铸态QT500-7球铁齿轮箱的生产

张锡联（岳阳职业技术学院，湖南岳阳 414000）

铸态QT500-7球铁齿轮箱的生产

张锡联
（岳阳职业技术学院，湖南岳阳 414000）

叙述了铸态Q T500-7球铁齿轮箱的技术要求与铸造工艺方案。分析了生产球铁的原材料、化学成分，球化处理、孕育处理等主要工艺因素对齿轮箱生产的影响。

铸态球墨铸铁；球化与孕育处理；铸造工艺

时速在120 km/h的电力机车是采用六轴电力牵引，电机体积小、功率大,传动齿轮箱结构特殊、受力复杂、强度高而可靠，是整套牵引系统重要的铸件[1]，材料采用球墨铸铁，牌号为QT500-7，铸件净质量达306 kg。为了减轻机车自质量，铸件采用结构优化设计，筋、凸台多，壁厚差别大，有多处孤立的热节，在需加工的凸台、轴颈、端面处要求在定货方加工后进行超声波探伤UT和磁粉探伤MT，必须消除铸件内部缩松、夹渣、气孔等缺陷，表面粗糙度、尺寸精度、质量误差符合用户要求。

1 铸件结构

六轴车大齿轮箱结构如图1、2，呈四分之一圆，两直边起支撑与连接作用，齿轮箱主体壁厚为10～12 mm并配有加强筋，螺钉连接部位设有凸台，连接端面起强支撑作用，壁厚为40～48 mm，因此铸件壁厚相差四倍以上。这些厚壁部位很难实现顺序凝固，易产生缩孔缩松，在加工时形成宏观缺陷，即便微观缺陷也难通过UT，MT检查。铸件最大尺寸1 052 mm×1 024 mm×331 mm。两端盖孔为φ400 mm，φ700 mm ，内腔相通，便于砂芯设计。

2 齿轮箱铸造工艺设计

2.1 铸造工艺方案分析

采用中頻电炉熔炼铸铁工艺，呋喃树脂砂造型与制芯保证型腔有足够的强度、刚度，实现铸件尺寸精度高，表面粗糙度低。

铸件工艺设计首先方便造型、下芯，如图1、2所示，齿轮箱高338 mm，中心面分型，型腔不深。1号下芯头面积大φ700 mm，U向方形型芯头起支承作用，支承强。2号芯头靠1号芯支承。浇注系统避开了型芯，横浇道长，铁液在型腔内流道短，确保铁液充型快、排气畅通，便于横浇道的补缩、集渣的目的。下箱铸件加强筋只有10 mm高，而上箱加强筋40 mm高且多，在上砂箱便于排气、充型。小端盖孔为φ400 mm，壁厚最大，在上箱设置压边腰形冒口，再辅助以冷铁，从铸件结构上基本实现金属液自下往上的顺序补缩。

图1 齿轮箱铸造工图一

2.2 浇注系统、冒口及冷铁设计

球墨铸铁铁液冶炼质量要求高，必须经过球化、孕育处理，温度下降很多，且有较多氧化夹渣。因此浇注系设计有如下特点；①具有大流量快速平稳输送铁液；②具有比灰铸铁更好的挡渣能力；③具有较高的压力头。根据铸件的结构特点，浇注系统各单元截面积比取∑F直∶∑F横∶∑F内∶＝3∶4∶2。特点是横浇道长、大，具有强挡渣功能，同时多内浇口，充型快[2]。

图2 齿轮箱铸造工图二

齿轮箱壳体壁厚设计不均匀，厚大部分的铁液在凝固时冷却速度较慢，在中心部位形成热节，凝固时间较长，容易产生石墨畸变、石墨球数减少、晶间偏析、缩松、缩孔、夹渣等缺陷。轻者降低铸件力学性能，重者可使铸件加工检验时报废，为此应提高铁液的冶金品质，其次是设计合理的冷铁。如图2所示，2号、3号冷铁为大端盖孔φ700 mm上的多个螺钉孔凸台的冷却；4号、5号、6号冷铁为铸件结构孤立热节的激冷，7号冷铁为方形孔，面积最大。冷铁的厚度取（0.5～0.6）δ，δ为被冷铁激冷部位的铸件壁厚度。通过外冷铁来调节温度场，加速热节的凝固，缩小壁厚差引起的凝固时间差，达到了均衡凝固的要求，消除了铸件热节处缩孔、缩松缺陷。

冒口设计遵循顺序凝固的原则，补充球墨铸铁共晶凝固膨胀前的液态体收缩，本例采用腰形压边冒口。压边缝隙宽度取10～15 mm，保证在液态收缩终止，膨胀开始时，压边缝隙即凝结，利用铸件全部共晶膨胀作用来实现自补缩，冒口补缩体积取铸件体积的5%～6%。为了缩短凝固时间达到均衡凝固，设计了1号冷铁，很好地配合压边冒口的填充作用，如果没有冷铁，在压边缝隙下面会形成缩孔。其次树脂砂腔型有足够的强度，砂箱用螺钉紧固，充分利用石墨化膨胀作 用消除凝固收缩。

3 球铁冶炼工艺控制

3.1 化学成分的选择

（1）碳当量。根据铸件壁厚，C含量控制在3.6%～3.8%之间，保证铁液有较好的流动性，又有较好的石墨化能力，不产生缩孔缩松、石墨粗大、漂浮现象。硅是强烈促进石墨化的元素，固溶于铁素体，使屈服点和强度提高，同时使塑性指标降低。球铁QT500-7的基体为铁素体和珠光体复合组织，硅的正常控制范围上限2.6%～2.8%，获得一定比例的铁素体，保证较好的伸长率。碳当量以不出现自由渗碳体，保证完全球化为准，尽可能提高碳当量，以便获得缩松少，组织致密的铸件。碳当量过低于4.2%～4.3%时铸件易产生缩孔缩松。如图3为处理后的铁液碳硅分析结果。

图3 热分析仪图片

（2）锰。锰是珠光体形成元素，在凝固过程中，容易在共晶团边界上产生偏析，形成碳化物，对韧性有不利影响。生产中锰太低，对原材料要求高，不现实，锰含量不得大于0.8%为宜。

（3）磷。磷是铸铁中的有害元素，在铸铁中溶解度较低，极易偏析，当P＞0.05%时在球铁凝固过程中形成二元磷共晶或三元磷共晶。磷共晶在晶界分布，硬度高且脆，恶化了力学性能[2]，一般控制其上限P＜0.06% 。

（4）硫。镁与稀土是强力脱硫剂，与S形成MgS、RES夹杂物，硫太高会消耗球化剂，降低球化效果，造成球化反应不良，因此原铁液硫控制在S＜0.03%。

3.2 原材料选择

（1）生铁与废钢。选择用优质的Q12球铁生铁生产球墨铸铁件，生铁除了硅、锰、硫、钛、钒等要低外，磷，硫含量也很重要 ，生铁成分应稳定。废钢为普通碳素钢，无氧化皮，成分稳定，合金元素含量低。回炉料为同牌号成分铸件。

（2）球化剂。镁是球铁的主要球化元素，稀土是起辅助球化作用。完全球化残余镁含量应适量，太低球化不良，太高容易形成石墨球畸形，氧化夹杂物（MgO），气孔等。稀土元素有脱硫，去气、净化铁液作用，RE残残余量过高，会恶化石墨形状，增加白口倾向，降低球化率 ，稀土与镁一般联合使用效果更好。用中频电炉生产QT500-7球铁，易于控制铁液成分和温度，选择商品球化剂，低稀土镁球化剂QRMg8RE3，稀土和镁的残留量控制在RE残=0.02%～0.04%，Mg残=0.035%～0.055%。

（3）孕育剂。孕育剂采用长泰特种合金厂的高效长效复合孕育剂FYJ-1。两次孕育处理，孕育量为0.1%～0.2%。

3.3 熔炼工艺控制

中频电炉熔炼易于控制成分和温度，可获得优质的铁液。原材料配比：生铁加入量70%～80%，废钢加入量10%，回炉料10%～15%，硅铁0.4%～0.6%，熔炼时采用石墨增碳。碳熔点高，首先加入炉底，靠扩散溶解的方式进入铁液，在铁液中形成大量的[C]微晶，是共晶或共析石墨的外来形核基底，有利于细化晶粒，增加石墨球数[3、4]。炉前配置有快速热分析仪，光谱，三角试片，数字测温仪等综合分析测试成分及球化情况。

3.4 球化处理与孕育处理

用商品球化剂处理首先是铁液温度控制在1 450 ℃～1 530 ℃，温度太高球化剂烧损大，温度太低达不到充分球化反应，降低球化处理效果，其次硫含量小于0.03%。稀土镁球化剂成分为7%～9%Mg，2%～4.0%RE，40%～44%Si ，MgO＜1.0%，组织致密均匀，化学成分稳定，粒度3～15 mm。方法采用堤坝冲入法，球化剂加入量为出铁液质量的1.1%～1.3%。为了达到好的球化孕育效果，球化剂孕育剂要预先烘烤，放入堤坝内并压实，覆盖一层铁屑或珍珠岩，防止铁液冲刷，反应过快球化剂烧损过多。

孕育处理能促进石墨化，防止自由渗碳体和白口出现，使石墨球细小，石墨球数多，石墨球更圆整，为此孕育处理分两次进行。包内孕育采用FeSi75, 粒度5～20 mm，覆盖在球化剂上，加入量为0.5%。随流孕育采用Si-Ca-Ba-Bi(FYJ-1)孕育剂，粒度为0.2～0.85 mm，加入量为0.2%。

4 检测结果

采用上述工艺生产的铸件，加工面UT ，MT检验合格率在92%。铸态金相组织如图4，球化率达到3～4级，石墨球大小为6级以上， 力学性能如表1示。

图4 球铁铸态金相组织

表1 铸件力学性能

5 结束语

生产铸态QT500-7球墨铸铁件时，原材料按GB1412－2005选用Q12球铁生铁，其中锰、硫、磷化学成分控制在 Mn＜0.6%,，S＜0.03%，P＜0.06%。通过正确的球化孕育处理，稀土镁残余量为RE残=0.03%～0.04%，Mg残=0.04%～0.05%。石墨球化级别为3～4级，石墨球大小为6级以上。基体金相组织以铁素体为主，辅之以球光体，避免渗碳体和磷共晶，其次是合理的铸造工艺措施，方可生产组织致密的合格铸件。

[1] 朱红军，时平利.电力机车牵引电机用低温球墨铸铁件生产〔J〕.铸造，2011，60（10）：951-955.

[2] 李弘英，赵成志.铸造工艺设计〔M〕.北京:机械工业出版权社，2005.

[3] 王文清,李魁盛.铸造工艺学〔M〕.北京:机械工业出版权社，1998.

[4] 陆文华.铸铁及其熔炼[M].北京:机械工业出版权社，1988.

[5] 曹思盛， 张仁煜. 铸态铁素体球铁生产技术[J].中国铸造装备与技术,2004(5).

Production of as-cast ductile iron QT500-7 for gearbox

ZHANG XiLian
（Yueyang Vocational Technical College,Yueyang41400,Hu'nan,China）

Technical requirements and casting process of as-cast high toughness ductile iron QT500-7 for gearbox was reviewed. The ettects of raw materials, chemical components, nodulizing and inoculation process on the production of as-cast high toughness ductile iron for gearbox were analyzed.

as-cast ductili iron; nodulizing and inoculation process ; foundry technology

TG234；

A；

1 006-9 658（201 6）06-0023-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.06.007

2016-04-18

稿件编号:1604-1337

张锡联（1963—），男，教授级高级工程师，主要从事熔模铸造、合金熔炼工作.