浅谈轨道交通铸钢件的质量控制

贾 旭，曹健峰，李亚军，杨万银，严运涛

（中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏常州 213011）

0 引言

《中国制造2025》指出，轨道交通装备作为重点发展的产业，核心基础零部件是制约创新发展和质量提升的症结所在，铸钢件作为重要的组成部分，安全、可靠是最基本的要求。随着列车运行速度等级的提高、运行工况的复杂程度的提高、乘客乘坐舒适性经济性地提升，产品的设计要求不断地升级，对处于产品链前端工序的铸造工艺提出了较高地要求，主要从铸钢件的材料要求、产品内在质量、外观质量、尺寸等方面提出了较为苛刻地要求。

轨道交通装备主要产品包括车钩缓冲装置用钩体、安装座、钩尾座、对中支架等铸钢件；转向架用轴箱体、中心销、中心销座等铸钢件；制动系统用轴装制动盘、轮装制动盘、制动夹钳等铸钢件。大部分产品结构复杂，薄壁箱体类结构，壁厚不均匀，壁厚差相对较大；承受复杂的载荷包括拉伸作用力、压缩作用力、纵向冲击载荷；部分产品运行过程中承受巨大的制动热负荷及热冲击，从而引起很高的温度梯度，带来很高的热应力[1]，需要产品具备良好的高温力学性能和导热性能以及低的弹性模量和热膨胀系数，较高的热疲劳强度。

1 技术要求

1.1 材料要求

为提高产品的疲劳寿命，铸钢件材料不再仅仅局限于常规化学成分地控制，部分产品对钢中气体提出较为严格的要求，例如氧含量≤0.010%，氢含量≤0.0003%，氮含量≤0.015%；对力学性能提出了较高的要求，例如某产品要求抗拉强度≥1050MPa，同时要求断后伸长率≥8%；部分产品对非金属夹杂物提出Ⅱ型夹杂物、Ⅳ型夹杂物不大于1 级的要求；部分产品对低温冲击韧性提出了较高的要求，要求-40℃的条件下Akv≥27J。

1.2 内部质量要求

铸件的内在质量直接关系列车的运行安全，对其质量的控制方法主要通过射线探伤和超声波探伤实现。轨道交通装备用铸钢件大部分要求进行射线探伤，缺陷等级的要求不超过ASTME446中规定A 类、B 类、C 类的2 级，不允许有D、E、F、G 四类缺陷；标准TB 2980 规定通过超声波探伤检测铸钢制动盘的内部质量，具体规定为：距离盘体摩擦面8mm 厚度范围内不应存在缩松缺陷，距离盘体摩擦面12mm 范围内不允许存在大于ø2mm 当量平底孔的缺陷。

1.3 表面质量要求

铸件的表面缺陷，不仅影响产品的美观度，而且一定程度降低了产品的使用寿命，所以主机企业对外观提出了更高的要求，主要通过目视检查及磁粉探伤检查进行控制。目视检查的部分外观要求如下：铸件毛坯表面允许存在直径不大于ø1.5mm，深度不大于2mm 的分散性非裂纹缺陷，在每100cm2上不多于3 个，距离边缘或孔边不小于10mm，间距不大于20mm；部分加工面不允许存在≥ø1mm 的气孔。技术要求均对铸钢件提出了磁粉探伤要求，部分铸件要求关键区域的缺陷等级需满足GB/T 9444 中质量等级规定壁厚不大于16mm 的1 级缺陷要求。另外，部分铸钢件要求规定热处理后不允许任何焊补，这对铸钢件的质量稳定性提出了非常高的要求。

1.4 尺寸要求

铸钢件的铸件尺寸公差要求基本按照GB/T 6414 的DGT11 级执行，但是对于关键尺寸的公差要求提出较高要求，如某产品壁厚尺寸22mm 而公差要求（-0.5，+0.8）mm，并且部分产品对形位尺寸提出了要求，如平面度、同轴度等，给铸造的稳定工艺保证能力提出了较大的挑战。

2 质量控制要点

2.1 铸钢件质量策划阶段

2.1.1 产品结构设计

设计人员在进行零部件设计图纸初稿完成后，需要和铸造工艺设计人员进行沟通，在不影响产品使用功能的情况下应充分考虑铸造工艺的适用性，优化局部结构，实现产品结构设计与工艺设计的协同开发，使产品的可制造性及质量特性试验检验的可执行性显著提高。

2.1.2 铸造工艺设计

通过MAGMA、ProCAST、FLOW-3D、AnyCasting 等铸造模拟软件对铸造工艺方案进行模拟分析，从流动场、温度场、凝固过程等计算结果进行铸造缺陷的预测，并进行工艺方案优化，确定最优方案并形成书面的文件，并按照文件管理要求进行受控、归档；同时可以结合3D 打印技术快速验证铸造工艺方案的合理性[2]。

铸造工艺方案制定后，应召开会议进行工艺方案评审。评审人员应包含工艺人员、制造管理人员、质量管理人员以及相关的专家。评审内容应完整、全面，不仅要包括加工余量、反变形量、工艺补增量、浇注系统、冒口、冷铁、过滤等工艺要求，还应包括造型线及砂箱等工装设备的匹配要求；铸造工艺设计过程中需要考虑工艺的标准化、模块化，尽可能采用通用标准冒口、整体坭芯代替拼接坭芯等方案。

2.1.3 铸造模具设计

模具设计过程中需确认外模及坭芯盒的设计是否满足拆卸、装配要求，尺寸是否符合工艺设计要求，部分非自由公差要求的尺寸是否满足要求；同时应考虑砂型制作过程的可操作性，主要考虑起模、搬运、储存的便捷性；模具验证的方式主要通过检测模具的尺寸来实施，必要时进行试模；模具验证的主要质量特性主要包括材质、尺寸、装配方式、与设备的接口方式、排气的设计、活块的防错设计等。

2.2 实施阶段

2.2.1 型砂质量控制

原砂的化学成分含量、粒形系数、含水量、含泥量、粒度、灼烧减量、发气量等，每班生产前进行型砂强度（起模强度、2h 强度、终强度）、砂流量、粘结剂及固化剂的加入量等过程参数的检测，同时进行统计分析，掌握不同环境温度下型砂强度的影响因素及控制方案。

2.2.2 熔炼质量控制

原材料废钢、合金的成分控制是关键，炉衬材料、钢包质量、塞杆的质量都是影响铸件质量的重要因素，钢水的成分检测、脱氧方法、浇注温度及浇注速度将直接影响铸件的内在及外观质量。制定合理的熔炼方式、过程参数及控制方案，可以明显提升铸件质量。

2.2.3 热处理质量控制

热处理工艺路线、加热温度及保温时间、装炉方式将直接影响产品的力学性能、金相组织、晶粒度及铸件变形量；热处理炉的炉温均匀性检测及热电偶的检定、冷却液的相关参数是确保同炉铸件质量特性保持一致性的前提条件。

2.2.4 焊补质量控制

铸钢件缺陷的处理通常要采用焊补的方法处理，焊补工艺应通过焊接工艺评定，确定焊材牌号、焊接坡口、焊接电流等参数，然后结合产品的技术要求制定具体的作业指导书，确定焊补时机、焊补的部位及缺陷类型，并明确缺陷的去除及确认方法，保存相应的焊补记录。

2.3 评价及改进阶段

2.3.1 产品试验检验的控制要点

铸造过程是特殊过程，铸件质量特性的验证，主要通过对附铸试棒、单铸试棒或者本体试样的测试，来间接检测同一批铸件的质量特性，从而需要确认铸件的组批原则、抽检或试棒的铸造方式及试棒的代表性成立的条件，也就是使同批次铸造产品的全部过程因素被控制在一定的范围内，才能保证铸件的性能在一定的范围内。抽检一定数量铸件，分析其性能的离散性，确定铸件性能一致性的铸造各过程因素允许波动的范围，以及铸造批次的组批规则，确认完成后可以通过对过程因素的测控和抽检来控制铸件的质量特性，以达到用抽检来间接测量其余铸件特性的可靠结果。在质量策划过程中要重点对铸件的可追溯性、唯一性标识及批次管理制定详细的控制方案，以确保批量化生产过程中所有铸件的质量特性处于可控状态。

2.3.2 质量问题处理

实际生产过程中，铸造缺陷成为铸造质量问题的最常见原因。在原因分析过程中需要选择合适有效的质量工具，例如采用特性要因图及SPC统计过程分析等质量工具，同时结合8D 方法及5M1E、PDCA 循环等进行持续改进，将起到较为明显的效果。改进的效果宜采取评审会议的形式进行，对取得效果的措施进行固化，同时识别需要提升的地方，并将这些资料进行储存并应用到新项目和培训方面。

轨道交通产品有其特殊的要求，重要产品质量的验证需要进行型式试验、CRCC 认证及装车考核运用，各阶段试验结果满足设计要求时才可以说明产品满足适用要求。

2.4 过程质量管控管理要求

2.4.1 变更管理

识别影响铸件质量的过程关键因素，如型砂种类、浇注系统的尺寸及位置、冒口的种类及尺寸、冷铁的厚度、生产设备等发生变化时，均需要进行工艺验证，对相关的质量特性进行试验验证，必要时进行首件鉴定确认，在相关特性未确认的情况下不得继续生产；铸造的变更一般对在制品及已发货产品没有影响，可能会对后工序的加工有一定影响，需要识别为变更项点进行验证。

2.4.2 不合格品的管理

首先识别产品重要度等级，再具体细化产品质量特性的重要度等级，将具体要求转化到铸钢件毛坯技术条件及例行试验大纲中，使之具有可操作性；不合格品的管理一定程度上代表了生产单位的管理水平。

2.4.3 质量安全风险管理

铸件生产单位应建立、实施和保持文件化的质量安全风险管理过程，以识别质量安全风险，采取与产品和服务的安全性影响相适应的控制措施，适时评审措施的有效性，并持续改进。在每个过程中都需要基于风险管理的思想，在前期的质量策划、工艺验证与确认、产品生产制造、产品交付等过程中识别风险点，并运用合适的工具方法、专家评审、知识管理成果等方法对其进行评审，并采取有效措施对风险进行控制。

3 结束语

轨道交通装备用铸钢件的质量控制，关键在于过程控制，以业务流程为载体，将质量要求融入流程的策划、执行、监控、评价和改进等环节，建立规范有效的流程来保证铸件产品质量。实施过程中，需要从产品实现全过程进行着手，详细策划各过程的质量要求，不折不扣地执行工艺要求，监控各过程的实施情况，不断进行评价和改进，全面提高产品质量，提升顾客满意度，实现中国速度向中国质量的转变。