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動車組關鍵鑄鋼件質量控制1
發表時間：2024-12-10 09:56 動車組關鍵鑄鋼件質量控制 朱正鋒，曹健峰，曹 松 （中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213000） 摘 關鍵詞：動車組；鑄鋼件；鑄件質量 隨著軌道交通高速鐵路的快速發展，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鍵鑄鋼件的質量要求也在不斷提升，目前應用在高速動車組上的關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，通過常規工藝策劃及質量管控手段，均能有效控制缺陷發生率，但動車組關鍵鑄鋼件對應的質量要求更加嚴苛，顯微縮松、針孔型氣孔等更加微小的缺陷也可能觸發鑄件報廢或返修，通過工藝措施和質量控制方法來預防該類缺陷的產生，具有十分重大的意義。本文首先闡述了關鍵鑄鋼件的各項技術要求，隨后從關鍵鑄鋼件鋼液質量、表面質量以及內部質量三個方面剖析了其質量保證舉措。
1 關鍵鑄鋼件技術要求1.1 材料技術指標要求 材料技術指標關系到鑄鋼件的各項綜合性能，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，同時也需要具備良好的高溫穩定性。這樣的工作條件對材料的要求，不再僅僅局限于常規化學成分的控制，更需要對鋼中氣體含量提出明確的嚴格要求，如，氧含量≤0.010%，氫含量≤0.00005%，氮含量≤0.015%；相應地，對力學性能也提出了更高的要求，如抗拉強度≥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 表面質量要求 動車組關鍵鑄鋼件的技術條件無一例外地對產品外觀質量提出了很高的要求，一方面是為了產品的美觀，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向架——軸箱體鑄件，從下圖2中軸箱體正常運營工況下的應力云圖來看，雖然強度設計存在一定的安全裕度，但是軸箱體鑄件筋板結構區域在動車組運行過程中持續承受交變應力載荷，表面鑄造缺陷的存在，將會極大影響鑄件本質安全，因而對外觀質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，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生機率，技術條件中約定了缺陷等級需滿足GB/T 9444-2019中規定的壁厚不大于16mm的1級缺陷磁粉探傷要求。另外，部分關鍵鑄鋼件不允許任何形式的焊補，這對鑄鋼件的質量穩定性提出了非常高的要求。
關鍵鑄鋼件由于其較高的質量要求，在設計開發初期便利用MAGMA軟件進行了全面的鑄造模擬仿真分析，從充型過程、凝固過程再到應力變形的各個階段，每種方案均進行了詳盡的模擬分析，據此制定**的工藝方案。生產過程控制也需要仔細策劃，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量控制計劃。鑄造工藝設計方面，采取多種工藝手段，如采用過濾技術以凈化鋼液質量，采用覆膜砂熱成型砂芯工藝以有效提升鑄件內腔質量。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的驗收要求。下面從關鍵鑄鋼件鋼液質量、表面質量與內部質量控制三個方面進行詳細介紹。 2.1 鋼液質量控制 在實際生產中，鋼液熔煉存在著兩個難以解決的關鍵問題，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鋼液質量的指標之一，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[1]。針對關鍵鑄鋼件，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，從原材料端選用優質的低P、S廢鋼，針對某些P、S含量要求非常低的產品，還必須采用添加工業純鐵的方式來保證。其次，通過底吹氬（圖3）及喂線精煉技術極大的減少了鋼液中的非金屬夾雜物數量，降低了非金屬夾雜物的大?。蛔詈?，對于原輔材料嚴格管控，如廢鋼、合金、爐襯材料、塞桿等影響產品質量的重要因素，嚴格按照技術要求進行采購、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型夾雜物細系級別1.5級。
2.2 表面質量控制 動車組關鍵鑄鋼件對于鑄件表面質量要求很高，既要外觀一致性好，又不能存在較多的表面缺陷。對于允許焊補的關鍵鑄鋼件，生產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的鑄鋼件，則主要從工藝設計以及過程操作上嚴加管控。下面以某些關鍵鑄鋼件加工面磁痕缺陷以及渣氣孔缺陷的防治為例進行說明。 2.2.1 加工面超標磁痕缺陷 動車組關鍵鑄鋼件需要在成品交付前進行磁粉探傷檢測，重要部位合格指標為滿足GB/T 9444-2019質量等級規定的1級質量要求，對應磁痕檢測標準為評定框內單條長度不能超過2mm，累加長度不能超過4mm。在前期開發過程中進行的磁粉探傷檢測，經常會有超標磁痕出現，如圖5a所示，其產生位置均集中于冒口之間區域，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。當鋼液凝固時，先形成的枝晶會把金屬液分割成許多互不相通的小熔池，這些小熔池在進一步冷卻和凝固時得不到液體的補縮，從而形成晶間的微小孔洞。從該鑄鋼件材質來看，含有Cr、Ni、Mo等多種合金元素，同時含量較高，合金結晶溫度范圍很寬，其凝固方式趨向于糊狀凝固，從超標磁痕出現的位置來看，其位于兩個冒口之間，冒口之間間隔只有50mm，該區域為兩個冒口熱影響區的重疊區，從而導致此區域過熱，使得冒口之間區域與冒口中心區域的溫度梯度減小，因此該區域更傾向于糊狀凝固，從而使得凝固后出現較多顯微縮松。為了解決這種顯微縮松缺陷，工藝設計上首先必須嚴格遵守順序凝固的原則，其次針對缺陷出現的區域需采取增大區域溫度梯度的方式，如放置冷鐵等，按此措施實施后，試制驗證結果表明措施有效，加工面磁粉探傷再未發現超標磁痕缺陷（圖5c）。 2.2.2 渣氣孔缺陷 渣氣孔缺陷是鑄造生產中比較常見的一種鑄造缺陷，常出現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，通常表現為渣孔與氣孔共存，為了防止渣氣孔缺陷，工藝設計與生產制造過程均需要嚴格管控。首先，從工藝設計上來說，澆注系統設計非常關鍵，既要保證充型平穩，同時也要結合MAGMA軟件模擬仿真充型過程進行優化，防止發生紊流和飛濺，要合理選擇分型面、設置冒口與集渣槽，以利于夾渣的上浮。其次，從生產制造過程來說，澆注系統中的直澆道必須采用耐火磚管，同時要設置過濾系統，以起到擋渣與穩流的作用，另外，也要控制好鋼液質量，合理控制澆注前鋼液靜置時間，以利于氧化渣類與夾雜物的上浮、聚集。 2.3 內部質量控制 關鍵鑄鋼件內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，主要從工藝設計方面來保證，工藝設計時要建立良好的補縮條件，促使鑄件按順序凝固，采用發熱保溫冒口，同時結合MAGMA軟件的鑄造模擬仿真結果選擇**的鑄造工藝方案，以減少和避免縮孔縮松的發生。針對氣孔類缺陷，按氣體來源不同，可分為侵入性氣孔、析出性氣孔和反應性氣孔。析出性氣孔和反應性氣孔由于鋼液精煉有著嚴格的管控以及鑄型較多的排氣措施，在關鍵鑄鋼件生產過程中極少出現。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圖與凝固溫度場圖。密接式車鉤鑄件為薄壁空腔結構，且厚薄不均勻，容易產生裂紋缺陷。通過MAGMA軟件進行流場、溫度場和應力場的模擬計算，改進了冒口、冷鐵補縮系統，采用多個保溫小冒口補縮策略、使用鉻鐵礦砂預埋芯、設置防裂筋等措施，解決了裂紋和縮孔問題，保證了鑄件內在質量，通過工藝優化使鑄件成品率達到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，從鑄件外觀無法發現，加工后才會發現，經取樣電鏡（圖7b）分析其為氣孔缺陷，結合氣孔缺陷特征及出現的位置，確認其為侵入性氣孔。
侵入性氣孔[3]是砂型和砂芯等在液態金屬高溫作用下產生的氣體（無明顯的化學反應），侵入金屬內部所形成的氣孔，稱為侵入性氣孔。其特征是數量較少、體積較大、孔壁光滑、表面有氧化色，常出現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，鑄型被急劇地加熱，型腔表面層會達到接近鋼液的溫度，砂型中的水分將迅速地蒸發，某些有機物也會燃燒和揮發，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入空氣中，而另一部分，在壓力大于鋼液表面層阻力時就會進入尚未凝固的鑄件中，可能形成梨形的氣孔。如果此氣體進入鑄件時，鑄件尚處于液態，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，筆者重點從三方面進行改善，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，而且砂型強度好，較之前面背砂全部采用再生砂工藝的外模砂發氣量有了較大減少。其次就覆膜砂型芯用砂優化其配方，調整發氣量以及發氣時機，同時調整其粒度分布以改善透氣性，并且針對覆膜砂型芯結構進行優化，型芯厚大部位進行掏空處理，以減少整體型芯發氣量；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 結束語由于關鍵鑄鋼件較高的質量要求，使其工藝設計與生產過程管控難度大大增加。從工藝設計方面來說，需充分利用鑄造凝固模擬軟件優化鑄造工藝，采用開放式澆注系統，充型過程要平穩，不出現紊流，冒口補縮需有一定的富余量，從而確保工藝的穩定性；從原輔材料端來說，要大膽應用新材料，如低發氣量的覆膜砂，高發熱效率的冒口等；從生產制造端來說，多采用智能化、數字化的設備，以盡量減少手工操作因素的影響；從過程控制端來說，要加強過程的監督與檢驗，有條件的廠家可以將可視化技術應用于產品質量的檢測與評估，以滿足實時、在線、快速作業的需要。只有這樣才能全面的提高關鍵鑄鋼件的產品質量，切實保障高速動車組的行車安全。 |
