劉 鵬，甄立軍，郭春林，王章明，于 越

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽 618000）

軸承座為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要零部件之一,通常在腐蝕、風(fēng)沙、潮濕和低溫等惡劣環(huán)境下使用，其受載情況復(fù)雜且安裝維護(hù)不便，因此風(fēng)電軸承座鑄件質(zhì)量要求極高。該鑄件必須滿足高疲勞強(qiáng)度和低脆性斷裂敏感性要求，同時(shí)要確保其在20 年壽命內(nèi)能安全可靠地運(yùn)行。我公司承制的某風(fēng)電軸承座曾批量出現(xiàn)了如圖1 所示的嚴(yán)重夾渣缺陷，該質(zhì)量問題導(dǎo)致報(bào)廢鑄件上百噸，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)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(nèi)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(yán)重降低鑄件的韌性和屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能。從理論上分析，鐵液冶煉到鑄件澆注是一個(gè)復(fù)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(jìn)入型腔基本不可實(shí)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(zhì)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(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)[1]。我公司在高質(zhì)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(shù)研究，本文以某項(xiàng)目風(fēng)電軸承座鑄件為例設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(chǎn)生夾渣缺陷。

1 鑄件技術(shù)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(dòng)載荷區(qū)，該區(qū)域必須滿足超聲波及磁粉探傷II 級(jí)以上的要求，其余位置要求III 級(jí)及以上，同時(shí)要求鑄件內(nèi)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(dòng)載荷區(qū)域

從鑄件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，高動(dòng)載荷區(qū)是厚度60mm 筋板與厚度350mm 法蘭交互連接的復(fù)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(dòng)狀態(tài)復(fù)雜。鑄件中部有類似“U”槽的澆注死角位置，鐵液進(jìn)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(shí)高動(dòng)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(duì)澆注系統(tǒng)的擋渣和避渣作用有很強(qiáng)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(nèi)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(jìn)入鐵液的污染物和雜質(zhì)形成的二次氧化產(chǎn)物卷入澆注鐵液內(nèi)，凝固后形成的渣滓聚集。內(nèi)生夾渣物主要是在冶煉過程中的脫硫和球化過程的反應(yīng)產(chǎn)物。從形成機(jī)理方面來分析，鑄件夾渣形成是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，實(shí)際制造過程中可根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)、缺陷位置及缺陷形貌進(jìn)行定性分析。

對(duì)有目視夾渣缺陷的位置用酒精進(jìn)行高度清潔，宏觀上目視觀察缺陷呈輪廓不規(guī)則的團(tuán)絮狀，邊界相對(duì)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(jī)械取樣方式對(duì)該位置進(jìn)行取樣，然后在掃描電鏡（SEM）下進(jìn)行缺陷微觀形貌觀察，如圖4。

為進(jìn)一步準(zhǔn)確對(duì)該缺陷進(jìn)行定性分析，對(duì)該位置進(jìn)行EDS 成分分析，分析結(jié)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(jié)果如表1 所示。

從缺陷形貌來看，缺陷呈團(tuán)絮狀，部分位置呈表面毛糙的孔洞狀，缺陷與鑄件結(jié)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(jié)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(jié)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(nèi)的污染物和雜質(zhì)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(jìn)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(jié)果

表2 澆注系統(tǒng)避渣效果實(shí)驗(yàn)方案

圖6 澆注系統(tǒng)避渣效果實(shí)驗(yàn)方案示意圖

3 澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 澆注系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，將澆注系統(tǒng)方案設(shè)為唯一變量，其余鑄造及熔煉工藝參數(shù)保持一致，擬定實(shí)驗(yàn)方案見表2。

3.2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施與驗(yàn)證

按照表2 預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)方案分別進(jìn)行鑄件生產(chǎn)，每種方案實(shí)際生產(chǎn)3 件，分別編號(hào)為1#～9#。實(shí)驗(yàn)按照正常生產(chǎn)流程進(jìn)行，除預(yù)設(shè)澆注系統(tǒng)變量因素外的其余生產(chǎn)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(yán)重夾渣缺陷（如圖7 所示）。經(jīng)超聲波探傷檢測和端面加工驗(yàn)證，鑄件上表面0～40mm 厚度范圍內(nèi)存在較為嚴(yán)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(duì)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?qū)嶋H澆注時(shí)間與理論設(shè)計(jì)有偏差，橫澆道中鐵液的渣滓沒有足夠和充分的上浮時(shí)間，會(huì)被內(nèi)澆道“吸”入型腔內(nèi)導(dǎo)致夾渣。與此同時(shí)，部分工藝設(shè)計(jì)時(shí)嘗試延長澆注時(shí)間來彌補(bǔ)其不足，內(nèi)澆口披縫位置由砂型形成，受熱面積大，澆注過程中長時(shí)間在1300℃以上的鐵液炙烤和沖刷的情況下，極易造成沖砂，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生嚴(yán)重夾砂和夾渣缺陷。

圖7 1#方案鑄件實(shí)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(jīng)超聲波探傷檢測和端面加工驗(yàn)證鑄件上表面0～15mm厚度范圍內(nèi)有零散分布的少量超標(biāo)夾渣缺陷，其余位置無其他超標(biāo)缺陷。開放式澆注系統(tǒng)橫澆道及內(nèi)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(dòng)過程中產(chǎn)生紊流和進(jìn)一步氧化，從而可有效減少二次渣的形成[3]。鑄造工藝設(shè)計(jì)人員對(duì)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(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)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(shí)擋渣效果特別明顯。

圖8 2#方案鑄件實(shí)物夾渣缺陷分布圖

圖9 3#方案鑄件實(shí)物表面質(zhì)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(jīng)超聲波探傷檢測和加工驗(yàn)證鑄件無任何超標(biāo)缺陷。該工藝方案采用盆形澆口杯，并在2#實(shí)驗(yàn)方案的橫澆道上增加泡沫陶瓷過濾片進(jìn)行鐵液過濾，內(nèi)澆道搭接在過濾座底部，在橫澆道中部設(shè)計(jì)過濾集渣包。盆形澆口杯避渣原理如圖10 所示，底部設(shè)置堤壩有利于鐵液澆注速度達(dá)到適宜的大小后再流入直澆道。澆口杯內(nèi)液體深度大，可阻止水平漩渦的產(chǎn)生而形成垂直漩渦，從而有助于分離渣滓。鐵液進(jìn)入直澆道后先流入過濾座集渣包內(nèi)，再通過過濾片進(jìn)入鑄件內(nèi)澆道。集渣包設(shè)計(jì)既可以防止鐵液的高壓頭對(duì)過濾片的直接沖刷而導(dǎo)致其損壞，同時(shí)起到了鐵液中轉(zhuǎn)的重要作用，確保了鐵液平穩(wěn)和均勻的通過過濾片進(jìn)入鑄型內(nèi)。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(dá)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(nèi)澆口”設(shè)計(jì)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(jié)論

按照優(yōu)化改進(jìn)后的澆注系統(tǒng)工藝已完成多個(gè)項(xiàng)目軸承座鑄件生產(chǎn)，鑄件總量已超過200 套，無一件因夾渣缺陷報(bào)廢。生產(chǎn)實(shí)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(zhì)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(jìn)入鑄件型腔，通過設(shè)計(jì)“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(chǎn)生，且生產(chǎn)穩(wěn)定。