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：武漢重型機床集團 武漢武重鑄鍛 作者：張軻,麻于科,楊華,郭文清,潘密
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行了分析，認為鑄件壁厚不均，當壁厚的凝固處于彈性
階段時期鑄造應(yīng)力超過機械強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，并且裂紋傾向要遠遠大于其他類型立柱。輕則產(chǎn)生細小裂紋，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，抗拉強度≥ 250 MPa。從圖 1 中可以看出其獨特的“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)量分數(shù),%)
在包內(nèi)進行一次孕育，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，裂紋隨機性大，造成了較大的經(jīng)濟損失。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)的低強度部位拉裂 [1, 2]，亦即鑄造應(yīng)力超過合金的機械強度極限后導(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)力強的方向延伸，受應(yīng)力大小情況影響，輕則產(chǎn)生細裂紋、重則產(chǎn)生貫穿性裂紋。再結(jié)合文獻 [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邊界上形成碳化物，降低鑄件的抗拉強度，抗拉強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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