摘要：鋁合金棘輪是高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，采用低壓鑄造成型工藝進(jìn)行生產(chǎn)主要是保障棘輪的力學(xué)性能及疲勞性能。對ZL114A鋁合金棘輪低壓鑄造過程中容易出現(xiàn)的鑄造缺陷進(jìn)行分析，提出控制措施，從而保障棘輪的鑄造質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：棘輪；鋁合金；低壓鑄造；鑄造缺陷；控制技術(shù)

棘輪下錨裝置是一種機(jī)械補(bǔ)償器，是高速客運(yùn)專線牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)中的重要組成部分，對接觸網(wǎng)整體安全性能起著重要作用。在日常的運(yùn)行過程中，供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)中的懸掛索會因環(huán)境溫度的變化引起長度的伸縮，從而引起接觸網(wǎng)張力的變化。為了確保接觸網(wǎng)張力的恒定，棘輪下錨裝置通過調(diào)整墜砣行程和墜砣數(shù)量，對接觸懸掛線索伸縮變化進(jìn)行補(bǔ)償，保障整個供電網(wǎng)的安全。

圖1為棘輪下錨裝置，棘輪是下錨裝置中***重要的部件。它是由輪輞、棘齒、輪轂、輪輻等組成，外形為典型回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，具有壁厚不均勻、輪廓較為復(fù)雜等特點(diǎn)。

棘輪的質(zhì)量決定了棘輪下錨裝置的可靠性，及對接觸網(wǎng)張力補(bǔ)償?shù)暮愣ㄐ?。這就要求通過低壓鑄造的鋁合金棘輪不僅具有強(qiáng)度高、抗疲勞強(qiáng)度好；同時，因?yàn)樵谑彝忾L期工作，還必須具有一定的耐大氣腐蝕和耐晶間腐蝕的性能。而要保障這些性能，就要通過低壓鑄造的棘輪的質(zhì)量來獲得：鑄件鑄造缺陷要少，表面質(zhì)量要高；鑄件晶粒度要小，組織要致密。

一、棘輪的低壓鑄造

1.1棘輪的材料

目前，國內(nèi)外接觸網(wǎng)棘輪本體一般采用鋁合金制造，國內(nèi)采用牌號為ZL114A（ZAlSi7Mg1A）的鑄造鋁合金，它是在ZL101A鋁合金基礎(chǔ)上增加鎂含量發(fā)展起來的Al－Si－Mg系高強(qiáng)度鑄造鋁合金。不僅具有較高的力學(xué)性能，如高強(qiáng)度、高韌性；還具有較好的鑄造工藝性，如良好的流動性、氣密性和抗熱裂性。該合金在軌道車輛、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。表1為ZL114A鋁合金的化學(xué)成分，表2為ZL114A鋁合金的力學(xué)性能。

1.2 棘輪低壓鑄造

棘輪低壓鑄造是一種采用電磁泵系統(tǒng)在低壓力和低速度條件下對棘輪模具型腔進(jìn)行填充的鑄造方法，介于重力鑄造和壓力鑄造之間，是在金屬型鑄造基礎(chǔ)上積累經(jīng)驗(yàn)而發(fā)展起來的一種鑄造方法［1～2］。其工作原理是：棘輪鑄造模具被放置在一個密閉的熔煉爐上面，棘輪模具型腔與熔煉爐里熔化的鋁液通過一定尺寸的升液管相連；生產(chǎn)時，將鋁合金在熔煉爐里加熱熔化后，利用壓縮惰性氣體給熔爐里鋁液施加一定的壓力，將鋁液通過升液管壓入到棘輪模具型腔；進(jìn)入到模具型腔的鋁液在與溫度較低的模具相接觸時，鋁液遇冷在壓力狀態(tài)下逐漸凝固成形；澆注完成后，減小液面上的壓力，升液管中未凝固的鋁液會回流到熔爐中。如圖2為棘輪低壓鑄造原理圖。

二、鋁合金棘輪低壓鑄造缺陷分析

2.1 棘輪中常見的鑄造缺陷

鋁合金棘輪低壓鑄造過程中主要產(chǎn)生氫氣孔、裂紋、縮孔縮松及氧化膜夾雜等問題。

2.1.1 棘輪中的氫氣孔

氫氣孔是鋁合金棘輪低壓鑄造過程中存在的一種主要缺陷，與氫在鋁合金中的溶解度變化及擴(kuò)散機(jī)制有關(guān)。圖3為不同溫度下氫在鋁合金中的溶解度，從圖中可以看出，氫在鋁合金液中的溶解度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在固態(tài)鋁合金中的溶解度，氫在液態(tài)鋁中的溶解度也是隨著溫度的升高而增大。氫在固態(tài)鋁中的溶解度約為0.039ml/100g－A1，氫在液態(tài)鋁中的溶解度約為0.69ml/100g－A1，兩者相差約20倍。在澆注過程中，如果成型模具的溫度比較低，鋁液凝固的速度較快，那么鋁液在凝固過程中就會有較多的氫被釋放出來，這就為氫氣孔的形成提供了條件［3～5］。氫氣孔大多數(shù)存在于鑄件表面，呈螺釘狀斷口。

圖4為鑄造車間環(huán)境中水分壓在年度內(nèi)變化的變化情況，生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)顯示，每年的6～9月份，鋁合金鑄件中氫氣孔的數(shù)量會增加，這表明在氣候潮濕的月份，即環(huán)境中水分壓大的月份生產(chǎn)的鑄件中氫氣孔增加。

2.1.2 棘輪中的裂紋

低壓鑄造鋁合金棘輪中的裂紋不僅對生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率有影響，而且***關(guān)鍵的是影響到高速鐵路的行車安全。

棘輪采用ZL114A鋁合金低壓鑄造而成，它的線膨脹系數(shù)大，凝固時收縮率大，在鑄造過程中易成較大的拘束應(yīng)力，而大的拘束應(yīng)力是棘輪在鑄造過程中產(chǎn)生裂紋的根本原因。棘輪鑄造過程中產(chǎn)生的裂紋一般有冷裂紋和熱裂紋。鋁合金鑄件冷卻較低溫度，在其固相線溫度以下，鑄件內(nèi)的應(yīng)力如果超過材料本身的極限強(qiáng)度，就會形成冷裂。棘輪的冷裂紋一般出現(xiàn)在與模具接觸的棘輪棘齒表面，裂紋斷口表面特征是表面會產(chǎn)生輕微的氧化現(xiàn)象。熱裂紋產(chǎn)生于合金的凝固過程當(dāng)中，ZL114A鋁合金是共晶型合金，其凝固結(jié)晶是在一定的溫度區(qū)間進(jìn)行的，熱裂紋傾向與這個溫度區(qū)間有很大關(guān)系。這個區(qū)間越大，裂紋率就越高。而低壓鑄造的速度不可能很快，這個溫度區(qū)間相對較大。在鑄件凝固后期，樹枝晶枝晶間存在少量未凝固的液態(tài)薄膜，在較大的拘束應(yīng)力作用下，枝晶內(nèi)的液態(tài)薄膜就會被拉裂，這時如果鋁液來不及補(bǔ)充或者沒有足量的鋁液來補(bǔ)充，就會形成熱裂紋。熱裂紋表面會因強(qiáng)烈氧化而呈現(xiàn)出暗色或黑色的特征［3，6～7］。

通過鑄造過程分析，鑄造工藝參數(shù)的變化、棘輪的結(jié)構(gòu)是否合理、澆注時模具的溫度控制等許多因素都對鑄件產(chǎn)生拘束應(yīng)力有影響，如果拘束應(yīng)力大則導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。

2.1.3 棘輪中的縮孔縮松

縮孔和縮松缺陷是鋁合金低壓鑄造棘輪鑄造過程中不可避免的缺陷，一般多出現(xiàn)在棘輪的輪輻和輪心處。棘輪在鑄造過程中鋁液經(jīng)澆口由輪心通過輪輻橫澆道流向輪輞、棘齒部位，在輪輻的根部會有熱節(jié)出現(xiàn)。輪心和輪輻部位的壁厚較厚，鋁液溫度高，在隨后的冷卻時收縮較大，這時如果得不到很好補(bǔ)縮，凝固部位就很容易產(chǎn)生因補(bǔ)縮不足而出現(xiàn)縮松、縮孔缺陷。從棘輪實(shí)際生產(chǎn)來看，輪輻、棘齒及輪心部位都是該缺陷易出現(xiàn)的部位。

圖6所示為鋁合金棘輪在低壓鑄造中輪輻部位出現(xiàn)的縮松縮孔?？s孔在顯微組織中特征為大的孔洞，形狀不規(guī)則、表面不光滑；而縮松的顯微特征表現(xiàn)為細(xì)小孔，表面光滑，但分布比較分散。不論是產(chǎn)生縮孔還是縮松缺陷都會降低材料的伸長率，而且對產(chǎn)品的抗沖擊性能、抗疲勞壽命都有很大的影響。

2.1.4 棘輪中的氧化膜

鋁合金易氧化，在棘輪的低壓鑄造過程中，熔化的鋁液在與棘輪模具內(nèi)的空氣接觸時會在表面形成厚度很薄的氧化膜，這些氧化膜會被夾帶在鋁液中影響鋁液的流動性能。在澆鑄過程中，氧化膜作為障礙物會導(dǎo)致鋁液的回流，引起鑄件局部欠澆；也會因?yàn)檠趸さ恼郫B使鑄件產(chǎn)生熱裂紋，有時還會產(chǎn)生氣孔。氧化膜如果存在于棘輪的表面，那么在棘輪脫模時，會因這些氧化膜脆性大，無法承受脫模時的應(yīng)力而發(fā)生剝落，從而導(dǎo)致棘輪表面參差不齊，影響棘輪表面質(zhì)量及后續(xù)的處理。圖7所示為氧化膜缺陷。

2.2 影響棘輪鑄造缺陷的五要素

從棘輪鑄造生產(chǎn)管理的角度看，影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素概括起來有：人員、設(shè)備、材料、工藝方法和生產(chǎn)環(huán)境五要素，簡稱為：“人、機(jī)、料、法、環(huán)”。每個要素對不同工序的影響有很大差別，應(yīng)具體分析。圖8所示出影響棘刺輪鑄造生產(chǎn)的五要素，而上述的主要缺陷的產(chǎn)生就是與這五要素有關(guān)。

三、棘輪低壓鑄造缺陷的控制

3.1 從“人”的角度進(jìn)行控制

（1）加強(qiáng)對工人進(jìn)行崗位培訓(xùn)，提高實(shí)踐操作技能水平；日常生產(chǎn)中，形成以老帶新的機(jī)制，保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

（2）技術(shù)員要熟知整個生產(chǎn)工藝的重要節(jié)點(diǎn)，定期地結(jié)合生產(chǎn)中的案例對工人進(jìn)行工藝宣講，讓工人從理論上掌握工藝規(guī)程。

（3）在澆鑄鋁液時，工人要控制好鋁液的流動狀態(tài)，***好的澆注狀態(tài)是層流態(tài)。

3.2 從“機(jī)”的角度進(jìn)行控制

（1）對棘輪澆鑄系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，主要是升液裝置。一般可以通過減少升液管的長度、擴(kuò)大保溫層的厚度及增大升液管的直徑這三方面改進(jìn)升液裝置。

（2）棘輪模具方面，應(yīng)適當(dāng)加大開模行程。開模行程會影響到工人對模具進(jìn)行檢查以及相應(yīng)的清理的程度，從而影響到棘輪的成品率。

（3）采用保溫性能較好的陶瓷澆口套。

3.3 從“料”的角度進(jìn)行控制

（1）原材料要潔凈，熔體要進(jìn)行精煉，以消除非金屬夾雜物及氫的影響。

（2）熔煉鋁合金時，在鋁液中加入含量為0.1％的AlTi5B，可改善鋁液質(zhì)量，細(xì)化晶粒。

（3）提高爐膛內(nèi)惰性氣體的純度。

3.4 從“法”的角度進(jìn)行控制

（1）采用合理的鑄造工藝，以保障鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量。

（2）在模具澆口前加過濾網(wǎng)，避免鋁液中夾帶過多的氧化膜。

（3）對于形狀復(fù)雜的棘輪，在澆鑄時為了防止欠澆、出現(xiàn)鑄造缺陷。可控制鋁液澆注的速度；適當(dāng)提高模具的加熱溫度，延長棘輪在模具中的停留時間，降低鑄件的冷卻速度。

（4）在棘輪鑄造過程中引入超聲波振動技術(shù)，細(xì)化棘輪的顯微組織，提高其組織致密度，改善棘輪的力學(xué)性能。

3. 5 從“環(huán)”的角度進(jìn)行控制

（1）注意澆鑄環(huán)境的變化，特別是車間濕度的變化，每年6～9月生產(chǎn)時，要注意車間的除濕，防止氫氣孔的產(chǎn)生。

（2）在棘輪鑄造過程中要控制不同階段壓縮氣體的壓力，避免欠澆、氧化膜夾雜等缺陷的產(chǎn)生。

四、結(jié)語

通過對高速鐵路觸網(wǎng)中 ZL114A 鋁合金棘輪低壓鑄造生產(chǎn)過程中常見的缺陷進(jìn)行分析，并結(jié)合中鐵建公司在鑄造生產(chǎn)管理中的“人、機(jī)、料、法、環(huán)”五要素，提出了控制鋁合金低壓鑄造中常見缺陷的措施。通過近一年中鐵建公司質(zhì)檢部門反饋的數(shù)據(jù)，在 ZL114A 鋁合金棘輪低壓鑄造生產(chǎn)過程中采用了這些相應(yīng)的控制措施后，棘輪成品率得到大幅提高，棘輪鑄造質(zhì)量比較穩(wěn)定，力學(xué)性能和抗疲勞性得到較大改善。

來源：洲際鑄造    作者：殷榮幸，李東升

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