（太重集團榆次液壓工業(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用?；陔娏C車的速度和安全考慮，齒輪箱體等鑄件必須嚴格執(zhí)行各項技術(shù)標準，確保鑄件各項性能合格，技術(shù)要求較為苛刻。箱體鑄件內(nèi)部進行射線檢測（RT），執(zhí)行ASTM E94、ASTM E446 標準，缺陷等級不超過A3-B3-C2；超聲檢測（UT）執(zhí)行EN 12680-3 標準，缺陷等級不超過Ⅱ級；為防止?jié)B漏箱體鑄件必須進行煤油滲透檢測（PT）24 h 無滲漏現(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 標準，在-20 ℃±2 ℃對三個附鑄試樣進行沖擊檢測，沖擊功AKv≥12 J，單個試樣沖擊功AKv≥9 J；不管是常溫還是低溫工況，消除鑄件內(nèi)部超過探傷檢測要求的鑄造缺陷是首要任務，也是保證鑄件力學性能的關(guān)鍵。

1 齒輪箱體初始工藝設計

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：1）結(jié)構(gòu)較復雜，形狀不規(guī)則，有局部單獨形狀向上伸出，有較深凹槽，這些形狀容易造成澆注時局部集氣，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的把合面，不允許有超標的內(nèi)部縮松、氣孔等影響強度的鑄造缺陷。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，而且存在一次無法開模難題，顯然增加制作砂芯的難度。綜合以上鑄件尺寸和評估現(xiàn)有鑄造設備條件，采用樹脂砂造型方法生產(chǎn)齒輪箱體鑄件。

1.2 初始工藝方案

關(guān)于樹脂砂造型，由于是半自動化造型，靈活性較大，鑄造工藝設計時有兩種思路：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，減少相對模數(shù)，達到消除關(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鑄件最后凝固區(qū)進行液相補縮而達到消除內(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縮，在某些孤立熱節(jié)處設置冒口較難；兼顧以上利弊，采用小冒口加冷鐵的復合鑄造工藝設計方案。如圖2 原始工藝方案，采用樹脂砂制芯，內(nèi)腔無法出模局部采用活塊，在鑄件端頭和頂面分別設置側(cè)冒口和頂冒口進行補縮和排氣，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，綜合評估熱節(jié)分布狀態(tài)，在小端把合立面、上頂面分別設計側(cè)冒口和頂冒口進行補縮，吊耳側(cè)面沿分型面設置兩塊冷鐵對熱節(jié)處進行激冷。分型面設置在箱體中間，為追求鐵液充型平穩(wěn)，采取中間澆注，設置內(nèi)澆道先貼砂芯外壁進入型腔，然后沿砂芯外框底面進入型腔，為緩流澆注系統(tǒng)截面設計為先封閉后逐漸擴大的比例，考慮到鑄件內(nèi)腔有加強筋較薄為8 mm，應盡可能設置內(nèi)澆口，達到較快充型，澆道各組元截面比例為：ΣF直∶ΣF橫進∶ΣF阻∶ΣF橫出∶ΣF內(nèi)=1.2 ∶1.1∶1 ∶1.2∶1.5，設定整箱澆注時間為18 s，計算出阻流面積，根據(jù)各組元截面比例計算出澆注系統(tǒng)尺寸。初次澆注試制3 件，對箱體鑄件進行全面解刨檢測時，在輸入軸與吊耳過渡的加強筋中間孤立熱節(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 標準，缺陷等級不超過A3-B3-C2 要求，及法蘭面、把合面嚴格要求均無缺陷。

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)行過程、澆注過程參數(shù)均無異常；通過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)，箱體鑄件凝固時周圍壁已經(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)與周圍鑄件壁達到同步凝固，因此，此處殘余液態(tài)最后凝固時自身收縮得不到其他鐵液補縮，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)得不到補縮或激冷不夠，如果設計冒口補縮，由于標準砂箱的尺寸是一定的，在缺陷外側(cè)設置冒口為冷冒口，補縮效率低達不到補縮效果。綜合考慮在缺陷鑄件壁內(nèi)側(cè)設置冷鐵，加強鐵液凝固時的散熱效果。設計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，澆注時直接與鐵液接觸，直接激冷加強散熱，如圖5 所示為新增冷鐵設置。

圖5 新增冷鐵設置

3 澆注檢測

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，熔煉取樣進行光譜分析，調(diào)整成分合格后鐵液出爐，進行喂絲球化處理，球化溫度1 500 ℃～1 510 ℃，球化結(jié)束倒包加入質(zhì)量分數(shù)0.6%的孕育劑爐前孕育，通過調(diào)整鐵液使共晶度接近1，共晶點附近鐵液的結(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

齒輪箱體鑄件分離、拋丸、打磨后，進行解剖驗證，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)化后解剖驗證，解剖其他位置內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)。根據(jù)客戶要求進行第三方RT 檢測，發(fā)現(xiàn)三處內(nèi)部缺陷在ASTM E94、ASTM E446 標準的C1 和B1級，其他位置未見缺陷，完全滿足客戶技術(shù)標準，進行24 h 滲透檢測未發(fā)現(xiàn)箱體滲漏，箱體鑄件后續(xù)進行退火處理后檢測附鑄試樣，力學性能均達標，低溫沖擊均值大于12 J，優(yōu)化后鑄件各項技術(shù)指標均合格，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 為滲透檢測圖片，RT 檢測報告見表1.

圖7 箱體鑄件和優(yōu)化后解剖驗證

圖8 滲透檢測圖片

表1 RT 檢測報告

4 結(jié)論

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