宣布时间：2022-01-07点击：2118
摘要：铝合金棘轮是高速铁路接触网系统中的要害部件，接纳低压铸造成型工艺进行生产主要是包管棘轮的力学性能及疲劳性能。对ZL114A铝合金棘轮低压铸造历程中容易泛起的铸造缺陷进行剖析，提出控制步伐，从而包管棘轮的铸造质量。
要害词：棘轮；铝合金；低压铸造；铸造缺陷；控制技术
棘轮下锚装置是一种机械赔偿器，是高速客运专线牵引供电接触网系统中的重要组成部分，对接触网整体宁静性能起着重要作用。在日常的运行历程中，供电接触网系统中的悬挂索会因情况温度的变革引起长度的伸缩，从而引起接触网张力的变革。为了确保接触网张力的恒定，棘轮下锚装置通过调解坠砣行程和坠砣数量，对接触悬挂线索伸缩变革进行赔偿，包管整个供电网的宁静。
图1为棘轮下锚装置，棘轮是下锚装置中***重要的部件。它是由轮辋、棘齿、轮毂、轮辐等组成，外形为典范回转体结构，具有壁厚不均匀、轮廓较为庞大等特点。
棘轮的质量决定了棘轮下锚装置的可靠性，及对接触网张力赔偿的恒定性。这就要求通过低压铸造的铝合金棘轮不但具有强度高、抗疲劳强度好；同时，因为在室外恒久事情，还必须具有一定的耐大气腐化和耐晶间腐化的性能。而要包管这些性能，就要通过低压铸造的棘轮的质量来获得：铸件铸造缺陷要少，外貌质量要高；铸件晶粒度要小，组织要致密。
一、棘轮的低压铸造
1.1棘轮的质料
目前，海内外接触网棘轮本体一般接纳铝合金制造，海内接纳牌号为ZL114A（ZAlSi7Mg1A）的铸造铝合金，它是在ZL101A铝合金基础上增加镁含量生长起来的Al－Si－Mg系高强度铸造铝合金。不但具有较高的力学性能，如高强度、高韧性；还具有较好的铸造工艺性，如良好的流动性、气密性和抗热裂性。该合金在轨道车辆、航空航天等领域应用广泛。表1为ZL114A铝合金的化学身分，表2为ZL114A铝合金的力学性能。
1.2 棘轮低压铸造
棘轮低压铸造是一种接纳电磁泵系统在低压力和低速度条件下对棘轮模具型腔进行填充的铸造要领，介于重力铸造和压力铸造之间，是在金属型铸造基础上积累经验而生长起来的一种铸造要领［1～2］。其事情原理是：棘轮铸造模具被安排在一个密闭的熔炼炉上面，棘轮模具型腔与熔炼炉里熔化的铝液通过一定尺寸的升液管相连；生产时，将铝合金在熔炼炉里加热熔化后，利用压缩惰性气体给熔炉里铝液施加一定的压力，将铝液通过升液管压入到棘轮模具型腔；进入到模具型腔的铝液在与温度较低的模具相接触时，铝液遇冷在压力状态下逐渐凝固成形；浇注完成后，减小液面上的压力，升液管中未凝固的铝液会回流到熔炉中。如图2为棘轮低压铸造原理图。
二、铝合金棘轮低压铸造缺陷剖析
2.1 棘轮中常见的铸造缺陷
铝合金棘轮低压铸造历程中主要爆发氢气孔、裂纹、缩孔缩松及氧化膜夹杂等问题。
2.1.1 棘轮中的氢气孔
氢气孔是铝合金棘轮低压铸造历程中保存的一种主要缺陷，与氢在铝合金中的溶解度变革及扩散机制有关。图3为差别温度下氢在铝合金中的溶解度，从图中可以看出，氢在铝合金液中的溶解度远远大于在固态铝合金中的溶解度，氢在液态铝中的溶解度也是随着温度的升高而增大。氢在固态铝中的溶解度约为0.039ml/100g－A1，氢在液态铝中的溶解度约为0.69ml/100g－A1，两者相差约20倍。在浇注历程中，如果成型模具的温度比较低，铝液凝固的速度较快，那么铝液在凝固历程中就会有较多的氢被释放出来，这就为氢气孔的形成提供了条件［3～5］。氢气孔大大都保存于铸件外貌，呈螺钉状断口。
图4为铸造车间情况中水分压在年度内变革的变革情况，生产经验显示，每年的6～9月份，铝合金铸件中氢气孔的数量会增加，这标明在气候湿润的月份，即情况中水分压大的月份生产的铸件中氢气孔增加。
2.1.2 棘轮中的裂纹
低压铸造铝合金棘轮中的裂纹不但对生产本钱、生产效率有影响，并且***要害的是影响到高速铁路的行车宁静。
棘轮接纳ZL114A铝合金低压铸造而成，它的线膨胀系数大，凝固时收缩率大，在铸造历程中易成较大的羁绊应力，而大的羁绊应力是棘轮在铸造历程中爆发裂纹的基础原因。棘轮铸造历程中爆发的裂纹一般有冷裂纹和热裂纹。铝合金铸件冷却较低温度，在其固相线温度以下，铸件内的应力如果凌驾质料自己的极限强度，就会形成冷裂。棘轮的冷裂纹一般泛起在与模具接触的棘轮棘齿外貌，裂纹断口外貌特征是外貌会爆发轻微的氧化现象。热裂纹爆发于合金的凝固历程当中，ZL114A铝合金是共晶型合金，其凝固结晶是在一定的温度区间进行的，热裂纹倾向与这个温度区间有很大关系。这个区间越大，裂纹率就越高。而低压铸造的速度不可能很快，这个温度区间相对较大。在铸件凝固后期，树枝晶枝晶间保存少量未凝固的液态薄膜，在较大的羁绊应力作用下，枝晶内的液态薄膜就会被拉裂，这时如果铝液来缺乏增补或者没有足量的铝液来增补，就会形成热裂纹。热裂纹外貌会因强烈氧化而泛起出暗色或玄色的特征［3，6～7］。
通过铸造历程剖析，铸造工艺参数的变革、棘轮的结构是否合理、浇注时模具的温度控制等许多因素都对铸件爆发羁绊应力有影响，如果羁绊应力大则导致爆发裂纹。
2.1.3 棘轮中的缩孔缩松
缩孔和缩松缺陷是铝合金低压铸造棘轮铸造历程中不可制止的缺陷，一般多泛起在棘轮的轮辐和轮心处。棘轮在铸造历程中铝液经浇口由轮心通过轮辐横浇道流向轮辋、棘齿部位，在轮辐的根部会有热节泛起。轮心和轮辐部位的壁厚较厚，铝液温度高，在随后的冷却时收缩较大，这时如果得不到很好补缩，凝固部位就很容易爆发因补缩缺乏而泛起缩松、缩孔缺陷。从棘轮实际生产来看，轮辐、棘齿及轮心部位都是该缺陷易泛起的部位。
图6所示为铝合金棘轮在低压铸造中轮辐部位泛起的缩松缩孔。缩孔在显微组织中特征为大的孔洞，形状不规则、外貌不平滑；而缩松的显微特征体现为细小孔，外貌平滑，但漫衍比较疏散。岂论是爆发缩孔照旧缩松缺陷都会降低质料的伸长率，并且对产品的抗攻击性能、抗疲劳寿命都有很大的影响。
2.1.4 棘轮中的氧化膜
铝合金易氧化，在棘轮的低压铸造历程中，熔化的铝液在与棘轮模具内的空气接触时会在外貌形成厚度很薄的氧化膜，这些氧化膜会被夹带在铝液中影响铝液的流动性能。在浇铸历程中，氧化膜作为障碍物会导致铝液的回流，引起铸件局部欠浇；也会因为氧化膜的折叠使铸件爆发热裂纹，有时还会爆发气孔。氧化膜如果保存于棘轮的外貌，那么在棘轮脱模时，会因这些氧化膜脆性大，无法蒙受脱模时的应力而爆发剥落，从而导致棘轮外貌狼籍不齐，影响棘轮外貌质量及后续的处理。图7所示为氧化膜缺陷。
2.2 影响棘轮铸造缺陷的五要素
从棘轮铸造生产治理的角度看，影响产品质量的因素概括起来有：人员、设备、质料、工艺要领和生产情况五要素，简称为：“人、机、料、法、环”。每个要素对差别工序的影响有很大差别，应具体剖析。图8所示出影响棘刺轮铸造生产的五要素，而上述的主要缺陷的爆发就是与这五要素有关。
三、棘轮低压铸造缺陷的控制
3.1 从“人”的角度进行控制
（1）增强对工人进行岗位培训，提高实践操作技术水平；日常生产中，形成以老带新的机制，包管生产的顺利进行。
（2）技术员要熟知整个生产工艺的重要节点，按期地结合生产中的案例对工人进行工艺宣讲，让工人从理论上掌握工艺规程。
（3）在浇铸铝液时，工人要控制好铝液的流动状态，***好的浇注状态是层流态。
3.2 从“机”的角度进行控制
（1）对棘轮浇铸系统进行技术革新，主要是升液装置。一般可以通过减少升液管的长度、扩大保温层的厚度及增大升液管的直径这三方面革新升液装置。
（2）棘轮模具方面，应适当加大开模行程�？Ｐ谐袒嵊跋斓焦と硕阅＞呓屑觳橐约跋嘤Φ那謇淼乃�，从而影响到棘轮的制品率。
（3）接纳保温性能较好的陶瓷浇口套。
3.3 从“料”的角度进行控制
（1）原质料要洁净，熔体要进行精炼，以消除非金属夹杂物及氢的影响。
（2）熔炼铝合金时，在铝液中加入含量为0.1％的AlTi5B，可改善铝液质量，细化晶粒。
（3）提高炉膛内惰性气体的纯度。
3.4 从“法”的角度进行控制
（1）接纳合理的铸造工艺，以包管铸件产品的质量。
（2）在模具浇口前加过滤网，制止铝液中夹带过多的氧化膜。
（3）关于形状庞大的棘轮，在浇铸时为了避免欠浇、泛起铸造缺陷�？煽刂坡烈航阶⒌乃俣�；适当提高模具的加热温度，延长棘轮在模具中的停留时间，降低铸件的冷却速度。
（4）在棘轮铸造历程中引入超声波振动技术，细化棘轮的显微组织，提高其组织致密度，改善棘轮的力学性能。
3. 5 从“环”的角度进行控制
（1）注意浇铸情况的变革，特别是车间湿度的变革，每年6～9月生产时，要注意车间的除湿，避免氢气孔的爆发。
（2）在棘轮铸造历程中要控制差别阶段压缩气体的压力，制止欠浇、氧化膜夹杂等缺陷的爆发。
四、结语
通过对高速铁路触网中 ZL114A 铝合金棘轮低压铸造生产历程中常见的缺陷进行剖析，并结合中铁建公司在铸造生产治理中的“人、机、料、法、环”五要素，提出了控制铝合金低压铸造中常见缺陷的步伐。通过近一年中铁建公司质检部分反响的数据，在 ZL114A 铝合金棘轮低压铸造生产历程中接纳了这些相应的控制步伐后，棘轮制品率获得大幅提高，棘轮铸造质量比较稳定，力学性能和抗疲劳性获得较大改善。
来源：洲际铸造 作者：殷荣幸，李东升
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