中大型锻压装备压力机铸钢件疲劳性能提升技术研究

引言

早期的铸造工艺较为粗燥，铸造经验也不足，工程设计人员仅认识到铸铁材料具有较好的抗压性能及脆性等特点，故多作为支撑抗压构件使用。随着我国高端装备制造业的快速发展，中大型锻压装备广泛应用于航空航天、能源动力、轨道交通等重大工程领域，其工作性能直接关系到国家基础工业的制造水平。铸钢件因具有设计灵活性好、整体结构强度较高、可焊性好、裂纹倾向小等优点被作为此类设备的核心承力构件，但长期承受高强度交变载荷，极易在应力集中区域产生微裂纹并逐步扩展，最终导致疲劳断裂。因此，亟需从材料本征特性、构件几何形态与表面状态等多个层面开展系统性研究，突破疲劳性能瓶颈。本文围绕铸钢件疲劳性能的提升机制，重点探讨组织控制、结构优化与表面改性三大技术方向，旨在构建科学有效的综合改进体系，推动重型装备关键部件向高耐久性、高稳定性方向发展。

一、铸钢件疲劳性能的关键影响因素分析

1.1 铸造缺陷对裂纹萌生的诱发作用

大型铸钢件凝固时，因冷却不均、补缩不畅易产生气孔、缩松、夹杂等缺陷，这些微观不连续区域在交变载荷下易成为疲劳裂纹起点。应力集中部位（如圆角、螺栓孔）的微小气孔会放大局部应力，加速裂纹扩展；夹杂物因与基体热膨胀系数差异，易在处理或服役中产生微裂纹；显微疏松难通过加工消除，也会成为潜在疲劳源。因此，控制铸造冶金质量、减少缺陷，是降低初始损伤、延缓裂纹萌生、提升抗疲劳能力的前提。

1.2 内部组织均匀性与晶粒细化的影响机制

铸钢件疲劳行为与金相组织密切相关。粗大不均的晶粒会降低材料塑性与韧性，循环载荷下位错受阻于晶界，易聚集形成微裂纹；而细小均匀晶粒能阻碍裂纹扩展，延长扩展周期，还可提高强韧性。此外，珠光体与铁素体比例、碳化物形态及第二相粒子弥散度也有影响，如网状碳化物会加速裂纹扩展，细小弥散碳化物则能增强材料稳定性。通过合理热处理调控相变，获得均匀细密组织，是提升疲劳寿命的重要手段。

1.3 残余应力分布对疲劳寿命的长期影响

铸钢件铸造与热处理中会产生热应力和相变应力，若未有效释放，服役时与外加载荷叠加，会使局部提前进入塑性变形，加速疲劳损伤。表面拉应力易促进裂纹萌生扩展，而关键部位的稳定残余压应力可抵消部分工作拉应力，延缓裂纹形成。因此，残余应力控制是决定疲劳性能的关键，通过正火、回火、振动时效等手段调控其水平与分布，对保障铸钢件长期交变载荷下的结构完整性意义重大。

二、提升疲劳性能的材料与工艺优化路径

2.1 合金成分设计与纯净度控制技术

铸钢件的化学成分直接影响其组织演变与力学性能。在保证基本强度要求的基础上，适当调整碳含量，并添加微量合金元素如铬、钼、镍、钒等，可显著改善淬透性、细化晶粒并抑制有害相析出。例如，钼能有效防止回火脆性，提高高温强度；镍可增强韧性，降低韧脆转变温度。同时，严格控制硫、磷等杂质元素含量，减少非金属夹杂物生成，是提升材料纯净度的关键。采用电炉冶炼结合钢包精炼、真空脱气等先进冶金技术，可大幅降低气体含量（如氢、氧）和夹杂物数量，提升铸钢件的致密性与均匀性。

2.2 多阶段热处理对组织稳定性的调控

热处理是决定铸钢件最终组织与性能的核心环节。单一的热处理工艺往往难以兼顾强度与韧性，而多阶段复合热处理则可通过分步调控实现组织优化。典型流程包括正火以消除铸造应力并细化晶粒，随后进行调质处理（淬火+高温回火），获得均匀的回火索氏体组织，兼顾高强度与良好塑性。对于特大型铸件，还需考虑加热与冷却过程中的温度梯度，避免开裂风险，常采用阶梯升温、缓冷控温等方式确保热处理均匀性。

2.3 顺序凝固与补缩工艺对内部质量的改善

大型铸钢件体积庞大，凝固过程中易出现中心疏松、轴线偏析等问题。采用顺序凝固原则设计浇注系统，使铸件从远离冒口端开始逐步向冒口方向凝固，可有效引导金属液持续补缩，减少缩松倾向。合理布置保温冒口、发热冒口或电磁搅拌装置，增强补缩效果，提升铸件致密度。同时，应用计算机模拟技术对充型过程、温度场与应力场进行预测，优化浇冒口布局与冷却方案，提前识别潜在缺陷区域。在实际生产中，还可结合底注式浇注方式减缓金属流冲击，避免卷气与氧化夹杂。

三、结构与表面协同强化的技术集成策略

3.1 基于应力分布的轻量化结构优化设计

满足承载需求时，合理结构设计可优化应力分布、避免集中。借助有限元分析仿真压力机铸钢件静力学与疲劳寿命，识别高应力区后改进几何形状，如增大圆角、设卸载槽、取消尖锐过渡，降低应力集中系数。非关键区减薄壁厚或开工艺孔实现轻量化，拓扑优化技术能自动生成最优传力路径，最大化材料效能。优化后铸钢件既降低疲劳敏感性，又提升结构效率，为设备节能降耗奠定基础，平衡轻量化与安全性。

3.2 表面滚压与喷丸强化对表层残余压应力的引入

表面状态影响疲劳性能，粗糙度、划痕等易成裂纹源。喷丸强化以高速弹丸撞击表面，使表层金属塑性变形形成压缩应力层，抑制裂纹萌生；滚压强化用硬质滚轮挤压曲面或台阶，形成深层压应力并提升表面光洁度。两种工艺操作简便、成本适中，适配复杂形状铸钢件关键区域处理，强化后表面抗疲劳能力显著提升，尤其在高频低幅载荷下表现优异，性价比高。

3.3 复合强化工艺在关键部位的应用协同效应

单一强化有局限，多工艺联合可优势互补。如喷丸后加陶瓷涂层或激光熔覆，既保残余压应力，又增耐磨耐蚀性；热处理与表面强化结合，调质后局部感应淬火 + 滚压，提升关键接触面硬度与疲劳强度。按服役部位选差异化组合，主承力区重组织优化与整体强化，连接过渡区强表面处理与几何优化，形成 “分区施策、协同增效” 模式。

四、结论

中大型锻压装备压力机铸钢件的疲劳性能提升是一项涉及材料、工艺与结构的系统工程。通过控制铸造缺陷、优化内部组织、调控残余应力，并结合成分设计、热处理改进与表面强化等多重手段，可显著增强其抗疲劳能力。未来，应进一步推动智能制造与数值模拟技术深度融合，实现从经验驱动向数据驱动的升级转型，为高端重型装备关键部件的长寿命、高可靠运行提供坚实支撑。

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