動車組關(guān)鍵鑄鋼件質(zhì)量控制

動車組關(guān)鍵鑄鋼件質(zhì)量控制

朱正鋒，曹健峰，曹 松

（中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213000）

摘
要：介紹了動車組關(guān)鍵鑄鋼件材料技術(shù)指標(biāo)、表面質(zhì)量以及內(nèi)部質(zhì)量要求。結(jié)合部分關(guān)鍵鑄鋼件超標(biāo)磁痕缺陷、渣氣孔缺陷以及侵入性氣孔缺陷的防治過程，闡述了保證鑄件質(zhì)量的工藝舉措。

關(guān)鍵詞：動車組；鑄鋼件；鑄件質(zhì)量

隨著軌道交通高速鐵路的快速發(fā)展，中國高鐵“缺陷零容忍”和“零缺陷”的高鐵意識，對高速動車組各零部件特別是關(guān)鍵鑄鋼件的質(zhì)量要求也在不斷提升，目前應(yīng)用在高速動車組上的關(guān)鍵鑄鋼件主要有密接式車鉤（圖1a）和緩沖器、制動盤（圖1b）、安裝座（圖1c）、軸箱體（圖1d）等。對于常見的縮孔、裂紋等鑄造缺陷，通過常規(guī)工藝策劃及質(zhì)量管控手段，均能有效控制缺陷發(fā)生率，但動車組關(guān)鍵鑄鋼件對應(yīng)的質(zhì)量要求更加嚴(yán)苛，顯微縮松、針孔型氣孔等更加微小的缺陷也可能觸發(fā)鑄件報(bào)廢或返修，通過工藝措施和質(zhì)量控制方法來預(yù)防該類缺陷的產(chǎn)生，具有十分重大的意義。本文首先闡述了關(guān)鍵鑄鋼件的各項(xiàng)技術(shù)要求，隨后從關(guān)鍵鑄鋼件鋼液質(zhì)量、表面質(zhì)量以及內(nèi)部質(zhì)量三個(gè)方面剖析了其質(zhì)量保證舉措。

1　關(guān)鍵鑄鋼件技術(shù)要求1.1　材料技術(shù)指標(biāo)要求

材料技術(shù)指標(biāo)關(guān)系到鑄鋼件的各項(xiàng)綜合性能，如鑄鋼制動盤在制動工況下會受到巨大的制動熱能作用，其抵抗熱沖擊的能力完全取決于材料本身的性能，同時(shí)也需要具備良好的高溫穩(wěn)定性。這樣的工作條件對材料的要求，不再僅僅局限于常規(guī)化學(xué)成分的控制，更需要對鋼中氣體含量提出明確的嚴(yán)格要求，如，氧含量≤0.010%，氫含量≤0.00005%，氮含量≤0.015%；相應(yīng)地，對力學(xué)性能也提出了更高的要求，如抗拉強(qiáng)度≥1050MPa，斷后伸長率≥8%；另外對非金屬夾雜物也提出Ⅱ型夾雜物、Ⅳ型夾雜物不大于1級的要求。

1.2　表面質(zhì)量要求

動車組關(guān)鍵鑄鋼件的技術(shù)條件無一例外地對產(chǎn)品外觀質(zhì)量提出了很高的要求，一方面是為了產(chǎn)品的美觀，另一方面被保留下來的鑄造原始表面也有益于保持鑄件的耐蝕和耐疲勞等性能，從而提高鑄鋼件的使用壽命。如需承受疲勞載荷的轉(zhuǎn)向架——軸箱體鑄件，從下圖2中軸箱體正常運(yùn)營工況下的應(yīng)力云圖來看，雖然強(qiáng)度設(shè)計(jì)存在一定的安全裕度，但是軸箱體鑄件筋板結(jié)構(gòu)區(qū)域在動車組運(yùn)行過程中持續(xù)承受交變應(yīng)力載荷，表面鑄造缺陷的存在，將會極大影響鑄件本質(zhì)安全，因而對外觀質(zhì)量提出了非常高的要求：鑄件毛坯表面允許存在直徑不大于Φ1.5mm，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，間距不小于20mm。為了減少鑄鋼制動盤摩擦面熱疲勞裂紋的產(chǎn)生機(jī)率，技術(shù)條件中約定了缺陷等級需滿足GB/T 9444-2019中規(guī)定的壁厚不大于16mm的1級缺陷磁粉探傷要求。另外，部分關(guān)鍵鑄鋼件不允許任何形式的焊補(bǔ)，這對鑄鋼件的質(zhì)量穩(wěn)定性提出了非常高的要求。

1.3　內(nèi)部質(zhì)量要求關(guān)鍵鑄鋼件的內(nèi)在質(zhì)量直接關(guān)系列車的運(yùn)行安全，對其質(zhì)量的控制方法主要通過射線探傷或超聲波探傷實(shí)現(xiàn)。動車組用關(guān)鍵鑄鋼件大部分要求進(jìn)行射線探傷，如軸箱體鑄鋼件射線探傷缺陷等級要求關(guān)鍵區(qū)域的缺陷不超過ASTM E446中規(guī)定A類、B類、C類的2級，不允許有D、E、F、G四類缺陷，首列車100%射線探傷，全部合格后才能降低檢測頻次；標(biāo)準(zhǔn)TB/T2980-2014《機(jī)車車輛用制動盤》規(guī)定通過超聲波探傷檢測鑄鋼制動盤的內(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)不允許存在大于直徑2mm當(dāng)量平底孔的缺陷。2　關(guān)鍵鑄鋼件質(zhì)量保證舉措

關(guān)鍵鑄鋼件由于其較高的質(zhì)量要求，在設(shè)計(jì)開發(fā)初期便利用MAGMA軟件進(jìn)行了全面的鑄造模擬仿真分析，從充型過程、凝固過程再到應(yīng)力變形的各個(gè)階段，每種方案均進(jìn)行了詳盡的模擬分析，據(jù)此制定**的工藝方案。生產(chǎn)過程控制也需要仔細(xì)策劃，從造型制芯、熔煉澆注到清理打磨，每道工序均制定了詳盡的質(zhì)量控制計(jì)劃。鑄造工藝設(shè)計(jì)方面，采取多種工藝手段，如采用過濾技術(shù)以凈化鋼液質(zhì)量，采用覆膜砂熱成型砂芯工藝以有效提升鑄件內(nèi)腔質(zhì)量。在原輔材料管控方面，針對原砂、冒口、涂料、過濾塊等外購材料均制定詳細(xì)的驗(yàn)收要求。下面從關(guān)鍵鑄鋼件鋼液質(zhì)量、表面質(zhì)量與內(nèi)部質(zhì)量控制三個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1　鋼液質(zhì)量控制

在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼液熔煉存在著兩個(gè)難以解決的關(guān)鍵問題，那就是鋼液的終脫氧效果不佳和鋼液的純凈度不夠。鋼液中的總氧量是評價(jià)鋼液質(zhì)量的指標(biāo)之一，它直接決定鋼液中非金屬氧化夾雜物的多少，并且影響其大小、形狀和分布形態(tài)[1]。針對關(guān)鍵鑄鋼件，由于其較低的P、S含量以及較高的夾雜物控制要求，對于中頻爐熔煉澆注方式提出了非常高的要求。首先，從原材料端選用優(yōu)質(zhì)的低P、S廢鋼，針對某些P、S含量要求非常低的產(chǎn)品，還必須采用添加工業(yè)純鐵的方式來保證。其次，通過底吹氬（圖3）及喂線精煉技術(shù)極大的減少了鋼液中的非金屬夾雜物數(shù)量，降低了非金屬夾雜物的大?。蛔詈?，對于原輔材料嚴(yán)格管控，如廢鋼、合金、爐襯材料、塞桿等影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行采購、儲存與使用。圖4為某型鑄鋼件的非金屬夾雜物圖示，只有Ⅰ、Ⅲ型夾雜物細(xì)系級別1.5級。

2.2　表面質(zhì)量控制

動車組關(guān)鍵鑄鋼件對于鑄件表面質(zhì)量要求很高，既要外觀一致性好，又不能存在較多的表面缺陷。對于允許焊補(bǔ)的關(guān)鍵鑄鋼件，生產(chǎn)中一般要求在最終熱處理之前處理好所有的表面缺陷。對于某些不允許焊補(bǔ)的鑄鋼件，則主要從工藝設(shè)計(jì)以及過程操作上嚴(yán)加管控。下面以某些關(guān)鍵鑄鋼件加工面磁痕缺陷以及渣氣孔缺陷的防治為例進(jìn)行說明。

2.2.1　加工面超標(biāo)磁痕缺陷

動車組關(guān)鍵鑄鋼件需要在成品交付前進(jìn)行磁粉探傷檢測，重要部位合格指標(biāo)為滿足GB/T 9444-2019質(zhì)量等級規(guī)定的1級質(zhì)量要求，對應(yīng)磁痕檢測標(biāo)準(zhǔn)為評定框內(nèi)單條長度不能超過2mm，累加長度不能超過4mm。在前期開發(fā)過程中進(jìn)行的磁粉探傷檢測，經(jīng)常會有超標(biāo)磁痕出現(xiàn)，如圖5a所示，其產(chǎn)生位置均集中于冒口之間區(qū)域，通過金相分析知其為顯微縮松缺陷（圖5b）。

顯微縮松[2]是在鋼液凝固過程中，晶粒之間形成的微小孔洞，要用顯微鏡才能觀察出來。當(dāng)鋼液凝固時(shí)，先形成的枝晶會把金屬液分割成許多互不相通的小熔池，這些小熔池在進(jìn)一步冷卻和凝固時(shí)得不到液體的補(bǔ)縮，從而形成晶間的微小孔洞。從該鑄鋼件材質(zhì)來看，含有Cr、Ni、Mo等多種合金元素，同時(shí)含量較高，合金結(jié)晶溫度范圍很寬，其凝固方式趨向于糊狀凝固，從超標(biāo)磁痕出現(xiàn)的位置來看，其位于兩個(gè)冒口之間，冒口之間間隔只有50mm，該區(qū)域?yàn)閮蓚€(gè)冒口熱影響區(qū)的重疊區(qū)，從而導(dǎo)致此區(qū)域過熱，使得冒口之間區(qū)域與冒口中心區(qū)域的溫度梯度減小，因此該區(qū)域更傾向于糊狀凝固，從而使得凝固后出現(xiàn)較多顯微縮松。為了解決這種顯微縮松缺陷，工藝設(shè)計(jì)上首先必須嚴(yán)格遵守順序凝固的原則，其次針對缺陷出現(xiàn)的區(qū)域需采取增大區(qū)域溫度梯度的方式，如放置冷鐵等，按此措施實(shí)施后，試制驗(yàn)證結(jié)果表明措施有效，加工面磁粉探傷再未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)磁痕缺陷（圖5c）。

2.2.2　渣氣孔缺陷

渣氣孔缺陷是鑄造生產(chǎn)中比較常見的一種鑄造缺陷，常出現(xiàn)于鑄件澆注位置的上表面、型芯下方的鑄件表面或者鑄件的死角處，通常表現(xiàn)為渣孔與氣孔共存，為了防止渣氣孔缺陷，工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造過程均需要嚴(yán)格管控。首先，從工藝設(shè)計(jì)上來說，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，既要保證充型平穩(wěn)，同時(shí)也要結(jié)合MAGMA軟件模擬仿真充型過程進(jìn)行優(yōu)化，防止發(fā)生紊流和飛濺，要合理選擇分型面、設(shè)置冒口與集渣槽，以利于夾渣的上浮。其次，從生產(chǎn)制造過程來說，澆注系統(tǒng)中的直澆道必須采用耐火磚管，同時(shí)要設(shè)置過濾系統(tǒng)，以起到擋渣與穩(wěn)流的作用，另外，也要控制好鋼液質(zhì)量，合理控制澆注前鋼液靜置時(shí)間，以利于氧化渣類與夾雜物的上浮、聚集。

2.3　內(nèi)部質(zhì)量控制

關(guān)鍵鑄鋼件內(nèi)部缺陷主要有縮孔縮松和氣孔兩大類，針對縮孔縮松類缺陷，主要從工藝設(shè)計(jì)方面來保證，工藝設(shè)計(jì)時(shí)要建立良好的補(bǔ)縮條件，促使鑄件按順序凝固，采用發(fā)熱保溫冒口，同時(shí)結(jié)合MAGMA軟件的鑄造模擬仿真結(jié)果選擇**的鑄造工藝方案，以減少和避免縮孔縮松的發(fā)生。針對氣孔類缺陷，按氣體來源不同，可分為侵入性氣孔、析出性氣孔和反應(yīng)性氣孔。析出性氣孔和反應(yīng)性氣孔由于鋼液精煉有著嚴(yán)格的管控以及鑄型較多的排氣措施，在關(guān)鍵鑄鋼件生產(chǎn)過程中極少出現(xiàn)。下面分別以密接式車鉤縮孔縮松缺陷以及制動盤外圓面缺陷為例進(jìn)行說明。

2.3.1　密接式車鉤縮孔縮松缺陷

圖6所示為密接式車鉤MAGMA軟件模擬的充型狀態(tài)圖與凝固溫度場圖。密接式車鉤鑄件為薄壁空腔結(jié)構(gòu)，且厚薄不均勻，容易產(chǎn)生裂紋缺陷。通過MAGMA軟件進(jìn)行流場、溫度場和應(yīng)力場的模擬計(jì)算，改進(jìn)了冒口、冷鐵補(bǔ)縮系統(tǒng)，采用多個(gè)保溫小冒口補(bǔ)縮策略、使用鉻鐵礦砂預(yù)埋芯、設(shè)置防裂筋等措施，解決了裂紋和縮孔問題，保證了鑄件內(nèi)在質(zhì)量，通過工藝優(yōu)化使鑄件成品率達(dá)到97%。

2.3.2　侵入性氣孔缺陷

鑄鋼制動盤氣孔缺陷主要出現(xiàn)在外圓面，具體如圖7a所示，氣孔主要分布在鑄鋼件表面下約2~10mm的位置，從鑄件外觀無法發(fā)現(xiàn)，加工后才會發(fā)現(xiàn)，經(jīng)取樣電鏡（圖7b）分析其為氣孔缺陷，結(jié)合氣孔缺陷特征及出現(xiàn)的位置，確認(rèn)其為侵入性氣孔。

侵入性氣孔[3]是砂型和砂芯等在液態(tài)金屬高溫作用下產(chǎn)生的氣體（無明顯的化學(xué)反應(yīng)），侵入金屬內(nèi)部所形成的氣孔，稱為侵入性氣孔。其特征是數(shù)量較少、體積較大、孔壁光滑、表面有氧化色，常出現(xiàn)在鑄件表層或近表層。形狀多呈梨形、橢圓形或圓形，梨尖一般指向氣體侵入的方向。

鋼液在澆注時(shí)，鑄型被急劇地加熱，型腔表面層會達(dá)到接近鋼液的溫度，砂型中的水分將迅速地蒸發(fā)，某些有機(jī)物也會燃燒和揮發(fā)，這樣形成大量的氣體，這些氣體隨著溫度的升高和氣體量的增加，其壓力會猛烈的增大，其中一部分通過砂型逸出進(jìn)入空氣中，而另一部分，在壓力大于鋼液表面層阻力時(shí)就會進(jìn)入尚未凝固的鑄件中，可能形成梨形的氣孔。如果此氣體進(jìn)入鑄件時(shí)，鑄件尚處于液態(tài)，該氣體形成的氣泡，則有可能隨著鋼液流動飄浮到鑄件其他位置，形成圓孔形氣孔[4]。

針對侵入性氣孔，筆者重點(diǎn)從三方面進(jìn)行改善，首先就外模用砂改為面砂+背砂工藝，即面砂采用全新砂，背砂采用再生砂工藝，使用全新砂作為面砂，樹脂加入量少，而且砂型強(qiáng)度好，較之前面背砂全部采用再生砂工藝的外模砂發(fā)氣量有了較大減少。其次就覆膜砂型芯用砂優(yōu)化其配方，調(diào)整發(fā)氣量以及發(fā)氣時(shí)機(jī)，同時(shí)調(diào)整其粒度分布以改善透氣性，并且針對覆膜砂型芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，型芯厚大部位進(jìn)行掏空處理，以減少整體型芯發(fā)氣量；最后，針對鑄型增加排氣措施，以利于澆注后型芯與鑄型中氣體的順利排出。3　結(jié)束語由于關(guān)鍵鑄鋼件較高的質(zhì)量要求，使其工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程管控難度大大增加。從工藝設(shè)計(jì)方面來說，需充分利用鑄造凝固模擬軟件優(yōu)化鑄造工藝，采用開放式澆注系統(tǒng)，充型過程要平穩(wěn)，不出現(xiàn)紊流，冒口補(bǔ)縮需有一定的富余量，從而確保工藝的穩(wěn)定性；從原輔材料端來說，要大膽應(yīng)用新材料，如低發(fā)氣量的覆膜砂，高發(fā)熱效率的冒口等；從生產(chǎn)制造端來說，多采用智能化、數(shù)字化的設(shè)備，以盡量減少手工操作因素的影響；從過程控制端來說，要加強(qiáng)過程的監(jiān)督與檢驗(yàn)，有條件的廠家可以將可視化技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品質(zhì)量的檢測與評估，以滿足實(shí)時(shí)、在線、快速作業(yè)的需要。只有這樣才能全面的提高關(guān)鍵鑄鋼件的產(chǎn)品質(zhì)量，切實(shí)保障高速動車組的行車安全。