行星架鑄造灰斑缺陷的改善

天津市祥威傳動設(shè)備有限公司 （300380） 王耀東 李治平

行星減速機是一種用途廣泛的工業(yè)產(chǎn)品，主要用于冶金、礦山、石油化工、煤炭能源等行業(yè)，行星架作為行星減速機的關(guān)鍵零件，是機構(gòu)中承受外力矩最大的零件。行星架的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造質(zhì)量對各行星輪間的載荷分配以至傳動裝置的承載能力、噪聲和振動等有很大影響。

1. 問題描述

我公司在加工行星架（見圖1）的過程中，發(fā)現(xiàn)行星架輪輻面有灰斑缺陷，給公司造成了嚴重損失，影響了產(chǎn)品的交貨期。

圖1 行星架示意

2. 鑄造行星架的材質(zhì)要求

行星架材質(zhì)為 QT700—2A，毛坯單重1300kg，試樣采用D型附鑄試塊。金相組織要求：珠光體≥90%，球化率2級以上，石墨大小4級以上，磷共晶、碳化物≤1%，本體聲速要求5500m/s以上（正火態(tài)），硬度235～275HBW。重要位置有UT、MT無損檢測要求，要求達到公司標準規(guī)定的相應級別。

3. 缺陷分析

2012年，我廠加工出現(xiàn)缺陷的行星架在鑄造廠進行附鑄試樣性能和金相檢測時未發(fā)現(xiàn)異常，檢驗結(jié)果球化率2級，石墨大小5級，珠光體含量90%，磷共晶含量、碳化物含量均≤1%，聲速5560m/s，本體硬度242～252HBW，以上結(jié)果均符合產(chǎn)品要求。 供貨廠家在化學成分方面也進行了嚴格的控制，光譜分析以及材質(zhì)報告中顯示成分均在目標值控制范圍內(nèi)，并且與未出現(xiàn)缺陷的鑄件光譜分析結(jié)果對比，均未發(fā)現(xiàn)異常。因此對二者在相同部位取現(xiàn)場金相照片，該位置的壁厚為100mm。檢測結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 出現(xiàn)灰斑缺陷的行星架金相（碎塊狀石墨）

圖3 合格的行星架金相（球狀石墨）

由金相照片分析，加工出現(xiàn)缺陷的行星架石墨為碎塊狀，宏觀表現(xiàn)為不均勻的灰色斑點彌散在鑄件厚大壁厚加工表面，鑄件出現(xiàn)灰斑的位置質(zhì)地疏松，嚴重降低鑄件的力學性能。因此，如何消除鑄造灰斑，避免碎塊狀石墨的形成即為本產(chǎn)品即將解決的問題。

4. 碎塊狀石墨形成機理

碎塊狀石墨是厚大斷面球墨鑄鐵中或是熱節(jié)部位容易出現(xiàn)的畸變石墨。一般認為，碎塊狀石墨形成的直接原因，在于凝固緩慢，共晶停留時間長，導致了石墨畸變，其宏觀表現(xiàn)為灰斑。當過冷度小時，離異共晶條件遭到破壞，共晶方式向非離異（即共生）轉(zhuǎn)變，石墨與奧氏體相關(guān)性由非耦合過渡到松散耦合狀態(tài)。松散耦合是指石墨與奧氏體的生長關(guān)系不像片狀石墨那種緊密相依的共生關(guān)系（奧氏體緊貼著石墨側(cè)面生長），而是在石墨周圍可出現(xiàn)部分液態(tài)區(qū)或液體溝槽，為石墨分枝提供了生長空間，石墨有可能在這些地方進行再分枝，但是又不像球狀石墨那樣分枝頻繁，而是在石墨分枝旁形成奧氏體，將石墨分枝隔開，使小角分叉變?yōu)榇蠼欠种Α?/p>

5. 原生產(chǎn)參數(shù)簡介

行星架單重1300kg，鑄件壁厚60～100mm，實際生產(chǎn)中采用3t中頻無芯感應電爐進行熔煉，爐料選用Q10專用生鐵和廢鋼，沖入法球化和小劑量多次孕育處理，球化劑選用Mg6RE3，加入量1.0%～1.3%，采用含Ba高效孕育劑，加入量0.5%，瞬時加入量0.15%，出爐溫度1460～1490℃，澆注溫度1350～1370℃?；瘜W成分目標值如表1所示。

表1 調(diào)整前的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

6. 碎塊狀石墨的預防措施

（1）控制鐵液的化學成分 ①降低稀土的殘留量可明顯降低灰斑缺陷，生產(chǎn)大斷面的球墨鑄鐵件時，要求稀土殘留量≤0.02%。稀土元素過多，灰斑嚴重，可能與破壞奧氏體殼的穩(wěn)定性有關(guān)。②碳當量應盡可能低些，就C、Si兩個元素來說，碳的影響是次要的，低硅可避免出現(xiàn)灰斑缺陷。生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，wSi＞2.6%時，出現(xiàn)灰斑的幾率增多，硅能促進石墨化，加速碳原子擴散，提高石墨球的長大速度，使石墨球-奧氏體應力加大，促使奧氏體破裂，故易使石墨畸變。③除Si以外，促進形成碎塊石墨的元素還有Ce、Ca、Sr。④另外一些微量元素（Sb、Cu、Sn、Bi、Ni等）在有稀土元素的條件下，對抑制碎塊石墨有積極作用，Sb是被認為最有效的，有清除石墨/溶液界面上氧元素的功能，減少或阻止氧在石墨界面上吸附，阻止碎塊狀石墨產(chǎn)生。國內(nèi)結(jié)論是，wSb＝0.002%～0.007%效果最好。⑤在國外，用高純生鐵，以及不含稀土的鎂球化劑生產(chǎn)大斷面球墨鑄鐵，不會出現(xiàn)碎塊狀石墨。國內(nèi)生鐵含雜質(zhì)較高，必須注意鐵液的冶金質(zhì)量，并使用稀土含量較低的球化劑。

（2）加快冷卻速度 加快鑄件的冷卻速度是避免生成碎塊狀石墨的有力措施，在熱節(jié)處可使用冷鐵等激冷材料加快冷卻。但是，由于大斷面球墨鑄鐵件的熱量大，凝固時間長，如果冷鐵質(zhì)量小，往往在吸熱飽和后失去激冷能力。為了提高大斷面球墨鑄鐵件的凝固速度，國外采用一種懸浮澆注方法縮短凝固時間，防止灰斑缺陷產(chǎn)生。

（3）增加石墨球數(shù) 據(jù)相關(guān)文獻介紹，只要石墨球數(shù)達到60～70個/mm2，就不產(chǎn)生蠕蟲狀石墨，因此加強孕育，提高碳當量，以及添加微量元素Bi、Sb，均可增加石墨球數(shù)。

7. 生產(chǎn)改進措施的確定

（1）嚴格控制原材料質(zhì)量 在保證生鐵質(zhì)量的前提下，選用優(yōu)質(zhì)碳素廢鋼，減少有害微量元素的含量。對現(xiàn)場廢鋼進行定置管理，廢鋼按要求區(qū)分，防止不同質(zhì)量廢鋼摻雜在一起。

（2）調(diào)整熔煉和球化澆注溫度 規(guī)定電爐熔煉溫度必須在1500～1550℃，嚴格控制熔煉溫度不超過1550℃，并記錄最高熔煉溫度，消除原料遺傳性的影響，并能凈化鐵液。規(guī)定鐵液爐內(nèi)保溫時間，采用快熔快出的原則。適當降低澆注溫度，縮短凝固時間，將原定澆注溫度1350～1370℃，調(diào)整為1320～1340℃，球化溫度相應調(diào)整為1440～1480℃。

（3）成分的調(diào)整 ①硅元素。由于硅元素偏高，會促進灰斑形成，根據(jù)工廠實際情況，將wSi＝2.2%～2.6%，調(diào)整為wSi＝2.1%～2.4%，以降低灰斑出現(xiàn)的幾率。②錳元素與銅元素。由于錳在共晶團周界富集，wMn＞0.5%時，可生成Mn3C。由于球墨鑄鐵含硫量低，少量錳即顯示出偏析的負面影響，根據(jù)經(jīng)驗將wMn＝0.7%～0.9%，調(diào)整為wMn＝0.4%～0.5%。為保證正火態(tài)的組織要求，增加銅的含量，將wCu＝0.4%～0.5%，調(diào)整為wCu＝0.6%～0.8%，并且銅有消除灰斑的作用。③降低稀土含量，在保證球化的原則下，選用稀土含量低的球化劑，采用Mg6RE1替換Mg6RE3。將稀土含量由wCe＝0.01%～0.04%調(diào)整為wCe≤0.02%，以消除稀土對灰斑的影響。因為稀土含量為0.009%～0.012%時，石墨球數(shù)最高，wCe＞0.02%時，球化率下降。此范圍既能保證較少出現(xiàn)灰斑，又能提高球化率。④增加微量元素Sb，控制wSb＝0.002%～0.005%，采用含Sb的孕育劑加入。

調(diào)整后的化學成分目標值如表2所示。

表2 調(diào)整后的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

8. 生產(chǎn)驗證

根據(jù)上述工藝改善方案，重新澆注兩件行星架，現(xiàn)場金相檢驗未出現(xiàn)灰斑缺陷。將兩件行星架做后續(xù)處理后，對于附鑄試塊進行力學性能和金相檢驗，結(jié)果符合要求。之后再投產(chǎn)6件，力學性能和金相檢驗合格，機加工后未發(fā)現(xiàn)灰斑缺陷。但是金相檢驗時發(fā)現(xiàn)石墨球數(shù)增加了，石墨球圓整度提高了，如圖4、圖5所示。

圖4 工藝改進前金相

圖5 工藝改進后金相

現(xiàn)在已經(jīng)批量生產(chǎn)，加工后未發(fā)現(xiàn)灰斑缺陷，避免了廢品的產(chǎn)生，改善效果理想。