動(dòng)車組關(guān)鍵鑄鋼件質(zhì)量控制

動(dòng)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(dòng)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(guò)程，闡述了保證鑄件質(zhì)量的工藝舉措。

關(guān)鍵詞：動(dòng)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(guó)高鐵“缺陷零容忍”和“零缺陷”的高鐵意識(shí)，對(duì)高速動(dòng)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(dòng)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(dòng)盤（圖1b）、安裝座（圖1c）、軸箱體（圖1d）等。對(duì)于常見的縮孔、裂紋等鑄造缺陷，通過(guò)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(dòng)車組關(guān)鍵鑄鋼件對(duì)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(guò)工藝措施和質(zhì)量控制方法來(lái)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(dòng)盤在制動(dòng)工況下會(huì)受到巨大的制動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)率≥8%；另外對(duì)非金屬夾雜物也提出Ⅱ型夾雜物、Ⅳ型夾雜物不大于1級(jí)的要求。

1.2　表面質(zhì)量要求

動(dòng)車組關(guān)鍵鑄鋼件的技術(shù)條件無(wú)一例外地對(duì)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(lái)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(yíng)工況下的應(yīng)力云圖來(lái)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(dòng)車組運(yùn)行過(guò)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(huì)極大影響鑄件本質(zhì)安全，因而對(duì)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(dòng)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(jí)需滿足GB/T 9444-2019中規(guī)定的壁厚不大于16mm的1級(jí)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(duì)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(duì)其質(zhì)量的控制方法主要通過(guò)射線探傷或超聲波探傷實(shí)現(xiàn)。動(dòng)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(jí)要求關(guān)鍵區(qū)域的缺陷不超過(guò)ASTM E446中規(guī)定A類、B類、C類的2級(jí)，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(cè)頻次；標(biāo)準(zhǔn)TB/T2980-2014《機(jī)車車輛用制動(dòng)盤》規(guī)定通過(guò)超聲波探傷檢測(cè)鑄鋼制動(dòng)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(guò)程、凝固過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)原砂、冒口、涂料、過(guò)濾塊等外購(gòu)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(wèn)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(píng)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(duì)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(duì)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(duì)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(lái)保證。其次，通過(guò)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??；最后，對(duì)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(gòu)、儲(chǔ)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(jí)別1.5級(jí)。

2.2　表面質(zhì)量控制

動(dòng)車組關(guān)鍵鑄鋼件對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(shuō)明。

2.2.1　加工面超標(biāo)磁痕缺陷

動(dòng)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(cè)，重要部位合格指標(biāo)為滿足GB/T 9444-2019質(zhì)量等級(jí)規(guī)定的1級(jí)質(zhì)量要求，對(duì)應(yīng)磁痕檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)定框內(nèi)單條長(zhǎng)度不能超過(guò)2mm，累加長(zhǎng)度不能超過(guò)4mm。在前期開發(fā)過(guò)程中進(jìn)行的磁粉探傷檢測(cè)，經(jīng)常會(huì)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(guò)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(guò)程中，晶粒之間形成的微小孔洞，要用顯微鏡才能觀察出來(lái)。當(dāng)鋼液凝固時(shí)，先形成的枝晶會(huì)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(lái)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(lái)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(guò)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(duì)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(guò)程均需要嚴(yán)格管控。首先，從工藝設(shè)計(jì)上來(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)程來(lái)說(shuō)，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(guò)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(duì)縮孔縮松類缺陷，主要從工藝設(shè)計(jì)方面來(lái)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(duì)氣孔類缺陷，按氣體來(lái)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(guò)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(dòng)盤外圓面缺陷為例進(jìn)行說(shuō)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(chǎng)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(guò)MAGMA軟件進(jìn)行流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)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(wèn)題，保證了鑄件內(nèi)在質(zhì)量，通過(guò)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(dòng)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(wú)法發(fā)現(xiàn)，加工后才會(huì)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(wú)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(huì)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(huì)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(huì)猛烈的增大，其中一部分通過(guò)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(huì)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(dòng)飄浮到鑄件其他位置，形成圓孔形氣孔[4]。

針對(duì)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(duì)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(duì)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(yǔ)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(guò)程管控難度大大增加。從工藝設(shè)計(jì)方面來(lái)說(shuō)，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(guò)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(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，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(guò)程控制端來(lái)說(shuō)，要加強(qiáng)過(guò)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(cè)與評(píng)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(dòng)車組的行車安全。