風電鑄鋼行星架鑄件疑似裂紋缺陷的分析及工藝改進

徐海波,李富強,陳凱敏

（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213011）

某型號的風電鑄鋼一級行星架為風力發電齒輪箱中的重要傳動部件，風電齒輪箱采用一級行星兩級平行軸傳動的傳動方式，其中的行星輪和軸承都裝配在一級行星架鑄件上面。一級行星架鑄件在使用過程中是輸入載荷與輸出載荷的承載體，在運行過程中承受各個方向的不同載荷，目前的大型風電齒輪箱均采用行星傳動，行星架是典型的低速、重載、變轉矩和增速傳動件，在風電齒輪箱的故障中行星傳動的故障率約占40%[1]。因此風電齒輪箱對于行星架鑄件的質量有很高的要求，一級行星架的質量可靠性直接影響風電齒輪箱能否正常運行[2]

1 鑄件的結構和技術要求

該風電一級行星架平均壁厚在100mm左右，主體結構為輸入端軸承檔和輸出端軸承擋之間用兩個大平面和三根立柱連接，材料要求機械性能滿足 σb≥830MPa,σs≥700MPa,δ5≥12%,AKv（-40℃）≥27J。鑄件的內在質量要達到關鍵部位超聲波探傷EN12680-2 II級以上的要求，其他部位不超過EN12680-2 III級；表面質量要達到關鍵部位表面磁粉探傷達到EN1369 II級的要求，其他部位達到EN1369 III級的要求。

圖1 鑄件示意圖

2 缺陷成因失效分析

2.1 缺陷形貌分析

在風電齒輪箱的組裝過程中發現一級行星架輸入端軸承孔內壁存在肉眼可見類似于裂紋的缺陷，其長度約為130mm，為確認該缺陷是否為裂紋，對該部位進行了磁粉探傷，經探傷后發現其中缺陷較長的存在斷續的磁痕積聚現象，斷續分布的磁痕長約2~3mm，見圖2、3。可以確認此現行缺陷不屬于裂紋缺陷范疇，對于此類無法確認定性的缺陷類型，無法判斷其對鑄件的危害，因此對缺陷部位取樣進行了本體的成分及本體金相分析。

圖2 缺陷宏觀形貌

圖3 磁粉探傷積聚情況

2.2 化學成分檢查

首先在鑄件的缺陷附近取樣進行成份檢查，其結果見表1，由此可知該風電一級行星架化學成份符合相關技術規范。

2.3 金相檢查

對疑似裂紋部位取樣進行金相檢查，其非金屬夾雜物級別為：Ⅰ、Ⅲ型細系2級，Ⅰ、Ⅲ型粗系1.5級，Ⅱ型2級，見圖4，基體組織為回火索氏體+少量鐵素體，基體硬度為249HBW，均符合技術條件要求。

圖4 基體組織（500×）

在疑似裂紋部位分段取了5個試樣，所有試樣經金相檢查，均未在疑似缺陷部位發現裂紋，其中1#、2#、3#試樣在缺陷部位發現存在明顯的偏析帶，偏析帶寬約1mm，深度存在差異，但都超過10mm，偏析部位組織為回火索氏體，正常部位組織為回火索氏體+鐵素體，偏析部位HV0.3為：361、358、369，正常部位 HV0.3 為：287、253、265，見圖5、6，其中在偏析帶上存在較多的顯微疏松。

圖5 試樣偏析帶宏觀形貌（約2×）

表1 風電一級行星架化學成分 ωB/%

圖6 偏析帶組織（25×）

為了分析偏析帶形成原因，分別測定了偏析帶能譜成分和正常部位能譜成分進行對比，其能譜成份見圖7、8，從能譜結果可知偏析部位Cr、Mn、Ni元素含量都較正常部位高，偏析帶主要為成分應為合金元素偏析形成的碳化物。

3 缺陷發生原因及鑄造工藝分析

圖7 偏析部位能譜成份

圖8 正常部位能譜成份

根據以上分析內容可以表明，在一級行星架輸入端軸承檔內孔出現的疑似裂紋缺陷實際應該是該部位帶狀偏析痕跡，斷續的磁痕積聚應該為鑄件的顯微縮松缺陷。研究表明，鑄件產生宏觀偏析、縮松縮孔缺陷甚至是其他類型的凝固缺陷均與其在凝固過程中的補縮行為息息相關[3]，因此如果要研究宏觀偏析帶的發生原因，必須要分析其凝固過程。并且一級行星架鑄件選用的材質為合金成分含量較高的低合金鋼，合金的結晶溫度范圍較寬，更易產生縮松、裂紋以及宏觀偏析等缺陷，并且很難通過后續的熱處理措施消除。為此借助了Magma鑄造模擬分析軟件，對一級行星架鑄件的鑄造凝固收縮過程及溫度場分布情況進行了分析計算，更進一步分析鑄件產生宏觀偏析的原因。

從圖9一級行星架的鑄造工藝方案模擬結果看，一級行星架上型放置的頂冒口和內腔泥芯放置的暗冒口可以有效的對下方軸承擋和軸孔進行補縮，該鑄造方案可以保證軸承擋、小孔等關鍵受力部位的致密度，其他非關鍵部位無大的的縮松傾向，不會產生縮松缺陷。

圖9 一級行星架鑄造工藝方案縮松計算模擬結果

隨后計算了一級行星架鑄造工藝方案的凝固溫度場及凝固時間，結果如下圖10、11所示，由圖可以看到，在軸孔部位鑄件的溫度場分布未能按照鑄鋼件理想的逐層凝固的理想方式進行，凝固時的溫度梯度偏小，合金結晶凝固溫度范圍很寬，容易形成糊狀凝固，鑄件內部會形成微小的縮松。并且從圖11可以看到在軸孔靠根部部位的凝固時間約為5000s，其余部位的凝固時間約在1500s左右，鑄件軸孔靠根部部位凝固時間過長，很容易造成合金的宏觀偏析。

圖10 一級行星架凝固溫度場

圖11 一級行星架凝固時間

4 解決措施及工藝改進

為了解決一級行星架鑄件的宏觀偏析問題，在后續生產時制定了如下改進措施：

（1）在一級行星架輸入端軸承孔外側增加一圈冷鐵，增加對軸承孔末端的激冷作用，降低行星架內腔三個發熱冒口對軸承孔需要補縮的距離，提升冒口的補縮作用，保證軸承孔補縮充分，避免產生顯微縮松，同時縮減軸承孔的凝固時間。

（2）調整軸承孔內腔泥芯制作方式，泥芯面層30~50mm,采用鉻鐵礦砂制作，提升軸承孔內部泥芯的散熱能力，盡量降低軸承孔的凝固時間，防止形成宏觀偏析。

（3）嚴格控制鑄件的澆注溫度，對于厚大鑄件將其澆注溫度控制在1550~1565℃，在較低的溫度下澆注，盡量減少厚大部位的凝固時間。

對更改后的工藝方案，采用Magma模擬計算的方式分析了一級行星架的鑄件凝固過程的溫度場分布情況，具體見圖12、13，從溫度場分布可以看到，鑄件凝固時的溫度梯度有了明顯的改善，符合合金鑄鋼理想的逐層凝固的凝固方式，并且軸承孔區域的凝固時間約為4000s，較之前縮短了1000s以上，可以有效地改善鑄件的顯微縮松和宏觀偏析問題。

圖12 工藝更改后一級行星架凝固溫度場

根據優化后的鑄造工藝重新澆注生產了16件一級行星架鑄件，交付精加工，之后觀察軸承孔內壁并進行磁粉探傷，均未再發現宏觀偏析缺陷，避免了廢品產生，改善效果理想。

5 結論

圖13 工藝更改后一級行星架凝固時間

（1）針對一級行星架鑄件表面疑似裂紋缺陷進行了缺陷確認和原因分析，確認表面疑似裂紋缺陷實際為鑄件凝固過程形成的宏觀偏析帶；

（2）通過Magma模擬分析，優化了鑄件的生產工藝，對缺陷部位增加外冷鐵并改進制芯工藝，解決了一級行星架鑄件的宏觀偏析問題。