HT250灰铸铁曳引机底座断裂分析*

陈桂丰，周 崎，李 浩，龙赛琼

（广州海关技术中心，广州 510623）

0 引言

电梯是一种对人身安全关系重大的特种设备，随着电梯在城市中的应用越来越普及，电梯安全已成为社会焦点。曳引机是电梯动力来源，也是整部电梯的安全核心，而曳引机底座则关系其结构稳定性，其失效往往会造成较为严重的事故。机座通常尺寸大，结构复杂，壁厚差别大，在生产过程中容易出现铸造缺陷，铸造工艺制定方面难度较大，需要进行反复测试验证，工艺需严格控制才能保证质量。对失效件进行分析，能确定其工艺、原材料、设计是否存在问题，从而给工艺制定提供有力支撑，时效分析一直都是提高产品质量最有效的手段之一。此次开裂的电机底座使用的材料为珠光体类型的灰铸铁HT250，其强度、耐磨性、耐热性均较好，减振性良好，铸造性能较优，需进行人工时效处理。可用于要求高强度和一定耐蚀能力的泵壳、容器、塔器、法兰、填料箱本体及压盖、碳化塔、硝化塔等；还可制作机床床身、立柱、气缸、齿轮以及需经表面淬火的零件。灰铸铁的力学性能与基体的组织和石墨的形态有关，灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中，灰铸铁件的裂纹，一般以冷裂为主，并产生在壁厚过渡、壁交界及结构薄弱处。

1 来样情况

某公司生产的一批灰铸铁曳引机底座中有6个出现了裂纹，均在几何结构突变处，该批次产品采用了新的铸造工艺，其中一个机座上的裂纹呈直线贯穿整个壁厚，位于倒角处，如图1所示箭头处，而其他有问题机座上的裂纹也都呈现相同特征。

图1 电机底座 Fig.1 Motor base

2 裂纹分析

2.1 宏观分析

将裂纹区域用切取下后，用拉力机打开裂纹，裂纹断面如图2所示，裂纹断面上有较多油漆痕迹，可以判断裂纹在喷漆前已经存在。断口氧化色由A区向B区逐渐减轻，证明源区在A区［1］。断口未见机械损伤。

图2 断口Fig.2 Fracture

2.2 断口显微分析

对裂纹断面进行酒精超声清洗后，采用日立S－3400 N电子显微镜对A区直角位进行观察，断口较其他位置平坦，且沿特定组织开裂，氧化情况也最严重，可判断A区直角位为裂纹源区，如图3所示。断口未见疏松、缩孔、夹杂等冶金缺陷，但断面沿特定组织开裂为不正常现象。B区断口为沿石墨及珠光体断裂形貌，未见异常，如图4所示。

图3 A区形貌Fig.3 Morphology of area A

图4 B区形貌Fig.4 Morphology of area B

3 理化检验

3.1 化学成检测

采用GB／T 4336－2016、GB／T 20123－2006标准方法对机座进行检测，结果显示机座材质符合HT250材质要求，结果如表1所示。

表1 化学成分Table 1 Chemical composition

3.2 金相分析

根据GB／T 7216－2009《灰铸铁金相检验》对A区附近进行金相检测，结果中石墨分布形态为距离表面3 mm范围内为E型石墨，中心部位为A型石墨，不符合C型以上的技术要求，A型石墨为理想石墨形态，而E型石墨力学性能上具有方向性，是铸件中不希望出现的［2］，石墨长度处于下限，珠光体数量合格，碳化物、磷共晶、共晶团数量也在正常范围内［3］，如表2所示。

表2 金相检测结果Table 2 Metallographic examination results

A区直角位存在强烈的枝晶排列的石墨组织，为E型石墨类型；经腐蚀后可见共晶碳化物呈枝晶柱状分布，如图6和图8所示。

图5 铸件中部石墨A型Fig.5 Graphite A

图6 A区直角位均为石墨E型Fig.6 Graphite A at right angle of zone A

图7 共晶团数量3级Fig.7 Number of eutectic clusters Grade 3

图8 A区直角位金相组织Fig.8 Metallographic structure of zone A at right angle

3.3 硬度分析

根据GB T 231.1－2018《金属材料 布氏硬度试验方法》检测得机座硬度值为181 HBW，符合技术要求的不大于229 HBW。

4 综合讨论

灰铸铁铸造应力由金属在凝固后的收缩引起，型芯妨碍收缩的铸件会引起拉应力，不同的冷却速度使先冷却的薄壁妨碍后冷却的厚壁收缩，在厚处产生拉应力，薄处产生压应力［5］。铸造应力会导致铸件产生热裂或冷裂，热裂是铸件在凝固后期或凝固后在较高温度下形成的裂纹，其断面严重氧化，无金属光泽，裂口沿晶粒边界产生和发展，外形曲折而不规则。冷裂纹是铸件凝固后冷却到弹性状态时，因局部铸造应力大于合金极限强度而引起的开裂。冷裂纹总是发生在冷却过程中承受拉应力的部位，特别是拉应力集中的部位，经验表明，尺寸较大、中空而壁薄的床身、箱体、盖罩、盒壳及框形铸件最容易产生冷裂，这类铸件的相对线收缩率大，冷却收缩时受到砂芯阻碍，导致敞口转角、壁厚转变等结构强度薄弱处形成应力集中，成为裂纹起始点［6］。同时铸件开箱过早，落砂温度过高，在清砂时受到碰撞、挤压都会引起铸件开裂［7］。

机座裂纹呈连续直线，断口干净具有金属光泽，源区轻微氧化，未见沿晶界断裂；裂纹正好处于变截面倒角处，该区域有较大应力集中，而且该批次的电机底座缩短了开箱时间，提高了落砂温度，增加了冷裂的风险，分析认为属于铸造应力引起的冷裂。裂纹源区存在强烈的枝晶排列的石墨组织及枝晶柱状分布的共晶碳化物，为不正常铸造组织，当出现裂纹后，裂纹就容易沿碳化物及石墨间的连接迅速扩展［6］。机座断口宏观未见异常，化学成分及硬度检验结果也符合技术要求。

防止铸件冷裂的措施主要有，适当加大厚壁和薄壁交接处的过渡圆角，以减少应力集中，提高Si／C值，以提高材料强度，严格控制开箱时间，铸件冷却速度应均匀，减少局部温度梯度［8］，改善砂芯的退让性。

5 结束语

电机底座化学成分、硬度检验结果符合HT250要求，裂纹源区存在强烈的枝晶排列的石墨组织及枝晶柱状分布的共晶碳化物，加速裂纹扩展，机壳裂纹属于铸造应力引起的冷裂。