天津市祥威傳動設備有限公司 （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鍵零件，是機構中承受外力矩最大的零件。行星架的結構設計和制造質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. 鑄造行星架的材質要求

行星架材質為 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，光譜分析以及材質報告中顯示成分均在目標值控制范圍內，并且與未出現(xiàn)缺陷的鑄件光譜分析結果對比，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）轉變，石墨與奧氏體相關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系不像片狀石墨那種緊密相依的共生關系（奧氏體緊貼著石墨側面生長），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℃。化學成分目標值如表1所示。

表1 調整前的化學成分（質量分數(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。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。國內結論是，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。國內生鐵含雜質較高，必須注意鐵液的冶金質量，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）嚴格控制原材料質量 在保證生鐵質量的前提下，選用優(yōu)質碳素廢鋼，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，防止不同質量廢鋼摻雜在一起。

（2）調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℃，調整為1320～1340℃，球化溫度相應調整為1440～1480℃。

（3）成分的調整 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。

調整后的化學成分目標值如表2所示。

表2 調整后的化學成分（質量分數(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。