摘要：为获得厚大断面球墨铸铁齿轮铸件，生产时进行分段制造。借助数值模拟软件模拟仿真优化，采用优质生铁、纯净的废钢及强化孕育，获得了合格铸件，为生产同规格球墨铸铁齿轮积累了宝贵的经验。
齿轮生产首先需获得齿坯，齿坯主要有铸造齿坯、锻造坯和焊接齿坯。铸造坯成本低、生产设备简单，齿坯形状不受限制。锻造坯工艺可改善坯料的铸态组织，但因其工艺复杂而不能生产形状复杂、尺寸特别大的齿坯，且成本高昂。焊接齿坯是近年发展的一种新工艺。焊接齿坯外观质量好、加工余量小，内部质量接近于整锻齿坯。但焊接齿坯较铸锻齿坯生产成本高，故其应用受到一定限制。
球墨铸铁具有良好的减震性、耐磨性，生产工艺简单且成本低廉。作为球墨铸铁一个重要分支，厚大断面球墨铸铁在很多领域逐渐替代灰铸铁和铸钢，目前广泛应用于端盖、磨盘、缸体等产品。
笔者公司生产的球墨铸铁齿轮材质QT700-2A，铸件最大壁厚145 mm，属于厚大断面球墨铸铁。厚大断面球墨铸铁凝固时间长，易出现球化衰退、石墨畸变等缺陷，该类铸件制造难度大。为缩短铸件生产周期，降低制造成本，将整圆齿轮等分为十六段，进行分段制造。单个齿轮段毛坯弦长1 340 mm、宽度460 mm、高度315 mm，重量820 kg。在铸件相应位置设置附铸试块。铸件加工面要求100%超声波探伤和100%磁粉探伤，分别依据GB/T 34904—2017和GB/T 9444—2019标准验收，并达到2级要求。单个齿轮段零件图见图1。
图1 齿轮段铸件
1 齿轮化学成分设计
厚大断面球墨铸铁中碳当量选择要基于促进石墨化、避免石墨漂浮为前提。硅可通过固溶强化以提高球墨铸铁的强度；硅含量过高，易出现碎块状石墨。因此碳当量控制依据高碳、低硅原则，选择在共晶点附近。
锰促进碳化物和珠光体形成，可提高强度。锰偏析于共晶团边界形成网状碳化物，降低铸件塑韧性。在厚大断面球墨铸铁中，锰偏析倾向尤其明显，富集在晶界碳化物即使长时间保温退火也难以消除。对于珠光体基体的球墨铸铁，锰含量也不宜超过0.6%。
硫属于反石墨球化元素。硫含量过低，不利于石墨形核；硫含量过高，球化效果下降，易出现夹渣。一般硫含量应小于0.02%。
磷不影响球化，却是有害元素。磷是随金属炉料进入铁液中。磷共晶易偏析于共晶团边界，使铸件的力学性能急剧降低。磷含量高，铸件易出现缩松、冷裂。球墨铸铁生产中不易脱磷，故必须限制其含量。
铜在共晶转变时，促进石墨化；在共析转变时，促进珠光体形成。铜可改善铸件断面组织与性能的均匀性，固溶强化基体。原铁液中干扰元素越多，铜含量允许量越低。
钼是形成碳化物能力较弱的元素。钼可细化共晶团，改善淬透性，防止回火脆性。与锰、铜相比，钼提高强度的作用更加明显。
铬与碳的亲和力远大于铬与铁，故易形成稳定的碳化物。加铬可得到全珠光体的基体组织，且使珠光体粒状化，改善淬透性。铬含量过高，断后伸长率和冲击韧度显著降低。
镁是球化能力最强的元素。镁含量过低，易出现球化不良；镁含量过高，易形成夹杂、石墨畸变等缺陷。稀土可脱氧去硫、中和干扰元素。稀土残留量过高，石墨形态会恶化。通常残留镁控制在0.04％~0.06％、残留稀土控制在0.01％~0.03％。
基于以上分析，化学成分设计如表1所示。
表1 齿轮段铸件的化学成分
2 铸造工艺
齿轮外圆面为重要加工面，质量要求高，其壁厚达到145 mm。按照齿轮段立放制定铸造工艺方案。采用两箱砂型，中间设置分型分模线，上、下模型准确定位。加工孔不铸出，外圆开齿区域铸实。齿轮段周围合理设置足量冷铁，以平衡铸件厚度差，改善铸件局部凝固条件，充分利用石墨化膨胀作用实现自补缩。冷铁使用前须抛丸、烘烤，使用面平整，无气孔、锈蚀、裂纹等缺陷。铸件上端面设置3个保温冒口，对铸件实现充分补缩。同时设置8个Φ30出气孔。工艺方案如图2所示。
图2 工艺方案
模型采用红松制作，保证其整体强度和刚度，避免在吊运、起模过程中出现变形。铸造圆角在模型中做出。
造型材料选用酚醛改性呋喃树脂自硬砂，涂料使用醇基涂料。因此在满足铸型强度的前提下，控制树脂加入量。上箱设置足量的出气孔，并保证孔道畅通。浇注系统设置为底注、开放式浇注系统。浇注系统使用陶瓷瓦筒。
3 球墨铸铁齿轮段的模拟仿真
大型铸件的数值模拟改变了传统铸造生产“合箱定论”的状况，可以在生产前预判铸件可能出现缺陷的大小及区域，采取有效措施改进铸造工艺，缩短生产试制周期，降低综合成本。
借助数值模拟软件针对上述工艺方案进行模拟分析。根据铸件规格，模拟网格大小设定为10，铸件凝固步长设定为30。结合同材质生产经验和铁碳相图，模拟凝固时初始温度设定为1 350 ℃，结束温度设定为800 ℃。
铸件中间剖切面区域为典型厚大断面，以此为观察对象，铸件模拟凝固过程如图3所示。由图3可见，在冷铁辅助作用下，铸件厚大断面区域凝固过程由下部向上部逐步进行，最终缩孔、缩松集中于冒口，铸件整体实现了顺序凝固。
图3 铸件凝固过程
铸件缩松、缩孔分布图如图4所示。由图4可见，凝固结束时，缩孔、缩松总体积很小，且缩松呈散状分布，个别区域有点状显示且位于非关键部位。因此，该工艺方案合理可行。
图4 铸件缩松、缩孔分布图
4 球墨铸铁齿轮段的试制
4.1 熔炼浇注工艺
熔炼设备选用中频感应电炉。原料主要有生铁、废钢、回炉料、铁合金等。原料应清洁、少锈、无油污。生铁主要元素应符合“一高三低一少”的原则。
一高即碳高，有益于石墨化，便于废钢调配；三低即锰、磷、硫低，有利于改善铸件力学性能；一少即硅少，有利于增大球铁回炉料及孕育剂的使用量，缩减生产成本、增强孕育效果。生铁选用优质生铁，严格控制杂质、微量元素的含量，尤其球化干扰元素的含量。废钢选用纯净的废钢。
浇包使用前要充分烘烤。球化处理采用冲入法处理。球化剂选择3-8球化剂，块度20~30 mm。孕育处理是球铁生产的关键，直接影响孕育效果和石墨球的直径、球数和圆整度。为了改善孕育效果，孕育处理釆用“随流孕育+浮硅孕育”的强化孕育处理工艺。随流孕育选用硅钡孕育剂，出铁时随流加入。浮硅孕育选用硅铁，块度20~30 mm，球化处理后加入。
熔炼浇注过程采用“高温熔炼，适温浇注”的原则。浇注前要充分扒渣。浇注温度1 310~1 350 ℃。从球化结束至浇注结束的时间控制在20 min内。浇注速度过快，易卷入气体、夹杂物。浇注速度过慢，冷隔或浇不足的倾向增大。
4.2 热处理工艺
根据公司实际生产经验，齿轮段的热处理采用调质处理。热处理工艺曲线见图5。淬火工艺设定860 ℃±10 ℃、保温6 h后油冷，一定时间后进炉回火；回火工艺设定520 ℃±10 ℃、保温6 h后，炉冷至150 ℃以下出炉自然冷却。
图5 热处理工艺曲线
4.3 铸件检验
依据设定的工艺方案生产，150 ℃以下落砂后去除浇注系统、冒口，清整，抛丸。铸件如图6所示。从铸件附铸试样上取样，进行金相组织分析和力学性能测试。附铸试样尺寸按照GB/T 1348—2019《球墨铸铁件》标准设计。附铸试块球化率达到90%以上，石墨大小6级；组织由珠光体、铁素体、石墨和少量碳化物组成。附铸试块微观组织见图7。附铸试块力学性能完全满足技术要求，见表2。
表2 齿轮段铸件的力学性能
图6 齿轮段铸件
图7 齿轮段铸件金相组织
铸件经外观检验和尺寸检验，各项技术指标均完全满足预期要求。铸件粗加工后，依据GB/T 34904—2017和GB/T 9444—2019标准进行超声波探伤及磁粉探伤，无超标缺陷，铸件质量完全符合球铁齿轮的技术指标要求。
5 结束语
球铁齿轮段检验结果证明，该工艺方案是合理的，为笔者公司今后生产同规格球墨铸铁齿轮铸件积累了宝贵的经验。该方案的试验表明，大型铸件分段制造是可行的，它是缩短生产周期和降低综合成本的重要途径。
作者：瞿铁，刁晓刚，魏伟，沈闯瞿铁，刁晓刚，魏伟，沈闯
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