劉鵬， 張曉宇， 張海軍

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

1 閘片托斷裂現(xiàn)象

閘片托是鐵路機(jī)車車輛基礎(chǔ)制動(dòng)產(chǎn)品中非常重要的安全部件，材質(zhì)為QT500-7 球墨鑄鐵，硬度要求170～230HB，球化率不得低于3 級(jí)，主要作用是將制動(dòng)力傳遞于閘片之上，保證閘片與制動(dòng)盤的接觸符合制動(dòng)要求，使車輛減速或停止。閘片托應(yīng)具有較高的力學(xué)性能以及尺寸精度，要求組織致密，內(nèi)部不允許有任何氣孔、縮孔、夾渣、縮松等鑄造缺陷。在使用現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)個(gè)別閘片托在使用半年后發(fā)生斷裂如圖1、圖2 所示，本文就該情況進(jìn)行分析，并提出預(yù)防措施。

2 金相分析

圖1 閘片托斷裂形貌1

圖2 閘片托斷裂形貌2

通過對(duì)斷口進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察，以檢驗(yàn)分析斷口的微觀形貌特征；對(duì)斷口縱截面進(jìn)行金相觀察，以檢驗(yàn)分析斷口縱截面的組織相貌特征，同時(shí)對(duì)比GB/T9441-2009《球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)閘片托的外觀、斷裂位置及宏觀斷口形貌進(jìn)行檢查，以確定斷裂起源和斷裂特征。

圖3 閘片托的斷裂位置

圖4 閘片托的裂紋源位置

2.1 斷口的宏觀形貌檢查

閘片托的斷裂形貌如圖3 所示，閘瓦托外表面為鑄造形成的自然表面，呈深黑色，斷口表面大部分為灰色，局部顏色已變黃，發(fā)生了銹蝕。裂紋起源于閘瓦托表面向斜下擴(kuò)展，穿過固定銷孔后，最后斷裂掉塊。在表面裂紋源處局部已發(fā)生由于磕碰而產(chǎn)生的變形，成為銀亮色。斷口局部放大如圖4 所示。

2.2 斷口的掃描電鏡微觀形貌觀察

圖5 斷口裂紋源處的低倍微觀形貌

圖6 斷口裂紋源處的微觀形貌 ×100

圖7 斷口擴(kuò)展區(qū)處的微觀形貌 ×500

圖8 斷口擴(kuò)展區(qū)處的微觀形貌 ×1000

圖9 斷口裂紋源處金相磨面位置示意圖

圖10 表層縱截面的石墨形態(tài)顯微形貌

圖5 所示為閘片托斷口裂紋源處的低倍微觀形貌，可以觀察到斷口靠近表面的裂紋源處局部被碾壓變形。把裂紋源進(jìn)一步放大至100 倍后，如圖6 所示，觀察整個(gè)視場，裂紋源處由于受碾壓磕碰變形，以及氧化銹蝕等影響，難以辨認(rèn)微觀特征形貌。圖7 所示為閘片托斷口擴(kuò)展區(qū)處的500 倍微觀形貌，觀察整個(gè)視場可以清晰觀察到在基體表面上附著有許多氧化腐蝕產(chǎn)物。進(jìn)一步放大至1000 倍后，如圖8 所示，斷口主要為河流花樣，屬于脆性解理形貌。

2.3 斷口裂紋源處縱截面的金相檢驗(yàn)

對(duì)閘片托斷口裂紋源處進(jìn)行橫向線切割，如圖9 所示，并對(duì)其縱截面進(jìn)行金相檢驗(yàn)分析。由圖可知，組織為鐵素體、珠光體和石墨，斷口裂紋源處，即部件表層大約厚度0.4mm 范圍內(nèi)，石墨形態(tài)為分散分布的片狀以及菊花狀，如圖10、11 所示。向基體內(nèi)部的擴(kuò)展區(qū)斷口石墨形態(tài)則為球狀，如圖12、13 所示。遠(yuǎn)離表面及斷口的內(nèi)部基體石墨形態(tài)為球狀，對(duì)比GB/T9441-1988《球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)現(xiàn)，球化分級(jí)為2 級(jí)，如圖14、15 所示。

3 斷裂原因分析

3.1 斷裂性質(zhì)

根據(jù)斷裂位置、宏觀形貌、斷口微觀形貌和斷口裂紋源縱截面的金相等檢驗(yàn)結(jié)果，可以看出閘片托斷裂性質(zhì)屬于脆性斷裂。

3.2 斷裂原因分析

石墨密度小，強(qiáng)度低、硬度低、塑性和韌性趨于零，而片狀石墨對(duì)基體的割裂嚴(yán)重，它的存在如同在基體上存在大量小缺口，既減少承載面積，又增加裂紋源，在石墨尖角處易造成應(yīng)力集中，力學(xué)性能、特別是疲勞強(qiáng)度降低。當(dāng)切削深度小于片狀石墨層時(shí)，加工表面粗糙度會(huì)增加；片狀石墨的存在會(huì)降低鑄件表面的硬度，零件的強(qiáng)度分布不均勻。

金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)致閘片托使用半年后突然斷裂的原因，主要是由于閘片托表層裂紋源處和向內(nèi)擴(kuò)展的部分區(qū)域存在未被球化的石墨，大量片狀石墨存在于表層時(shí)，其強(qiáng)度和韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于心部，容易在表層片狀石墨處產(chǎn)生應(yīng)力集中，閘片托在使用過程中，車輛運(yùn)行的交變載荷通過固定銷對(duì)其傳遞一定的拉應(yīng)力促使裂紋萌生并逐步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致其失效斷裂。

4 球墨鑄鐵表面片狀石墨產(chǎn)生原因

片狀石墨產(chǎn)生的原因有：

（1）經(jīng)球化處理后，鐵水中熔解的鎂由于蒸發(fā)、與空氣中的氧反應(yīng)、與型砂及涂料中硫的反應(yīng)而損失，但鎂蒸發(fā)、氧化的損失不如鎂與硫的反應(yīng)造成的損失嚴(yán)重。球化處理后鐵水中殘余鎂量的高低，會(huì)影響片狀石墨組織的多少：殘余鎂量越低，片狀石墨組織會(huì)越多。

圖11 表層縱截面的金相組織形貌（腐蝕后）

圖12 斷口縱截面石墨形態(tài)顯微形貌

圖13 斷口縱截面的金相組織形貌（腐蝕后）

圖14 基體石墨形態(tài)金相顯微形貌

圖15 基體金相組織形貌（腐蝕后）

（2）當(dāng)型砂中硫含量較高時(shí)，鑄件表面會(huì)出現(xiàn)片狀石墨層；當(dāng)型砂中硫含量很高（約0.2%），同時(shí)鑄型表面積與鑄件斷面面積之比也高時(shí)，即鐵水與鑄型接觸充分，則片狀石墨可能延伸到整個(gè)鑄件斷面。

（3）型腔截面尺寸、熱節(jié)等影響鐵水和型砂中硫之間反應(yīng)時(shí)間的因素，如都會(huì)影響片狀石墨層的形成，尤其是在鑄件澆注位置底面，片狀石墨層最容易形成，也是最厚的地方。

（4）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，均會(huì)導(dǎo)致形成片狀石墨層。如鐵水流動(dòng)距離過長，前后水在型腔內(nèi)混合不均勻時(shí)；鐵水流動(dòng)慢時(shí)，也會(huì)造成鎂損失過多等。

經(jīng)過對(duì)閘片托鑄造工藝的分析，發(fā)現(xiàn)片狀石墨產(chǎn)生原因是：此零件是用呋喃樹脂砂生產(chǎn)的，樹脂、固化劑都是有機(jī)物，球墨鑄鐵件在澆注冷卻過程中會(huì)出現(xiàn)鑄件表面層的滲碳現(xiàn)象，滲碳層可達(dá)0.5～1.0mm 深。在用酸類固化劑時(shí)，在球鐵表面有≤0.5mm 的滲硫?qū)?，造成表層有片狀石墨，?dǎo)致鑄件表層球化不良。呋喃樹脂砂的舊砂由于其可多次重復(fù)使用的特性，在沒有對(duì)舊砂中含硫量有效檢測的情況下，含硫量超標(biāo)同樣會(huì)造成表層球化不良。

5 片狀石墨層的預(yù)防

針對(duì)片狀石墨產(chǎn)生的原因，為了提高閘片托球化的均勻性，采用以下措施進(jìn)行改進(jìn)：

（1）對(duì)造型工藝進(jìn)行改進(jìn)，采用水玻璃砂造型，減少造型中的硫含量和有機(jī)物含量；

（2）合理控制球化劑加入量，并嚴(yán)格控制球化劑的質(zhì)量來防止球化不良，保證球化處理后鐵水中有足夠的殘余鎂量，甚至在與型砂中硫的反應(yīng)或與空氣（氧）長期接觸后仍有足夠的殘余鎂量，以保證球化。殘余鎂量一般要求達(dá)到0.03%～0.08%。

（3）使用硫含量低的煤粉，要求含硫量≤2.0%，最好含硫量≤1.0%。

（4）在重復(fù)使用舊砂時(shí)砂中含硫量<0.15%，并定期進(jìn)行舊砂報(bào)廢，防止型砂中硫的積累。

（5）合理控制澆鑄速度，使先流入鑄型的鐵水與后續(xù)流入的鐵水充分混合，保證鐵水的均勻性。

經(jīng)過改進(jìn)，閘片托石墨球化狀況得到明顯改善，金相檢測結(jié)果如圖16、圖17、圖18。

圖16 腐蝕前：球化率85%

圖17 腐蝕后：珠光體20%

圖18 表層位置（未發(fā)現(xiàn)蠕蟲狀石墨）

6 結(jié) 論

閘片托脆性斷裂的原因是表層存在大量未被球化的片狀石墨組織，使閘片托在受力時(shí)，在表層片狀石墨處萌生裂紋并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致部分閘瓦托從固定銷處斷裂。

通過采取合理的鑄造工藝，嚴(yán)格的球化劑質(zhì)量控制；以及優(yōu)化設(shè)計(jì)鑄造系統(tǒng)，可以防止球化不良，提高球墨鑄鐵件的使用壽命。

［1］ 曹慶峰，等.球墨鑄鐵曲軸失效斷口微觀分析［J］.熱加工工藝，2008（19）：135-136.

［2］ 溫永都，等.鑄造檢驗(yàn)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

［3］ 史鑒開，史小雨.淺析球墨鑄鐵件表面片狀石墨層［J］.機(jī)械工人（熱加工），2007（2）：69.

［4］ 吳德海.球墨鑄鐵［M］.北京：中國水利水電出版社，2006：223-228.

［5］ GB/T 9441-2009，球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)［S］.