转K6型摇枕A部位裂纹成因的调查与分析

王 亮，周 全

（1.晋西装备制造有限责任公司，山西太原 030027；2.太原机车车辆监造项目部，山西太原 030027）

铸钢摇枕、侧架是铁路货车走行部的重要零件，其产品质量直接关系到铁路货车的行车安全，为此，铁道行业及中国铁路总公司（原铁道部）对该产品的制造、检验等都有明确要求。

某摇枕、侧架生产企业2018年7月份生产的一个冶炼炉次的12件转K6型摇枕在热处理后的探伤过程中发现其中5件A部位存在长度不等的横向裂纹，最长的约200 mm，清除干净后裂纹深度最深达20 mm（该部位图纸要求壁厚为36 mm），见图1，缺陷程度较为严重。

该企业是一家专业生产厂，有着多年的摇枕、侧架生产经验，出现如此严重的质量问题实属罕见。随后，产品监造部门会同企业一同对此事展开了全面调查。

1 裂纹成因调查

首先查阅了该冶炼炉次的冶炼、浇注、探伤、检验等重要记录，均未发现异常；该冶炼炉次的化学成分（表1）、力学性能（表2）经检测符合铁道行业标准要求；化学成分中的残余元素总量也在标准范围内，有害元素含量也未见异常；金相组织为正火4级，晶粒度为8级，非金属夹杂物为Ⅲ型细系2级，均符合铁道行业标准要求。

图1 清除干净后的摇枕A部位横裂纹

表1 该冶炼炉次的化学成分（质量分数，%）

表2 该冶炼炉次的力学性能

铸造经验表明，该炉产品一定是生产过程中某个环节出现了纰漏，要么是对生产中出现的异常情况未进行记录，要么操作者和检验人员对异常现象缺乏认知而没记录。在随后的生产过程调查中证实了这一推断。

检查浇注工序时，发现浇注完的一箱摇枕（2289#和02290#）浇注异常，大量钢水溢出箱体表面，造成大面积粘箱，见图2.这很有可能是造成摇枕A部位裂纹的重要因素。

图2 浇注溢钢水造成大面积粘箱

为了证实上述推断，查找摇枕A部位裂纹产生的原因，随后对2289#和2290#两件摇枕进行了一系列跟踪分析。

清砂后，2290#摇枕两端A部位均存在目视可见裂纹。图3为2290#摇枕其中一端A部位的横向裂纹，长度约100 mm.

图3 2290#摇枕A部位清砂后目视可见裂纹

将铸件表面打磨干净，进行荧光磁粉探伤检查，2289#和2290#摇枕A部位均存在横向裂纹。其中最长的一条横向裂纹长度约110 mm，见图4.

热处理后对这两件摇枕再次进行了荧光磁粉探伤检查，发现裂纹长度没有扩展。

最后又对2290#摇枕A部位110 mm长的横向裂纹进行了断口分析，见图5.

图5是用压力机将裂纹处“掰开”后看到的裂纹断面情况（由于压力机压力不够大，将铸件裂纹背面铣了一条深度约15 mm的凹槽）。从断面上看，裂纹深度超过5 mm，最深处达10 mm，而且还存在三个直径约2 mm、深度超过10 mm的气孔。

图4 2290#摇枕荧光粉探伤A部位显示的裂纹

图5 2290#摇枕A部位断口

2 裂纹成因分析

该摇枕、侧架生产企业采用酯硬化水玻璃砂造型工艺，摇枕、侧架材质为B+级铸钢，摇枕内浇口开设在摇枕两端的A部位侧面。下面从应力理论和强度理论两方面对摇枕A部位裂纹进行分析。

2.1 应力分析

摇枕属于箱体结构铸件，其壁厚差异较大，最厚处为45 mm，最薄处仅14 mm，因此铸件凝固收缩时，各部位的冷却速度不同，造成同一时刻收缩量不同，因此铸件内彼此相互制约便产生热应力。同时，铸件由于固态相变，各部分体积发生不均衡变化又将产生相变应力。

从B+级钢材料技术条件得知，正常浇注温度下，其自由线收缩约为2%，体收缩约为8%左右。铸件在固态收缩时，因受到铸型，型芯，浇冒口，箱挡及铸件本身结构阻碍收缩从而引起机械阻碍应力。

热应力、相变应力和机械阻碍应力的矢量和超出材料的屈服极限时，铸件将产生变形，超出强度极限时，铸件将产生裂纹。

铸造工艺设计时，一般都会考虑这三种应力的影响，并采取了相应的工艺措施，例如：通过局部放置激冷砂或冷铁，改变其凝固顺序，来减少铸件的热应力；通过增加型、芯的退让性来减小铸件的机械阻碍应力。

浇注过程中出现的大面积粘箱现象，粘箱金属通过铸件出气口和冒口与铸件连为一体，改变了“产品结构”，也改变了原有工艺设计，增加了铸件的热应力。由于粘箱金属暴露在空气中，快于铸件凝固并收缩，当铸件开始凝固收缩时，粘箱金属已凝固收缩完毕，通过出气口、冒口的连接，将大大增加铸件的收缩阻力，使铸件的机械阻碍应力显著增加，这是造成摇枕A部位横向裂纹的主要原因之一。

2.2 强度分析

由于摇枕工艺设计将内浇口引入位置设置在摇枕两端的A部位侧面，使得该部位铸型因钢水流经此处而被长时间加热，此部位铸件几乎最后凝固，且冷却较慢，在铸件冷却、收缩过程中该部位强度始终最低。

从图4裂纹断面上还发现存在三个直径约2mm、深度超过10 mm的气孔，减小了铸件该截面的有效面积，降低了铸件该部位的强度。

3 结论

浇注过程中造成的大面积粘箱，增加了铸件的热应力和机械阻碍应力，显著增加铸件的裂纹倾向，内浇口位置从摇枕A部位引入，使得该部位凝固收缩时强度最低，气孔的出现进一步降低该部位的强度，从而引发摇枕在该部位开裂。

目前，该摇枕、侧架生产企业已将浇注时钢水溢出造成的大面积粘箱识别为异常点，严控浇注质量，对大面积粘箱的摇枕进行报废处理。为了进一步提高摇枕的产品质量，已采用优质的注口砖及塞头，以减少浇注过程中因钢水包关不严造成的大面积粘箱，并开始研究改变摇枕内浇口的引入位置。