掛舵臂鏜孔后發現裂紋原因分析及相關預防措施

陳 棟

大連中遠川崎船舶工程有限公司

掛舵臂鏜孔后發現裂紋原因分析及相關預防措施

陳 棟

大連中遠川崎船舶工程有限公司

鑄件在船舶上的應用及其廣泛，掛舵臂這種重要的部件。其中以裂紋的危害最為嚴重。熱處理過程中會產生兩種應力。一是熱應力，加熱冷卻過程中，零件各部分的加熱冷卻速度不一，因此各部分的膨脹率與收縮率也不一樣，二次產生了熱應力。二是相變應力（組織應力），加熱時，鐵素體，珠光體轉變成奧氏體，體積要縮小；淬火時，奧氏體轉變成馬氏體，體積要增大；回火時，馬氏體中隨著碳的析出體積要縮小，這就產生了相變應力。零件中的內應力是以上這兩種應力的疊加。當內應力超過了材料的屈服強度時就會出現變形，當內應力超過材料的抗拉強度或抗壓強度時就會產生裂紋。本文主要是通過一起掛舵臂的質量事故，通過對廠家的生產過程分析，確定裂紋產生的原因。從而確定相關的預防措施。

圖1

某船的掛舵臂進廠檢查時發現在鏜孔位置存在裂紋（如圖1所示）。調查發現在廠家的粗加工時，就發現多處裂紋狀缺陷。廠家在對缺陷進行修補后進行了精加工。但是遺憾的是修補后未進行進一步的無損檢查。修補后僅進行了目視檢查。由此判定修補不當是裂紋的一個重要原因。

圖2

另外，在NDT檢查中使用PT及MT進行對比發現，多處缺陷PT不能檢測出，只能使用MT確認。

如圖2所示同樣位置PT不能檢測出缺陷的位置，MT顯示有長條形缺陷。因此判定鑄件淺層內部存在缺陷。對MT缺陷進行20倍放大確認。發現存在空洞，大多呈星形由以上信息可以確定此次質量事故的原因有兩個：焊補因素與鑄造因素。

究其根源是未遵守正確的鑄件修補方法。鑄件的焊補要做到以下幾點：

1、鑄件缺陷部位的清理補焊以前，必須對缺陷部位進行清理，以使焊補易于操作，并確保焊補位置的質量。為保證焊補金屬與木材很好的熔接和防止焊接裂紋，坡口底部及轉角不允許存在尖角。

2、焊補前鑄件的預熱為防止焊補時因鑄件各部分受熱不均與而引起的變形或裂紋，焊補應進行預熱。

3、選擇合適的焊材。

4、焊后的退火。

5、多處缺陷應當由小到大或交替補焊。

另一個裂紋誘因是在鑄造過程中造成。通過廠家提供的信息得知，裂紋部位在鑄造過程中存在使用冷鐵的記錄。冷鐵的作用是加速鑄件某部分在澆注過程中的冷卻速度的。使用冷鐵的目的就是為了確保使用冷鐵位置的質量，保證此位置的結晶。根據相關資料用數值模擬法對不同直徑鑄件計算其不同厚度冷鐵的界面傳熱量（如上圖所示），發現冷鐵界面傳熱量與其厚度有直接關系。一般來說，冷鐵厚度增加，其界面傳熱量也增加。

圖3

圖3為冷鐵厚度3cm時鑄件尺寸變化的Qc-t曲線。當冷鐵蓄熱到一定程度時，其傳熱量將不會明顯增加（如圖中曲線的平緩段）。因此在凝固的后期，可將冷鐵導熱視為穩態導熱。從圖中也可以看出，如果冷鐵厚度在大于鑄件壁厚之一般時，冷鐵傳熱量簡布會明顯增加。由此可以得出冷鐵的選取是次要的，僅僅能影響導熱效率，但是最終仍然能夠促使鑄件結晶在與冷鐵接觸的位置向良好的一面發展。通過調查發現我們忽略了一個很重的概念——界面熱阻值。所謂界面熱阻值主要取決于鑄件與鑄型之間的間隙，因此它是隨著鑄件凝固的進行而變化的，它是一個變化的值。也就是說掛舵臂的建造過程中，隨著鑄件的凝固鑄件各部位同冷鐵的接觸面出現劇烈的變化，造成各部位冷卻速度出現較大的差別。從而造成鑄件的結晶不良，也就是說冷鐵在個別位置沒能起到良好的作用，反而加劇了不良影響。

通過以上的分析我們得出了掛舵臂出現缺陷的原因：

1、補焊未按工藝進行造成二次缺陷。

2、冷鐵使用不當造成鑄件的鑄造缺陷。

針對以上的兩個原因我們制定如下的預防措施：

首先，研討冷鐵的使用方法和加工余量，盡量避免出現界面熱阻出現較大差異的情況。

其次，嚴格按照鑄件的修補工藝要求修補，避免二次缺陷的產生。

再次，初加工后增加噴砂的工序要求，以利于鑄件應力釋放。

最后，所有的鑄件加工后增加無損探傷工序，確保產品質量。

總之，在生產過程中出現的鑄件裂紋原因往往難以分辨，但是必須對發現的裂紋進行細致的研討分析，只有這樣才能確認裂紋產生在那一階段，原因是什么。才能對生產工藝進行合理的調整從而避免類似問題的發生，才能逐步的提高產品質量，從而形成自己的管理體系，慢慢的做大做強。

[1]《AFS(美國鑄造協會)缺陷圖譜及分析》

[2]《現代鑄造廠鑄件質量控制與缺陷預防新技術、新標準》于新成主編

[3]《大型鑄鋼件外冷鐵的研究》

[4]《內冷鐵在厚大鑄鋼件生產中的應用》