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大型立式車床立柱裂紋缺陷的原因分析與對策

2025-7-15 來源：武漢重型機(jī)床集團(tuán) 武漢武重鑄鍛作者：張軻,麻于科,楊華,郭文清,潘密訪問量：

摘要：介紹了大型立式車床立柱鑄件的結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求，詳細(xì)闡述了原生產(chǎn)工藝及鑄件出現(xiàn)裂紋的位置和特征，針對大型立式車床立柱存在的裂紋問題進(jìn)行了分析，認(rèn)為鑄件壁厚不均，當(dāng)壁厚的凝固處于彈性

階段時期鑄造應(yīng)力超過機(jī)械強(qiáng)度后引起了冷裂紋的產(chǎn)生。采取了優(yōu)化端面芯頭結(jié)構(gòu)、形狀大小及層次，優(yōu)化鑄件部分圓，調(diào)整化學(xué)成分，保證鑄件上表面壁厚均勻，調(diào)整開箱起坑工序等措施。生產(chǎn)結(jié)果顯示：生產(chǎn)驗證的 16 件同型號、同類型的立柱鑄件均沒有產(chǎn)生裂紋缺陷，此種裂紋缺陷得到有效解決。

關(guān)鍵詞：灰鑄鐵；立柱；裂紋

立柱作為機(jī)床承重的重要功能部件之一，鑄件要求不能有裂紋缺陷，但其結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜，壁厚差異性大，給立柱毛坯鑄件的生產(chǎn)帶來了較大的難度，同時，筆者公司生產(chǎn)的大型立式車床 CH5125B 系列立柱端面結(jié)構(gòu)更為特殊，為“M”字型，其轉(zhuǎn)角獨(dú)特、壁厚不均勻，在鑄造的過程中法蘭及端頭、尖角突變等處均容易產(chǎn)生裂紋，并且裂紋傾向要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他類型立柱。輕則產(chǎn)生細(xì)小裂紋，重則形成端頭貫穿性的裂紋，都會導(dǎo)致立柱鑄件報廢。對大型立式車床 CH5125B 系列立柱毛坯鑄件這種裂紋缺陷的形成原因及對策進(jìn)行探究，防止并解決此類缺陷的發(fā)生，保證立柱鑄件的質(zhì)量。

1、CH5125B 立柱鑄件簡介

筆者公司生產(chǎn)的 CH5125B 立柱是大型立式車床主要的承重部件，鑄件的斷面結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，鑄件最大尺寸中的長、寬、高分別為 4.55 m、2.96 m、1.56 m，毛重 14.9 t，平均壁厚 25 mm，導(dǎo)軌處壁厚 100~130 mm。材質(zhì)牌號為 HT250，技術(shù)要求：A 型石墨，抗拉強(qiáng)度≥ 250 MPa。從圖 1 中可以看出其獨(dú)特的“M”字型結(jié)構(gòu)，存在突變的“尖角”且鑄件壁厚均勻性差，鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

圖 1 CH5125B 立柱鑄件截面

2、CH5125B 立柱鑄件生產(chǎn)情況

2.1　CH5125B 立柱鑄造工藝

鑄造工藝采用呋喃樹脂砂，地坑造型，鑄件導(dǎo)軌在砂型最下方，側(cè)面底注澆注方式進(jìn)入鐵液，采用的是封閉式澆注系統(tǒng)，澆道比為 ∑S 直∶∑S 橫∶∑S 內(nèi)=1.22∶1.15∶1，直澆道截面積為 307 cm2，橫澆道截面積為 288 cm2，內(nèi)澆道截面積為 250.8 cm2。

熔煉工藝采用 20 T 中頻感應(yīng)電爐熔煉鐵液，原材料使用廢鋼、Z18 生鐵、回爐料、93% 非晶體增碳劑、99% 晶體增碳劑、90% 碳化硅，75% 硅鐵、65% 錳鐵。爐料配比采用 40% 廢鋼 +15% 生鐵 +45% 回爐料進(jìn)行熔化，具體的化學(xué)成分控制范圍如表 1 所示。

表 1 CH5125B 立柱的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

在包內(nèi)進(jìn)行一次孕育，孕育劑選用長效的硅鋇孕育劑，加入量為 0.3%~0.5%，粒度為 5~15 mm，澆注溫度控制在 1 310~1 350 ℃，澆注后冷卻 180 h 開箱起坑。

2.2　CH5125B 立柱存在的問題

首輪鑄件試生產(chǎn)試驗后，2 件毛坯鑄件均在某一端頭出現(xiàn)嚴(yán)重的貫穿性裂紋缺陷，導(dǎo)致鑄件報廢，左右芯頭窗口處均產(chǎn)生了裂紋，且不在固定位置，裂紋隨機(jī)性大，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。裂紋圖片如圖 2 所示。

圖 2 CH5125B 立柱法蘭處貫穿裂紋

2.3　CH5125B 立柱裂紋原因分析

由圖 2 可以看到，裂紋均從端頭的芯頭圓角靠近中間壁處裂至上分型面。觀察 CH5125B 立柱裂紋的宏觀表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)外形筆直并且裂紋內(nèi)壁呈明顯撕裂的金屬光澤，鑄件上半部方形芯頭孔的存在讓鑄件形成了類似“日”字型的應(yīng)力框，從而造成鑄件端頭四周均存在拉應(yīng)力，但是由于兩端頭壁薄冷卻快，可以快速完成凝固，中間壁厚冷卻慢，其凝固還處于彈性溫度范圍，厚壁部位相對薄壁部位凝固速度慢，因收縮受阻而形成的拉應(yīng)力將處于高位階段呈塑性狀態(tài)的低強(qiáng)度部位拉裂 [1, 2]，亦即鑄造應(yīng)力超過合金的機(jī)械強(qiáng)度極限后導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生。裂紋亦是從左芯頭右、下角或右芯頭左、下角及圓角的披鋒薄弱處開始向拉應(yīng)力強(qiáng)的方向延伸，受應(yīng)力大小情況影響，輕則產(chǎn)生細(xì)裂紋、重則產(chǎn)生貫穿性裂紋。再結(jié)合文獻(xiàn) [2] 中描述的冷裂紋：外形呈直線狀或較規(guī)則曲線狀，穿晶而過，斷口干凈呈金屬色澤或較輕氧化色的典型特征，以及實際的 CH5125B 立柱裂紋宏觀表現(xiàn)，綜合判斷 CH5125B 立柱的裂紋屬于典型的冷裂紋。

冷裂紋產(chǎn)生的主要原因 [3] 與鑄件結(jié)構(gòu)、圓角大小、合金成分、澆注系統(tǒng)、開箱時間等有關(guān)，由于CH5125B 立柱獨(dú)特的“M”字型結(jié)構(gòu)不合理，無法更改，因此，需要從鑄造工藝及熔煉工藝著手，來解決鑄件的冷裂紋問題。

3、　CH5125B 立柱裂紋防止措施及效果

3.1　防止措施

（1）優(yōu)化端面芯頭結(jié)構(gòu)、形狀大小及層次結(jié)合上述分析，鑄件結(jié)構(gòu)上針對 CH5125B 立柱優(yōu)化方形孔的芯頭大小及圓角，采取增大芯頭圓角半徑并減小端面芯頭尺寸，同時在削減的芯頭處增加十字加強(qiáng)筋的方法來提高該位置的防裂性能。芯頭縮小后與鑄件連成一體，以及增加拉筋，都可以平衡后期中間壁厚凝固慢處的應(yīng)力分布，從而有效減少該位置出現(xiàn)裂紋的概率，改進(jìn)后的芯頭如圖 3 所示。

圖 3 芯頭結(jié)構(gòu)以及形狀大小

（2）優(yōu)化鑄件部分圓角

優(yōu)化鑄件兩側(cè) I 處圓角結(jié)構(gòu)、形狀，其內(nèi)側(cè)本為圓角形狀，如圖 4（a）實線所示，現(xiàn)將圓角形狀拉斜成如圖 4（a）虛線所示，優(yōu)化后的鑄件截面形狀如圖 4（b）所示，適當(dāng)放緩此處的凝固時間以平衡應(yīng)力，從而有效減少該位置出現(xiàn)裂紋的概率。

圖 4 鑄件截面上表面內(nèi)圓角修改示意圖

（3）調(diào)整化學(xué)成分

對于灰鑄鐵，Mn 雖然具有穩(wěn)定珠光體增加硬度、提升強(qiáng)度的良好作用，但是對于易裂件，高 Mn 更容易導(dǎo)致碳化物產(chǎn)生、白口傾向增大。即 Mn 含量過高時會在基體和共晶團(tuán)邊界上形成碳化物，降低鑄件的抗拉強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度的降低又意味著開裂傾向的增大，因此有必要降低 Mn 含量至 0.9%，同時適當(dāng)增加 0.02% 的 Sn合金，在降低 Mn 含量的同時穩(wěn)定珠光體含量，以保證鑄件的抗拉強(qiáng)度，減少鑄件出現(xiàn)裂紋的概率。

（4）保證鑄件上表面壁厚均勻

立柱鑄件出現(xiàn)裂紋的一個重要原因即是相鄰位置的壁厚不均勻。為避免出現(xiàn)上述情況，除了要求操作工人嚴(yán)格按照工藝尺寸下芯外，還要確保立柱鑄件的壁厚較為均勻，從而降低應(yīng)力分布，減少鑄件出現(xiàn)裂紋的概率。

（5）調(diào)整開箱起坑工序

CH5125B 立柱屬于薄壁厚導(dǎo)軌鑄件，部分位置散熱快，部分位置熱量大散熱慢，導(dǎo)致溫度不均勻，產(chǎn)生的應(yīng)力較大，故按照 12 h/t 進(jìn)行保溫開箱，開箱后放置一天不動，第二天挖開橫澆道和需要起吊的兩端頭，第三天等溫度下降后再起吊兩端頭進(jìn)行松動，第四天再起坑操作，總計 278 h 冷卻，增加冷卻時間可以適當(dāng)降低鑄件的應(yīng)力，也就減少了鑄件出現(xiàn)裂紋的概率。

3.2　改善效果

在采取上述措施后，后續(xù)所生產(chǎn)的 16 件同型號、同類型的立柱鑄件未發(fā)生一件開裂現(xiàn)象，鑄件的金相組織和力學(xué)性能均符合技術(shù)要求。改善后的鑄件照片如圖5 所示。

圖 5 改善后的鑄件情況

4、結(jié)語

通過優(yōu)化端面芯頭結(jié)構(gòu)、形狀大小及層次、優(yōu)化鑄件部分圓、調(diào)整化學(xué)成分、保證鑄件上表面壁厚均勻、調(diào)整開箱起坑工序等措施后，筆者公司后續(xù)生產(chǎn)的同型號、同類型的立柱鑄件均未出現(xiàn)裂紋，此種裂紋缺陷問題得到有效解決。

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