（太重集團(tuán)榆次液壓工業(yè)有限公司鑄造分公司，山西 晉中 030600）

隨著軌道交通的快速發(fā)展，球墨鑄鐵鑄件在軌道交通裝備中已得到廣泛應(yīng)用。基于電力機(jī)車(chē)的速度和安全考慮，齒輪箱體等鑄件必須嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確保鑄件各項(xiàng)性能合格，技術(shù)要求較為苛刻。箱體鑄件內(nèi)部進(jìn)行射線檢測(cè)（RT），執(zhí)行ASTM E94、ASTM E446 標(biāo)準(zhǔn)，缺陷等級(jí)不超過(guò)A3-B3-C2；超聲檢測(cè)（UT）執(zhí)行EN 12680-3 標(biāo)準(zhǔn)，缺陷等級(jí)不超過(guò)Ⅱ級(jí)；為防止?jié)B漏箱體鑄件必須進(jìn)行煤油滲透檢測(cè)（PT）24 h 無(wú)滲漏現(xiàn)象；箱體為低溫鐵素體球墨鑄鐵，必須具備低溫沖擊韌性，執(zhí)行EN10045-1 標(biāo)準(zhǔn)，在-20 ℃±2 ℃對(duì)三個(gè)附鑄試樣進(jìn)行沖擊檢測(cè)，沖擊功AKv≥12 J，單個(gè)試樣沖擊功AKv≥9 J；不管是常溫還是低溫工況，消除鑄件內(nèi)部超過(guò)探傷檢測(cè)要求的鑄造缺陷是首要任務(wù)，也是保證鑄件力學(xué)性能的關(guān)鍵。

1 齒輪箱體初始工藝設(shè)計(jì)

1.1 齒輪箱體鑄件結(jié)構(gòu)分析

圖1 為齒輪箱體三維數(shù)模，本次開(kāi)發(fā)的軌道用齒輪箱體輪廓尺寸為631 mm×390 mm×365 mm，最薄壁厚8 mm，最厚壁厚95 mm，重量86 kg.鑄件結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)：1）結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，形狀不規(guī)則，有局部單獨(dú)形狀向上伸出，有較深凹槽，這些形狀容易造成澆注時(shí)局部集氣，造型出模難度較大；2）壁厚差懸殊，最薄壁厚8 mm，最厚處達(dá)95 mm，存在孤立熱節(jié)，特別是輸入軸外圓和吊耳相接處由于多個(gè)壁相接，造成較大的孤立熱節(jié)，容易出現(xiàn)縮松缺陷，但鑄件后續(xù)加工時(shí)在此處恰好要鉆通油孔，顯然不能出現(xiàn)孔洞缺陷；3）鑄件由多處法蘭結(jié)構(gòu)，加工后是安裝固定時(shí)的把合面，不允許有超標(biāo)的內(nèi)部縮松、氣孔等影響強(qiáng)度的鑄造缺陷。4）鑄件整體為箱體類鑄件，內(nèi)腔較大需要砂芯成形，砂芯體積較大，而且存在一次無(wú)法開(kāi)模難題，顯然增加制作砂芯的難度。綜合以上鑄件尺寸和評(píng)估現(xiàn)有鑄造設(shè)備條件，采用樹(shù)脂砂造型方法生產(chǎn)齒輪箱體鑄件。

1.2 初始工藝方案

關(guān)于樹(shù)脂砂造型，由于是半自動(dòng)化造型，靈活性較大，鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)有兩種思路：一種是大量在鑄件厚壁和熱節(jié)處使用冷鐵，加速厚壁處和熱節(jié)處散熱速度，減少相對(duì)模數(shù)，達(dá)到消除關(guān)鍵位置內(nèi)部缺陷的工藝方法；另一種思路是采用冒口對(duì)鑄件最后凝固區(qū)進(jìn)行液相補(bǔ)縮而達(dá)到消除內(nèi)部縮松的方法。深入分析鑄件形狀結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)，如果大量采取冷鐵，鑄件結(jié)構(gòu)不規(guī)則，需要大量成形冷鐵，增加了成本和制造難度；如果僅僅采取冒口補(bǔ)縮，在某些孤立熱節(jié)處設(shè)置冒口較難；兼顧以上利弊，采用小冒口加冷鐵的復(fù)合鑄造工藝設(shè)計(jì)方案。如圖2 原始工藝方案，采用樹(shù)脂砂制芯，內(nèi)腔無(wú)法出模局部采用活塊，在鑄件端頭和頂面分別設(shè)置側(cè)冒口和頂冒口進(jìn)行補(bǔ)縮和排氣，鐵液從箱體兩處把合面和輸入軸法蘭面引入鐵液，中間空腔用整體砂芯形成，綜合評(píng)估熱節(jié)分布狀態(tài)，在小端把合立面、上頂面分別設(shè)計(jì)側(cè)冒口和頂冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，吊耳側(cè)面沿分型面設(shè)置兩塊冷鐵對(duì)熱節(jié)處進(jìn)行激冷。分型面設(shè)置在箱體中間，為追求鐵液充型平穩(wěn)，采取中間澆注，設(shè)置內(nèi)澆道先貼砂芯外壁進(jìn)入型腔，然后沿砂芯外框底面進(jìn)入型腔，為緩流澆注系統(tǒng)截面設(shè)計(jì)為先封閉后逐漸擴(kuò)大的比例，考慮到鑄件內(nèi)腔有加強(qiáng)筋較薄為8 mm，應(yīng)盡可能設(shè)置內(nèi)澆口，達(dá)到較快充型，澆道各組元截面比例為：ΣF直∶ΣF橫進(jìn)∶ΣF阻∶ΣF橫出∶ΣF內(nèi)=1.2 ∶1.1∶1 ∶1.2∶1.5，設(shè)定整箱澆注時(shí)間為18 s，計(jì)算出阻流面積，根據(jù)各組元截面比例計(jì)算出澆注系統(tǒng)尺寸。初次澆注試制3 件，對(duì)箱體鑄件進(jìn)行全面解刨檢測(cè)時(shí)，在輸入軸與吊耳過(guò)渡的加強(qiáng)筋中間孤立熱節(jié)處發(fā)現(xiàn)5 mm～7 mm 縮孔以及分散縮松鑄造缺陷，如圖3，顯然不能滿足ASTM E94、ASTM E446 標(biāo)準(zhǔn)，缺陷等級(jí)不超過(guò)A3-B3-C2 要求，及法蘭面、把合面嚴(yán)格要求均無(wú)缺陷。

2 原因分析和工藝方案優(yōu)化

2.1 原因分析

圖3 缺陷圖片

綜合分析發(fā)現(xiàn)鐵液成分、澆注溫度、型砂性能、造型執(zhí)行過(guò)程、澆注過(guò)程參數(shù)均無(wú)異常；通過(guò)逐一解剖試制齒輪箱體鑄件，發(fā)現(xiàn)初次試制箱體縮孔和縮松出現(xiàn)位置一致，有普遍規(guī)律。出現(xiàn)缺陷的位置為箱體輸入軸圓壁與吊耳之間，此處還有上下兩道加強(qiáng)筋，這些壁相互連接造成“十字”形結(jié)構(gòu)，如圖4箱體局部“十字”結(jié)構(gòu)，造成此處形狀熱節(jié)，箱體鑄件凝固時(shí)周?chē)谝呀?jīng)結(jié)晶為固相，但“十字”熱節(jié)還是液相，外側(cè)雖然加了2 處冷鐵激冷，但有一定距離，激冷作用不能使“十字”熱節(jié)與周?chē)T件壁達(dá)到同步凝固，因此，此處殘余液態(tài)最后凝固時(shí)自身收縮得不到其他鐵液補(bǔ)縮，最終形成集中小縮孔和分散的縮松缺陷。

圖4 箱體局部“十字”結(jié)構(gòu)

2.2 工藝方案優(yōu)化

針對(duì)上述箱體“十字”形壁相接處出現(xiàn)的縮孔和縮松缺陷，主要是此處較大孤立熱節(jié)得不到補(bǔ)縮或激冷不夠，如果設(shè)計(jì)冒口補(bǔ)縮，由于標(biāo)準(zhǔn)砂箱的尺寸是一定的，在缺陷外側(cè)設(shè)置冒口為冷冒口，補(bǔ)縮效率低達(dá)不到補(bǔ)縮效果。綜合考慮在缺陷鑄件壁內(nèi)側(cè)設(shè)置冷鐵，加強(qiáng)鐵液凝固時(shí)的散熱效果。設(shè)計(jì)冷鐵厚度為此處熱節(jié)圓的一半，形成鑄件壁面為弧面，冷鐵嵌入砂芯，刷涂料后，澆注時(shí)直接與鐵液接觸，直接激冷加強(qiáng)散熱，如圖5 所示為新增冷鐵設(shè)置。

圖5 新增冷鐵設(shè)置

3 澆注檢測(cè)

3.1 造型、熔煉和澆注

根據(jù)既定優(yōu)化方案，制備冷鐵，采用呋喃樹(shù)脂砂造型，刷涂料，冷鐵刷涂料后烘烤干，下芯后合箱。圖6 為砂芯和砂型。鐵液熔煉采用中頻感應(yīng)電爐，加入一定比例的生鐵、廢鋼、回爐料和合金等原材料，熔煉取樣進(jìn)行光譜分析，調(diào)整成分合格后鐵液出爐，進(jìn)行喂絲球化處理，球化溫度1 500 ℃～1 510 ℃，球化結(jié)束倒包加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%的孕育劑爐前孕育，通過(guò)調(diào)整鐵液使共晶度接近1，共晶點(diǎn)附近鐵液的結(jié)晶范圍最窄，產(chǎn)生縮孔的傾向較小，而且有利于以逐層凝固方式凝固，達(dá)到冒口加冷鐵工藝和鐵液冶金質(zhì)量的統(tǒng)一配合。鑄件澆注溫度控制在1400℃～1 370 ℃范圍，澆注時(shí)間控制在18 s±3 s.

圖6 砂芯和砂型

3.2 箱體鑄件解剖和檢測(cè)

齒輪箱體鑄件分離、拋丸、打磨后，進(jìn)行解剖驗(yàn)證，原先出現(xiàn)的縮孔和分散縮松已消除，如圖7 為鑄件和優(yōu)化后解剖驗(yàn)證，解剖其他位置內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)。根據(jù)客戶要求進(jìn)行第三方RT 檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)三處內(nèi)部缺陷在ASTM E94、ASTM E446 標(biāo)準(zhǔn)的C1 和B1級(jí)，其他位置未見(jiàn)缺陷，完全滿足客戶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行24 h 滲透檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)箱體滲漏，箱體鑄件后續(xù)進(jìn)行退火處理后檢測(cè)附鑄試樣，力學(xué)性能均達(dá)標(biāo)，低溫沖擊均值大于12 J，優(yōu)化后鑄件各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均合格，目前已批量生產(chǎn)，廢品率可以控制造2%，工藝出品率71%.圖8 為滲透檢測(cè)圖片，RT 檢測(cè)報(bào)告見(jiàn)表1.

圖7 箱體鑄件和優(yōu)化后解剖驗(yàn)證

圖8 滲透檢測(cè)圖片

表1 RT 檢測(cè)報(bào)告

4 結(jié)論

新開(kāi)發(fā)齒輪箱體鑄件，內(nèi)部產(chǎn)生縮孔和縮松鑄造缺陷，通過(guò)鑄件缺陷形成機(jī)理分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際控制數(shù)據(jù)，提出在砂芯內(nèi)嵌冷鐵的工藝，并實(shí)際澆注驗(yàn)證。解剖檢測(cè)箱體后表明局部縮孔缺陷消除，進(jìn)行滲透檢測(cè)和第三方RT 探傷檢測(cè)完全合格。鑄件已批量生產(chǎn)，贏得客戶好評(píng)。通過(guò)本次工藝優(yōu)化為此類形狀不規(guī)則軌道用箱體鑄件開(kāi)發(fā)提供工藝借鑒。