风电铸件产品缺陷实例分析与对策 满素丽 王立明 汪方文 中车北京南口机械有限公司 摘 要： 风电齿轮箱是我公司主要产品之一, 到目前为止各种型号的风电齿轮箱产品涉及铸件约 120 多种, 其中有 60 多种由我公司铸造车间生产。由于产品种类多, 工艺各异, 在生产过程中出现了多种典型的铸造缺陷。对出现的铸造缺陷进行分析, 并简述相应改进对策, 提高了产品合格率。关键词： 风电铸件; 缺陷; 分析; 对策; 作者简介：满素丽, 中车北京南口机械有限公司。作者简介：王立明, 中车北京南口机械有限公司。作者简介：汪方文, 中车北京南口机械有限公司。我公司生产的风电产品铸件材质为 EN-GJS-400-18-LT, 要求材料-20低温冲击吸收能量平均值达到 12J。铸铁在凝固过程中, 因液态收缩和凝固收缩, 在铸件的热节或最后凝固的部位很容易产生缩松、缩孔缺陷。另外, 生产中各环节把控不严, 铸件也会产生变形, 皱皮、未浇满等缺陷。这些缺陷的存在降低了产品合格率, 增加了生产成本。本文就实际生产过程中出现的一部分缺陷进行分析, 并简述改进的对策, 取得了很好的效果。一、缩孔、缩松缩孔、缩松是铸件在凝固过程中因补缩不良而在热节或最后凝固部位形成的宏观孔洞。到目前为止, 铸造厂生产的风电齿轮箱用铸件产品缺陷以缩孔、缩松为主。1. 影响因素(1) 碳当量铸铁的缩松和缩孔缺陷可以通过石墨化膨胀来消除。如果碳量低, 凝固过程中析出的石墨少, 石墨化膨胀小, 铸件收缩时得不到有效的补缩, 缩孔和缩松很难减少和消除。因此, 在保证不产生石墨漂浮的前提下, 应该使碳当量高些, 这样既可以增大石墨化膨胀, 又可提高铁液的流动性, 有利于补缩。(2) 稀土和镁稀土残余量过高会恶化石墨形状, 降低球化率, 因此稀土含量不宜过高, 而镁又是一个强烈稳定碳化物的元素, 阻碍石墨化。由此可见, 残余镁量及残余稀土量会增加球墨铸铁的白口倾向, 使石墨膨胀减小, 当它们的含量较高时, 也会增加缩孔, 缩松倾向。(3) 浇注温度浇注温度直接影响到铸件的液态收缩, 浇注温度太高, 将增大液态收缩体积值, 增加缩松、缩孔的趋势。因此, 应根据铸件的壁厚和结构特点选择适宜的浇注温度。(4) 铸型刚度如果铸型刚度不够, 铸件在共晶转变发生石墨化膨胀时产生型壁位移, 会增大缩孔、缩松体积。(5) 浇冒口及冷铁浇冒口和冷铁设计直接影响到铸件的凝固方式, 如果铸件凝固不合理, 不能保证铸件在凝固过程中得到有效补缩, 很容易产生缩孔、缩松缺陷。2. 实例分析及改进对策以 N P T 1 9 4 箱体轴承座为例, 该铸件在加工后于 f 515mm 根部有明显的缩松、缩孔缺陷, 如图 1 所示。图 1 NP3 输出轴轴承座缩松缺陷 下载原图由铸件结构可见该位置为过渡区域, 浇注完成后铸件在凝固过程中散热较慢, 很容易在该位置产生孤立热节, 得不到有效补缩便形成缩松, 严重的甚至为缩孔。虽然内浇口从最大圆外边缘引入, 但对此处的补缩效果不够, 顶端冒口距离该缺陷位置较远, 很难给予有效补缩。通过以上分析, 针对 N P T194 箱体轴承座缩松、缩孔缺陷, 我们采取了相应措施, 即在该缺陷处放随形冷铁, 为防止冷铁变形, 分 12 个均匀摆放。让冷铁对缺陷区域直接激冷, 加快此处凝固速度, 使此热节区域能够与别处几乎同时凝固, 避免产生孤立液相而形成缩松、缩孔。改进工艺后生产的产品未出现缩松、缩孔缺陷。二、皱皮皱皮是在铸件表面形成的不规则的粗粒状或褶皱疤痕。1. 影响因素(1) 生产所用球化剂为镁合金, 其极易氧化, 在熔炼和浇注过程中如缺乏保护, 就会在金属液表面形成较厚的氧化膜, 随浇注金属液注入型腔。当液流在型腔内由宽变窄时, 氧化膜聚集在铸件表面形成象皮状皱皮。(2) 由于液态金属黏度大, 浇注温度低或浇注速度过慢, 浇注过程中金属氧化, 金属液与型壁反应产生气体及金属型型温过低等原因所引起。图 2 皱皮缺陷整体 下载原图2. 实例分析及对策公司生产的 NP2 轮毂连接盘铸件个别几件在铸型上表面有皱皮现象, 如图 2、图 3 所示。针对几个存在皱皮的轮毂连接盘查了一下当天记录, 发现同一炉铁液浇注其他铸件不存在这种皱皮现象, 因此排除了球化剂氧化导致的皱皮缺陷;另外铸型采用的是树脂砂型, 天气状况良好, 型温不会过低, 产生皱皮缺陷的轮毂连接盘基本都是在每包铁液最后浇注的, 于是确定为浇注温度过低导致皱皮产生。随即在接下来的生产中提高了浇注温度, 皱皮缺陷消除。三、变形铸件由于模样、铸型形状发生变化, 或在铸造或热处理过程中因冷却和收缩不均等原因而引起的几何形状和尺寸与图样不符。1. 形成原因(1) 使用模样发生变形。(2) 砂型和砂芯放置不平, 吊运过程不当, 使型芯变形。图 3 皱皮缺陷放大 下载原图(3) 铸件结构设计不良, 浇冒口设计不合理, 阻碍铸件收缩或造成铸件凝固冷却速度不均衡。(4) 铸件开箱落砂过早, 冷却过快, 引起铸件变形或在铸件内产生较大内应力。(5) 热处理过程中操作不当:铸件在热处理炉内摆放不正确, 加热速度过快, 退火温度过高使合金软化, 时效时应力松弛等使得铸件发生变形。(6) 铸件高温时搬运过程中堆叠摆放, 放置不当。2. 实例分析及对策N P3 后盖在工艺成熟后期生产过程中出现了几件变形情况, 如图 4、图 5 所示。由图 4 和图 5 对比可见, 变形后的铸件非加工面已经被加工掉, 该部位变形量较大。针对该变形缺陷, 检查生产过程使用模样完好无损。与产生变形铸件同一天生产的其余后盖多数未出现变形问题, 排除了浇冒口设计不合理和开箱过早导致变形。且同炉次热处理的其他后盖未变形, 只是偶尔某一炉次出现一两件变形, 因此排除炉温过高引起铸件变形。最后判断为装炉时个别铸件摆放不合理所致。后续生产中在热处理过程中对铸件摆放位置和平整度进行严格要求, 再未出现过类似缺陷。四、未浇满1. 未浇满形成的原因(1) 浇包中金属液量不足。(2) 浇注速度过快, 使金属液从直浇道或冒口溢出, 浇注工误认为铸型已浇满, 停浇过早。图 4 未变形时该部位铸件 下载原图2. 实例分析及对策N P501 风电二级行星架托架铸件高度不够 (见图 6) , 4 个支柱毛坯理论高度为 300mm, 浇注完铸件实际测得值为 289mm (见图 7) 。检测模具高度正确, 从4 个支柱顶面看, 边角成圆形, 明显是未浇满导致的缺陷。查该铸件当天的浇注记录, 每包铁液至少浇注两件后盖, 剩余铁液再浇注其他产品, 浇不足不可能是因为浇包中金属液不足导致。因此怀疑该铸件未浇满是浇注工操作时浇注速度过快, 停浇过早引起的。于是在后续的生产中, 要求浇注工严格执行浇注工艺, 浇注时要在确保浇包中金属液充足的条件下, 控制好浇注速度, 使未浇满现象再未出现过。图 6 未浇满铸件 下载原图图 5 变形后该部位铸件 下载原图五、结语以上陈述了风电齿轮箱铸件在生产过程中出现的典型缺陷, 实际上铸件缺陷种类还有很多, 产生的原因也很繁杂, 这就要求工艺技术人员不断总结经验, 在错综复杂的关系中找出平衡点, 有针对性地解决问题。同时在实际生产中不仅要有合理的工艺保证, 还要加强生产过程控制。图 7 尺寸测量 下载原图参考文献1中国机械工程学会铸造分会.铸造手册:第 5 卷铸造工艺M.2 版.北京:机械工业出版社, 2003. 2苏建林, 苏仪详, 等.球墨铸铁件常见缺陷的分析和对策J.铸造, 2001:225-228. 3陈琦.实用铸造手册M.北京:中国电力出版社, 2009.