盛雁龍，王文先，李志杰，張秀清，杜志強，賀樂義

（1.太原理工大學，山西 太原 030024；2.鐵道部駐包頭車輛驗收室，內蒙古 包頭 014032；3.內蒙古第一機械集團有限公司，內蒙古 包頭 014032）

0 引言

轉向架在貨車上的作用是支承車體，引導車輛沿軌道行駛，側架是貨車轉向架的重要組成部分，其質量的優(yōu)劣直接影響到鐵路貨車的行駛安全。側架結構復雜，斷面呈箱形，屬于大型薄壁件。側架在鑄造生產過程中由于鑄件壁厚不均，冷卻時不能實現同時凝固，導致局部熱應力大，形成熱裂紋的傾向性大。本文通過對熱裂的形成溫度及形成機理、影響熱裂形成的因素進行分析，結合生產實際情況尋找出解決及預防側架熱裂的方法，最終消除側架熱裂紋。

1 熱裂的形成溫度及形成機理

側架的材質為ZG25MnCrNi，其化學成分見表1。側架所用鋼中C的質量分數一般為0.26%，碳當量為0.51%，屬于亞共析鋼。亞共析鋼由液相凝固到固相要經歷二次相變過程，熱裂紋是在凝固溫度范圍內鄰近固相線時形成的，形成機理目前流行的兩種理論為液膜理論和強度理論。

表1 ZG25MnCrNi化學成分（質量分數） %

液膜理論：鑄件冷卻到固相線附近時，晶體周圍還有少量未凝固液體，構成液膜；如果鑄件收縮受到某種阻礙，變形主要集中在液膜上，晶體周圍的液膜被拉長；當應力足夠大時，液膜開裂，形成晶間裂紋。

強度理論：鑄件凝固后期，固相骨架已經形成并開始線收縮，由于收縮受阻，鑄件在高溫區(qū)將產生應力和變形；當應力或變形超過合金在該溫度下的強度極限或變形能力時，鑄件便產生熱裂紋。

2 裂紋取樣分析

在出現裂紋的鑄件上選取典型裂紋進行外觀與顯微組織分析，如圖1所示。由圖1（a）可以明顯看出3條裂紋，裂紋呈一定延續(xù)關系；裂紋表面形狀曲折且不規(guī)則，表面寬內部窄，由表面向內部延伸，斷面為氧化色，無金屬光澤，裂紋被清除后的部位無夾砂、針孔、縮孔、疏松等鑄造缺陷。從裂紋的特征分析判斷，該裂紋為鑄造熱裂紋。

對裂紋部位消磁后，取樣并用酚醛樹脂鑲樣，使用飽和的苦味酸水溶液腐蝕20s，在顯微鏡下觀察，放大倍數為200倍（如圖1（b）、圖1（c）所示），金相圖中顏色比較淺的晶粒為鐵素體組織，顏色較深的晶粒是珠光體；熱裂紋比較粗大，比較寬的地方已經超過了幾個晶粒的寬度，從圖中可以清晰地看出裂紋為沿晶界斷裂，沿晶界斷裂為熱裂紋的典型特征。電子顯微鏡放大倍數500倍，裂紋形態(tài)如圖1（d）所示，觀察發(fā)現，裂紋的周圍并沒有發(fā)現第三相的出現，選取裂紋周圍的點用電鏡的能譜進行微觀成分分析（如圖1（e）所示），可以清晰地看出裂紋區(qū)域成分除了Fe以外，沒有出現S和P的微觀偏析，所以確定熱裂紋不是由于S和P微觀偏析或者生成低熔點的相而導致的。

3 熱裂的判據及其試驗驗證

3.1 熱裂的判據

熱裂的凝固補縮模型主要是從鑄件的凝固或補縮狀況來預測鑄件的熱裂紋的，若補縮能力大于凝固收縮則不產生熱裂，反之，則有熱裂產生。

圖1 裂紋取樣分析

3.2 試驗模型及其結果分析

試驗鑄件結構為5根從300mm到900mm長度不同的板條，板條兩端通過橫澆道和塊狀結構，使試驗鑄件在凝固時收縮受阻。試驗采用與側架澆注工藝相同的材料、鑄型和澆注溫度。根據熱節(jié)處出現裂紋的情況來最終確定ZG25MnCrNi鑄件在1 565℃的條件下出現熱裂傾向的臨界值。具體的試驗條件如表2所示，試驗方案工藝圖如圖2所示，鑄件的實物圖如圖3所示。

表2 試驗條件

圖2 試驗方案工藝圖

圖3 鑄件的實物圖

試驗鑄件中目測可觀察的熱裂紋情況見表3。

表3 試驗件1號、2號裂紋情況

3.3 模擬結果

模擬基于原有的溫度場計算軟件，在溫度場計算的基礎上進行熱裂紋數值模擬和縮孔縮松的預測。圖4為鑄件凝固過程中的溫度分析。從圖4中可以看出：加冷鐵的部分導致了溫度場的變化，并對后續(xù)的熱裂紋產生造成影響。

4 防止側架鑄鋼件熱裂產生的途徑

4.1 鑄型方面

提高砂型、砂芯的退讓性和潰散性可以很好地改善鑄件的抗熱裂性能。采用中間挖空的砂芯，既可以減輕砂芯的重量，又可以很好地增加砂芯的退讓性。如圖5所示的砂芯1、砂芯2和砂芯3，如能采用中空的砂芯就能很好地改善側架A、B部位的熱裂抗性。中空的砂芯一般分成兩半單獨造型，中間挖空，然后將兩半砂芯用黏合劑進行粘接。

適當減少硬化劑的加入量可以很好地改善砂型的退讓性。向型和芯中加入木屑、松香等附加物，這些附加物在較低的溫度下發(fā)生軟化或燒損，可以起到一定的增塑作用。

4.2 鑄件結構方面

側架冷鐵變化示意圖如圖6所示。

圖4 鑄件凝固過程中的溫度分析

（1）在軸臺天井側上方增加冷鐵1，使凝固按照該部位底端先凝固、接近冒口部位再凝固、冒口最后凝固的順序進行。

（2）將原在彈簧承臺轉角處增加的冒口移到立柱的中段，并在立柱的下側面增加冷鐵2，將此處原有的3條冷鐵5去掉，使立柱兩端十字交角處先凝固，中間后凝固。凝固過程中主要應力集中在尚未凝固的中間部位，中間部位凝固的順序為底端先凝固，接近冒口的部位再凝固，冒口最后凝固，以防止如圖7所示1區(qū)域或2區(qū)域熱裂紋的出現。

（3）在上弦梁的上、下表面增加2塊冷鐵3，并刷激冷涂料，使該部位上、下壁相對厚度減小，實現該處的同時凝固。

（4）在軸臺天井側上方加冷鐵4，加速周圍區(qū)域冷卻，防止如圖7所示3區(qū)域裂紋的出現。

圖5 側架宜挖空砂芯示意圖

圖6 側架冷鐵變化示意圖

圖7 側架原方案裂紋出現部位實物圖

4.3 澆注條件方面

嚴格控制澆注溫度，盡可能地將澆注溫度控制在1 555℃～1 565℃范圍內，并要點沖2次。

5 結論

本文對側架鑄鋼件的裂紋進行金相顯微鏡和電鏡分析，確定裂紋為熱裂紋；熱裂紋產生不是由于S、P的微觀偏析或者低熔點相的出現引起的；現場考察得到正確的側架三維模型和冷鐵排布方案。

在對凝固補縮模型進行分析的基礎上創(chuàng)建了基于溫度場的熱裂判據，設計了用于試驗驗證的鑄件，用來直接解決側架的熱裂問題。

［1］婁延春.鑄造手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［2］黃天佑.鑄造手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［3］李新亞.鑄造手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［4］朱圣焱，荊濤.搖枕與側架鑄件的熱裂紋數值模擬研究［J］.中國鑄造裝備與技術，2008（2）：28－31.

［5］王亞成.轉K2側架鑄造裂紋原因分析及改進措施［J］.機車車輛工藝，2004（2）：43－44.