铁道货车转8A铸钢侧架B部位裂纹分析

摘　要：在生产铁道货车铸钢转8A侧架时，近30%的侧架B部位产生横向裂纹。采用化学成分分析及裂纹的宏、微观检验等方法对产生横向裂纹的侧架B部位进行了分析，并对其铸造工艺进行了探讨。结果表明侧架B部位产生横向裂纹的主要原因在于防裂拉筋设计不合理，导致铸件凝固时出现热裂纹。并提出了有效的改进措施。

关键词：铁路车辆；铸钢侧架；横向裂纹；防裂拉筋

　  某铸锻厂试生产铁道货车铸钢转8A铸钢侧架，经探伤发现有近30%的侧架在B部位靠出水口下方存在10～15mm的横向裂纹(图1)。B部位是车辆运行的关键受力部位，铁道部《运装货车[1999]39号文件》规定“A，B部位上的横向贯通裂纹均不允许焊修，即凡在A，B部位上有横向裂纹的侧架，不计裂纹长度，均不允许焊修”，由此造成批量报废[1]。因侧架结构的复杂性以及生产工艺过程控制不够完善，侧架B部位裂纹一直难以杜绝，表明侧架生产工艺和生产环节中存在重大的质量问题，笔者对此进行了分析。

1　侧架及铸造工艺特点

转8A铸钢侧架材料是ZG25MnNi(B级钢)，该钢种经正火热处理后的力学性能达到美国AAR铸钢标准中B级钢力学性能指标，尤其有着优良的低温冲击性能[1，2]。侧架结构为典型的复杂箱体结构，铸件轮廓尺寸较大(为2222mm×610mm×420mm)，铸件壁较薄(平均壁厚为18mm，B部位壁厚为16mm)，内腔肋板较多，结构比较复杂。为避免B部位裂纹，靠出水口处增设了一条铸造工艺性防裂拉筋。铸钢侧架系石英砂造型，有机脂水玻璃砂制芯。浇口、直浇道、横浇道和内浇道设置在图1中的中央方框处，冒口设置于侧架导框处；造型时侧架在砂型B部位加设防裂拉筋，清砂采用机械干法落砂；探伤采用湿法磁粉探伤显示表面缺陷。

图1　转8A侧架及裂纹

2　理化检验

2.1　化学成分

在转8A侧架铸件上取样进行化学成分分析，结果(质量分数)见表1，可见符合铁道部79号文规定值，硫和磷的含量在0.03%以下，不会对侧架B部位裂纹产生具有决定性的影响。

2.2　断口分析

沿B部位裂纹敲断侧架，裂纹深度占壁厚的1/4～1/3(图2)，裂纹部分有氧化灰色，呈萘状结晶形态。对敲开的撕裂部分做电镜扫描，未发现撕裂后的二次裂纹，有部分外来非金属夹杂物存在，断面呈解理形貌(图3)，对铸态组织而言属正常断面。

图2　断口形态

(a)　断口形貌　20×　　　　　　　　　　(b)　断口形貌　100×

图3　侧架的断口形貌

2.3　低倍组织

取裂纹附近部位做低倍组织检测，结晶从铸型壁起，呈壳状凝固，铸件致密(图4)。

图4　铸件的低倍组织　6.3×

2.4　显微组织

形态及显微组织如图5所示，可见裂纹不连续且裂缝较宽，周围存在氧化和脱碳现象，铁素体树枝晶生长方向与裂纹方向垂直，由此可以判定该裂纹为铸件液态凝固形成的热裂纹。

非金属夹杂物为Ⅰ，Ⅲ型，粗系2级，符合TB/T2451-1993标准要求。

      (a)　表面裂纹形态　100×         (b)　中间部分裂纹形态　100×    (c)　显微组织　100×

图5　裂纹形态及显微组织

3　铸造工艺调整及监督

在理化检验的同时对随后的侧架生产(针对B部位裂纹)工艺作调整，并对铸造工序进行监督。

(1)因为侧架内浇口正对B部位，使B部位在浇注过程中承受较强的热冲击，也成为凝固收缩的薄弱环节[5]。因此将内浇口位置向上弦杆方向上移35mm，钢液流经方向转向上弦杆，同时加大内浇口截面宽度。使内浇道方向对着侧架上弦梁内侧，即钢液先从侧架上弦梁流入型腔，B部位收缩时间相对提前，可以得到较好的补缩。

(2)作好型砂试验，严格配砂工艺，铆钉、冷铁和铁砂安放到位，控制振实时间，防止型砂强度偏高，做好型腔修补，型腔和型芯涂料涂刷均匀，清理浮砂。

(3)清理钢包残渣、残钢、还原渣、出钢槽及出钢口，按工艺烘烤钢包和水口。

(4)出钢后注意钢包内静置，使氧化夹杂物上浮，做好除渣工序，浇注温度≤1570℃，浇至冒口后采用细流浇满。

尽管作了上述工艺改进，并严格执行，全程跟踪，但依然有18%的侧架B部位存在横向裂纹。

4　裂纹原因及分析

为提高侧架B部位的抗裂能力，在B部位加设了防裂的工艺拉筋(图6a为图1虚线处剖面图)，但根据理化检验结果并结合工艺改进效果综合分析后发现，铸造防裂拉筋在设计上存在严重的问题。由于合金在凝固收缩的过程中受到型腔阻碍而产生应力，当应力超过合金结晶骨架的强度时，便会产生热裂纹。热裂纹经常发生在最后凝固且强度较低的热节处或过热区，并在收缩应力的作用下扩展。

B部位裂纹位于出水口与防裂拉筋交接的外表面处。由于型芯散热慢，铸件的表面对应着逐渐收缩的砂芯体积，内表面传出的热量由较小体积的砂芯所吸收，而它的外表面对应着开放的砂型体积，外表面传出的热量由较大的砂型体积所吸收。因此，内侧的凝固速度要比外侧小。同时，出水口与防裂拉筋突出于侧架铸件，冷却最先从出水口与防裂拉筋开始，渐次向B部位出水口与防裂拉筋的交接处推移，热中心自截面的中心线向砂芯方向推移。收缩凝固时间也相对较晚，导致铸件在B部位出水口与防裂拉筋之间形成热节，同时因凝固冷却而产生收缩，由于铸件凝固初期，在其平面和外圆角部位凝固结壳而具有了一定的强度和刚度，液态金属补缩能力弱，此时B部位出水口与防裂拉筋间受到与其相连的铸型型壁的阻碍而产生应力，随即产生微小热裂纹，微裂纹在铸造应力的持续作用下不断扩大，形成间断热裂纹。

5　结论及改进

侧架B部位横向裂纹属于铸造热裂纹，是液态金属凝固时产生的，其原因是由于铸造防裂拉筋在设计上存在严重的问题，导致B部位收缩凝固时间相对较晚，形成热节而产生微小热裂纹，在铸造应力的持续作用下不断扩大，形成间断热裂纹。将防裂拉筋由宽而短，变为窄而长，延长至与出水口相连(图6b)。这样，出水口与防裂拉筋先冷却时B部位不会成为热节，极大地减少了B部位横向裂纹发生率。防裂拉筋的改进，并结合严格控制铸造工艺参数等措施的执行，有效地将侧架B部位横向裂纹发生率降到了1%以下。

(a)　改进前　　　　　　　　　　(b)　改进后

图6　防裂拉筋的改进前后示意图

本文摘自：程里、余家捷“铁道货车转8A铸钢侧架B部位裂纹分析”