圖 1安裝座斷口宏觀形貌
鑄造產(chǎn)品在動車組中的應(yīng)用十分廣泛,主要涉及高速轉(zhuǎn)向架、車鉤、牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等關(guān)鍵部件。這些部件的鑄造產(chǎn)品通常由鑄鋼、鑄鐵或鑄鋁等材料制成,以滿足動車組在高速運(yùn)行過程中對強(qiáng)度、剛度和耐久性的要求。
按照材料類別區(qū)分,動車組用鑄造產(chǎn)品主要有3種：① 鋁鑄件。在牽引系統(tǒng)中,變速箱等部件的材料為鋁鑄件,這些鋁鑄件具有良好的強(qiáng)度和韌性,以滿足高速運(yùn)行時的載荷要求。② 鋼鑄件。鋼鑄件廣泛應(yīng)用于動車組的牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、聯(lián)軸器系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向架等關(guān)鍵部位,這些鋼鑄件具有高強(qiáng)度、高韌性和良好的耐磨性,可以確保動車組的安全運(yùn)行[1]。③ 鐵鑄件。鐵鑄件一般應(yīng)用于制動缸裝置及制動夾鉗裝置等部件上,鐵鑄件要求具有良好的耐磨性和耐腐蝕性[2]。
動車組鑄造產(chǎn)品的質(zhì)量要求非常嚴(yán)格[3],主要體現(xiàn)在以下幾個方面：① 內(nèi)部質(zhì)量。要求鑄件內(nèi)部無氣孔、夾雜物等缺陷,以保證其強(qiáng)度和耐久性。② 外部質(zhì)量。要求鑄件表面無裂紋、無結(jié)殼或淬紋等缺陷,以確保其外觀質(zhì)量和使用性能。③ 尺寸精度。要求鑄件尺寸精度高,符合設(shè)計要求,以保證動車組各部件之間的配合精度。
綜上所述,鑄造產(chǎn)品在動車組中的應(yīng)用現(xiàn)狀表現(xiàn)為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域、嚴(yán)格的材料要求、高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)、先進(jìn)的制造工藝和激烈的市場競爭。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場需求的變化,鑄造產(chǎn)品在動車組中的應(yīng)用將會繼續(xù)發(fā)展。
筆者對幾起鑄造產(chǎn)品的制造工藝缺陷進(jìn)行分析,分別從原始鑄造缺陷、鑄造缺陷焊修后未消除工藝缺陷、鑄造成形后機(jī)械加工不良產(chǎn)生的缺陷等3個方面對缺陷成因進(jìn)行分析,并提出了動車組鑄造產(chǎn)品全壽命周期可靠性的預(yù)防措施[4]。
1. 案例分析
1.1 鑄造產(chǎn)品的原始鑄造預(yù)裂紋缺陷
某動車組用安裝座材料為鑄造灰鐵件,其斷口宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：斷裂源附近未見宏觀塑性變形,斷口呈“粗瓷狀”形貌,整體呈脆性斷口宏觀特征；斷口局部可見紅褐色覆蓋物（圖1中b、c標(biāo)記處）,斷裂源位于箭頭標(biāo)記處。
將有紅褐色覆蓋物的試樣置于掃描電鏡（SEM）下觀察,并對其進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖2,3所示。斷口上紅褐色覆蓋物為鑄造時期的沙箱內(nèi)壁涂料,安裝座零件在使用前存在原始鑄造預(yù)裂紋,在使用載荷下發(fā)生過載開裂現(xiàn)象。
圖 2安裝座斷口褐色覆蓋物SEM形貌
圖 3車鉤棘爪斷口宏觀形貌
1.2 鑄造產(chǎn)品的原始鑄造縮松缺陷
某動車組用車鉤棘爪材料為鑄鐵件,其斷口宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：開裂起始位置表面為U型槽口結(jié)構(gòu),該部位為棘爪有效截面積最小部位。
用掃描電鏡（SEM）分析棘爪斷裂源區(qū)及心部,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：棘爪斷裂源區(qū)及心部存在多處疏松與縮孔缺陷。說明車鉤棘爪存在原始鑄造縮松缺陷,在使用載荷下發(fā)生過載開裂現(xiàn)象。
圖 4車鉤棘爪斷口SEM形貌
1.3 鑄造產(chǎn)品的原始鑄造冷隔缺陷
某動車組用風(fēng)擋拉桿系統(tǒng)的調(diào)整套材料為07Cr19Ni10鑄造不銹鋼件。調(diào)整套外觀及缺陷位置如圖5所示。將調(diào)整套表面缺陷打開,斷口宏觀形貌如圖6所示。由圖6可知：調(diào)整套缺陷位置原始斷口呈氧化銹蝕色（見圖6中箭頭標(biāo)記處）,其余呈金屬色區(qū)域為人工打開斷口。說明調(diào)整套上的缺陷為鑄造冷隔缺陷。
圖 5調(diào)整套外觀及缺陷位置
圖 6調(diào)整套人工打開斷口宏觀形貌
1.4 鑄造產(chǎn)品的原始鑄造熱裂紋缺陷
某動車組用夾緊箍材料為鑄鋼件。夾緊箍外觀及缺陷位置如圖7所示。對疑似缺陷區(qū)域進(jìn)行磁粉檢測,發(fā)現(xiàn)有3個區(qū)域顯示磁痕,分別編號為1#、2#、3#區(qū)域。由圖7可知：這3個區(qū)域的磁痕顯示具有斷續(xù)曲折分布特征。
圖 7夾緊箍外觀及缺陷位置
3個缺陷區(qū)域截面微觀形貌如圖8所示。由圖8可知：1#~3#區(qū)域的缺陷均為裂紋形態(tài),裂紋兩側(cè)均有明顯脫碳現(xiàn)象。說明夾緊箍的缺陷為鑄造熱裂紋。
圖 8夾緊箍缺陷微觀形貌
1.5 鑄造產(chǎn)品熱處理工藝缺陷
某動車組用下擺臂底座材料為鑄造鋁合金。下擺臂底座外觀及斷裂位置如圖9所示,斷裂位置見標(biāo)記處,斷裂處未見明顯塑性變形特征。將底座解剖后,鑄件心部可見縮孔缺陷。斷面粗糙且有發(fā)亮的小刻面,呈典型的脆性斷口特征。下擺臂底座顯微組織形貌如圖10所示。由圖10可知：下擺臂底座顯微組織為α-Al基體+針狀和片狀共晶硅+少量塊狀初生硅。結(jié)果表明,下擺臂底座的顯微組織為未變質(zhì)狀態(tài),針狀共晶硅切割了基體的連續(xù)性,易在沖擊載荷作用下沿共晶硅針處發(fā)生脆性開裂現(xiàn)象。
圖 9下擺臂底座外觀及斷裂位置
圖 10下擺臂底座顯微組織形貌
1.6 鑄造缺陷焊修工藝引起的缺陷
某動車組用夾緊箍材料為E260-450-MS鑄鋼件。夾緊箍外觀及缺陷位置如圖11所示。夾緊箍缺陷位于裝配面局部區(qū)域[圖11（a）中方框區(qū)域],缺陷宏觀呈不規(guī)則分布的凹坑形貌,凹坑底部光滑。夾緊箍缺陷處微觀形貌如圖12所示。由圖12可知：凹坑底部存在焊接熱影響區(qū),凹坑表面存在多條微裂紋。結(jié)果表明,夾緊箍凹坑缺陷是由局部焊補(bǔ)金屬與母材熔合不良引起的,產(chǎn)生該缺陷的主要原因為鑄件的焊修工藝參數(shù)不良。
圖 11夾緊箍外觀及缺陷位置
圖 12夾緊箍缺陷處微觀形貌
1.7 鑄造成形后機(jī)械加工不良產(chǎn)生的缺陷
某動車組用接地軸箱蓋材料為GE230N鑄鋼件。軸箱蓋外觀及缺陷微觀形貌如圖13所示。磁痕聚集處缺陷呈裂紋特征,深度約為0.54 mm,裂紋起始處未見原始鑄造缺陷,裂紋兩邊未見氧化脫碳現(xiàn)象,裂紋擴(kuò)展路徑為穿晶。將裂紋人工打開,使用掃描電鏡觀察斷口,可見疲勞條帶,呈疲勞斷口微觀特征（見圖14）。說明接地軸箱蓋缺陷為裂紋,產(chǎn)生原因為在鑄造成形后,機(jī)械加工變截面過渡處存在應(yīng)力集中,在服役過程中的交變載荷作用下產(chǎn)生疲勞源,并發(fā)生擴(kuò)展,直至形成宏觀裂紋。
圖 14軸箱蓋缺陷打開后斷口SEM形貌
2. 分析與討論
通過對上述7個動車組典型鑄造產(chǎn)品的缺陷案例進(jìn)行分析,可知動車組用鑄造產(chǎn)品制造工藝產(chǎn)生的缺陷主要有原始鑄造缺陷、不良的顯微組織、焊修后未消除的原始缺陷、機(jī)械加工不良產(chǎn)生的缺陷等。一般情況下,鑄造產(chǎn)品制造工藝產(chǎn)生的缺陷框圖如圖15所示。
圖 15動車組鑄造產(chǎn)品制造工藝產(chǎn)生的缺陷框圖
2.1 原始鑄造缺陷對鑄造產(chǎn)品的影響
原始鑄造缺陷對鑄造產(chǎn)品的影響主要有以下幾個方面[5]。
（1）結(jié)構(gòu)完整性：鑄造缺陷如孔洞、裂紋等會破壞鑄件的結(jié)構(gòu)完整性,影響其承載能力和使用壽命。例如,氣孔和縮松會降低鑄件的強(qiáng)度和致密度,而裂紋則會導(dǎo)致鑄件在受力時斷裂。
（2）外觀質(zhì)量：鑄造缺陷會導(dǎo)致鑄件表面出現(xiàn)凹坑、凸起、氣孔等,嚴(yán)重影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量。這不僅降低了產(chǎn)品的美觀性,還可能影響產(chǎn)品的市場接受度。
（3）使用性能：鑄造缺陷會影響鑄件的使用性能,如降低其耐磨性、耐腐蝕性和疲勞強(qiáng)度等,從而影響產(chǎn)品的可靠性和安全性。
2.2 不良的顯微組織對鑄造產(chǎn)品的影響
不良的顯微組織對鑄造產(chǎn)品的影響主要有以下幾個方面。
（1）力學(xué)性能降低,如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度等指標(biāo)降低。不良的顯微組織意味著金屬內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分分布等不均勻或存在缺陷,這些都會導(dǎo)致鑄件的力學(xué)性能降低。例如,鑄件在使用過程中容易發(fā)生塑性變形和斷裂等現(xiàn)象,影響其使用壽命和安全性能[6]。
（2）物理性能降低,如熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等物理性能降低。不良的顯微組織會影響鑄件的物理性能,使其在高溫或低溫環(huán)境下的性能降低。這可能導(dǎo)致鑄件在特定工作環(huán)境下的性能不穩(wěn)定,影響設(shè)備的安全運(yùn)行。
（3）化學(xué)性能降低,如耐腐蝕性、氧化性降低。不良的顯微組織可能導(dǎo)致鑄件的耐腐蝕性和氧化性降低,使其在特定環(huán)境下出現(xiàn)腐蝕和氧化等問題。這將嚴(yán)重影響鑄件的使用壽命和可靠性。
2.3 焊修后未消除原始缺陷對鑄造產(chǎn)品的影響
焊修后未消除原始缺陷對鑄造產(chǎn)品的影響主要有以下幾個方面。
（1）力學(xué)性能降低。焊接過程中未消除的原始缺陷,如未熔合、裂紋、夾渣等,會進(jìn)一步降低鑄件的力學(xué)性能。這些缺陷會導(dǎo)致焊縫的有效承載面積減小,應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇,從而使鑄件在承受載荷時容易發(fā)生斷裂或塑性變形。
（2）密封性受損。對于壓力容器、管道等需要保證密封性的鑄件,焊修后未消除的氣孔、未焊透等缺陷會使設(shè)備內(nèi)部或外部發(fā)生泄漏事故。
（3）耐腐蝕性降低和疲勞壽命縮短。原始缺陷處的金屬組織通常與正常焊縫不同,更容易受到腐蝕介質(zhì)的作用,從而加快鑄件的腐蝕速率。此外,這些缺陷也是疲勞裂紋的萌生地,會縮短鑄件的疲勞壽命[7]。在交變載荷作用下,缺陷處的應(yīng)力集中會加速裂紋的擴(kuò)展,最終導(dǎo)致鑄件疲勞斷裂[8]。
2.4 機(jī)械加工不良產(chǎn)生的缺陷對鑄造產(chǎn)品的影響
機(jī)械加工不良產(chǎn)生的缺陷對鑄造產(chǎn)品的影響主要有以下幾個方面。
（1）力學(xué)性能降低。機(jī)械加工不良可能導(dǎo)致鑄造產(chǎn)品表面或內(nèi)部出現(xiàn)裂紋、劃痕、凹坑等缺陷,這些缺陷會破壞材料的連續(xù)性,降低產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能。特別是在承受高應(yīng)力或高載荷的部件中,這些缺陷可能導(dǎo)致產(chǎn)品在使用過程中發(fā)生斷裂或失效。
（2）尺寸精度降低。機(jī)械加工不良可能導(dǎo)致鑄造產(chǎn)品的尺寸精度超出允許的公差范圍,影響產(chǎn)品的裝配和使用性能[9]。
3. 結(jié)語
對動車組用鑄造產(chǎn)品在制造過程中出現(xiàn)的工藝缺陷進(jìn)行了深入的研究和分析。動車組用鑄造產(chǎn)品的制造工藝缺陷是一個復(fù)雜而重要的問題。通過優(yōu)化鑄造工藝、嚴(yán)格選擇材料與控制質(zhì)量、合理設(shè)計熱處理工藝以及建立完善的缺陷預(yù)防和修復(fù)機(jī)制等措施,可以有效降低鑄造缺陷的發(fā)生概率,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。同時,鑄造企業(yè)應(yīng)持續(xù)關(guān)注行業(yè)動態(tài)和技術(shù)發(fā)展,不斷改進(jìn)和創(chuàng)新制造工藝,以滿足市場需求。
文章來源——材料與測試網(wǎng)