鑄態(tài)QT500-7球鐵齒輪箱的生產(chǎn)

張錫聯(lián)（岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南岳陽 414000）

鑄態(tài)QT500-7球鐵齒輪箱的生產(chǎn)

張錫聯(lián)
（岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南岳陽 414000）

敘述了鑄態(tài)Q T500-7球鐵齒輪箱的技術(shù)要求與鑄造工藝方案。分析了生產(chǎn)球鐵的原材料、化學(xué)成分，球化處理、孕育處理等主要工藝因素對齒輪箱生產(chǎn)的影響。

鑄態(tài)球墨鑄鐵；球化與孕育處理；鑄造工藝

時速在120 km/h的電力機車是采用六軸電力牽引，電機體積小、功率大,傳動齒輪箱結(jié)構(gòu)特殊、受力復(fù)雜、強度高而可靠，是整套牽引系統(tǒng)重要的鑄件[1]，材料采用球墨鑄鐵，牌號為QT500-7，鑄件凈質(zhì)量達306 kg。為了減輕機車自質(zhì)量，鑄件采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，筋、凸臺多，壁厚差別大，有多處孤立的熱節(jié)，在需加工的凸臺、軸頸、端面處要求在定貨方加工后進行超聲波探傷UT和磁粉探傷MT，必須消除鑄件內(nèi)部縮松、夾渣、氣孔等缺陷，表面粗糙度、尺寸精度、質(zhì)量誤差符合用戶要求。

1 鑄件結(jié)構(gòu)

六軸車大齒輪箱結(jié)構(gòu)如圖1、2，呈四分之一圓，兩直邊起支撐與連接作用，齒輪箱主體壁厚為10～12 mm并配有加強筋，螺釘連接部位設(shè)有凸臺，連接端面起強支撐作用，壁厚為40～48 mm，因此鑄件壁厚相差四倍以上。這些厚壁部位很難實現(xiàn)順序凝固，易產(chǎn)生縮孔縮松，在加工時形成宏觀缺陷，即便微觀缺陷也難通過UT，MT檢查。鑄件最大尺寸1 052 mm×1 024 mm×331 mm。兩端蓋孔為φ400 mm，φ700 mm ，內(nèi)腔相通，便于砂芯設(shè)計。

2 齒輪箱鑄造工藝設(shè)計

2.1 鑄造工藝方案分析

采用中頻電爐熔煉鑄鐵工藝，呋喃樹脂砂造型與制芯保證型腔有足夠的強度、剛度，實現(xiàn)鑄件尺寸精度高，表面粗糙度低。

鑄件工藝設(shè)計首先方便造型、下芯，如圖1、2所示，齒輪箱高338 mm，中心面分型，型腔不深。1號下芯頭面積大φ700 mm，U向方形型芯頭起支承作用，支承強。2號芯頭靠1號芯支承。澆注系統(tǒng)避開了型芯，橫澆道長，鐵液在型腔內(nèi)流道短，確保鐵液充型快、排氣暢通，便于橫澆道的補縮、集渣的目的。下箱鑄件加強筋只有10 mm高，而上箱加強筋40 mm高且多，在上砂箱便于排氣、充型。小端蓋孔為φ400 mm，壁厚最大，在上箱設(shè)置壓邊腰形冒口，再輔助以冷鐵，從鑄件結(jié)構(gòu)上基本實現(xiàn)金屬液自下往上的順序補縮。

圖1 齒輪箱鑄造工圖一

2.2 澆注系統(tǒng)、冒口及冷鐵設(shè)計

球墨鑄鐵鐵液冶煉質(zhì)量要求高，必須經(jīng)過球化、孕育處理，溫度下降很多，且有較多氧化夾渣。因此澆注系設(shè)計有如下特點；①具有大流量快速平穩(wěn)輸送鐵液；②具有比灰鑄鐵更好的擋渣能力；③具有較高的壓力頭。根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點，澆注系統(tǒng)各單元截面積比取∑F直∶∑F橫∶∑F內(nèi)∶＝3∶4∶2。特點是橫澆道長、大，具有強擋渣功能，同時多內(nèi)澆口，充型快[2]。

圖2 齒輪箱鑄造工圖二

齒輪箱殼體壁厚設(shè)計不均勻，厚大部分的鐵液在凝固時冷卻速度較慢，在中心部位形成熱節(jié)，凝固時間較長，容易產(chǎn)生石墨畸變、石墨球數(shù)減少、晶間偏析、縮松、縮孔、夾渣等缺陷。輕者降低鑄件力學(xué)性能，重者可使鑄件加工檢驗時報廢，為此應(yīng)提高鐵液的冶金品質(zhì)，其次是設(shè)計合理的冷鐵。如圖2所示，2號、3號冷鐵為大端蓋孔φ700 mm上的多個螺釘孔凸臺的冷卻；4號、5號、6號冷鐵為鑄件結(jié)構(gòu)孤立熱節(jié)的激冷，7號冷鐵為方形孔，面積最大。冷鐵的厚度取（0.5～0.6）δ，δ為被冷鐵激冷部位的鑄件壁厚度。通過外冷鐵來調(diào)節(jié)溫度場，加速熱節(jié)的凝固，縮小壁厚差引起的凝固時間差，達到了均衡凝固的要求，消除了鑄件熱節(jié)處縮孔、縮松缺陷。

冒口設(shè)計遵循順序凝固的原則，補充球墨鑄鐵共晶凝固膨脹前的液態(tài)體收縮，本例采用腰形壓邊冒口。壓邊縫隙寬度取10～15 mm，保證在液態(tài)收縮終止，膨脹開始時，壓邊縫隙即凝結(jié)，利用鑄件全部共晶膨脹作用來實現(xiàn)自補縮，冒口補縮體積取鑄件體積的5%～6%。為了縮短凝固時間達到均衡凝固，設(shè)計了1號冷鐵，很好地配合壓邊冒口的填充作用，如果沒有冷鐵，在壓邊縫隙下面會形成縮孔。其次樹脂砂腔型有足夠的強度，砂箱用螺釘緊固，充分利用石墨化膨脹作 用消除凝固收縮。

3 球鐵冶煉工藝控制

3.1 化學(xué)成分的選擇

（1）碳當量。根據(jù)鑄件壁厚，C含量控制在3.6%～3.8%之間，保證鐵液有較好的流動性，又有較好的石墨化能力，不產(chǎn)生縮孔縮松、石墨粗大、漂浮現(xiàn)象。硅是強烈促進石墨化的元素，固溶于鐵素體，使屈服點和強度提高，同時使塑性指標降低。球鐵QT500-7的基體為鐵素體和珠光體復(fù)合組織，硅的正常控制范圍上限2.6%～2.8%，獲得一定比例的鐵素體，保證較好的伸長率。碳當量以不出現(xiàn)自由滲碳體，保證完全球化為準，盡可能提高碳當量，以便獲得縮松少，組織致密的鑄件。碳當量過低于4.2%～4.3%時鑄件易產(chǎn)生縮孔縮松。如圖3為處理后的鐵液碳硅分析結(jié)果。

圖3 熱分析儀圖片

（2）錳。錳是珠光體形成元素，在凝固過程中，容易在共晶團邊界上產(chǎn)生偏析，形成碳化物，對韌性有不利影響。生產(chǎn)中錳太低，對原材料要求高，不現(xiàn)實，錳含量不得大于0.8%為宜。

（3）磷。磷是鑄鐵中的有害元素，在鑄鐵中溶解度較低，極易偏析，當P＞0.05%時在球鐵凝固過程中形成二元磷共晶或三元磷共晶。磷共晶在晶界分布，硬度高且脆，惡化了力學(xué)性能[2]，一般控制其上限P＜0.06% 。

（4）硫。鎂與稀土是強力脫硫劑，與S形成MgS、RES夾雜物，硫太高會消耗球化劑，降低球化效果，造成球化反應(yīng)不良，因此原鐵液硫控制在S＜0.03%。

3.2 原材料選擇

（1）生鐵與廢鋼。選擇用優(yōu)質(zhì)的Q12球鐵生鐵生產(chǎn)球墨鑄鐵件，生鐵除了硅、錳、硫、鈦、釩等要低外，磷，硫含量也很重要 ，生鐵成分應(yīng)穩(wěn)定。廢鋼為普通碳素鋼，無氧化皮，成分穩(wěn)定，合金元素含量低。回爐料為同牌號成分鑄件。

（2）球化劑。鎂是球鐵的主要球化元素，稀土是起輔助球化作用。完全球化殘余鎂含量應(yīng)適量，太低球化不良，太高容易形成石墨球畸形，氧化夾雜物（MgO），氣孔等。稀土元素有脫硫，去氣、凈化鐵液作用，RE殘殘余量過高，會惡化石墨形狀，增加白口傾向，降低球化率 ，稀土與鎂一般聯(lián)合使用效果更好。用中頻電爐生產(chǎn)QT500-7球鐵，易于控制鐵液成分和溫度，選擇商品球化劑，低稀土鎂球化劑QRMg8RE3，稀土和鎂的殘留量控制在RE殘=0.02%～0.04%，Mg殘=0.035%～0.055%。

（3）孕育劑。孕育劑采用長泰特種合金廠的高效長效復(fù)合孕育劑FYJ-1。兩次孕育處理，孕育量為0.1%～0.2%。

3.3 熔煉工藝控制

中頻電爐熔煉易于控制成分和溫度，可獲得優(yōu)質(zhì)的鐵液。原材料配比：生鐵加入量70%～80%，廢鋼加入量10%，回爐料10%～15%，硅鐵0.4%～0.6%，熔煉時采用石墨增碳。碳熔點高，首先加入爐底，靠擴散溶解的方式進入鐵液，在鐵液中形成大量的[C]微晶，是共晶或共析石墨的外來形核基底，有利于細化晶粒，增加石墨球數(shù)[3、4]。爐前配置有快速熱分析儀，光譜，三角試片，數(shù)字測溫儀等綜合分析測試成分及球化情況。

3.4 球化處理與孕育處理

用商品球化劑處理首先是鐵液溫度控制在1 450 ℃～1 530 ℃，溫度太高球化劑燒損大，溫度太低達不到充分球化反應(yīng)，降低球化處理效果，其次硫含量小于0.03%。稀土鎂球化劑成分為7%～9%Mg，2%～4.0%RE，40%～44%Si ，MgO＜1.0%，組織致密均勻，化學(xué)成分穩(wěn)定，粒度3～15 mm。方法采用堤壩沖入法，球化劑加入量為出鐵液質(zhì)量的1.1%～1.3%。為了達到好的球化孕育效果，球化劑孕育劑要預(yù)先烘烤，放入堤壩內(nèi)并壓實，覆蓋一層鐵屑或珍珠巖，防止鐵液沖刷，反應(yīng)過快球化劑燒損過多。

孕育處理能促進石墨化，防止自由滲碳體和白口出現(xiàn)，使石墨球細小，石墨球數(shù)多，石墨球更圓整，為此孕育處理分兩次進行。包內(nèi)孕育采用FeSi75, 粒度5～20 mm，覆蓋在球化劑上，加入量為0.5%。隨流孕育采用Si-Ca-Ba-Bi(FYJ-1)孕育劑，粒度為0.2～0.85 mm，加入量為0.2%。

4 檢測結(jié)果

采用上述工藝生產(chǎn)的鑄件，加工面UT ，MT檢驗合格率在92%。鑄態(tài)金相組織如圖4，球化率達到3～4級，石墨球大小為6級以上， 力學(xué)性能如表1示。

圖4 球鐵鑄態(tài)金相組織

表1 鑄件力學(xué)性能

5 結(jié)束語

生產(chǎn)鑄態(tài)QT500-7球墨鑄鐵件時，原材料按GB1412－2005選用Q12球鐵生鐵，其中錳、硫、磷化學(xué)成分控制在 Mn＜0.6%,，S＜0.03%，P＜0.06%。通過正確的球化孕育處理，稀土鎂殘余量為RE殘=0.03%～0.04%，Mg殘=0.04%～0.05%。石墨球化級別為3～4級，石墨球大小為6級以上。基體金相組織以鐵素體為主，輔之以球光體，避免滲碳體和磷共晶，其次是合理的鑄造工藝措施，方可生產(chǎn)組織致密的合格鑄件。

[1] 朱紅軍，時平利.電力機車牽引電機用低溫球墨鑄鐵件生產(chǎn)〔J〕.鑄造，2011，60（10）：951-955.

[2] 李弘英，趙成志.鑄造工藝設(shè)計〔M〕.北京:機械工業(yè)出版權(quán)社，2005.

[3] 王文清,李魁盛.鑄造工藝學(xué)〔M〕.北京:機械工業(yè)出版權(quán)社，1998.

[4] 陸文華.鑄鐵及其熔煉[M].北京:機械工業(yè)出版權(quán)社，1988.

[5] 曹思盛， 張仁煜. 鑄態(tài)鐵素體球鐵生產(chǎn)技術(shù)[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2004(5).

Production of as-cast ductile iron QT500-7 for gearbox

ZHANG XiLian
（Yueyang Vocational Technical College,Yueyang41400,Hu'nan,China）

Technical requirements and casting process of as-cast high toughness ductile iron QT500-7 for gearbox was reviewed. The ettects of raw materials, chemical components, nodulizing and inoculation process on the production of as-cast high toughness ductile iron for gearbox were analyzed.

as-cast ductili iron; nodulizing and inoculation process ; foundry technology

TG234；

A；

1 006-9 658（201 6）06-0023-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.06.007

2016-04-18

稿件編號:1604-1337

張錫聯(lián)（1963—），男，教授級高級工程師，主要從事熔模鑄造、合金熔煉工作.