CN101628323A - 一种球墨铸铁行星架的铸造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球墨铸铁行星架的铸造工艺，包括造型工序、熔炼铁液工序、球化工序、孕育工序、浇注工序和去应力退火工序，在浇注系统的设计中采用兼顾了底注和顶注的阶梯浇注法提高铸件的成品率，并采用了在厚壁部位摆放冷铁，在熔炼铁液中加入Sn元素、优化球化、孕育和浇铸工序等技术方案，使所制得的行星架不仅满足了性能上的高要求，更在生产成本、效率上有了较大提高。

Description

一种球墨铸铁行星架的铸造工艺

一、技术领域

本发明属于球墨铸铁生产工艺领域，特别涉及一种齿轮箱用球墨铸铁行星架的铸造工艺。

二、背景技术

现有技术：目前，在球墨铸铁行星架的生产过程中，为了提高其生产进程，行业上一般都是采用铸态生产的方法，但是，现有技术铸态生产的方式很难使球墨铸铁行星架达到力学性能方面的要求。

2兆瓦以上风电主传动齿轮箱关键部件-行星架的材质要求为QT700-2，是齿轮箱内最为关键的部件，要求耐磨、强度高，但此铸件断面较厚大，均超过100mm，而其本体要求硬度为HB225-305，且硬度均匀性要求为±10HB。按传统工艺，一般是通过热处理后获得，此工艺相对来说，工艺成本高、效率低下、能耗较大。

三、发明内容

技术问题：

本发明要解决的技术问题是：提供一种操作简单、能耗小、成本低、生产周期短，且制得的铸件组织均匀、性能好的齿轮箱用球墨铸铁行星架的铸造工艺。

技术方案：本发明的技术解决方案为：

一种球墨铸铁行星架的铸造工艺，包括造型工序、熔炼铁液工序、球化工序、孕育工序、浇注工序、正火工序和去应力退火工序，所述浇注工序中，在行星架的底盘和立柱的顶部设有4-10根阶梯式内浇道，同时进行浇注。所述造型工序中，在行星架的底盘和立柱的结合部位以及及底盘上凸台的两端部位摆放冷铁。所述熔炼铁液工序中，铁液中加入Sn元素，所述Sn元素的加入质量为铁液总质量的0.015～0.02％。所述球化工序中，采用凹坑式的处理包形式，凹坑式的处理包形式是指球化处理包底部分为高低不平的两部分，剖切面呈阶梯形状，其中凹坑的面积占包底的2/5～1/2，凹深按容纳处理满包铁水所需的球化剂量而定。球化剂的加入质量为铁水质量的1.2～1.4％，并用硅铁粉覆盖在所述球化剂表面。所述孕育工序中，孕育次数为三次，分别是在球化反应包坑内覆盖在球化剂上面一次孕育、出水过程中出水四分之三时的倒包二次孕育和浇注过程中的随流孕育。一次孕育加入量控制为0.5％～0.7％；倒包二次孕育是指为了延长孕育处理的有效作用时间，在铁水转入小包时，进行孕育处理，由于经球化处理和第一次孕育处理后铁水的温度已较低，因此此倒包二次孕育的剂量不宜过大，孕育剂粒度也要小于5毫米，且最好烘至红热状态加入，还要充分搅拌，孕育剂加入量控制为0.25％～0.35％；随流孕育是指在浇注过程中，装有孕育剂的漏斗出口对准浇注的铁水流把孕育剂撒在铁水流上，在整个浇注过程中均匀的加入，由于浇注温度较低为防止铸件产生硅偏析要避免孕育剂粒度过大和加入量过多，加入量控制为0.1％～0.15％，漏斗出口尺寸控制为φ10毫米。所述的浇注工序中，浇注温度控制在1350℃～1360℃，浇注工序完成后，检测铸型内铸件温度，控制在850～880℃进行开箱，空冷至520～540℃，再放入盛有干砂的箱内并使用型砂进行覆盖，然后冷却至室温开箱。

有益效果：

本发明对传统的球墨铸铁行星架的铸造工艺进行了改进，与现有技术相比具有以下优点：

首先，在浇注系统的设计中采用兼顾了底注和顶注的阶梯浇注法，此改进使内浇道分散，金属液冲击力小，充型平稳，高温金属液在型腔上部，有利于补缩，排气，兼有顶注和底注的优点，提高了铸件的成品率。

作为本发明的一种改进，在造型工序中，本发明在铸件的厚壁部位摆放冷铁，冷铁的激冷作用强不但可防止在壁厚部位产生裂纹，减轻或防止厚壁处的偏析，还可配合冒口的使用有效防止缩孔、缩松，加强铸件的顺序凝固条件，改善铸件局部的金相组织和力学性能，提高铸件的表面硬度和耐磨性。

作为本发明的一种改进，熔炼铁液工序中，本发明在铁液中加入了Sn元素，Sn元素是一种具有能促进形成珠光体并细化组织，能提高球墨铸铁的强度和耐磨性的元素，Sn元素稳定珠光体的能力是Cu元素的10倍，同时Cu元素和Sn元素的组合合金化，不仅符合高质量、低成本的要求，还能够降低球墨铸铁断面的敏感性并可使在齿轮箱的厚壁处也能达到高的珠光体含量，在熔炼铁液中加入Sn元素可促进珠光体生成；同时发明人由于考虑到Sn元素是碳化物形成元素，容易使铸件材料变脆，降低材料的疲劳强度，将所述Sn元素的加入量确定为铁液总质量的0.015-0.02％。通过此处理，使最终产品行星架的珠光体含量达到88％以上。

作为本发明的另一个改进，在所述的球化工序中，本发明采用凹坑式的处理包形式，在凹坑内球化剂能得到紧实，起爆时间和反应速度易于控制，吸收率显著提高；球化剂的加入量根据原铁水的含S量，选择在处理铁水质量的1.2～1.4％，原铁水含硫量越高，消耗在脱硫商的球化剂越多，因此球化剂的加入量随铁水含硫量增高而加大，保证球化效果的同时也有明显的脱硫效果；要求球化剂中含镁量较高，含稀土和硅量较低，在球化处理的铁氧液中，残留镁质量百分含量为0.05～0.07％，残留稀土质量百分含量为0.02～0.03％，残余的稀土和镁还能够促进珠光体的形成并细化珠光体，进一步有效保证本发明能够使齿轮箱含有90％左右的珠光体；用高钙钡孕育剂、铁屑和压块生铁作为覆盖剂进行覆盖，采用覆盖剂的目的在于避免合金裸露面过早起爆，可以使铁水盖过球化剂一定高度后才开始反应，球化剂充分与铁水作用，让球化剂平稳而均匀地通过铁水并被铁水吸收，提高球化效果，另外，由于覆盖剂的隔离作用可以避免镁和稀土与空气中氧的接触，从而防止本发明出现回硫现象。

作为本发明的另一个改进，在所述的孕育工序中，孕育次数控制为3次，分别是在球化反应包坑内覆盖在球化剂上面一次孕育、出水过程中出水四分之三时的倒包二次孕育和浇注过程中的随流孕育，采用3次孕育可以促进球墨铸铁石墨化及分布均匀，使获得的石墨细小、圆整，孕育效果更好。

作为本发明的还一个改进，在所述的浇注工序中，浇注温度控制在1350℃～1360℃；1350～1360℃的浇注温度能够进一步保证本发明的实施可以满足力学性能的要求，还能避免气孔、夹砂等缺陷，浇注效果显著提高。

作为本发明的再一个改进，在浇注工序完成后，检测铸型内铸件温度，控制在850～880℃进行开箱，空冷至520～540℃，再放入盛有干砂的箱内并使用型砂进行覆盖，然后冷却至常温开箱。这样的处理基于以下原理：铸态生产方式预热处理的正火工序是将铸件在800℃以上某一温度区间保温，本发明采取在浇注后的齿轮箱铸件继续留在铸型内继续保温至850～880℃时提早将铸件从铸型内取出的简化的正火方法，来代替传统的放入炉膛内加热保温的正火处理工艺，同时为了去除提早开箱为铸件带来的较大的铸造应力，采用去应力退火工序可以有效提高铸件的抗拉强度、屈服强度及硬度，使齿轮箱达的力学性能达到要求，而且这种处理方法省去了正火处理工序使本发明操作上更易实现，也使铸件不易变形，劳动强度降低，成本减少。

通过本发明的方法所铸造的球墨铸铁行星架，其金相组织的珠光体含量达到97.5％，球化率为95％，抗拉强度σb达到861MPa，屈服强度σs为560MPa，延伸率δ达到7％，硬度在230≤HB≤270，完全符合其机械性能的要求。这样的工艺调整，不仅满足了性能要求，更在生产成本、效率上有了较大提高，每吨铸件成本节约约在1000-2000元/吨左右，为批量生产在热处理环节上节能降耗起到了关键作用。

四、附图说明

图1是以珠光体为基体的金相图；从表面至中心，珠光体含量逐渐增加，铁素体量逐渐减少，珠光体含量达到98％，强度显著提高。

图2是以石墨为基体的金相图；从图中可见：球化良好，石墨细小、圆整；

图3是本发明对行星架进行阶梯式浇注的结构示意图；从图中可见，浇注时，从铸型的上中下同时注入铁水，内浇道分散，充型平稳，明显提高成品率。

图4是产品的珠光体含量随Sn元素加入量变化的曲线图，从图中可见，在其他条件稳定的情况下，随Sn加入量的增加，珠光体含量逐步提高，但Sn加入量过多容易引起铸件材料变脆，而且Sn加入质量百分含量在0.018％左右时珠光体含量已完全满足要求，故将其加入质量百分含量控制在0.02％以下。

五、具体实施方式

以下实施例为本发明的一些举例，不应被看做是对本发明的限定。

实施例1：

一种球墨铸铁行星架的铸造工艺，包括造型工序、熔炼铁液工序、球化工序、孕育工序、浇注工序、正火工序和去应力退火工序，这些工序按照本领域内常用技术进行，并在浇注工序这一步骤上作如下改进：在浇注工序中，在行星架的底盘1和立柱2的顶部通过4-10根阶梯式内浇道4同时进行浇注。

除此之外，在其他工序中作如下改进：在造型工序中，在行星架的底盘1和立柱2的结合部位以及底盘1上凸台3的两端部位摆放冷铁。在熔炼铁液工序中，铁液中加入Sn元素，所述Sn元素的加入质量为铁液总质量的0.015～0.02％。球化工序中，采用凹坑式的处理包形式，球化剂的加入质量为铁水质量的1.2～1.4％，并用硅铁粉覆盖在所述球化剂表面。孕育工序中，孕育次数为三次，分别是在球化反应包坑内覆盖在球化剂上面一次孕育、出水过程中出水四分之三时的倒包二次孕育和浇注过程中的随流孕育。浇注工序中，浇注温度控制在1350℃～1360℃，浇注工序完成后，检测铸型内铸件温度，控制在850～880℃进行开箱，空冷至520～540℃，再放入盛有干砂的箱内并使用型砂进行覆盖，然后冷却至室温开箱。

实施例2：

本发明涉及的是一种齿轮箱用球墨铸铁行星架的生产工艺，工艺过程包括造型工序、熔炼铁液工序、球化工序、孕育工序、浇注工序、正火工序、应力退火工序。

造型工序：采用树脂砂造型，砂的配制上，砂、树脂和固化剂的比例控制在400∶4∶1的比例，砂温控制在30℃。模具摆放时，在行星架厚壁和急剧变化部位摆放冷铁与采用阶梯式浇注系统的工艺，冷铁摆放位置和浇注系统设计见附图3，模具摆放完毕放砂时，砂流量要大，控制为100Kg/30s的速度。

熔炼铁液工序：用于熔炼铁液的原料有生铁(质量百分含量50％)、废钢(质量百分含量40％)和QT700回炉料(质量百分含量10％)，加料顺序为生铁、废钢和回炉料，经调质生化、调质、脱硫、增碳和处理后，熔炼后所述铁液成分各元素的质量百分含量分别控制在如下范围内：C质量百分含量为3.55％～3.65％；Si质量百分含量为2.05％～2.15％；Mn质量百分含量为0.025％～0.029％；P质量百分含量为≤0.025％；S质量百分含量为0.008％～0.012％；Cu质量百分含量为0.33％～0.37％；Sn质量百分含量为0.015-0.02％；碳当量为CE＝4.25％～4.35％。Sn元素可促进珠光体生成；同时由于Sn元素是碳化物形成元素，容易使铸件材料变脆，降低材料的疲劳强度，将所述Sn元素的加入量确定为铁液总质量的0.015-0.02％。通过此处理，使最终产品行星架的珠光体含量达到88％以上。

球化工序：采用凹坑式的处理包形式，凹坑式的处理包形式是指球化处理包底部分为高低不平的两部分，剖切面呈阶梯形状，其中凹坑的面积占包底的2/5～1/2，凹深按容纳处理满包铁水所需的球化剂量而定。在处理阶段进行球化处理，球化剂的加入质量控制在总处理铁水质量的1.2～1.4％，铁液冲入包坑内的流量要控制的比较大，保证球化后铁液中残留镁的质量百分含量为0.05～0.07％，残留稀土的质量百分含量为0.02～0.03％；同时，加入球化剂后，在其表面覆盖高钙钡孕育剂、铁屑和压块生铁作为覆盖剂进行覆盖，以此使球化剂充分与铁水作用，让球化剂平稳而均匀地通过铁水并被铁水吸收，提高球化效果。

孕育工艺：孕育目的是促使形成结晶核心以改善金属组织和物理、力学性能，促进石墨化的同时抑制渗碳体的生成。为此本实例严格按本发明所述采取3次孕育的方法来实施，在球化反应包坑内覆盖在球化剂上面一次孕育、出水过程中出水四分之三时的倒包二次孕育和浇注过程中的随流孕育，采用3次孕育可以促进球墨铸铁石墨化及分布均匀，使获得的石墨细小、圆整，孕育效果更好。此孕育方法一方面防止了孕育衰退改善了孕育效果，另一方面冶防止了形成碳化物和浇注后冷却过程中出现气孔。

浇注工序：处理后的成分达到规定值后开始进行浇注，浇注温度控制在1350℃～1360℃，采用阶梯式浇注系统，此工序可控性很强，行动要迅速，在孕育处理后迅速扒渣、浇注，这样做的目的是防止产生气孔，使充型平稳，保证浇注效果。

在本实例的浇注工序完成后，检测铸型内铸件温度，控制在850～880℃进行开箱，空冷至520～540℃，再放入盛有干砂的砂箱内并使用型砂进行覆盖，然后冷却至常温开箱。在铸态下，采用提早开箱的方法来实现正火处理工序，在简化热处理工序的同时直接取得牌号QT700-2的力学性能要求和金相组织标准的球墨铸铁件，同时由于此改进使热处理工艺得到简化而节约了热处理时的能源消耗，此种处理方法显著节约能耗，减少工序，缩短生产周期，降低废品率和降低成本等一系列优点，这也是作为铸造工作者的我们追求的目标之一。

经过本发明的工艺流程，通过对各工序仔细操作和熔炼过程的严格控制，本实例熔炼后铁液中最终实际成分均控制在发明要求的范围内，即如下：C质量百分含量为3.63％；Si质量百分含量为2.11％；Mn质量百分含量为0.239％；P质量百分含量为0.023％；S质量百分含量为0.011％；Cu质量百分含量为0.033％；Sn质量百分含量为0.018％。本实例中生产的球墨铸铁件达到的力学性能如下表中所示。

序号	检验项目	单位	技术要求	检验结果	评价
						1	抗拉强度	MPa	≥700	975	合格
2	屈服强度	MPa	≥420	600	合格
						3	伸长率	％	≥2	6.0	合格
4	硬度	HB	225～305	290	合格
						5	球化率	％	金相制样后100倍下观察	球化级别：2级，球化率为94％	合格
6	珠光体含量	％	经30％硝酸酒精浸蚀后500倍下观察	98％	合格

Claims (6)

1.一种球墨铸铁行星架的铸造工艺，包括造型工序、熔炼铁液工序、球化工序、孕育工序、浇注工序、正火工序和去应力退火工序，其特征在于：所述浇注工序中，在行星架的底盘(1)和立柱(2)的顶部通过4-10根阶梯式内浇道(4)同时进行浇注。

2.根据权利要求1所述球墨铸铁行星架的铸造工艺，其特征在于在所述造型工序中，在行星架的底盘(1)和立柱(2)的结合部位以及底盘(1)上凸台(3)的两端部位摆放冷铁。

3.根据权利要求1所述球墨铸铁行星架的铸造工艺，其特征在于在所述熔炼铁液工序中，铁液中加入Sn元素，所述Sn元素的加入质量为铁液总质量的0.015～0.02％。

4.根据权利要求1所述球墨铸铁行星架的铸造工艺，其特征在于在所述球化工序中，采用凹坑式的处理包形式，球化剂的加入质量为铁水质量的1.2～1.4％，并用硅铁粉覆盖在所述球化剂表面。

5.根据权利要求1所述球墨铸铁行星架的铸造工艺，其特征在于在所述孕育工序中，孕育次数为三次，分别是在球化反应包坑内覆盖在球化剂上面一次孕育、出水过程中出水四分之三时的倒包二次孕育和浇注过程中的随流孕育。

6.根据权利要求1所述球墨铸铁行星架的铸造工艺，其特征在于所述的浇注工序中，浇注温度控制在1350℃～1360℃，浇注工序完成后，检测铸型内铸件温度，控制在850～880℃进行开箱，空冷至520～540℃，再放入盛有干砂的箱内并使用型砂进行覆盖，然后冷却至室温开箱。

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