核电循环泵用齿轮箱为行星传动结构，其设计寿命为20 年。作为齿轮箱行星齿轮传动结构中的重要构件，行星架结构复杂、传递功率大、设计寿命长。大功率核电齿轮箱行星架在运行过程中直接承受并传递巨大的动载荷和静载荷，要求具有高强度、高刚度、高精度及高稳定性等综合性能[1-4]，主要采用高强度球墨铸铁材料制造。前期的行星架采用QT600-3A 牌号球墨铸铁制造[5-9]，在运行过程中出现寿命短和早期失效等问题，经分析发现是材质强度和塑性不足造成的。
为进一步提高核电齿轮箱的可靠性，作者单位参与的“大功率核电齿轮箱关键构件制造与装配技术研究”子课题内控要求大功率核电齿轮箱球墨铸铁行星架铸件抗拉强度≥700 MPa，伸长率≥5%，对铸件强度和塑性的良好结合提出了更高的要求。因此，本研究以上述项目中某型号行星架为研究对象，结合数值模拟方法，进行了高强度高塑性球墨铸铁行星架铸件成分工艺的优化设计和生产实践。
1 铸件特点分析
行星架三维图和主要尺寸如图1 所示，轮廓尺寸为φ1 280 mm×700 mm，主要壁厚为100～115 mm，4个立柱最大厚度在210 mm 以上，为铸件最厚位置，铸件质量2 400 kg，热节大且分散，结构不利于补缩，易产生缩孔、缩松等铸造缺陷，铸造技术难度大。
图1 铸件几何形状和主要尺寸：(a)铸件形状，(b)铸件主要尺寸
Fig.1 Geometric shape and main geometry dimensions of the casting:(a)casting shape;(b)casting main size
2 成分设计
行星架铸件属于厚大断面球墨铸铁件，凝固时间长，易出现石墨漂浮、石墨畸变、球化衰退、元素偏析及晶间化合物、反白口、缩孔、缩松等缺陷。国内外的大量研究表明，严格控制铁液的化学成分能够有效防止此类缺陷的产生[10-15]。本研究遵循高碳、低硅、低磷、低硫、适量镁和稀土的原则，结合实际生产经验和理论分析，合理设计化学成分控制范围，以保证球墨铸铁件的质量性能要求。
在控制C 含量不产生石墨漂浮的条件下，提高碳含量能够促进石墨化、减小白口倾向、促进镁的吸收、改善球化效果、提高石墨球的圆整度，并且提升铁液的流动性，减少缩孔缩松等缺陷，使铸件具有良好的综合性能，本研究控制原铁液碳含量在3.5%～3.7%。硅强烈促进石墨化，生产铸态珠光体球墨铸铁需要严格控制含硅量，硅量过低促成游离渗碳体析出，导致铸件韧性下降；硅量过高时，铁素体比例上升，铸件强度降低，本研究将球化孕育后的硅含量控制在2.0%～2.3%[16]。为保证球墨铸铁件的铸造性能和球化孕育效果，防止出现石墨漂浮，保证铸件强度，综合碳、硅成分控制范围，控制碳当量CE 在4.3%～4.4%[17]。锰是稳定珠光体的元素，适当增加锰含量可以提高球铁强度、硬度及耐磨性，但锰含量过高，由于其偏析倾向较大，易形成沿晶界析出网状碳化物降低韧性、塑性，甚至降低强度，因此锰含量控制为小于0.5%[18]。硫与镁、稀土等球化元素亲和力很强，形成MgS、RES 渣，含硫高时，大量消耗球化元素，降低球化效果，同时还容易导致夹渣、皮下气孔、热裂纹等缺陷产生，宜控制硫含量小于0.02%。磷在球铁中溶解度较低，当磷超过某一含量时，易在共晶团边界形成磷共晶，降低铸件的塑性、韧性和强度，并且使铸件产生冷裂，故磷含量控制为小于0.03%。
本研究采用稀土、镁元素进行球化孕育，镁起主要球化作用，稀土作为辅助球化，并起到净化铁液、中和球化干扰元素的作用，在保证球化的前提下，尽量降低镁和稀土含量，以减少白口倾向，故Mg 残约为0.04%～0.06%、RE 残小于0.02%[19-20]。
铸态球墨铸铁生产中，以适量的铜进行合金化是控制珠光体数量的有效措施之一。铜在共晶转变阶段能促进石墨化，可减少或消除游离渗碳体的形成，在共析阶段促进并细化珠光体，强化基体组织，提高基体力学性能，本实验铜含量为0.5%～0.8%[21]。最终设计的化学成分如表1 所示。
表1 铸件化学成分控制范围w/%
Tab.1 Chemical composition control range of the casting
元素C(原铁液)Si(处理后)MnSPMg 残RE 残Cu含量3.5～3.72.0～2.3＜0.5＜0.02＜0.030.04～0.06＜0.020.5～0.8
3 铸造工艺设计与数值模拟
3.1 铸造工艺设计
根据大孔出流和均衡凝固原理，采用小颈保温冒口设计了铸造工艺[22]，如图2 所示。浇注时间为60～70 s，选择浇注系统截面比为ΣA 内∶ΣA 横∶ΣA 直=1.00∶2.00∶1.56，依据阻流截面设计法计算内浇道的尺寸[23]，A 阻=38 cm2，直浇道选用φ100 mm 陶瓷管，横浇道选用φ80 mm 陶瓷管，在横浇道使用2 个φ150×30 mm(10 PPI)的陶瓷过滤器挡渣，采用4 个φ40 mm 陶瓷管相对均匀分布在内浇道进口，使铁液分散进入型腔，同时减小单个内浇道入口截面积，既保证快速充型，又能及时封闭内浇口，防止石墨化膨胀导致铁液回送。
图2 铸造工艺示意图
Fig.2 Schematic diagram of the casting process
铸件法兰与立柱热节部位模数Mc 约为4.5 cm，在稍偏离4 个热节部位处分别放置φ200 mm 的缩颈保温冒口，一方面使得温度场均匀，另一方面促进同时凝固、减小铸造应力。同时为有效控制冒口的液态补缩时间、便于去除冒口，在冒口根部放置φ30 mm 的易割片。
3.2 工艺数值模拟
根据设计的铸造工艺，采用三维设计软件对行星架铸件和浇冒系统进行三维建模，采用JSCAST铸造数值模拟软件对铸造过程进行充型凝固过程数值模拟。
行星架充型过程的模拟结果如图3 所示，铁液进入型腔及在后续液面上升过程中没有出现飞溅现象，充型过程整体平稳，浇注过程中产生夹渣、冲砂缺陷的风险较小。
图3 充型过程数值模拟结果：(a)充型2%，(b)充型8%，(c)充型62%，(d)充型完成
Fig.3 The numerical simulation results of the filling process:(a)filled 2%,(b)filled 8%,(c)filled 62%,(d)fully filled
凝固过程的模拟结果如图4 所示。铸件在整体凝固过程中补缩通畅，铸件内部无孤立液相，由于冒口根部易割片的作用，冒口在补缩一定时间后及时关闭补缩通道，防止凝固后期的石墨膨胀，致使铁液回送冒口产生缩松缩孔缺陷。
图4 凝固过程数值模拟结果：(a)凝固25%，(b)凝固50%，(c)凝固75%，(d)凝固完成
Fig.4 The numerical simulation results of the solidification process:(a)solidified 25%,(b)solidified 50%,(c)solidified 75%,(d)solidification finished
4 铸件制造
4.1 造型
采用1 600 mm×1 600 mm×320 mm 的砂箱3 箱造型，分型面如图5 所示。采用水玻璃砂制作高强度、高刚性砂型，防止型壁变形和抬箱，充分利用石墨析出产生的体积膨胀避免收缩缺陷[23-24]。上箱铸型均匀开设16 个φ20 mm 出气孔，以防止浇注过程中气体无法逸出而形成气孔、浇不满等缺陷。为防止粘砂缺陷、提高表面质量、便于铸件清理，在铸型上均匀涂刷厚度约1.5 mm 的石墨醇基涂料。
图5 3 箱造型分型面示意图
Fig.5 Schematic diagram of the three-box modelling
4.2 熔炼与球化孕育处理
生产中采用3 t 中频感应电炉、高纯生铁等优质铸造原材料熔炼高温纯净铁液，铜在熔炼前期以合金形式加入到炉底熔炼，使得铁液合金浓度均匀。采用ARL3460 直读光谱仪分析进行铁液成分调整；采用包内堤坝式冲入法球化孕育处理，包内球化处理温度为1 400～1 430 ℃，球化剂加入量为铁液质量的1.3%。主要成分含量(质量分数)为：5.68%Mg,0.55%Al,44.29%Si，1.0%Ca，0.93%Re，粒度为4～25 mm；包内孕育剂为0.4%的高钙钡孕育剂，主要成分(质量分数) 为1.03%Al，72.76%Si，1.55%Ca，2.35%Ba，粒度为3～8 mm。冲入法球化孕育处理完成后，立即扒渣防止返硫，同时加除渣剂覆盖防止铁液氧化。为强化孕育效果，提高补缩能力，消除碳化物，提高综合力学性能，在浇注时随流加入0.1%硫氧孕育剂进行瞬时孕育，硫氧孕育剂主要成分(质量分数) 为：73%Si，1.0%Ca，1.75%Ce，1.0%Al，S 微量，O 微量，粒度为0.2～0.7 mm。
4.3 浇注与清理
合箱后在240 ℃热风下烘型4 h 以上，使型腔温度达到50～60 ℃。浇注温度1 350 ℃, 浇注时间61 s，低温快浇，以减少液态收缩，铸件温度降至300 ℃以下时打箱清理[25]，以降低铸件的应力。
4.4 成分组织性能检测
对铸件的附铸试块进行取样分析，化学成分如表2 所示，基体组织以珠光体为主，球化率90%以上，试样的金相组织如图6 所示。
表2 行星架铸件化学成分w/%
Tab.2 Composition of planet carrier casting
CSiMnPSCuMg 残3.652.040.230.0180.0080.560.05
图6 附铸试块金相组织：(a)石墨形态，(b)基体组织
Fig.6 Metallurgical structure of cast-on sample:(a)graphite morphology,(b)matrix structure
制备的φ14 mm 规格拉伸试样尺寸如图7 所示，采用SHT4605 万能试验机进行拉伸试验[9]，试样抗拉强度为797 MPa，屈服强度为444 MPa，伸长率为7.0%，满足性能指标要求。
图7 拉伸试样尺寸
Fig.7 Size of tensile test sample
5 结论
(1)本研究设计了高强度高塑性球墨铸铁件成分，设计了行星架铸件铸造工艺，采用数值模拟软件进行了充型凝固分析，充型平稳，凝固均匀。
(2)采用高强度砂型、熔炼高温纯净铁液、冲入法球化孕育、随流孕育、低温快浇等综合措施进行了大型核电齿轮箱球墨铸铁行星架铸造，附铸试块球化率90%以上，抗拉强度797 MPa，伸长率为7.0%，设计的成分和工艺满足高强度高塑性行星架铸件制造要求。
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