姚允

(安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司重型車分公司，安徽合肥 230022)

0 引言

鑄造是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進(jìn)鑄型里，經(jīng)冷卻凝固、清整處理后得到有預(yù)定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過(guò)程[1]。被鑄物質(zhì)多為原為固態(tài)但加熱至液態(tài)的金屬(例如銅、鐵、鋁、錫、鉛等)；模的材料可以是沙、金屬甚至陶瓷，為了滿足不同要求，使用的方法也會(huì)有所不同。

鑄造是比較經(jīng)濟(jì)的毛坯成形方法，對(duì)于形狀復(fù)雜的零件更能顯示出它的經(jīng)濟(jì)性[2]，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體和缸蓋等。對(duì)于一些因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜但內(nèi)部不需要加工的零部件，基本上使用鑄造來(lái)生產(chǎn)。另外，鑄造的零件尺寸和質(zhì)量的適應(yīng)范圍很寬，金屬種類幾乎不受限制；零件在具有一般機(jī)械性能的同時(shí)，還具有耐磨、耐腐蝕、吸震等綜合性能，是其他金屬成形方法(如鍛、軋、焊、沖等)所做不到的。因此在機(jī)器制造業(yè)中用鑄造方法生產(chǎn)的毛坯零件，在數(shù)量和噸位上迄今仍是最多的[3]。

但鑄件也有力學(xué)性能較差、生產(chǎn)工序多、質(zhì)量不穩(wěn)定、工人勞動(dòng)條件差等缺點(diǎn)。鑄件廣泛用于機(jī)床制造、動(dòng)力、交通運(yùn)輸、輕紡機(jī)械、冶金機(jī)械等設(shè)備。鑄件質(zhì)量占機(jī)器總質(zhì)量的40%～85%。

1 鑄件常見(jiàn)的故障模式

鑄件常見(jiàn)的故障模式主要有以下幾類：

(1)多肉類缺陷:飛邊、毛刺、脹砂、沖砂；

(2)孔洞類缺陷：氣孔、針孔、縮孔、縮松、疏松(顯微縮松)；

(3)裂紋冷隔類缺陷：冷裂、熱裂、白點(diǎn)(發(fā)裂)、冷隔；

(4)表面缺陷：鼠尾、溝槽、夾砂結(jié)疤(夾砂類)、皺皮、縮陷；

(5)殘缺類缺陷：澆不到、未澆滿；

(6)形狀及質(zhì)量差錯(cuò)類缺陷：尺寸和質(zhì)量差錯(cuò)、變形、錯(cuò)型(錯(cuò)箱)；

(7)夾雜類缺陷：金屬夾雜物、冷豆、夾渣、氣孔、砂眼；

(8)性能成分組織不合格：物理、力學(xué)性能、化學(xué)成分不合格、石墨漂浮、石墨集結(jié)(石墨粗大)、組織粗大、偏析、球化不良、球化衰退。

2 鑄件在整車上的斷裂故障模式淺析

結(jié)合市場(chǎng)上發(fā)生的各類故障，發(fā)現(xiàn)鑄件目前出現(xiàn)的故障模式均是產(chǎn)品件出現(xiàn)斷裂。該故障影響很惡劣，對(duì)產(chǎn)品安全性危害很大。通過(guò)收集斷裂的主要模式，分析其中的主要成因有：球化不良和球化衰退，物理、力學(xué)性能和化學(xué)成分不合格，澆注分型面不合理，澆注口和冒氣口設(shè)置不合理。

2.1 球化不良和球化衰退

某一款市場(chǎng)反饋良好的商用車的方向機(jī)底端出現(xiàn)開(kāi)裂、漏油現(xiàn)象，如圖1所示。對(duì)返回舊件進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果為球化6級(jí)，不符合球化1～3級(jí)的要求。隨后，對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行追溯，發(fā)現(xiàn)供應(yīng)商在生產(chǎn)時(shí)，熔煉后用瓢澆注。據(jù)供應(yīng)商說(shuō)明，該批檢查時(shí)只出現(xiàn)一個(gè)金相不合格，很可能是兩瓢最后剩下的鐵水澆在一起，由于是剩下的鐵水，鐵水溫度達(dá)不到要求，影響球化效果。

從該故障件生產(chǎn)過(guò)程綜合判斷其故障主要原因：鐵水球化處理后，由于停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，球化元素鎂和稀土金屬逐漸從鐵液中析出、上浮、蒸發(fā)和氧化而散失，導(dǎo)致最后球化不良。針對(duì)此情況，應(yīng)控制球化劑的保護(hù)，如在澆注包中，把它放在最下面并充分壓實(shí)，這樣能夠減少鐵水澆注后球化元素析出蒸發(fā)；球化處理溫度不宜過(guò)高，球化處理后應(yīng)盡快澆注，減少停留時(shí)間。

2.2 物理、力學(xué)性能或化學(xué)成分不合格

2.2.1 碳化物超標(biāo)

某公司提供的平衡軸支架試樣要求碳化物不大于5%，實(shí)測(cè)為10%。經(jīng)過(guò)分析得知，該試樣的碳化物為滲碳體。該成分超標(biāo)，能夠極大地降低鑄件的韌性，導(dǎo)致延伸率達(dá)不到要求。針對(duì)該問(wèn)題，在供應(yīng)商生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原因查找后發(fā)現(xiàn)：原材料配比稱重環(huán)節(jié)存在失控，供應(yīng)商使用的磅秤已經(jīng)銹蝕很嚴(yán)重，準(zhǔn)確性不高；球化劑和孕育劑稱重設(shè)備也比較陳舊，球化劑和孕育劑加注比例不當(dāng)，直接導(dǎo)致了球化效果不到位；生產(chǎn)過(guò)程是典型的粗放式，沖天爐露天生產(chǎn)，溫度無(wú)法控制，熔煉效果根本不受控；澆注環(huán)節(jié)也是手工作坊式生產(chǎn)，澆鑄時(shí)間無(wú)法保證，澆鑄溫度控制不到位，鑄件組織直接受到很大影響。

因此引起試樣不合格的主要原因是在配料、球化劑加注量、熔煉溫度和澆鑄溫度上管控不嚴(yán)格。

2.2.2 元素含量超標(biāo)

某公司的車橋在車輛下線時(shí)出現(xiàn)兩例氣室支架斷裂的質(zhì)量問(wèn)題，如圖2所示。

對(duì)故障支架進(jìn)行取樣化學(xué)分析，其中碳的規(guī)定含量：3.3%～3.6%，實(shí)測(cè)3.37%；硅的規(guī)定含量: 2.6%～3.0%，實(shí)測(cè)3.57%； 硫的規(guī)定含量:<0.04%，實(shí)測(cè) 0.009%。對(duì)斷裂件進(jìn)行金相檢測(cè)，其結(jié)果為：球化等級(jí)為三級(jí)，基體組織為鐵素體，珠光體含量為5%，碳化物含量小于1%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

從上面的分析可以看出：金相合格，但產(chǎn)品件還是很容易出現(xiàn)斷裂。經(jīng)進(jìn)一步檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)斷裂件硅含量檢測(cè)為3.57%，比球鐵QT450-10企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求高出0.57%。根據(jù)鑄件的元素作用，硅含量較高后能使鑄件在常溫下沖擊韌性降低[4]。

硅含量超標(biāo)主要原因?yàn)橐韵聨讉€(gè)方面：原材料中的硅含量超標(biāo)，其中原材料基本上都是生鐵、回爐鐵和廢鋼構(gòu)成，回爐鐵和原生鐵有可能硅超標(biāo)；硅鐵孕育劑本身硅含量超標(biāo)；孕育劑加入量過(guò)多。

通過(guò)了解到該單位生產(chǎn)時(shí)，工藝要求原鐵水在加入孕育劑之前進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，保證硅含量為1.2%～1.8%，加入孕育劑后應(yīng)保證硅含量在2.6%～3.0%之間。硅鐵孕育劑加入量工藝規(guī)定為0.9%～1.0%，但實(shí)際操作時(shí)個(gè)別在加硅鐵孕育劑時(shí)沒(méi)有進(jìn)行精確稱量，1 t的電爐孕育劑加入量應(yīng)該為9～10 kg，可能加入量卻是11～12 kg，這樣造成的直接后果為成品件的硅含量超標(biāo)。

從以下幾個(gè)方面進(jìn)行管控，可以預(yù)防類似問(wèn)題：對(duì)原材料進(jìn)行檢測(cè)，一般是對(duì)原生鐵進(jìn)行成分檢測(cè)(回爐鐵一般不用檢測(cè)，因熔煉時(shí)進(jìn)行成分檢測(cè))；進(jìn)廠時(shí)對(duì)球化劑中的硅含量進(jìn)行檢測(cè)；熔煉時(shí)要進(jìn)行充分的原色成分檢測(cè)，使用CS分析儀和分光光度計(jì)檢測(cè)碳、硫、磷、硅、稀土的含量，在自動(dòng)化較高的情況下，最好選用快速檢測(cè)儀，能夠充分地保證熔爐鐵水成分快速檢測(cè)；按比例加注球化劑。

2.3 澆注分型面對(duì)強(qiáng)度的影響

接收到從市場(chǎng)退回的5件轉(zhuǎn)向器支架，它們?cè)谑褂眠^(guò)程中均出現(xiàn)不同程度地開(kāi)裂，開(kāi)裂位置全部在轉(zhuǎn)向器支架和轉(zhuǎn)向器連接處下方。如圖3所示，發(fā)現(xiàn)斷裂處在兩個(gè)澆注分型面處。

對(duì)該批生產(chǎn)的記錄進(jìn)行追蹤檢查，發(fā)現(xiàn)元素成分檢測(cè)記錄顯示合格，金相、機(jī)械性能均檢測(cè)合格。對(duì)返回舊件進(jìn)行金相檢測(cè)，結(jié)果合格。同時(shí)在顯微鏡下查看，如圖4所示，球化等級(jí)為三級(jí)，球墨分散比較均勻，大小比較一致。從該產(chǎn)品尺寸檢測(cè)來(lái)分析，尺寸也符合要求。

通過(guò)以上分析，該產(chǎn)品尺寸、金相、元素均符合要求，但產(chǎn)品強(qiáng)度達(dá)不到使用要求，其中重要的影響因素可能是分型面的應(yīng)力集中，成為了開(kāi)裂的誘因。分型面設(shè)置一般根據(jù)零部件的結(jié)構(gòu)并且充分考慮澆注時(shí)的流通性，如該支架在分型面無(wú)法變化的情況下，應(yīng)充分考慮產(chǎn)品應(yīng)力集中，可以對(duì)該處進(jìn)行圓弧加強(qiáng)，在不影響產(chǎn)品與其他部件配合的情況下，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證產(chǎn)品強(qiáng)度得到提升。

2.4 澆注口和冒氣口設(shè)置不合理對(duì)強(qiáng)度的影響

某司重卡廠車架車間反饋前簧固定支架鉚接開(kāi)裂。該產(chǎn)品為安全件，裂紋微小，不易發(fā)現(xiàn)，一旦流向市場(chǎng)，將會(huì)造成嚴(yán)重的質(zhì)量與安全隱患。圖5所示為前簧固定支架鉚接開(kāi)裂圖。

對(duì)該產(chǎn)品毛坯的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行了解，發(fā)現(xiàn)該前簧固定支架形狀做過(guò)修改，供應(yīng)商于2010年12月份切換為新?tīng)顟B(tài)。老狀態(tài)產(chǎn)品使用的是木模，澆鑄時(shí)采用的是臥式；新?tīng)顟B(tài)產(chǎn)品采用的是金屬模立式澆鑄。圖6所示為澆口和冒口位置示意圖。

初步分析產(chǎn)生開(kāi)裂的原因：(1)金屬模設(shè)計(jì)不合理，鉚釘孔設(shè)置在模具的最上方，而冒口設(shè)置在鑄件的中下部，鐵水中含有的一些比重比鐵水輕的雜質(zhì)，在澆鑄過(guò)程中就會(huì)上浮到鉚釘孔上方，形成一個(gè)小的雜質(zhì)聚集區(qū)，從而導(dǎo)致此處有效拉伸面積減小，還會(huì)沿雜質(zhì)形成微裂紋。(2)產(chǎn)品修改后鉚接孔凸臺(tái)連接處R弧偏小，較修改前強(qiáng)度減弱。

為此，一方面將該產(chǎn)品鉚釘孔部位外圓加大2.5 mm(經(jīng)驗(yàn)證在裝配過(guò)程中不與其他產(chǎn)品造成干涉)，同時(shí)在澆口部位放一個(gè)80 mm×80 mm的纖維濾網(wǎng)，以減少雜質(zhì)流入型腔內(nèi)，并在該產(chǎn)品模具的最高部位(鉚釘孔外圓處)增加一個(gè)出氣孔，便于產(chǎn)品排氣。經(jīng)驗(yàn)證再生產(chǎn)產(chǎn)品符合要求。

3 結(jié)論

文中主要通過(guò)各類斷裂/開(kāi)裂失效模式的實(shí)例分析，說(shuō)明鑄造過(guò)程中需要抓住以下關(guān)鍵點(diǎn)：

(1)原材料進(jìn)廠檢查。主要檢測(cè)增碳劑碳的含量、孕育劑中硅的含量、原生鐵的元素含量。

(2)配料環(huán)節(jié)。做好原材料配比，并進(jìn)行稱重環(huán)節(jié)的管控。

(3)中頻熔爐加料熔煉，鐵水的成分抽樣檢測(cè)，并對(duì)碳含量等進(jìn)行調(diào)節(jié)；做好熔煉溫度的檢測(cè)和控制。

(4)球化孕育。按照配比加注球化劑、孕育劑于澆注包中，并進(jìn)行充分地?cái)D壓，保證球化效果；做好樣塊的澆注和檢測(cè)工作，保證球化和元素含量均符合要求。

(5)澆注。澆注前要做好燙包工作，保證澆注包溫度在控制范圍內(nèi)；做好粑渣工序，及時(shí)清理鐵水中雜質(zhì)；澆注前需進(jìn)行溫度檢測(cè)，使用探溫槍和探溫頭。

(6)加工試棒進(jìn)行抗拉檢測(cè)和延伸率檢測(cè)。

針對(duì)上述幾種缺陷模式，在原料、模具、鑄造過(guò)程和檢測(cè)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行相應(yīng)地改進(jìn)，改進(jìn)后這些缺陷情況得以消除。