淺析鑄件斷裂的模式及改進方法

姚允

(安徽江淮汽車集團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鑄型里，經冷卻凝固、清整處理后得到有預定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過程[1]。被鑄物質多為原為固態但加熱至液態的金屬(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，使用的方法也會有所不同。

鑄造是比較經濟的毛坯成形方法，對于形狀復雜的零件更能顯示出它的經濟性[2]，如汽車發動機的缸體和缸蓋等。對于一些因為結構復雜但內部不需要加工的零部件，基本上使用鑄造來生產。另外，鑄造的零件尺寸和質量的適應范圍很寬，金屬種類幾乎不受限制；零件在具有一般機械性能的同時，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。因此在機器制造業中用鑄造方法生產的毛坯零件，在數量和噸位上迄今仍是最多的[3]。

但鑄件也有力學性能較差、生產工序多、質量不穩定、工人勞動條件差等缺點。鑄件廣泛用于機床制造、動力、交通運輸、輕紡機械、冶金機械等設備。鑄件質量占機器總質量的40%～85%。

1 鑄件常見的故障模式

鑄件常見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(發裂)、冷隔；

(4)表面缺陷：鼠尾、溝槽、夾砂結疤(夾砂類)、皺皮、縮陷；

(5)殘缺類缺陷：澆不到、未澆滿；

(6)形狀及質量差錯類缺陷：尺寸和質量差錯、變形、錯型(錯箱)；

(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、力學性能、化學成分不合格、石墨漂浮、石墨集結(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

結合市場上發生的各類故障，發現鑄件目前出現的故障模式均是產品件出現斷裂。該故障影響很惡劣，對產品安全性危害很大。通過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、力學性能和化學成分不合格，澆注分型面不合理，澆注口和冒氣口設置不合理。

2.1 球化不良和球化衰退

某一款市場反饋良好的商用車的方向機底端出現開裂、漏油現象，如圖1所示。對返回舊件進行檢測，結果為球化6級，不符合球化1～3級的要求。隨后，對制造過程進行追溯，發現供應商在生產時，熔煉后用瓢澆注。據供應商說明，該批檢查時只出現一個金相不合格，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，鐵水溫度達不到要求，影響球化效果。

從該故障件生產過程綜合判斷其故障主要原因：鐵水球化處理后，由于停留時間過長，球化元素鎂和稀土金屬逐漸從鐵液中析出、上浮、蒸發和氧化而散失，導致最后球化不良。針對此情況，應控制球化劑的保護，如在澆注包中，把它放在最下面并充分壓實，這樣能夠減少鐵水澆注后球化元素析出蒸發；球化處理溫度不宜過高，球化處理后應盡快澆注，減少停留時間。

2.2 物理、力學性能或化學成分不合格

2.2.1 碳化物超標

某公司提供的平衡軸支架試樣要求碳化物不大于5%，實測為10%。經過分析得知，該試樣的碳化物為滲碳體。該成分超標，能夠極大地降低鑄件的韌性，導致延伸率達不到要求。針對該問題，在供應商生產現場進行原因查找后發現：原材料配比稱重環節存在失控，供應商使用的磅秤已經銹蝕很嚴重，準確性不高；球化劑和孕育劑稱重設備也比較陳舊，球化劑和孕育劑加注比例不當，直接導致了球化效果不到位；生產過程是典型的粗放式，沖天爐露天生產，溫度無法控制，熔煉效果根本不受控；澆注環節也是手工作坊式生產，澆鑄時間無法保證，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格。

2.2.2 元素含量超標

某公司的車橋在車輛下線時出現兩例氣室支架斷裂的質量問題，如圖2所示。

對故障支架進行取樣化學分析，其中碳的規定含量：3.3%～3.6%，實測3.37%；硅的規定含量: 2.6%～3.0%，實測3.57%； 硫的規定含量:<0.04%，實測 0.009%。對斷裂件進行金相檢測，其結果為：球化等級為三級，基體組織為鐵素體，珠光體含量為5%，碳化物含量小于1%，符合標準要求。

從上面的分析可以看出：金相合格，但產品件還是很容易出現斷裂。經進一步檢測，發現斷裂件硅含量檢測為3.57%，比球鐵QT450-10企業標準的要求高出0.57%。根據鑄件的元素作用，硅含量較高后能使鑄件在常溫下沖擊韌性降低[4]。

硅含量超標主要原因為以下幾個方面：原材料中的硅含量超標，其中原材料基本上都是生鐵、回爐鐵和廢鋼構成，回爐鐵和原生鐵有可能硅超標；硅鐵孕育劑本身硅含量超標；孕育劑加入量過多。

通過了解到該單位生產時，工藝要求原鐵水在加入孕育劑之前進行化學成分檢測，保證硅含量為1.2%～1.8%，加入孕育劑后應保證硅含量在2.6%～3.0%之間。硅鐵孕育劑加入量工藝規定為0.9%～1.0%，但實際操作時個別在加硅鐵孕育劑時沒有進行精確稱量，1 t的電爐孕育劑加入量應該為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。

從以下幾個方面進行管控，可以預防類似問題：對原材料進行檢測，一般是對原生鐵進行成分檢測(回爐鐵一般不用檢測，因熔煉時進行成分檢測)；進廠時對球化劑中的硅含量進行檢測；熔煉時要進行充分的原色成分檢測，使用CS分析儀和分光光度計檢測碳、硫、磷、硅、稀土的含量，在自動化較高的情況下，最好選用快速檢測儀，能夠充分地保證熔爐鐵水成分快速檢測；按比例加注球化劑。

2.3 澆注分型面對強度的影響

接收到從市場退回的5件轉向器支架，它們在使用過程中均出現不同程度地開裂，開裂位置全部在轉向器支架和轉向器連接處下方。如圖3所示，發現斷裂處在兩個澆注分型面處。

對該批生產的記錄進行追蹤檢查，發現元素成分檢測記錄顯示合格，金相、機械性能均檢測合格。對返回舊件進行金相檢測，結果合格。同時在顯微鏡下查看，如圖4所示，球化等級為三級，球墨分散比較均勻，大小比較一致。從該產品尺寸檢測來分析，尺寸也符合要求。

通過以上分析，該產品尺寸、金相、元素均符合要求，但產品強度達不到使用要求，其中重要的影響因素可能是分型面的應力集中，成為了開裂的誘因。分型面設置一般根據零部件的結構并且充分考慮澆注時的流通性，如該支架在分型面無法變化的情況下，應充分考慮產品應力集中，可以對該處進行圓弧加強，在不影響產品與其他部件配合的情況下，進行結構優化，保證產品強度得到提升。

2.4 澆注口和冒氣口設置不合理對強度的影響

某司重卡廠車架車間反饋前簧固定支架鉚接開裂。該產品為安全件，裂紋微小，不易發現，一旦流向市場，將會造成嚴重的質量與安全隱患。圖5所示為前簧固定支架鉚接開裂圖。

對該產品毛坯的生產過程進行了解，發現該前簧固定支架形狀做過修改，供應商于2010年12月份切換為新狀態。老狀態產品使用的是木模，澆鑄時采用的是臥式；新狀態產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。

初步分析產生開裂的原因：(1)金屬模設計不合理，鉚釘孔設置在模具的最上方，而冒口設置在鑄件的中下部，鐵水中含有的一些比重比鐵水輕的雜質，在澆鑄過程中就會上浮到鉚釘孔上方，形成一個小的雜質聚集區，從而導致此處有效拉伸面積減小，還會沿雜質形成微裂紋。(2)產品修改后鉚接孔凸臺連接處R弧偏小，較修改前強度減弱。

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

3 結論

文中主要通過各類斷裂/開裂失效模式的實例分析，說明鑄造過程中需要抓住以下關鍵點：

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

(2)配料環節。做好原材料配比，并進行稱重環節的管控。

(3)中頻熔爐加料熔煉，鐵水的成分抽樣檢測，并對碳含量等進行調節；做好熔煉溫度的檢測和控制。

(4)球化孕育。按照配比加注球化劑、孕育劑于澆注包中，并進行充分地擠壓，保證球化效果；做好樣塊的澆注和檢測工作，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；做好粑渣工序，及時清理鐵水中雜質；澆注前需進行溫度檢測，使用探溫槍和探溫頭。

(6)加工試棒進行抗拉檢測和延伸率檢測。

針對上述幾種缺陷模式，在原料、模具、鑄造過程和檢測各個環節進行相應地改進，改進后這些缺陷情況得以消除。