齒輪生產首先需獲得齒坯，齒坯主要有鑄造齒坯、鍛造坯和焊接齒坯。鑄造坯成本低、生產設備簡單，齒坯形狀不受限制。鍛造坯工藝可改善坯料的鑄態組織，但因其工藝復雜而不能生產形狀復雜、尺寸特別大的齒坯，且成本高昂。焊接齒坯是近年發展的一種新工藝。焊接齒坯外觀質量好、加工余量小，內部質量接近于整鍛齒坯。但焊接齒坯較鑄鍛齒坯生產成本高，故其應用受到一定限制。
　　球墨鑄鐵具有良好的減震性、耐磨性，生產工藝簡單且成本低廉。作為球墨鑄鐵一個重要分支，厚大斷面球墨鑄鐵在很多領域逐漸替代灰鑄鐵和鑄鋼，目前廣泛應用于端蓋、磨盤、缸體等產品。
　　筆者公司生產的球墨鑄鐵齒輪材質QT700-2A，鑄件最大壁厚145 mm，屬于厚大斷面球墨鑄鐵。厚大斷面球墨鑄鐵凝固時間長，易出現球化衰退、石墨畸變等缺陷，該類鑄件制造難度大。為縮短鑄件生產周期，降低制造成本，將整圓齒輪等分為十六段，進行分段制造。單個齒輪段毛坯弦長1 340 mm、寬度460 mm、高度315 mm，重量820 kg。在鑄件相應位置設置附鑄試塊。鑄件加工面要求100%超聲波探傷和100%磁粉探傷，分別依據GB/T 34904—2017和GB/T 9444—2019標準驗收，并達到2級要求。單個齒輪段零件圖見圖1。

圖1　齒輪段鑄件

1　齒輪化學成分設計
　　厚大斷面球墨鑄鐵中碳當量選擇要基于促進石墨化、避免石墨漂浮為前提。硅可通過固溶強化以提高球墨鑄鐵的強度；硅含量過高，易出現碎塊狀石墨。因此碳當量控制依據高碳、低硅原則，選擇在共晶點附近。
　　錳促進碳化物和珠光體形成，可提高強度。錳偏析于共晶團邊界形成網狀碳化物，降低鑄件塑韌性。在厚大斷面球墨鑄鐵中，錳偏析傾向尤其明顯，富集在晶界碳化物即使長時間保溫退火也難以消除。對于珠光體基體的球墨鑄鐵，錳含量也不宜超過0.6%。
　　硫屬于反石墨球化元素。硫含量過低，不利于石墨形核；硫含量過高，球化效果下降，易出現夾渣。一般硫含量應小于0.02%。
　　磷不影響球化，卻是有害元素。磷是隨金屬爐料進入鐵液中。磷共晶易偏析于共晶團邊界，使鑄件的力學性能急劇降低。磷含量高，鑄件易出現縮松、冷裂。球墨鑄鐵生產中不易脫磷，故必須限制其含量。
　　銅在共晶轉變時，促進石墨化；在共析轉變時，促進珠光體形成。銅可改善鑄件斷面組織與性能的均勻性，固溶強化基體。原鐵液中干擾元素越多，銅含量允許量越低。
　　鉬是形成碳化物能力較弱的元素。鉬可細化共晶團，改善淬透性，防止回火脆性。與錳、銅相比，鉬提高強度的作用更加明顯。
　　鉻與碳的親和力遠大于鉻與鐵，故易形成穩定的碳化物。加鉻可得到全珠光體的基體組織，且使珠光體粒狀化，改善淬透性。鉻含量過高，斷后伸長率和沖擊韌度顯著降低。
　　鎂是球化能力最強的元素。鎂含量過低，易出現球化不良；鎂含量過高，易形成夾雜、石墨畸變等缺陷。稀土可脫氧去硫、中和干擾元素。稀土殘留量過高，石墨形態會惡化。通常殘留鎂控制在0.04％~0.06％、殘留稀土控制在0.01％~0.03％。
　　基于以上分析，化學成分設計如表1所示。

表1　齒輪段鑄件的化學成分

2　鑄造工藝
　　齒輪外圓面為重要加工面，質量要求高，其壁厚達到145 mm。按照齒輪段立放制定鑄造工藝方案。采用兩箱砂型，中間設置分型分模線，上、下模型準確定位。加工孔不鑄出，外圓開齒區域鑄實。齒輪段周圍合理設置足量冷鐵，以平衡鑄件厚度差，改善鑄件局部凝固條件，充分利用石墨化膨脹作用實現自補縮。冷鐵使用前須拋丸、烘烤，使用面平整，無氣孔、銹蝕、裂紋等缺陷。鑄件上端面設置3個保溫冒口，對鑄件實現充分補縮。同時設置8個Φ30出氣孔。工藝方案如圖2所示。

圖2　工藝方案

　　模型采用紅松制作，保證其整體強度和剛度，避免在吊運、起模過程中出現變形。鑄造圓角在模型中做出。
　　造型材料選用酚醛改性呋喃樹脂自硬砂，涂料使用醇基涂料。因此在滿足鑄型強度的前提下，控制樹脂加入量。上箱設置足量的出氣孔，并保證孔道暢通。澆注系統設置為底注、開放式澆注系統。澆注系統使用陶瓷瓦筒。
3　球墨鑄鐵齒輪段的模擬仿真
　　大型鑄件的數值模擬改變了傳統鑄造生產“合箱定論”的狀況，可以在生產前預判鑄件可能出現缺陷的大小及區域，采取有效措施改進鑄造工藝，縮短生產試制周期，降低綜合成本。
　　借助數值模擬軟件針對上述工藝方案進行模擬分析。根據鑄件規格，模擬網格大小設定為10，鑄件凝固步長設定為30。結合同材質生產經驗和鐵碳相圖，模擬凝固時初始溫度設定為1 350 ℃，結束溫度設定為800 ℃。
　　鑄件中間剖切面區域為典型厚大斷面，以此為觀察對象，鑄件模擬凝固過程如圖3所示。由圖3可見，在冷鐵輔助作用下，鑄件厚大斷面區域凝固過程由下部向上部逐步進行，最終縮孔、縮松集中于冒口，鑄件整體實現了順序凝固。

圖3　鑄件凝固過程

　　鑄件縮松、縮孔分布圖如圖4所示。由圖4可見，凝固結束時，縮孔、縮松總體積很小，且縮松呈散狀分布，個別區域有點狀顯示且位于非關鍵部位。因此，該工藝方案合理可行。

圖4　鑄件縮松、縮孔分布圖

4　球墨鑄鐵齒輪段的試制
4.1　熔煉澆注工藝
　　熔煉設備選用中頻感應電爐。原料主要有生鐵、廢鋼、回爐料、鐵合金等。原料應清潔、少銹、無油污。生鐵主要元素應符合“一高三低一少”的原則。
　　一高即碳高，有益于石墨化，便于廢鋼調配；三低即錳、磷、硫低，有利于改善鑄件力學性能；一少即硅少，有利于增大球鐵回爐料及孕育劑的使用量，縮減生產成本、增強孕育效果。生鐵選用優質生鐵，嚴格控制雜質、微量元素的含量，尤其球化干擾元素的含量。廢鋼選用純凈的廢鋼。
　　澆包使用前要充分烘烤。球化處理采用沖入法處理。球化劑選擇3-8球化劑，塊度20~30 mm。孕育處理是球鐵生產的關鍵，直接影響孕育效果和石墨球的直徑、球數和圓整度。為了改善孕育效果，孕育處理釆用“隨流孕育+浮硅孕育”的強化孕育處理工藝。隨流孕育選用硅鋇孕育劑，出鐵時隨流加入。浮硅孕育選用硅鐵，塊度20~30 mm，球化處理后加入。
　　熔煉澆注過程采用“高溫熔煉，適溫澆注”的原則。澆注前要充分扒渣。澆注溫度1 310~1 350 ℃。從球化結束至澆注結束的時間控制在20 min內。澆注速度過快，易卷入氣體、夾雜物。澆注速度過慢，冷隔或澆不足的傾向增大。
4.2　熱處理工藝
　　根據公司實際生產經驗，齒輪段的熱處理采用調質處理。熱處理工藝曲線見圖5。淬火工藝設定860 ℃±10 ℃、保溫6 h后油冷，一定時間后進爐回火；回火工藝設定520 ℃±10 ℃、保溫6 h后，爐冷至150 ℃以下出爐自然冷卻。

圖5　熱處理工藝曲線

4.3　鑄件檢驗
　　依據設定的工藝方案生產，150 ℃以下落砂后去除澆注系統、冒口，清整，拋丸。鑄件如圖6所示。從鑄件附鑄試樣上取樣，進行金相組織分析和力學性能測試。附鑄試樣尺寸按照GB/T 1348—2019《球墨鑄鐵件》標準設計。附鑄試塊球化率達到90%以上，石墨大小6級；組織由珠光體、鐵素體、石墨和少量碳化物組成。附鑄試塊微觀組織見圖7。附鑄試塊力學性能完全滿足技術要求，見表2。

表2　齒輪段鑄件的力學性能

圖6　齒輪段鑄件

圖7　齒輪段鑄件金相組織

　　鑄件經外觀檢驗和尺寸檢驗，各項技術指標均完全滿足預期要求。鑄件粗加工后，依據GB/T 34904—2017和GB/T 9444—2019標準進行超聲波探傷及磁粉探傷，無超標缺陷，鑄件質量完全符合球鐵齒輪的技術指標要求。
5　結束語
　　球鐵齒輪段檢驗結果證明，該工藝方案是合理的，為筆者公司今后生產同規格球墨鑄鐵齒輪鑄件積累了寶貴的經驗。該方案的試驗表明，大型鑄件分段制造是可行的，它是縮短生產周期和降低綜合成本的重要途徑。
來源：鑄造雜志
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