圖 1安裝座斷口宏觀形貌
鑄造產品在動車組中的應用十分廣泛,主要涉及高速轉向架、車鉤、牽引系統和制動系統等關鍵部件。這些部件的鑄造產品通常由鑄鋼、鑄鐵或鑄鋁等材料制成,以滿足動車組在高速運行過程中對強度、剛度和耐久性的要求。
按照材料類別區分,動車組用鑄造產品主要有3種：① 鋁鑄件。在牽引系統中,變速箱等部件的材料為鋁鑄件,這些鋁鑄件具有良好的強度和韌性,以滿足高速運行時的載荷要求。② 鋼鑄件。鋼鑄件廣泛應用于動車組的牽引系統、制動系統、聯軸器系統和轉向架等關鍵部位,這些鋼鑄件具有高強度、高韌性和良好的耐磨性,可以確保動車組的安全運行[1]。③ 鐵鑄件。鐵鑄件一般應用于制動缸裝置及制動夾鉗裝置等部件上,鐵鑄件要求具有良好的耐磨性和耐腐蝕性[2]。
動車組鑄造產品的質量要求非常嚴格[3],主要體現在以下幾個方面：① 內部質量。要求鑄件內部無氣孔、夾雜物等缺陷,以保證其強度和耐久性。② 外部質量。要求鑄件表面無裂紋、無結殼或淬紋等缺陷,以確保其外觀質量和使用性能。③ 尺寸精度。要求鑄件尺寸精度高,符合設計要求,以保證動車組各部件之間的配合精度。
綜上所述,鑄造產品在動車組中的應用現狀表現為廣泛的應用領域、嚴格的材料要求、高質量的標準、先進的制造工藝和激烈的市場競爭。隨著技術的不斷進步和市場需求的變化,鑄造產品在動車組中的應用將會繼續發展。
筆者對幾起鑄造產品的制造工藝缺陷進行分析,分別從原始鑄造缺陷、鑄造缺陷焊修后未消除工藝缺陷、鑄造成形后機械加工不良產生的缺陷等3個方面對缺陷成因進行分析,并提出了動車組鑄造產品全壽命周期可靠性的預防措施[4]。
1. 案例分析
1.1 鑄造產品的原始鑄造預裂紋缺陷
某動車組用安裝座材料為鑄造灰鐵件,其斷口宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：斷裂源附近未見宏觀塑性變形,斷口呈“粗瓷狀”形貌,整體呈脆性斷口宏觀特征；斷口局部可見紅褐色覆蓋物（圖1中b、c標記處）,斷裂源位于箭頭標記處。
將有紅褐色覆蓋物的試樣置于掃描電鏡（SEM）下觀察,并對其進行能譜分析,結果如圖2,3所示。斷口上紅褐色覆蓋物為鑄造時期的沙箱內壁涂料,安裝座零件在使用前存在原始鑄造預裂紋,在使用載荷下發生過載開裂現象。
圖 2安裝座斷口褐色覆蓋物SEM形貌
圖 3車鉤棘爪斷口宏觀形貌
1.2 鑄造產品的原始鑄造縮松缺陷
某動車組用車鉤棘爪材料為鑄鐵件,其斷口宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：開裂起始位置表面為U型槽口結構,該部位為棘爪有效截面積最小部位。
用掃描電鏡（SEM）分析棘爪斷裂源區及心部,結果如圖4所示。由圖4可知：棘爪斷裂源區及心部存在多處疏松與縮孔缺陷。說明車鉤棘爪存在原始鑄造縮松缺陷,在使用載荷下發生過載開裂現象。
圖 4車鉤棘爪斷口SEM形貌
1.3 鑄造產品的原始鑄造冷隔缺陷
某動車組用風擋拉桿系統的調整套材料為07Cr19Ni10鑄造不銹鋼件。調整套外觀及缺陷位置如圖5所示。將調整套表面缺陷打開,斷口宏觀形貌如圖6所示。由圖6可知：調整套缺陷位置原始斷口呈氧化銹蝕色（見圖6中箭頭標記處）,其余呈金屬色區域為人工打開斷口。說明調整套上的缺陷為鑄造冷隔缺陷。
圖 5調整套外觀及缺陷位置
圖 6調整套人工打開斷口宏觀形貌
1.4 鑄造產品的原始鑄造熱裂紋缺陷
某動車組用夾緊箍材料為鑄鋼件。夾緊箍外觀及缺陷位置如圖7所示。對疑似缺陷區域進行磁粉檢測,發現有3個區域顯示磁痕,分別編號為1#、2#、3#區域。由圖7可知：這3個區域的磁痕顯示具有斷續曲折分布特征。
圖 7夾緊箍外觀及缺陷位置
3個缺陷區域截面微觀形貌如圖8所示。由圖8可知：1#~3#區域的缺陷均為裂紋形態,裂紋兩側均有明顯脫碳現象。說明夾緊箍的缺陷為鑄造熱裂紋。
圖 8夾緊箍缺陷微觀形貌
1.5 鑄造產品熱處理工藝缺陷
某動車組用下擺臂底座材料為鑄造鋁合金。下擺臂底座外觀及斷裂位置如圖9所示,斷裂位置見標記處,斷裂處未見明顯塑性變形特征。將底座解剖后,鑄件心部可見縮孔缺陷。斷面粗糙且有發亮的小刻面,呈典型的脆性斷口特征。下擺臂底座顯微組織形貌如圖10所示。由圖10可知：下擺臂底座顯微組織為α-Al基體+針狀和片狀共晶硅+少量塊狀初生硅。結果表明,下擺臂底座的顯微組織為未變質狀態,針狀共晶硅切割了基體的連續性,易在沖擊載荷作用下沿共晶硅針處發生脆性開裂現象。
圖 9下擺臂底座外觀及斷裂位置
圖 10下擺臂底座顯微組織形貌
1.6 鑄造缺陷焊修工藝引起的缺陷
某動車組用夾緊箍材料為E260-450-MS鑄鋼件。夾緊箍外觀及缺陷位置如圖11所示。夾緊箍缺陷位于裝配面局部區域[圖11（a）中方框區域],缺陷宏觀呈不規則分布的凹坑形貌,凹坑底部光滑。夾緊箍缺陷處微觀形貌如圖12所示。由圖12可知：凹坑底部存在焊接熱影響區,凹坑表面存在多條微裂紋。結果表明,夾緊箍凹坑缺陷是由局部焊補金屬與母材熔合不良引起的,產生該缺陷的主要原因為鑄件的焊修工藝參數不良。
圖 11夾緊箍外觀及缺陷位置
圖 12夾緊箍缺陷處微觀形貌
1.7 鑄造成形后機械加工不良產生的缺陷
某動車組用接地軸箱蓋材料為GE230N鑄鋼件。軸箱蓋外觀及缺陷微觀形貌如圖13所示。磁痕聚集處缺陷呈裂紋特征,深度約為0.54 mm,裂紋起始處未見原始鑄造缺陷,裂紋兩邊未見氧化脫碳現象,裂紋擴展路徑為穿晶。將裂紋人工打開,使用掃描電鏡觀察斷口,可見疲勞條帶,呈疲勞斷口微觀特征（見圖14）。說明接地軸箱蓋缺陷為裂紋,產生原因為在鑄造成形后,機械加工變截面過渡處存在應力集中,在服役過程中的交變載荷作用下產生疲勞源,并發生擴展,直至形成宏觀裂紋。
圖 14軸箱蓋缺陷打開后斷口SEM形貌
2. 分析與討論
通過對上述7個動車組典型鑄造產品的缺陷案例進行分析,可知動車組用鑄造產品制造工藝產生的缺陷主要有原始鑄造缺陷、不良的顯微組織、焊修后未消除的原始缺陷、機械加工不良產生的缺陷等。一般情況下,鑄造產品制造工藝產生的缺陷框圖如圖15所示。
圖 15動車組鑄造產品制造工藝產生的缺陷框圖
2.1 原始鑄造缺陷對鑄造產品的影響
原始鑄造缺陷對鑄造產品的影響主要有以下幾個方面[5]。
（1）結構完整性：鑄造缺陷如孔洞、裂紋等會破壞鑄件的結構完整性,影響其承載能力和使用壽命。例如,氣孔和縮松會降低鑄件的強度和致密度,而裂紋則會導致鑄件在受力時斷裂。
（2）外觀質量：鑄造缺陷會導致鑄件表面出現凹坑、凸起、氣孔等,嚴重影響產品的外觀質量。這不僅降低了產品的美觀性,還可能影響產品的市場接受度。
（3）使用性能：鑄造缺陷會影響鑄件的使用性能,如降低其耐磨性、耐腐蝕性和疲勞強度等,從而影響產品的可靠性和安全性。
2.2 不良的顯微組織對鑄造產品的影響
不良的顯微組織對鑄造產品的影響主要有以下幾個方面。
（1）力學性能降低,如抗拉強度、屈服強度、硬度等指標降低。不良的顯微組織意味著金屬內部的晶體結構、化學成分分布等不均勻或存在缺陷,這些都會導致鑄件的力學性能降低。例如,鑄件在使用過程中容易發生塑性變形和斷裂等現象,影響其使用壽命和安全性能[6]。
（2）物理性能降低,如熱膨脹系數、導熱系數、比熱容等物理性能降低。不良的顯微組織會影響鑄件的物理性能,使其在高溫或低溫環境下的性能降低。這可能導致鑄件在特定工作環境下的性能不穩定,影響設備的安全運行。
（3）化學性能降低,如耐腐蝕性、氧化性降低。不良的顯微組織可能導致鑄件的耐腐蝕性和氧化性降低,使其在特定環境下出現腐蝕和氧化等問題。這將嚴重影響鑄件的使用壽命和可靠性。
2.3 焊修后未消除原始缺陷對鑄造產品的影響
焊修后未消除原始缺陷對鑄造產品的影響主要有以下幾個方面。
（1）力學性能降低。焊接過程中未消除的原始缺陷,如未熔合、裂紋、夾渣等,會進一步降低鑄件的力學性能。這些缺陷會導致焊縫的有效承載面積減小,應力集中現象加劇,從而使鑄件在承受載荷時容易發生斷裂或塑性變形。
（2）密封性受損。對于壓力容器、管道等需要保證密封性的鑄件,焊修后未消除的氣孔、未焊透等缺陷會使設備內部或外部發生泄漏事故。
（3）耐腐蝕性降低和疲勞壽命縮短。原始缺陷處的金屬組織通常與正常焊縫不同,更容易受到腐蝕介質的作用,從而加快鑄件的腐蝕速率。此外,這些缺陷也是疲勞裂紋的萌生地,會縮短鑄件的疲勞壽命[7]。在交變載荷作用下,缺陷處的應力集中會加速裂紋的擴展,最終導致鑄件疲勞斷裂[8]。
2.4 機械加工不良產生的缺陷對鑄造產品的影響
機械加工不良產生的缺陷對鑄造產品的影響主要有以下幾個方面。
（1）力學性能降低。機械加工不良可能導致鑄造產品表面或內部出現裂紋、劃痕、凹坑等缺陷,這些缺陷會破壞材料的連續性,降低產品的抗拉強度、屈服強度等力學性能。特別是在承受高應力或高載荷的部件中,這些缺陷可能導致產品在使用過程中發生斷裂或失效。
（2）尺寸精度降低。機械加工不良可能導致鑄造產品的尺寸精度超出允許的公差范圍,影響產品的裝配和使用性能[9]。
3. 結語
對動車組用鑄造產品在制造過程中出現的工藝缺陷進行了深入的研究和分析。動車組用鑄造產品的制造工藝缺陷是一個復雜而重要的問題。通過優化鑄造工藝、嚴格選擇材料與控制質量、合理設計熱處理工藝以及建立完善的缺陷預防和修復機制等措施,可以有效降低鑄造缺陷的發生概率,提高產品的質量和性能。同時,鑄造企業應持續關注行業動態和技術發展,不斷改進和創新制造工藝,以滿足市場需求。
文章來源——材料與測試網