浅析铸件断裂的模式及改进方法

姚允

(安徽江淮汽车集团股份有限公司重型车分公司，安徽合肥 230022)

0 引言

铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程[1]。被铸物质多为原为固态但加热至液态的金属(例如铜、铁、铝、锡、铅等)；模的材料可以是沙、金属甚至陶瓷，为了满足不同要求，使用的方法也会有所不同。

铸造是比较经济的毛坯成形方法，对于形状复杂的零件更能显示出它的经济性[2]，如汽车发动机的缸体和缸盖等。对于一些因为结构复杂但内部不需要加工的零部件，基本上使用铸造来生产。另外，铸造的零件尺寸和质量的适应范围很宽，金属种类几乎不受限制；零件在具有一般机械性能的同时，还具有耐磨、耐腐蚀、吸震等综合性能，是其他金属成形方法(如锻、轧、焊、冲等)所做不到的。因此在机器制造业中用铸造方法生产的毛坯零件，在数量和吨位上迄今仍是最多的[3]。

但铸件也有力学性能较差、生产工序多、质量不稳定、工人劳动条件差等缺点。铸件广泛用于机床制造、动力、交通运输、轻纺机械、冶金机械等设备。铸件质量占机器总质量的40%～85%。

1 铸件常见的故障模式

铸件常见的故障模式主要有以下几类：

(1)多肉类缺陷:飞边、毛刺、胀砂、冲砂；

(2)孔洞类缺陷：气孔、针孔、缩孔、缩松、疏松(显微缩松)；

(3)裂纹冷隔类缺陷：冷裂、热裂、白点(发裂)、冷隔；

(4)表面缺陷：鼠尾、沟槽、夹砂结疤(夹砂类)、皱皮、缩陷；

(5)残缺类缺陷：浇不到、未浇满；

(6)形状及质量差错类缺陷：尺寸和质量差错、变形、错型(错箱)；

(7)夹杂类缺陷：金属夹杂物、冷豆、夹渣、气孔、砂眼；

(8)性能成分组织不合格：物理、力学性能、化学成分不合格、石墨漂浮、石墨集结(石墨粗大)、组织粗大、偏析、球化不良、球化衰退。

2 铸件在整车上的断裂故障模式浅析

结合市场上发生的各类故障，发现铸件目前出现的故障模式均是产品件出现断裂。该故障影响很恶劣，对产品安全性危害很大。通过收集断裂的主要模式，分析其中的主要成因有：球化不良和球化衰退，物理、力学性能和化学成分不合格，浇注分型面不合理，浇注口和冒气口设置不合理。

2.1 球化不良和球化衰退

某一款市场反馈良好的商用车的方向机底端出现开裂、漏油现象，如图1所示。对返回旧件进行检测，结果为球化6级，不符合球化1～3级的要求。随后，对制造过程进行追溯，发现供应商在生产时，熔炼后用瓢浇注。据供应商说明，该批检查时只出现一个金相不合格，很可能是两瓢最后剩下的铁水浇在一起，由于是剩下的铁水，铁水温度达不到要求，影响球化效果。

从该故障件生产过程综合判断其故障主要原因：铁水球化处理后，由于停留时间过长，球化元素镁和稀土金属逐渐从铁液中析出、上浮、蒸发和氧化而散失，导致最后球化不良。针对此情况，应控制球化剂的保护，如在浇注包中，把它放在最下面并充分压实，这样能够减少铁水浇注后球化元素析出蒸发；球化处理温度不宜过高，球化处理后应尽快浇注，减少停留时间。

2.2 物理、力学性能或化学成分不合格

2.2.1 碳化物超标

某公司提供的平衡轴支架试样要求碳化物不大于5%，实测为10%。经过分析得知，该试样的碳化物为渗碳体。该成分超标，能够极大地降低铸件的韧性，导致延伸率达不到要求。针对该问题，在供应商生产现场进行原因查找后发现：原材料配比称重环节存在失控，供应商使用的磅秤已经锈蚀很严重，准确性不高；球化剂和孕育剂称重设备也比较陈旧，球化剂和孕育剂加注比例不当，直接导致了球化效果不到位；生产过程是典型的粗放式，冲天炉露天生产，温度无法控制，熔炼效果根本不受控；浇注环节也是手工作坊式生产，浇铸时间无法保证，浇铸温度控制不到位，铸件组织直接受到很大影响。

因此引起试样不合格的主要原因是在配料、球化剂加注量、熔炼温度和浇铸温度上管控不严格。

2.2.2 元素含量超标

某公司的车桥在车辆下线时出现两例气室支架断裂的质量问题，如图2所示。

对故障支架进行取样化学分析，其中碳的规定含量：3.3%～3.6%，实测3.37%；硅的规定含量: 2.6%～3.0%，实测3.57%； 硫的规定含量:<0.04%，实测 0.009%。对断裂件进行金相检测，其结果为：球化等级为三级，基体组织为铁素体，珠光体含量为5%，碳化物含量小于1%，符合标准要求。

从上面的分析可以看出：金相合格，但产品件还是很容易出现断裂。经进一步检测，发现断裂件硅含量检测为3.57%，比球铁QT450-10企业标准的要求高出0.57%。根据铸件的元素作用，硅含量较高后能使铸件在常温下冲击韧性降低[4]。

硅含量超标主要原因为以下几个方面：原材料中的硅含量超标，其中原材料基本上都是生铁、回炉铁和废钢构成，回炉铁和原生铁有可能硅超标；硅铁孕育剂本身硅含量超标；孕育剂加入量过多。

通过了解到该单位生产时，工艺要求原铁水在加入孕育剂之前进行化学成分检测，保证硅含量为1.2%～1.8%，加入孕育剂后应保证硅含量在2.6%～3.0%之间。硅铁孕育剂加入量工艺规定为0.9%～1.0%，但实际操作时个别在加硅铁孕育剂时没有进行精确称量，1 t的电炉孕育剂加入量应该为9～10 kg，可能加入量却是11～12 kg，这样造成的直接后果为成品件的硅含量超标。

从以下几个方面进行管控，可以预防类似问题：对原材料进行检测，一般是对原生铁进行成分检测(回炉铁一般不用检测，因熔炼时进行成分检测)；进厂时对球化剂中的硅含量进行检测；熔炼时要进行充分的原色成分检测，使用CS分析仪和分光光度计检测碳、硫、磷、硅、稀土的含量，在自动化较高的情况下，最好选用快速检测仪，能够充分地保证熔炉铁水成分快速检测；按比例加注球化剂。

2.3 浇注分型面对强度的影响

接收到从市场退回的5件转向器支架，它们在使用过程中均出现不同程度地开裂，开裂位置全部在转向器支架和转向器连接处下方。如图3所示，发现断裂处在两个浇注分型面处。

对该批生产的记录进行追踪检查，发现元素成分检测记录显示合格，金相、机械性能均检测合格。对返回旧件进行金相检测，结果合格。同时在显微镜下查看，如图4所示，球化等级为三级，球墨分散比较均匀，大小比较一致。从该产品尺寸检测来分析，尺寸也符合要求。

通过以上分析，该产品尺寸、金相、元素均符合要求，但产品强度达不到使用要求，其中重要的影响因素可能是分型面的应力集中，成为了开裂的诱因。分型面设置一般根据零部件的结构并且充分考虑浇注时的流通性，如该支架在分型面无法变化的情况下，应充分考虑产品应力集中，可以对该处进行圆弧加强，在不影响产品与其他部件配合的情况下，进行结构优化，保证产品强度得到提升。

2.4 浇注口和冒气口设置不合理对强度的影响

某司重卡厂车架车间反馈前簧固定支架铆接开裂。该产品为安全件，裂纹微小，不易发现，一旦流向市场，将会造成严重的质量与安全隐患。图5所示为前簧固定支架铆接开裂图。

对该产品毛坯的生产过程进行了解，发现该前簧固定支架形状做过修改，供应商于2010年12月份切换为新状态。老状态产品使用的是木模，浇铸时采用的是卧式；新状态产品采用的是金属模立式浇铸。图6所示为浇口和冒口位置示意图。

初步分析产生开裂的原因：(1)金属模设计不合理，铆钉孔设置在模具的最上方，而冒口设置在铸件的中下部，铁水中含有的一些比重比铁水轻的杂质，在浇铸过程中就会上浮到铆钉孔上方，形成一个小的杂质聚集区，从而导致此处有效拉伸面积减小，还会沿杂质形成微裂纹。(2)产品修改后铆接孔凸台连接处R弧偏小，较修改前强度减弱。

为此，一方面将该产品铆钉孔部位外圆加大2.5 mm(经验证在装配过程中不与其他产品造成干涉)，同时在浇口部位放一个80 mm×80 mm的纤维滤网，以减少杂质流入型腔内，并在该产品模具的最高部位(铆钉孔外圆处)增加一个出气孔，便于产品排气。经验证再生产产品符合要求。

3 结论

文中主要通过各类断裂/开裂失效模式的实例分析，说明铸造过程中需要抓住以下关键点：

(1)原材料进厂检查。主要检测增碳剂碳的含量、孕育剂中硅的含量、原生铁的元素含量。

(2)配料环节。做好原材料配比，并进行称重环节的管控。

(3)中频熔炉加料熔炼，铁水的成分抽样检测，并对碳含量等进行调节；做好熔炼温度的检测和控制。

(4)球化孕育。按照配比加注球化剂、孕育剂于浇注包中，并进行充分地挤压，保证球化效果；做好样块的浇注和检测工作，保证球化和元素含量均符合要求。

(5)浇注。浇注前要做好烫包工作，保证浇注包温度在控制范围内；做好粑渣工序，及时清理铁水中杂质；浇注前需进行温度检测，使用探温枪和探温头。

(6)加工试棒进行抗拉检测和延伸率检测。

针对上述几种缺陷模式，在原料、模具、铸造过程和检测各个环节进行相应地改进，改进后这些缺陷情况得以消除。