所示。

表2 試驗條件

圖2 試驗方案工藝圖

圖3 鑄件的實(shí)物圖

試驗鑄件中目測可觀察的熱裂紋情況見表3。

表3 試驗件1號、2號裂紋情況

3.3 模擬結(jié)果

模擬基于原有的溫度場計算軟件，在溫度場計算的基礎(chǔ)上進(jìn)行熱裂紋數(shù)值模擬和縮孔縮松的預(yù)測。圖4為鑄件凝固過程中的溫度分析。從圖4中可以看出：加冷鐵的部分導(dǎo)致了溫度場的變化，并對后續(xù)的熱裂紋產(chǎn)生造成影響。

4 防止側(cè)架鑄鋼件熱裂產(chǎn)生的途徑

4.1 鑄型方面

提高砂型、砂芯的退讓性和潰散性可以很好地改善鑄件的抗熱裂性能。采用中間挖空的砂芯，既可以減輕砂芯的重量，又可以很好地增加砂芯的退讓性。如圖5所示的砂芯1、砂芯2和砂芯3，如能采用中空的砂芯就能很好地改善側(cè)架A、B部位的熱裂抗性。中空的砂芯一般分成兩半單獨(dú)造型，中間挖空，然后將兩半砂芯用黏合劑進(jìn)行粘接。

適當(dāng)減少硬化劑的加入量可以很好地改善砂型的退讓性。向型和芯中加入木屑、松香等附加物，這些附加物在較低的溫度下發(fā)生軟化或燒損，可以起到一定的增塑作用。

4.2 鑄件結(jié)構(gòu)方面

側(cè)架冷鐵變化示意圖如圖6所示。

圖4 鑄件凝固過程中的溫度分析

（1）在軸臺天井側(cè)上方增加冷鐵1，使凝固按照該部位底端先凝固、接近冒口部位再凝固、冒口最后凝固的順序進(jìn)行。

（2）將原在彈簧承臺轉(zhuǎn)角處增加的冒口移到立柱的中段，并在立柱的下側(cè)面增加冷鐵2，將此處原有的3條冷鐵5去掉，使立柱兩端十字交角處先凝固，中間后凝固。凝固過程中主要應(yīng)力集中在尚未凝固的中間部位，中間部位凝固的順序為底端先凝固，接近冒口的部位再凝固，冒口最后凝固，以防止如圖7所示1區(qū)域或2區(qū)域熱裂紋的出現(xiàn)。

（3）在上弦梁的上、下表面增加2塊冷鐵3，并刷激冷涂料，使該部位上、下壁相對厚度減小，實(shí)現(xiàn)該處的同時凝固。

（4）在軸臺天井側(cè)上方加冷鐵4，加速周圍區(qū)域冷卻，防止如圖7所示3區(qū)域裂紋的出現(xiàn)。

圖5 側(cè)架宜挖空砂芯示意圖

圖6 側(cè)架冷鐵變化示意圖

圖7 側(cè)架原方案裂紋出現(xiàn)部位實(shí)物圖

4.3 澆注條件方面

嚴(yán)格控制澆注溫度，盡可能地將澆注溫度控制在1 555℃～1 565℃范圍內(nèi)，并要點(diǎn)沖2次。

5 結(jié)論

本文對側(cè)架鑄鋼件的裂紋進(jìn)行金相顯微鏡和電鏡分析，確定裂紋為熱裂紋；熱裂紋產(chǎn)生不是由于S、P的微觀偏析或者低熔點(diǎn)相的出現(xiàn)引起的；現(xiàn)場考察得到正確的側(cè)架三維模型和冷鐵排布方案。

在對凝固補(bǔ)縮模型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了基于溫度場的熱裂判據(jù)，設(shè)計了用于試驗驗證的鑄件，用來直接解決側(cè)架的熱裂問題。

［1］婁延春.鑄造手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［2］黃天佑.鑄造手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］李新亞.鑄造手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［4］朱圣焱，荊濤.搖枕與側(cè)架鑄件的熱裂紋數(shù)值模擬研究［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2008（2）：28－31.

［5］王亞成.轉(zhuǎn)K2側(cè)架鑄造裂紋原因分析及改進(jìn)措施［J］.機(jī)車車輛工藝，2004（2）：43－44.