9600Kw6轴电力机车牵引电机球铁端盖无冒口铸造工艺应用

9600kw6轴电力机车牵引电机球铁端盖铸造工艺研究
摘要：用传统铸造工艺生产电机端盖球铁件，其方案为铸件厚大部位朝上，并在其上设施顶缩颈冒口，底注式浇注工艺。

实践表明用这种工艺，铸件厚大部位易产生缩孔、缩松。

通过对缩松、缩孔产生机理分析，将铸件最厚部位朝下，设置顶注式浇注系统，用浇注系统当冒口来补缩铸件的早期液态收缩。

凝固中后期利用石墨化膨胀，抵消液态收缩，实现了无冒口铸造，获得致密无缺陷铸件。

端盖球铁件无冒口铸造的条件为，铸件最大模数必须大于2.28cm ，这样石墨化膨胀充分，可弥补铸件凝固期间的液态收缩。

关键词： 电机端盖 球墨铸铁 无冒口铸造工艺
9600Kw6轴电力机车是株洲电力机车有限公司自主研发的新一代大功率交流传动牵引电力机车。

牵引电机是整个电力机车的心脏，它的质量优劣关系到是整个机车的运行安全。

端盖是牵引电机上的一个重要球铁铸件，
该铸件要承受着电机传动载荷，同时还要求具有减振功效，力学性能要求零下40度的冲击值达12 J ，同时，检查要求极高，不但要做表面磁粉，而且要拍X 光片，不允许有任何缺陷，铸件出现缺陷，不得焊补，只得做报废处理。

笔者
在端盖球墨铸铁件的铸造工艺设计上做了深入研究，探讨了端盖球铁铸件产生缩孔、缩松的机理，运用均衡凝固理论，实现了球铁铸件无冒口铸造，批量生产的端盖球铁件，经X 光片检查，件件致密，均未发现缩孔、缩松缺陷。

1、铸件结构与技术条件
端盖铸件，其结构尺寸见图1。

材质为QT400-18L ，毛坯重81kg 。

其化学性能、力学性能标准见表1和表2。

此铸件为端盖类铸件常见结构，该零件轴承室部位承受重载荷，内部质量要求高，射线探伤为１级。

局部尺寸如图2 ，铸件平均壁厚为12mm ，经计算，铸件最大模数为M=1.81cm 。

、 传统铸造工艺方案 2.1 工艺设计及结果
采用传统的球墨铸铁铸造工艺设计，即厚大部位朝上，便于设置顶缩颈冒口和集渣；整个铸件均放在上箱，避免了吊芯，方便了造型操作；底注式浇注系统，便于铁水平稳上升和型腔中气体的排出，端盖铸造工艺设计方案见图2所示。

表1 球铁化学成分%
图1 端盖铸件结构
为了保证铁液平衡而快速充型和减少对铸型的冲击，采用半封闭式浇注系统，各浇道比为∑F 直∶∑F 横∶∑F 内=1∶1.2∶0.5，各浇道尺寸如下：直浇道φ70mm ；横浇道 42/50×50（高）两道：内浇道 55 /60×10mm （高）四道。

浇注系统填充校核，横浇道充满有余，浇注系统具有挡渣能力。

端盖球铁样件浇注、经打磨后，做射线探伤发现，铸件厚大部位及冒口根部处存在缩孔、缩松缺陷。

经进一步破坏性加工验证，缺陷具体位置为厚大部位或拐角处，如图3、图4所示。

2.3 改进工艺设计及结果
并使热节转移至冒口颈部，能凝固，最终使铸件在冒口根部产生缩松。

位的结构来看，铸件热节被拐角分成两部分，在不利于自补和冒口补缩的不良温度场[2]。

基于以上分析，对原铸造工艺设计方案做两项改进：一是减小冒口颈尺寸；二是在厚大部位增加一圈外冷铁，调整温度场。

改进后的端盖铸造工艺设计方案见图5所示。

用改进铸造工艺方案进行了端盖批量生产，铸件经射线探伤，铸件以前存在的缩松缺陷消除了，但缩孔缺陷仍然存在，见图6所示。

量生产后，部分产品发现了气孔，且因气孔导致的废品率偏高。

分析原因，冷铁处理不到位，其表面氧化、是造成气孔的原因之一。

在大批量生产的条件下，冷铁表面质量不易控制，加冷铁不能完全消除缩孔，而且会带来气孔缺陷，此工艺方案仍然不能完全满足质量要求。

2.2 缺陷产生机理分析
铸件锥形体薄壁，散热面积也大，模数小，凝固时间短，所形成的石墨球没有充分时间长大，石墨化
膨胀量不足以完全抵消液态收缩。

在锥形体的顶部则是铸件的最厚部位，它相当于一个大冒口，凝固时间长，其中的铁液可直接补缩锥形体的液态收缩-石墨化膨胀叠加后剩余的体积亏缺。

由于冒口颈过小，凝固“冻结”过早，当厚大部位体积亏缺需要冒口补缩时，已无法从冒口中得到液态铁水，因此留下了缩孔。

3、无冒口铸造工艺方案
图4 端盖铸件顶面冒口颈下的缩孔
图6 端盖铸件冒口下的缩孔 图5 端盖铸造工艺设计改进方案示意图
3.1铸造工艺设计及结果
改变原端盖铸件铸造工艺分型方案，将整个铸件置于下箱，铸件最厚的部位放在最低位置，该厚大部位的模数M 为1.81cm 。

根据均衡凝固顶注优先的原则[1]
，铸件上不设冒口，浇注系统采用顶注式，并且兼作冒口。

铁水可通过顶注式浇注系统，经薄壁处补缩处于铸件最低、最厚部位的凝固早期液态收缩，其余液态收缩则依靠该部位石墨化膨胀来抵消。

铸造工艺方案如如图6所示。

浇注样件后，经过破坏性
加工，铸件厚大部位拐角处仍有一部位存在缩孔、缩松缺陷，级别为2级。

（同原方案）。

3.2 缺陷产生原因及解决措施
尽管用浇注系统通过锥形体薄壁能够补缩底部厚大部位早期液态收缩，但该部位石墨化膨胀的体积与铸件液态收缩的体积仍然有一定的差距，有可能处在临界状态。

该部位的模数为1.81cm ，要实现球墨铸铁件的无冒口铸造，铸件的模数须大于 工 艺方案。

方案一是将铸件拐角处拉平，见图7所示，调整后铸件模数
M=2.28cm ；方案二是将铸件拐角处拉平，局部尺寸增大，见图8所示，调整后铸件模数M=2.45cm 。

3.3 生产验证
用改进后的两种铸造工艺设计方案，进行了端盖球铁件
浇注试验。

铸件经射线探伤及破坏性加工检验，均无缩孔、缩松、气孔缺陷。

最后选定方案一，投入了批量生产，共浇注端盖球铁件30余件，经射线探伤检验，件件无缺陷，合格率达100%。

2 结论
1） 端盖球铁件的厚大部朝上，采用底注式浇注系统，会造成厚大部位形成事实上的“顶冒口”，它将补缩低于它的铸
件薄壁锥形体的液态收缩。

顶冒口颈太小，过早“冻结“，铸件厚大部位补缩薄壁锥形体所造成的液态铁水体积亏缺，得不到冒口有效补充。

石墨化膨胀体积一定，无法完全补偿，形成缩孔、缩松在所难免了。

通过加顶冒口的体积来解决缩孔、缩松缺陷是不经济的。

2） 将端盖球铁件厚大部位朝下，采用顶注式浇注系统，则可实现球铁无冒口铸造。

浇注系统内的铁水温度高，可以补缩包括底部厚大部位的真个铸件的早期液态收缩。

当补缩通道凝固后，厚大部位的液态收缩，通过其石墨化膨胀来抵消。

2.4 端盖铸件实现无冒口铸造的关键条件是，铸件模数须大于2.28cm ，只有这样才能使石墨化膨胀充分，膨胀体积大，抵消液态收缩的作用也最强。

参考文献：
[1]魏兵，袁森，张卫华．铸件均衡凝固技术及其应用[M] ．北京：机械工业出版社，1998.
[2]钱进．调整温度场消除球铁件缩松缺陷[J] ．现代铸铁，2003，（4）：39~41．
[3]张宴，张允华，高明兰，等．对工艺因素影响中小球墨铸铁件缩松缺陷的认识[J] ．铸造，2006，（9）：959~960．。