變速箱體裂紋產生的原因分析及改進措施

符冬芽，鄧曉金

（中車戚墅堰機車有限公司，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，結構見圖1。生產過程中曾經在鑄件的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

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直線狀，經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

首次發現裂紋是在機加工后，對鑄件毛坯檢查，發現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，長度從半個內孔到整個內孔，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的裂紋。

3 裂紋原因分析

3.1 筋部裂紋

3.1.1 鑄造應力

鑄件的壁厚差造成其冷卻收縮不一致，產生鑄造應力。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，當軸孔部位進入彈性狀態時，筋板處已冷卻至較低溫度，已基本不發生收縮，而軸孔部位還要繼續收縮，收縮受到筋板的阻礙，因此在筋板產生較大的拉應力，應力大于鑄件強度極限即發生裂紋。

3.1.2 鑄件的抗裂能力

降低灰鑄鐵件材料強度，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力減小，但隨強度的降低，其抵抗裂紋的能力也降低。曾經多次對同一品種鑄件發生裂紋和正常鑄件進行硬度檢測對比，發現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度降低幅度大大超過應力的減小。所以，同結構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 應力集中

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

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生膨脹，在凝固后期表層已結殼，內部析出大量石墨產生體積膨脹，多余體積無處釋放，形成的膨脹力使表面層承受拉應力，當應力大于材料在該溫度下的強度極限，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，形成的結殼層最薄，所以裂紋產生于軸孔的中部，綜合以上原因，裂紋是由石墨化膨脹產生。該類裂紋多發生于低牌號灰鑄鐵（HT150 HT200）、大模數（1.5～4cm）的厚壁鑄件。一方面鑄件化學成分中碳、硅含量較高，石墨化膨脹量大，產生的膨脹力大；另一方面，鑄件較厚實鼐內腔散熱條件差，法蘭部位凝固時間長（模數約為2cm）、結殼層薄。從發生缺陷鑄件的加工表面發暗、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量較高、力學性能較低。

4 裂紋的預防措施

4.1 冷裂紋的預防措施

防止冷裂紋，必須從減少鑄造應力、增加易裂處的強度和減少應力集中傾向著手。具體的措施：適當降低鐵液碳當量，提高材料力學性能；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、增加結殼層厚度、使膨脹量釋放減少膨脹應力。具體可采取以下措施：

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

（2）在厚大冷卻慢的部位設置冷鐵，加快冷卻，提高厚大部分的結殼層厚度。

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

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量，提高力學性能，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。