消除風電軸承座鑄件夾渣缺陷的鑄造技術研究

劉 鵬，甄立軍，郭春林，王章明，于 越

（東方汽輪機有限公司，四川德陽 618000）

軸承座為大型風力發(fā)電機組的重要零部件之一,通常在腐蝕、風沙、潮濕和低溫等惡劣環(huán)境下使用，其受載情況復雜且安裝維護不便，因此風電軸承座鑄件質量要求極高。該鑄件必須滿足高疲勞強度和低脆性斷裂敏感性要求，同時要確保其在20 年壽命內能安全可靠地運行。我公司承制的某風電軸承座曾批量出現(xiàn)了如圖1 所示的嚴重夾渣缺陷，該質量問題導致報廢鑄件上百噸，直接經濟損失達100 萬元以上。

圖1 軸承座鑄件夾渣缺陷圖

該夾渣缺陷是軸承座內部或表面存在著固態(tài)的熔渣或金屬氧化物所形成的缺陷，其危害性在于嚴重降低鑄件的韌性和屈服強度等力學性能。從理論上分析，鐵液冶煉到鑄件澆注是一個復雜的不可逆過程，在高溫冶煉和澆注過程中要保證氧化渣徹底清除且不進入型腔基本不可實現(xiàn)。要有效防止和避免一次夾渣缺陷，主要途徑除提高澆注溫度、鐵液熔煉質量控制、降低殘鎂量、徹底除渣外，還有的有效措施就是合理的設計澆注系統(tǒng)[1]。我公司在高質量球墨鑄鐵鐵液熔煉方面已有成熟的制造工藝和操作技術研究，本文以某項目風電軸承座鑄件為例設計實驗方案來研究與熔煉工藝相匹配的澆注系統(tǒng)方案，通過有效發(fā)揮澆注系統(tǒng)的避渣和擋渣作用防止鑄件產生夾渣缺陷。

1 鑄件技術要求及鑄造特性分析

軸承座鑄件材料為QT400-18AL（EN-GJS-400-18U-LT），現(xiàn)公司承制多種不同規(guī)格的軸承座鑄件，最小輪廓尺寸為2000mm×1240mm×500mm，最大輪廓尺寸為3000mm×1800mm×500mm，鑄件重量約2200～4200kg，鑄件原鑄造工藝方案如圖2 所示。軸承座鑄件圖3 所示的虛線位置為高動載荷區(qū)，該區(qū)域必須滿足超聲波及磁粉探傷II 級以上的要求，其余位置要求III 級及以上，同時要求鑄件內部及表面無裂紋、夾渣、孔洞等缺陷。

圖2 軸承座鑄件原鑄造工藝方案示意圖

圖3 軸承座鑄件高動載荷區(qū)域

從鑄件結構進行分析，高動載荷區(qū)是厚度60mm 筋板與厚度350mm 法蘭交互連接的復雜區(qū)域，重要的軸承安裝孔配合面與之相貫連接，鐵液充型過程流動狀態(tài)復雜。鑄件中部有類似“U”槽的澆注死角位置，鐵液進入鑄型后流程較長且不利于渣滓上浮。鑄件重要配合面屬于澆注位置的上平面，同時高動載荷要求區(qū)屬非加工面，鑄件表面夾渣層無法依靠加工去除，因此，軸承座鑄件對澆注系統(tǒng)的擋渣和避渣作用有很強的敏感性。

2 夾渣缺陷形成原因分析

球墨鑄鐵鐵液在熔煉及澆注過程中夾渣物的形成途徑主要有兩種，即外來夾渣（又稱一次夾渣）和內生夾渣（又稱二次夾渣）[2]。外來夾渣物是指在鐵液冶煉、出鐵、球化、孕育、扒渣及澆注過程中，混雜進入鐵液的污染物和雜質形成的二次氧化產物卷入澆注鐵液內，凝固后形成的渣滓聚集。內生夾渣物主要是在冶煉過程中的脫硫和球化過程的反應產物。從形成機理方面來分析，鑄件夾渣形成是一個復雜的物理化學反應過程，實際制造過程中可根據操作經驗、缺陷位置及缺陷形貌進行定性分析。

對有目視夾渣缺陷的位置用酒精進行高度清潔，宏觀上目視觀察缺陷呈輪廓不規(guī)則的團絮狀，邊界相對于鑄件本體金屬色澤略深，缺陷正中心位置呈灰黑色孔洞及不致密狀。采用機械取樣方式對該位置進行取樣，然后在掃描電鏡（SEM）下進行缺陷微觀形貌觀察，如圖4。

為進一步準確對該缺陷進行定性分析，對該位置進行EDS 成分分析，分析結果如圖5。

圖4 軸承座鑄件表面夾渣缺陷形貌

各元素占比檢測結果如表1 所示。

從缺陷形貌來看，缺陷呈團絮狀，部分位置呈表面毛糙的孔洞狀，缺陷與鑄件結合不牢固，存在部分脫落現(xiàn)象，掉落后呈不規(guī)則孔洞或裂紋狀?；舅腥毕菸恢门c周邊鑄件本體都有明顯的色差，少部分缺陷邊界位置有發(fā)亮的疑似金屬光澤色，且呈明顯的金屬凝固過程中的枝晶狀，在形貌觀察中發(fā)亮的位置主要為孕育及球化過程中的成分偏析所致。成分檢測結果與理論分析相吻合，檢測表明該磁痕顯示的缺陷位置C、O、Al、Si 元素的含量比較高，可以斷定該位置主要為金屬氧化物SiO2、MgO、Al2O3等聚集形成的夾渣及夾雜物，部分缺陷位置還有C 及其他合金元素及夾雜物的聚積。綜合分析以上檢測結果，該夾渣缺陷符合球墨鑄鐵一次渣形成夾渣缺陷的特征，可以確定該夾渣物主要為卷裹在澆注鐵液內的污染物和雜質的二次氧化物，在澆注之前未得到充分清除而隨著澆注鐵液進入鑄件型腔。

圖5 軸承座座鑄件表面夾渣缺陷成分能譜分析

表1 表面夾渣缺陷成分分析結果

表2 澆注系統(tǒng)避渣效果實驗方案

圖6 澆注系統(tǒng)避渣效果實驗方案示意圖

3 澆注系統(tǒng)優(yōu)化設計與實驗驗證

3.1 澆注系統(tǒng)方案設計

為確保實驗結果的準確性，將澆注系統(tǒng)方案設為唯一變量，其余鑄造及熔煉工藝參數保持一致，擬定實驗方案見表2。

3.2 實驗實施與驗證

按照表2 預設的實驗方案分別進行鑄件生產，每種方案實際生產3 件，分別編號為1#～9#。實驗按照正常生產流程進行，除預設澆注系統(tǒng)變量因素外的其余生產和工藝條件均相同。

1#方案澆注的1～3#鑄件上表面有密集分布的多處嚴重夾渣缺陷（如圖7 所示）。經超聲波探傷檢測和端面加工驗證，鑄件上表面0～40mm 厚度范圍內存在較為嚴重的夾渣缺陷。該縫隙式澆注系統(tǒng)可以保證鐵液平穩(wěn)而快速的充滿型腔，也可以減少對鑄型的沖擊，但如果澆注系統(tǒng)的避渣吸附區(qū)面積不夠，或實際澆注時間與理論設計有偏差，橫澆道中鐵液的渣滓沒有足夠和充分的上浮時間，會被內澆道“吸”入型腔內導致夾渣。與此同時，部分工藝設計時嘗試延長澆注時間來彌補其不足，內澆口披縫位置由砂型形成，受熱面積大，澆注過程中長時間在1300℃以上的鐵液炙烤和沖刷的情況下，極易造成沖砂，導致鑄件產生嚴重夾砂和夾渣缺陷。

圖7 1#方案鑄件實物夾渣缺陷形態(tài)圖

2# 方案澆注的4～6# 鑄件上表面有少量零散不規(guī)則分布的夾渣缺陷（如圖8 所示）。經超聲波探傷檢測和端面加工驗證鑄件上表面0～15mm厚度范圍內有零散分布的少量超標夾渣缺陷，其余位置無其他超標缺陷。開放式澆注系統(tǒng)橫澆道及內澆注的組元截面積較大，鐵液流速緩慢平穩(wěn)，避免鐵水充型流動過程中產生紊流和進一步氧化，從而可有效減少二次渣的形成[3]。鑄造工藝設計人員對于封閉澆注系統(tǒng)的擋渣能力好于開放式澆注系統(tǒng)的意見一直不統(tǒng)一[4]，但在實際生產實踐驗證中，合理的選用和匹配開放式底返澆注系統(tǒng)，在澆注大型球墨鑄鐵鑄件時擋渣效果特別明顯。

圖8 2#方案鑄件實物夾渣缺陷分布圖

圖9 3#方案鑄件實物表面質量圖

3# 方案澆注的7～9# 鑄件上表面無夾渣及其他缺陷，噴丸后鑄件表面光潔（如圖9 所示）。經超聲波探傷檢測和加工驗證鑄件無任何超標缺陷。該工藝方案采用盆形澆口杯，并在2#實驗方案的橫澆道上增加泡沫陶瓷過濾片進行鐵液過濾，內澆道搭接在過濾座底部，在橫澆道中部設計過濾集渣包。盆形澆口杯避渣原理如圖10 所示，底部設置堤壩有利于鐵液澆注速度達到適宜的大小后再流入直澆道。澆口杯內液體深度大，可阻止水平漩渦的產生而形成垂直漩渦，從而有助于分離渣滓。鐵液進入直澆道后先流入過濾座集渣包內，再通過過濾片進入鑄件內澆道。集渣包設計既可以防止鐵液的高壓頭對過濾片的直接沖刷而導致其損壞，同時起到了鐵液中轉的重要作用，確保了鐵液平穩(wěn)和均勻的通過過濾片進入鑄型內。該方案使用的泡沫陶瓷過濾片（尺寸規(guī)格：150mm×150mm×25mm，孔隙尺寸：10PPI）最高使用溫度可達1500℃，具有較好的夾渣物去除和流量控制能力，并能減少鐵液紊流。該“過濾+開放式圓形陶管內澆口”設計方案完全滿足澆注過程擋渣和避渣要求。

圖10 盆形澆口杯避渣效果示意圖

4 結論

按照優(yōu)化改進后的澆注系統(tǒng)工藝已完成多個項目軸承座鑄件生產，鑄件總量已超過200 套，無一件因夾渣缺陷報廢。生產實踐證明，該軸承座夾渣缺陷主要來源于澆注鐵液自身污染物和雜質的二次氧化，氧化后聚積的渣滓在澆注充型前未得到充分清除而隨著澆注鐵液進入鑄件型腔，通過設計“過濾集渣+開放式底返澆注系統(tǒng)+盆形澆口杯”的澆注系統(tǒng)可有效的防止夾渣缺陷的產生，且生產穩(wěn)定。