HT250灰鑄鐵曳引機底座斷裂分析*

陳桂豐，周 崎，李 浩，龍賽瓊

（廣州海關技術中心，廣州 510623）

0 引言

電梯是一種對人身安全關系重大的特種設備，隨著電梯在城市中的應用越來越普及，電梯安全已成為社會焦點。曳引機是電梯動力來源，也是整部電梯的安全核心，而曳引機底座則關系其結構穩定性，其失效往往會造成較為嚴重的事故。機座通常尺寸大，結構復雜，壁厚差別大，在生產過程中容易出現鑄造缺陷，鑄造工藝制定方面難度較大，需要進行反復測試驗證，工藝需嚴格控制才能保證質量。對失效件進行分析，能確定其工藝、原材料、設計是否存在問題，從而給工藝制定提供有力支撐，時效分析一直都是提高產品質量最有效的手段之一。此次開裂的電機底座使用的材料為珠光體類型的灰鑄鐵HT250，其強度、耐磨性、耐熱性均較好，減振性良好，鑄造性能較優，需進行人工時效處理。可用于要求高強度和一定耐蝕能力的泵殼、容器、塔器、法蘭、填料箱本體及壓蓋、碳化塔、硝化塔等；還可制作機床床身、立柱、氣缸、齒輪以及需經表面淬火的零件。灰鑄鐵的力學性能與基體的組織和石墨的形態有關，灰鑄鐵中的片狀石墨對基體的割裂嚴重，在石墨尖角處易造成應力集中，灰鑄鐵件的裂紋，一般以冷裂為主，并產生在壁厚過渡、壁交界及結構薄弱處。

1 來樣情況

某公司生產的一批灰鑄鐵曳引機底座中有6個出現了裂紋，均在幾何結構突變處，該批次產品采用了新的鑄造工藝，其中一個機座上的裂紋呈直線貫穿整個壁厚，位于倒角處，如圖1所示箭頭處，而其他有問題機座上的裂紋也都呈現相同特征。

圖1 電機底座 Fig.1 Motor base

2 裂紋分析

2.1 宏觀分析

將裂紋區域用切取下后，用拉力機打開裂紋，裂紋斷面如圖2所示，裂紋斷面上有較多油漆痕跡，可以判斷裂紋在噴漆前已經存在。斷口氧化色由A區向B區逐漸減輕，證明源區在A區［1］。斷口未見機械損傷。

圖2 斷口Fig.2 Fracture

2.2 斷口顯微分析

對裂紋斷面進行酒精超聲清洗后，采用日立S－3400 N電子顯微鏡對A區直角位進行觀察，斷口較其他位置平坦，且沿特定組織開裂，氧化情況也最嚴重，可判斷A區直角位為裂紋源區，如圖3所示。斷口未見疏松、縮孔、夾雜等冶金缺陷，但斷面沿特定組織開裂為不正常現象。B區斷口為沿石墨及珠光體斷裂形貌，未見異常，如圖4所示。

圖3 A區形貌Fig.3 Morphology of area A

圖4 B區形貌Fig.4 Morphology of area B

3 理化檢驗

3.1 化學成檢測

采用GB／T 4336－2016、GB／T 20123－2006標準方法對機座進行檢測，結果顯示機座材質符合HT250材質要求，結果如表1所示。

表1 化學成分Table 1 Chemical composition

3.2 金相分析

根據GB／T 7216－2009《灰鑄鐵金相檢驗》對A區附近進行金相檢測，結果中石墨分布形態為距離表面3 mm范圍內為E型石墨，中心部位為A型石墨，不符合C型以上的技術要求，A型石墨為理想石墨形態，而E型石墨力學性能上具有方向性，是鑄件中不希望出現的［2］，石墨長度處于下限，珠光體數量合格，碳化物、磷共晶、共晶團數量也在正常范圍內［3］，如表2所示。

表2 金相檢測結果Table 2 Metallographic examination results

A區直角位存在強烈的枝晶排列的石墨組織，為E型石墨類型；經腐蝕后可見共晶碳化物呈枝晶柱狀分布，如圖6和圖8所示。

圖5 鑄件中部石墨A型Fig.5 Graphite A

圖6 A區直角位均為石墨E型Fig.6 Graphite A at right angle of zone A

圖7 共晶團數量3級Fig.7 Number of eutectic clusters Grade 3

圖8 A區直角位金相組織Fig.8 Metallographic structure of zone A at right angle

3.3 硬度分析

根據GB T 231.1－2018《金屬材料 布氏硬度試驗方法》檢測得機座硬度值為181 HBW，符合技術要求的不大于229 HBW。

4 綜合討論

灰鑄鐵鑄造應力由金屬在凝固后的收縮引起，型芯妨礙收縮的鑄件會引起拉應力，不同的冷卻速度使先冷卻的薄壁妨礙后冷卻的厚壁收縮，在厚處產生拉應力，薄處產生壓應力［5］。鑄造應力會導致鑄件產生熱裂或冷裂，熱裂是鑄件在凝固后期或凝固后在較高溫度下形成的裂紋，其斷面嚴重氧化，無金屬光澤，裂口沿晶粒邊界產生和發展，外形曲折而不規則。冷裂紋是鑄件凝固后冷卻到彈性狀態時，因局部鑄造應力大于合金極限強度而引起的開裂。冷裂紋總是發生在冷卻過程中承受拉應力的部位，特別是拉應力集中的部位，經驗表明，尺寸較大、中空而壁薄的床身、箱體、蓋罩、盒殼及框形鑄件最容易產生冷裂，這類鑄件的相對線收縮率大，冷卻收縮時受到砂芯阻礙，導致敞口轉角、壁厚轉變等結構強度薄弱處形成應力集中，成為裂紋起始點［6］。同時鑄件開箱過早，落砂溫度過高，在清砂時受到碰撞、擠壓都會引起鑄件開裂［7］。

機座裂紋呈連續直線，斷口干凈具有金屬光澤，源區輕微氧化，未見沿晶界斷裂；裂紋正好處于變截面倒角處，該區域有較大應力集中，而且該批次的電機底座縮短了開箱時間，提高了落砂溫度，增加了冷裂的風險，分析認為屬于鑄造應力引起的冷裂。裂紋源區存在強烈的枝晶排列的石墨組織及枝晶柱狀分布的共晶碳化物，為不正常鑄造組織，當出現裂紋后，裂紋就容易沿碳化物及石墨間的連接迅速擴展［6］。機座斷口宏觀未見異常，化學成分及硬度檢驗結果也符合技術要求。

防止鑄件冷裂的措施主要有，適當加大厚壁和薄壁交接處的過渡圓角，以減少應力集中，提高Si／C值，以提高材料強度，嚴格控制開箱時間，鑄件冷卻速度應均勻，減少局部溫度梯度［8］，改善砂芯的退讓性。

5 結束語

電機底座化學成分、硬度檢驗結果符合HT250要求，裂紋源區存在強烈的枝晶排列的石墨組織及枝晶柱狀分布的共晶碳化物，加速裂紋擴展，機殼裂紋屬于鑄造應力引起的冷裂。