齒輪生產(chǎn)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(chǎn)設(shè)備簡單，齒坯形狀不受限制。鍛造坯工藝可改善坯料的鑄態(tài)組織，但因其工藝復(fù)雜而不能生產(chǎn)形狀復(fù)雜、尺寸特別大的齒坯，且成本高昂。焊接齒坯是近年發(fā)展的一種新工藝。焊接齒坯外觀質(zhì)量好、加工余量小，內(nèi)部質(zhì)量接近于整鍛齒坯。但焊接齒坯較鑄鍛齒坯生產(chǎn)成本高，故其應(yīng)用受到一定限制。
　　球墨鑄鐵具有良好的減震性、耐磨性，生產(chǎn)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(lǐng)域逐漸替代灰鑄鐵和鑄鋼，目前廣泛應(yīng)用于端蓋、磨盤、缸體等產(chǎn)品。
　　筆者公司生產(chǎn)的球墨鑄鐵齒輪材質(zhì)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(xiàn)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(chǎn)周期，降低制造成本，將整圓齒輪等分為十六段，進(jìn)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(yīng)位置設(shè)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(jù)GB/T 34904—2017和GB/T 9444—2019標(biāo)準(zhǔn)驗收，并達(dá)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(xué)成分設(shè)計
　　厚大斷面球墨鑄鐵中碳當(dāng)量選擇要基于促進(jìn)石墨化、避免石墨漂浮為前提。硅可通過固溶強(qiáng)化以提高球墨鑄鐵的強(qiáng)度；硅含量過高，易出現(xiàn)碎塊狀石墨。因此碳當(dāng)量控制依據(jù)高碳、低硅原則，選擇在共晶點附近。
　　錳促進(jìn)碳化物和珠光體形成，可提高強(qiáng)度。錳偏析于共晶團(tuán)邊界形成網(wǎng)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?qū)儆诜词蚧?。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(xiàn)夾渣。一般硫含量應(yīng)小于0.02%。
　　磷不影響球化，卻是有害元素。磷是隨金屬爐料進(jìn)入鐵液中。磷共晶易偏析于共晶團(tuán)邊界，使鑄件的力學(xué)性能急劇降低。磷含量高，鑄件易出現(xiàn)縮松、冷裂。球墨鑄鐵生產(chǎn)中不易脫磷，故必須限制其含量。
　　銅在共晶轉(zhuǎn)變時，促進(jìn)石墨化；在共析轉(zhuǎn)變時，促進(jìn)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(qiáng)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(xì)化共晶團(tuán)，改善淬透性，防止回火脆性。與錳、銅相比，鉬提高強(qiáng)度的作用更加明顯。
　　鉻與碳的親和力遠(yuǎn)大于鉻與鐵，故易形成穩(wěn)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(qiáng)的元素。鎂含量過低，易出現(xiàn)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(tài)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(xué)成分設(shè)計如表1所示。

表1　齒輪段鑄件的化學(xué)成分

2　鑄造工藝
　　齒輪外圓面為重要加工面，質(zhì)量要求高，其壁厚達(dá)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(shè)置分型分模線，上、下模型準(zhǔn)確定位。加工孔不鑄出，外圓開齒區(qū)域鑄實。齒輪段周圍合理設(shè)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(xiàn)自補(bǔ)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(shè)置3個保溫冒口，對鑄件實現(xiàn)充分補(bǔ)縮。同時設(shè)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(qiáng)度和剛度，避免在吊運(yùn)、起模過程中出現(xiàn)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(qiáng)度的前提下，控制樹脂加入量。上箱設(shè)置足量的出氣孔，并保證孔道暢通。澆注系統(tǒng)設(shè)置為底注、開放式澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)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(shù)值模擬改變了傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)“合箱定論”的狀況，可以在生產(chǎn)前預(yù)判鑄件可能出現(xiàn)缺陷的大小及區(qū)域，采取有效措施改進(jìn)鑄造工藝，縮短生產(chǎn)試制周期，降低綜合成本。
　　借助數(shù)值模擬軟件針對上述工藝方案進(jìn)行模擬分析。根據(jù)鑄件規(guī)格，模擬網(wǎng)格大小設(shè)定為10，鑄件凝固步長設(shè)定為30。結(jié)合同材質(zhì)生產(chǎn)經(jīng)驗和鐵碳相圖，模擬凝固時初始溫度設(shè)定為1 350 ℃，結(jié)束溫度設(shè)定為800 ℃。
　　鑄件中間剖切面區(qū)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(qū)域凝固過程由下部向上部逐步進(jìn)行，最終縮孔、縮松集中于冒口，鑄件整體實現(xiàn)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(jié)束時，縮孔、縮松總體積很小，且縮松呈散狀分布，個別區(qū)域有點狀顯示且位于非關(guān)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(shè)備選用中頻感應(yīng)電爐。原料主要有生鐵、廢鋼、回爐料、鐵合金等。原料應(yīng)清潔、少銹、無油污。生鐵主要元素應(yīng)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(diào)配；三低即錳、磷、硫低，有利于改善鑄件力學(xué)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(chǎn)成本、增強(qiáng)孕育效果。生鐵選用優(yōu)質(zhì)生鐵，嚴(yán)格控制雜質(zhì)、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(chǎn)的關(guān)鍵，直接影響孕育效果和石墨球的直徑、球數(shù)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(qiáng)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(jié)束至澆注結(jié)束的時間控制在20 min內(nèi)。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(jù)公司實際生產(chǎn)經(jīng)驗，齒輪段的熱處理采用調(diào)質(zhì)處理。熱處理工藝曲線見圖5。淬火工藝設(shè)定860 ℃±10 ℃、保溫6 h后油冷，一定時間后進(jìn)爐回火；回火工藝設(shè)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(jù)設(shè)定的工藝方案生產(chǎn)，150 ℃以下落砂后去除澆注系統(tǒng)、冒口，清整，拋丸。鑄件如圖6所示。從鑄件附鑄試樣上取樣，進(jìn)行金相組織分析和力學(xué)性能測試。附鑄試樣尺寸按照GB/T 1348—2019《球墨鑄鐵件》標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。附鑄試塊球化率達(dá)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(xué)性能完全滿足技術(shù)要求，見表2。

表2　齒輪段鑄件的力學(xué)性能

圖6　齒輪段鑄件

圖7　齒輪段鑄件金相組織

　　鑄件經(jīng)外觀檢驗和尺寸檢驗，各項技術(shù)指標(biāo)均完全滿足預(yù)期要求。鑄件粗加工后，依據(jù)GB/T 34904—2017和GB/T 9444—2019標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲波探傷及磁粉探傷，無超標(biāo)缺陷，鑄件質(zhì)量完全符合球鐵齒輪的技術(shù)指標(biāo)要求。
5　結(jié)束語
　　球鐵齒輪段檢驗結(jié)果證明，該工藝方案是合理的，為筆者公司今后生產(chǎn)同規(guī)格球墨鑄鐵齒輪鑄件積累了寶貴的經(jīng)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(chǎn)周期和降低綜合成本的重要途徑。
來源：鑄造雜志
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