球墨鑄鐵鑄造特殊過程控制與評價

李 艷 李彥林

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

通過市場調研得知，全國主要齒輪箱供應商都采用球鐵700-2 材質的行星架。以東汽集團為例，目前大約有幾萬臺風機在全國各個風場運行（70%由南高齒提供，20%由重齒提供），全部都采用球鐵700 材質行星架，可見球鐵行星架在國內知名風電齒輪箱制造公司已經得到普遍應用。在該背景下，研發2 MW 風電行星架鑄造生產工藝，通過對鑄造過程生產工藝及制造過程控制的研究，該文提出了特殊過程控制、評價方法以及批量生產的放行條件。

1 產品性能要求

球墨鑄鐵行星架產品的性能要求執行以下歐洲標準：1）材料牌號為EN-GJS-700-2U，化學成分應符合表1 規定的范圍。2） 性能要求參照EN 1563 標準，檢驗以70 mm 附鑄試塊為準，按EN 10002-1 的要求進行拉伸試驗，ISO 6506-1的要求進行硬度測試，檢驗結果應符合表2 規定的要求。 3）金相組織要求見表3，石墨情況需按照ISO 945 標準進行評判，以70 mm 附鑄試塊為準。

表1 鑄件化學成分 /（wt%）

表2 附鑄試塊上加工試樣的力學性能

表3 附鑄試塊上加工試樣的金相組織要求

2 試制情況

2 MW 球鐵行星架在綜合考察了各供應商資質、技術水平和報價等條件后，確定試制條件。試制過程共完成澆注4件，解剖3 件（前2 件本體性能未達標）。第3 件解剖后現場檢測合格，但是實驗室復驗性能并沒有全部達標，初步確定是球化溫度偏低導致了球化不良。

3 經驗總結

針對2 種2 MW 和1.5 MW 球鐵行星架試制和生產中出現的問題，通過深入的探討和研究分析，總結了生產高質量球鐵行星架的一些關鍵點，主要有化學成分、鑄造工藝、熔煉澆注和熱處理等幾個方面。

3.1 化學成分控制

球墨鑄鐵是一種復雜的多元合金。通過研究分析，針對球鐵行星架的化學成分，應在遵循高碳、低硅、磷、硫、適量鎂和稀土原則的前提下，合理選擇化學成分，以保證球墨鑄鐵的鑄造性能和球化孕育，并且降低基體組織的白口化傾向[1]。

3.1.1 碳當量和硅

碳當量對厚大斷面珠光體球墨鑄鐵的石墨組織形貌和鑄件性能有較大的影響。對于厚大斷面珠光體球墨鑄鐵，Si是一種極為敏感的元素。高的Si 含量可有利于高的球化率；而低的Si 含量可抑制石墨漂浮和碎塊狀石墨，促進基體的珠光體化。結合文獻和實際生產數據，碳當量宜控制在CE 4.2～4.3，硅2.0%～2.2%。

3.1.2 錳

錳是碳化物形成元素，具有反球化作用，可降低石墨的形狀系數，促進白口形成。同時，錳也是強烈偏析元素，凝固時富集于晶界處，易導致晶間碳化物生成。對于厚大斷面珠光體球墨鑄鐵來說，一般含量應控制在0.4 wt%以下。

由于化學成分中必須要加入Cu 元素，以增加珠光體含量，提高球墨鑄鐵的強度和硬度，且后期鑄件還要進行正火熱處理，因此不需要刻意增加Mn 含量以提高鑄件的力學性能。

3.1.3 銅

銅是中等石墨化元素，顯著穩定和細化珠光體，且不形成游離碳化物，能顯著改善斷面性能均勻性。由于銅能夠提高奧氏體殼的穩定性，因此加入適量的銅有利于獲得圓整石墨。Cu 應控制在0.5%～0.6%[2]。

3.1.4 微量元素

大量研究表明在厚大斷面珠光體球墨鑄鐵中加入適量的鉍和銻，可以有效防止石墨畸變和長大，增加球墨的數量和球化率。在大斷面球鐵中加入一定量的銻，并輔以適量的稀土，可以有效地消除碎塊狀石墨，改善石墨形態并提高力學性能。銻應控制在0.01%～0.02%（銻熔點只有630 ℃，球化后再加入鐵液以防止燒損）。

3.1.5 鎂和稀土元素

鎂是球墨鑄鐵中最主要的球化元素。對于一般的球墨鑄鐵件，0.025%～0.04%的殘余鎂含量基本滿足球化的需求。對于厚大斷面珠光體球墨鑄鐵件，殘余鎂含量宜控制在0.04%～0.06%。稀土元素是球化能力較強的元素，一般與鎂元素一起加入鐵液中，起到脫硫、去氧和中和有害的微量元素的作用，例如Sb 和Bi。但過多的稀土元素會惡化石墨形態，甚至引起碎塊狀石墨等缺陷，控制在0.02%～0.03%[2]。

3.2 鑄造過程控制

從球鐵行星架的結構可以看到立柱與腹板交接的根部，如圖1 所示。特別對于圓角根部的熱節區域，無法通過冒口補縮消除，只能通過布置冷鐵加速熱節區域冷卻凝固，以及利用厚大球鐵件的石墨膨脹來預防和分散可能產生的集中縮松缺陷。通過模擬分析結果以及實際生產可以證實，采用合適的冷鐵工藝可以使鑄件的縮松缺陷滿足技術要求[3]。 前期，我們采用大多數廠家的傳統分型方式，長軸放置在上型腔，短軸放置在下型腔，雖然關注了鑄件的縮松趨向，但是忽視了鑄件的本體性能，在工藝上沒有采取強制冷卻措施防止石墨的畸變。采用此工藝長軸部分的凝固時間很長，最后凝固的區域需要近3 h，球鐵的石墨形態早已發生惡化，出現了大量的碎塊狀石墨，力學性能不達標就在情理之中了。 經歷了前幾次失敗后，筆者分析原因并制定改進措施，包括控制熔煉過程加強冷卻等。對于球鐵行星架的鑄造工藝，加強冷卻并改善型腔的出氣功能。采用的工藝在排氣浮渣方面顯示出一定的優勢，但在鑄件的冷卻條件上稍差一些（Magma模擬顯示同位置的冷卻時間較長）。在長軸表面和銷孔表面加冷鐵，加強局部區域的冷卻，保證關鍵部位組織和力學的性能是必不可少的。

圖 1 2．0 MW 球鐵行星架三維圖紙

3.3 熔煉澆注

石墨球化效果對球墨鑄鐵的性能有顯著的影響。目前，國內外生產大斷面球鐵件采用的球化劑有純鎂、釔基重稀土鎂和輕稀土鎂等。試驗表明，重稀土鎂比輕稀土鎂脫硫能力強，石墨球圓整、抗衰退能力強，當大斷面球鐵液中存在0.005%～0.027%釔時，不僅不會產生碎塊狀石墨，而且可中和有害元素[4]。界內普遍認為球化衰退與孕育衰退有關，國內外生產大斷面球鐵件常用的孕育劑仍然是75SiFe，其孕育效果好，價格便宜，但易衰退。可用于大斷面球鐵孕育劑中的添加元素有Ba、Sr、Zr、Ca、Al、Bi和Sb 等，即與普通球鐵基本相同。為了防止球鐵行星架的孕育和球化衰退，宜采用高效、長效、粗顆粒和團狀的孕育劑。

另外，盡量減少鐵液澆注溫度縮短凝固時間，從而改善其石墨形態。可以采用倒包等措施使鐵液快速降溫，將澆注溫度控制在1 360 ℃以下。

3.4 熱處理

這種厚大珠光體球墨鑄鐵件由于其壁厚，因此冷卻非常慢，不能保證珠光體含量，在鑄態下很難達到要求的強度指標。目前，通常工藝是先在鑄態下使強度達到QT 500，后經過正火熱處理達到QT 700的強度，并且通過回火消除鑄件的殘余應力。 對于球鐵行星架該種厚大球墨鑄鐵件，熱處理的冷卻速度則更加關鍵。對于行星架的該種結構，宜正火出爐冷卻時，鑄件平放，對準軸孔內部吹風冷。 熱處理工藝： 在900 ℃～920 ℃的條件下保溫4.5 h，出爐風冷至550 ℃，后空冷。在560 ℃～570 ℃的條件下保溫8 h，后爐冷至小于150 ℃[5]。

4 鑄造過程控制

鑄造過程屬于特殊過程，對于特殊過程的控制應從人機料法環幾個方面加以控制，同時對過程控制方法需要多次確認，以保證按上述工藝要求制造出來的產品符合產品的化學成份、尺寸和性能等要求。

在人機料法環幾個因素中，按照預先設定好的工藝文件對鑄造過程進行控制是生產現場重要的控制要素點。根據試制結果，確定適合批量生產的工藝文件至關重要。工藝文件包括工藝流程、設備與工裝的要求、需要遵循的工藝方法、需要控制的過程參數、需要控制與檢測的產品特性、過程記錄的要求、工藝或產品參數出現異常的反應計劃等。工作人員以控制計劃的形式規定以上信息。球墨鑄鐵件質量控制計劃（部分）見表4。

5 首件鑒定

在產品批量生產前需要對產品及其過程進行評價、判斷，從而確定未來批量生產的過程和產品的是否能持續穩定地滿足要求，因此應該進行首件鑒定。由于對于特殊過程的首件鑒定試生產過程的過程審核以及試生產條件下生產產品的特性檢驗尤為重要。因此從文件準備、產品實物和過程能力維度進行評估，保證具備批量生產的能力。

5.1 文件檢查

按照要求，對首件鑒定產品相關文件和資料進行現場審核，以驗證其符合性、有效性和可操作性。文件檢查可以結合過程檢查同時進行，對圖紙、報告、記錄等進行現場檢查確認。

制定文件檢查結果判定原則，見表5。

表4 球墨鑄鐵件質量控制計劃

表5 文件檢查結果判定原則

5.2 實物檢查

對照采購技術規范（協議）、圖紙等技術文件，對產品實物質量進行檢查，對產品全尺寸、全項點功能和性能指標，特別是接口和安裝尺寸進行檢查、檢測并記錄，以驗證其是否滿足規定要求。必要時應抽樣進行物理、化學性能測試。

產品實物質量檢查結果判定原則，見表6。

表6 產品實物質量檢查結果判定原則

5.3 過程檢查

對設計、工藝、采購、制造過程（包括特殊過程、過程檢驗、成品檢驗、不合格品的控制、生產設備、工裝管理、監視和測量資源、制造過程的防護、標識等）、成品包裝、倉儲和運輸進行檢查及評審，以驗證其符合性和有效性。

過程檢查結果判定原則見表7。

5.4 FAI 的結論與放行

按照文件、實物質量和過程檢查的結果，確定首件鑒定結論及批量生產的批準。首件鑒定結論判定原則見表8。

表7 過程檢查結果判定原則

表8 首件鑒定結論判定原則

6 結語

通過對球墨鑄鐵行星架產品生產制造全過程質量管理的分析和研究，得出了系統性的管控特殊過程以及保證批量產品穩定性的質量管理要點，具體包括以下4 點。1） 嚴格控制化學成分、碳當量和稀有元素的加入量。2） 改善工藝方案，控制澆注溫度，利用順序凝固和冷鐵加速的方式保證關鍵部位達到技術要求。3） 控制特殊過程：球化過程采用高效穩定的孕育劑減少球化衰退，保證性能穩定；熱處理過程中采用正火后強力風冷以確保降低鐵素體比例。4） 完善批量生產前的放行機制FAI。