淺談軌道交通鑄鋼件的質量控制

賈 旭，曹健峰，李亞軍，楊萬銀，嚴運濤

（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213011）

0 引言

《中國制造2025》指出，軌道交通裝備作為重點發展的產業，核心基礎零部件是制約創新發展和質量提升的癥結所在，鑄鋼件作為重要的組成部分，安全、可靠是最基本的要求。隨著列車運行速度等級的提高、運行工況的復雜程度的提高、乘客乘坐舒適性經濟性地提升，產品的設計要求不斷地升級，對處于產品鏈前端工序的鑄造工藝提出了較高地要求，主要從鑄鋼件的材料要求、產品內在質量、外觀質量、尺寸等方面提出了較為苛刻地要求。

軌道交通裝備主要產品包括車鉤緩沖裝置用鉤體、安裝座、鉤尾座、對中支架等鑄鋼件；轉向架用軸箱體、中心銷、中心銷座等鑄鋼件；制動系統用軸裝制動盤、輪裝制動盤、制動夾鉗等鑄鋼件。大部分產品結構復雜，薄壁箱體類結構，壁厚不均勻，壁厚差相對較大；承受復雜的載荷包括拉伸作用力、壓縮作用力、縱向沖擊載荷；部分產品運行過程中承受巨大的制動熱負荷及熱沖擊，從而引起很高的溫度梯度，帶來很高的熱應力[1]，需要產品具備良好的高溫力學性能和導熱性能以及低的彈性模量和熱膨脹系數，較高的熱疲勞強度。

1 技術要求

1.1 材料要求

為提高產品的疲勞壽命，鑄鋼件材料不再僅僅局限于常規化學成分地控制，部分產品對鋼中氣體提出較為嚴格的要求，例如氧含量≤0.010%，氫含量≤0.0003%，氮含量≤0.015%；對力學性能提出了較高的要求，例如某產品要求抗拉強度≥1050MPa，同時要求斷后伸長率≥8%；部分產品對非金屬夾雜物提出Ⅱ型夾雜物、Ⅳ型夾雜物不大于1 級的要求；部分產品對低溫沖擊韌性提出了較高的要求，要求-40℃的條件下Akv≥27J。

1.2 內部質量要求

鑄件的內在質量直接關系列車的運行安全，對其質量的控制方法主要通過射線探傷和超聲波探傷實現。軌道交通裝備用鑄鋼件大部分要求進行射線探傷，缺陷等級的要求不超過ASTME446中規定A 類、B 類、C 類的2 級，不允許有D、E、F、G 四類缺陷；標準TB 2980 規定通過超聲波探傷檢測鑄鋼制動盤的內部質量，具體規定為：距離盤體摩擦面8mm 厚度范圍內不應存在縮松缺陷，距離盤體摩擦面12mm 范圍內不允許存在大于?2mm 當量平底孔的缺陷。

1.3 表面質量要求

鑄件的表面缺陷，不僅影響產品的美觀度，而且一定程度降低了產品的使用壽命，所以主機企業對外觀提出了更高的要求，主要通過目視檢查及磁粉探傷檢查進行控制。目視檢查的部分外觀要求如下：鑄件毛坯表面允許存在直徑不大于?1.5mm，深度不大于2mm 的分散性非裂紋缺陷，在每100cm2上不多于3 個，距離邊緣或孔邊不小于10mm，間距不大于20mm；部分加工面不允許存在≥?1mm 的氣孔。技術要求均對鑄鋼件提出了磁粉探傷要求，部分鑄件要求關鍵區域的缺陷等級需滿足GB/T 9444 中質量等級規定壁厚不大于16mm 的1 級缺陷要求。另外，部分鑄鋼件要求規定熱處理后不允許任何焊補，這對鑄鋼件的質量穩定性提出了非常高的要求。

1.4 尺寸要求

鑄鋼件的鑄件尺寸公差要求基本按照GB/T 6414 的DGT11 級執行，但是對于關鍵尺寸的公差要求提出較高要求，如某產品壁厚尺寸22mm 而公差要求（-0.5，+0.8）mm，并且部分產品對形位尺寸提出了要求，如平面度、同軸度等，給鑄造的穩定工藝保證能力提出了較大的挑戰。

2 質量控制要點

2.1 鑄鋼件質量策劃階段

2.1.1 產品結構設計

設計人員在進行零部件設計圖紙初稿完成后，需要和鑄造工藝設計人員進行溝通，在不影響產品使用功能的情況下應充分考慮鑄造工藝的適用性，優化局部結構，實現產品結構設計與工藝設計的協同開發，使產品的可制造性及質量特性試驗檢驗的可執行性顯著提高。

2.1.2 鑄造工藝設計

通過MAGMA、ProCAST、FLOW-3D、AnyCasting 等鑄造模擬軟件對鑄造工藝方案進行模擬分析，從流動場、溫度場、凝固過程等計算結果進行鑄造缺陷的預測，并進行工藝方案優化，確定最優方案并形成書面的文件，并按照文件管理要求進行受控、歸檔；同時可以結合3D 打印技術快速驗證鑄造工藝方案的合理性[2]。

鑄造工藝方案制定后，應召開會議進行工藝方案評審。評審人員應包含工藝人員、制造管理人員、質量管理人員以及相關的專家。評審內容應完整、全面，不僅要包括加工余量、反變形量、工藝補增量、澆注系統、冒口、冷鐵、過濾等工藝要求，還應包括造型線及砂箱等工裝設備的匹配要求；鑄造工藝設計過程中需要考慮工藝的標準化、模塊化，盡可能采用通用標準冒口、整體坭芯代替拼接坭芯等方案。

2.1.3 鑄造模具設計

模具設計過程中需確認外模及坭芯盒的設計是否滿足拆卸、裝配要求，尺寸是否符合工藝設計要求，部分非自由公差要求的尺寸是否滿足要求；同時應考慮砂型制作過程的可操作性，主要考慮起模、搬運、儲存的便捷性；模具驗證的方式主要通過檢測模具的尺寸來實施，必要時進行試模；模具驗證的主要質量特性主要包括材質、尺寸、裝配方式、與設備的接口方式、排氣的設計、活塊的防錯設計等。

2.2 實施階段

2.2.1 型砂質量控制

原砂的化學成分含量、粒形系數、含水量、含泥量、粒度、灼燒減量、發氣量等，每班生產前進行型砂強度（起模強度、2h 強度、終強度）、砂流量、粘結劑及固化劑的加入量等過程參數的檢測，同時進行統計分析，掌握不同環境溫度下型砂強度的影響因素及控制方案。

2.2.2 熔煉質量控制

原材料廢鋼、合金的成分控制是關鍵，爐襯材料、鋼包質量、塞桿的質量都是影響鑄件質量的重要因素，鋼水的成分檢測、脫氧方法、澆注溫度及澆注速度將直接影響鑄件的內在及外觀質量。制定合理的熔煉方式、過程參數及控制方案，可以明顯提升鑄件質量。

2.2.3 熱處理質量控制

熱處理工藝路線、加熱溫度及保溫時間、裝爐方式將直接影響產品的力學性能、金相組織、晶粒度及鑄件變形量；熱處理爐的爐溫均勻性檢測及熱電偶的檢定、冷卻液的相關參數是確保同爐鑄件質量特性保持一致性的前提條件。

2.2.4 焊補質量控制

鑄鋼件缺陷的處理通常要采用焊補的方法處理，焊補工藝應通過焊接工藝評定，確定焊材牌號、焊接坡口、焊接電流等參數，然后結合產品的技術要求制定具體的作業指導書，確定焊補時機、焊補的部位及缺陷類型，并明確缺陷的去除及確認方法，保存相應的焊補記錄。

2.3 評價及改進階段

2.3.1 產品試驗檢驗的控制要點

鑄造過程是特殊過程，鑄件質量特性的驗證，主要通過對附鑄試棒、單鑄試棒或者本體試樣的測試，來間接檢測同一批鑄件的質量特性，從而需要確認鑄件的組批原則、抽檢或試棒的鑄造方式及試棒的代表性成立的條件，也就是使同批次鑄造產品的全部過程因素被控制在一定的范圍內，才能保證鑄件的性能在一定的范圍內。抽檢一定數量鑄件，分析其性能的離散性，確定鑄件性能一致性的鑄造各過程因素允許波動的范圍，以及鑄造批次的組批規則，確認完成后可以通過對過程因素的測控和抽檢來控制鑄件的質量特性，以達到用抽檢來間接測量其余鑄件特性的可靠結果。在質量策劃過程中要重點對鑄件的可追溯性、唯一性標識及批次管理制定詳細的控制方案，以確保批量化生產過程中所有鑄件的質量特性處于可控狀態。

2.3.2 質量問題處理

實際生產過程中，鑄造缺陷成為鑄造質量問題的最常見原因。在原因分析過程中需要選擇合適有效的質量工具，例如采用特性要因圖及SPC統計過程分析等質量工具，同時結合8D 方法及5M1E、PDCA 循環等進行持續改進，將起到較為明顯的效果。改進的效果宜采取評審會議的形式進行，對取得效果的措施進行固化，同時識別需要提升的地方，并將這些資料進行儲存并應用到新項目和培訓方面。

軌道交通產品有其特殊的要求，重要產品質量的驗證需要進行型式試驗、CRCC 認證及裝車考核運用，各階段試驗結果滿足設計要求時才可以說明產品滿足適用要求。

2.4 過程質量管控管理要求

2.4.1 變更管理

識別影響鑄件質量的過程關鍵因素，如型砂種類、澆注系統的尺寸及位置、冒口的種類及尺寸、冷鐵的厚度、生產設備等發生變化時，均需要進行工藝驗證，對相關的質量特性進行試驗驗證，必要時進行首件鑒定確認，在相關特性未確認的情況下不得繼續生產；鑄造的變更一般對在制品及已發貨產品沒有影響，可能會對后工序的加工有一定影響，需要識別為變更項點進行驗證。

2.4.2 不合格品的管理

首先識別產品重要度等級，再具體細化產品質量特性的重要度等級，將具體要求轉化到鑄鋼件毛坯技術條件及例行試驗大綱中，使之具有可操作性；不合格品的管理一定程度上代表了生產單位的管理水平。

2.4.3 質量安全風險管理

鑄件生產單位應建立、實施和保持文件化的質量安全風險管理過程，以識別質量安全風險，采取與產品和服務的安全性影響相適應的控制措施，適時評審措施的有效性，并持續改進。在每個過程中都需要基于風險管理的思想，在前期的質量策劃、工藝驗證與確認、產品生產制造、產品交付等過程中識別風險點，并運用合適的工具方法、專家評審、知識管理成果等方法對其進行評審，并采取有效措施對風險進行控制。

3 結束語

軌道交通裝備用鑄鋼件的質量控制，關鍵在于過程控制，以業務流程為載體，將質量要求融入流程的策劃、執行、監控、評價和改進等環節，建立規范有效的流程來保證鑄件產品質量。實施過程中，需要從產品實現全過程進行著手，詳細策劃各過程的質量要求，不折不扣地執行工藝要求，監控各過程的實施情況，不斷進行評價和改進，全面提高產品質量，提升顧客滿意度，實現中國速度向中國質量的轉變。