本發明涉及鑄件的鑄造領域，具體是一種球墨鑄鐵件的型腔結構及利用該結構制備鑄件的方法，即風力發電機組后箱體鑄件的型腔結構及方法。

背景技術：

風力發電機組的齒輪箱是風電機組中的重要構件，其主要功能是將風機葉片在風力作用下所產生的動力傳遞給發電機，并使其得到相應的轉速。齒輪箱的可靠性對于機組的安全具有重大影響，且故障恢復成本也極其昂貴，據了解設計年發電2200小時的1.5MW機組，發生一次齒輪箱重大故障，南京高精傳動設備制造集團有限公司僅齒輪箱設備費在100萬之間，如加上吊裝費、運輸費、人工費估計在20萬左右，其各項恢復費用總和將在130萬左右。

FDM2后箱體是2.3MW風力發電機組的齒輪箱關鍵零部件，外形尺寸1660mm×1620mm×700mm，重量達1400kg，主要壁厚25mm，最厚壁厚165mm，內部結構復雜，壁厚差異大，整個產品100％需要進行UT\MT檢測，以保證齒輪箱質量的穩定可靠。FDM2后箱體的型腔結構一般包括澆注系統、后箱體型腔、設置于后箱體型腔上的出氣口；其中澆注系統，包括直澆道、橫澆道，橫澆道再通過過渡澆道向后箱體型腔內進鐵(即流進鐵液)；上述結構在實際應用過程中存在如下不足之處：由于鐵液自身重力的作用，澆注前期進入直澆道、橫澆道內的鐵液不能完全充滿，使充型不平穩，產生的金屬氧化物與硫化物、游離石墨一起上浮到鑄件表面，或滯留在鑄件內的死角和砂芯下表面等處，在鑄件中易產生夾渣缺陷；充型不平穩還會使金屬液在澆注過程中容易卷入氣體，在鑄件中形成氣孔缺陷，使后箱體鑄件的質量受影響，最終會對整個風電機組的安全產生影響。

技術實現要素：

本發明針對現有技術的上述不足，提供一種能減少鐵液充型的不平穩和金屬液在澆注過程中產生的紊流，提高鑄件質量的穩定性，減少夾渣缺陷和氣孔缺陷，能滿足高品質要求的風力發電機組后箱體鑄件的型腔結構。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種風力發電機組后箱體鑄件的型腔結構，該結構包括澆注系統、后箱體型腔、設置于后箱體型腔上的出氣口；所述的澆注系統包括直澆道，與直澆道連通的橫澆道，橫澆道再依次連通有第一過渡澆道、第二過渡澆道、第三過渡澆道、第四過渡澆道；所述的第四過渡澆道通過內澆口與后箱體型腔連通；所述的橫澆道上設置有第一緩沖澆道，直澆道的截面積與第一緩沖澆道的截面積比為1∶0.60～0.75。

采用上述結構，由于在橫澆道上設有第一緩沖澆道，且直澆道的截面積與第一緩沖澆道的截面積比為1∶0.60～0.75；即第一緩沖澆道的橫截面面積小于直澆道的橫截面面積，使得鐵液流動的截面在第一緩沖澆道內變窄、不會快速向橫澆道流去、就會使鐵液在直澆道內短時間內充滿，然后再流入澆注系統的其它部位，可以保證整個直澆道內充型平穩，減少金屬液在直澆道內產生紊流、渦流或斷流，使充型時不容易卷入氣體，減少鑄件中的卷入氣孔缺陷；同時，充型平穩，使鐵水不容易翻滾、飛濺，減少金屬的二次氧化，減少夾渣缺陷。

作為改進，所述的直澆道的截面積與橫澆道的截面積比為1∶1.5～2。

作為改進，所述的直澆道的截面積與第一過渡澆道的截面積比為1∶0.70～0.80。

作為改進，所述的直澆道的截面積與第二過渡澆道的截面積比為1∶1.0～1.1。

作為改進，所述的第二過渡澆道上設有第二緩沖澆道，直澆道的截面積與第二緩沖澆道的截面積比為1∶0.60～0.75、第一緩沖澆道的截面積與第二緩沖澆道的截面積比為1∶1；采用上述結構，使鐵液在第二過渡澆道內短時間內充滿，再流入澆注系統的其它部位，可以保證整個第二過渡澆道內充型平穩，減少金屬液在第二過渡澆道內產生紊流、渦流或斷流，使充型時不容易卷入氣體，減少鑄件中的卷入氣孔缺陷；同時，充型平穩，使鐵水不容易翻滾、飛濺，減少金屬的二次氧化，減少夾渣缺陷。

本發明限定了各個澆道的截面積比值，這些限定和設置安排合理，如果比值過小，鐵液流動過慢，充型會慢，熱量損耗過大，易產生冷隔缺陷；如果比值過在，起不到緩沖作用。

作為進一步改進，所述的后箱體型腔上設置有附加出氣口，附加出氣口的直徑為20mm～30mm(采用這種尺寸可以使得鑄件清理時容易去除，又不增加會產生縮松縮孔缺陷的新熱節點)；采用上述結構，鐵液澆注時所產生的熱量通過空氣或鐵液傳遞給形成后箱體內腔的砂芯，砂芯受熱產生的氣體和型腔內氣體通過附加出氣口排出，減少鐵液充型時的阻力和砂芯受熱產生的氣體對鐵液的二次氧化，使鐵液充型平穩，減少夾渣、氣孔缺陷。

作為再進一步改進，所述的直澆道、第二過渡澆道、第二緩沖澆道為耐火陶瓷管，若采用砂芯管道，因澆注管內的鐵水的沖擊速度最快，沖擊力最大，很可能沖刷砂型，造成不必要的損失。

作為改進，所述的第一緩沖澆道為自橫澆道的上表面向下凹陷的結構；所述的第一過渡澆道與橫澆道垂直連通且二者的結合位置位于橫澆道中部。

作為改進，所述的第二過渡澆道的一端設置有第一豎向過渡段，另一端設置有第二豎向過渡段，所述的第一豎向過渡段連接于第一過渡澆道的下底面，第二豎向過渡段連接于第三過渡澆道的下底面。

作為改進，所述的第四過渡澆道為兩個，分別連接于第三過渡澆道的兩側，且所述的第四過渡澆道包括自與第三緩沖澆道連接端至外端逐漸擴散的扇形部和與扇形部連接的弧形部，弧形部的上端口為內澆口，內澆口與后箱體型腔連通。

本發明的第一緩沖澆道距離直澆道與橫澆道連接端的80mm-120mm的位置設置。

本發明的后箱體型腔也可以視為最終后箱體鑄件的形狀，也即后箱體原料熔融的鐵液容置的腔體、鐵液冷卻后即形成了最終的后箱體鑄件。

本發明還提供一種利用上述的風力發電機組后箱體鑄件的型腔結構制備后箱體鑄件的方法，具體步驟包括：

(1)首先，按照如下配比的后箱體鑄件的成分：C 3.75％～3.80％，Si 1.90％～2.20％，Mn＜0.20％，P＜0.03％，S＜0.012％，RE(稀土)0.010％～0.020％，Mg 0.025％～0.040％Sb0.003％～0.006％，CE(碳當量＝C+Si/3)4.38％～4.48％，余量為鐵配制原料；

(2)將原料通過沖天爐的熔煉和中頻感應電爐進行成分調整的雙聯熔煉；

(3)采用堤壩式沖入法球化處理，堤壩高度為100～200mm，球化劑加入球化包堤壩靠爐體一側后，加孕育劑覆蓋在球化劑上，球化劑加入量為鐵水重量的1.0％～1.2％；

(4)采用二次孕育處理方式：出鐵時隨鐵液流加入鐵液0.2～0.4wt％的孕育劑，孕育劑粒度3～8mm，鐵液在進行球化處理的同時發生孕育作用(即上述步驟(3)在球化劑上覆蓋的孕育劑)；在澆注前將鐵水從球化包轉入澆包時在鐵水表面加入鐵液0.2～0.3wt％的粒度為3～8mm的孕育劑作為二次孕育；

(5)將風力發電機組后箱體鑄件的型腔結構固定于砂箱中；鐵液通過澆注系統澆注到后箱體型腔中，澆注時間80-85秒、澆注溫度1310-1330℃，冷凝后獲得后箱體鑄件。

本發明上述的孕育劑選用75FeSi，為提高孕育效果，并合理控制終硅量根據生產條件，采用二次孕育處理方式，可以有效防止孕育衰退提高孕育效果。

附圖說明

圖1是本發明風力發電機組后箱體鑄件的型腔結構的示意圖(未設置附件出氣口)。

圖2是本發明后箱體鑄件型腔的結構示意圖(設有附件出氣口)。

圖3是本發明風力發電機組后箱體鑄件的型腔結構的澆注系統結構示意圖。

圖4是本發明風力發電機組后箱體鑄件的型腔結構的澆注系統結構示意圖(底面可見)。

圖5實施例制備的鑄件樣品金相組織圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明新型作進一步詳細說明；但下屬實施例并非對本發明的限制。

如附圖1-3所示，作為一種實施例：本發明的一種風力發電機組后箱體鑄件的型腔結構，該結構包括澆注系統1、后箱體型腔2、設置于后箱體型腔上的出氣口3；所述的澆注系統包括直澆道1.1，與直澆道連通的橫澆道1.2，橫澆道再依次連通有第一過渡澆道1.3、第二過渡澆道1.4、第三過渡澆道1.5、第四過渡澆道1.6；所述的第四過渡澆道通過內澆口1.7與后箱體型腔連通；所述的橫澆道上設置有第一緩沖澆道4，直澆道的截面積與第一緩沖澆道的截面積比為1∶0.60～0.75。

采用上述結構，由于在橫澆道上設有第一緩沖澆道，且直澆道的截面積與第一緩沖澆道的截面積比為1∶0.60～0.75，即第一緩沖澆道的橫截面面積小于直澆道的橫截面面積，使得鐵液流動截面在第一緩沖澆道內變窄、不會快速向橫澆道流去、就會使鐵液在直澆道內短時間內充滿，然后再流入澆注系統的其它部位，可以保證整個直澆道內充型平穩，減少金屬液在直澆道內產生紊流、渦流或斷流，使充型時不容易卷入氣體，減少鑄件中的卷入氣孔缺陷；同時，充型平穩，使鐵水不容易翻滾、飛濺，減少金屬的二次氧化，減少夾渣缺陷。

作為實施例：所述的直澆道的截面積與橫澆道的截面積比為1∶1.5～2。

作為實施例：所述的直澆道的截面積與第一過渡澆道的截面積比為1∶0.70～0.80。

作為實施例：所述的直澆道的截面積與第二過渡澆道的截面積比為1∶1.0～1.1。

作為實施例：所述的第二過渡澆道上設有第二緩沖澆道5，且直澆道的截面積與第二緩沖澆道的截面積比為1∶0.60～0.75、第一緩沖澆道的截面積與第二緩沖澆道的截面積比為1∶1；采用上述結構，使鐵液在第二過渡澆道內短時間內充滿，再流入澆注系統的其它部位，可以保證整個第二過渡澆道內充型平穩，減少金屬液在第二過渡澆道內產生紊流、渦流或斷流，使充型時不容易卷入氣體，減少鑄件中卷入氣孔的缺陷；同時，充型平穩，使鐵水不容易翻滾、飛濺，減少金屬的二次氧化，減少夾渣缺陷。

本發明限定了各個澆道的直徑的截面積比值，這些限定和設置安排合理，如果比值過小，鐵液流動過慢，充型會慢，熱量損耗過大，易產生冷隔缺陷；如果比值過大，起不到緩沖作用。

如附圖2所示：作為一種實施例，所述的后箱體型腔上設置有附加出氣口3.1，附加出氣口的直徑為25mm(采用這種尺寸可以使得鑄件清理時容易去除，又不增加會產生縮松縮孔缺陷的新熱節點)，附加出氣口的位置位于原有出氣口的內圈，也即后箱體型腔位于軸向內部部件的端面上；采用上述結構，鐵液澆注時所產生的熱量通過空氣或鐵液傳遞給形成后箱體內腔的砂芯，砂芯受熱產生的氣體和型腔內氣體通過附加出氣口排出，減少鐵液充型時的阻力和砂芯受熱產生的氣體對鐵液的二次氧化，使鐵液充型平穩，減少夾渣、氣孔缺陷。

作為一種具體的實施例，所述的直澆道、第二過渡澆道、第二緩沖澆道可以采用耐火陶瓷管，若采用砂芯管道，因澆注管內的鐵水的沖擊速度最快，沖擊力最大，很可能沖刷砂型，造成不必要的損失。

作為一種具體的實施例，如附圖3-4所示：所述的直澆道的下端與橫澆道的一端連通，且直澆道和橫澆道相互垂直。

作為一種具體的實施例，如附圖3-4所示：所述的第一緩沖澆道為自橫澆道的上表面向下凹陷的結構；所述的第一過渡澆道與橫澆道垂直連通且二者的結合位置位于橫澆道中部。

如附圖3-4所示：作為一種具體的實施例，所述的第二過渡澆道1.4的一端設置第一豎向過渡段1.41，另一端設置有第二豎向過渡段1.42，所述的第一豎向過渡段連接于第一過渡澆道的下底面，第二豎向過渡段連接于第三過渡澆道的下底面。

如附圖3-4所示：作為一種具體的實施例，所述的第四過渡澆道為兩個，分別連接于第三緩沖澆道的兩側，且所述的第四過渡澆道包括自與第三緩沖澆道連接端至外端逐漸擴散的扇形部和與扇形部連接的弧形部，弧形部的上端口為內澆口1.7，內澆口與后箱體型腔連通。

本發明的第一緩沖澆道距離直澆道與橫澆道相互連接端80mm-120mm的距離；具體的可以采用100mm。

本發明的第一緩沖澆道和第二緩沖澆道，均是在原有的橫澆道和第二過渡澆道長度不變的情況下，另加的一段長度。

本發明還提供一種利用上述的風力發電機組后箱體鑄件的型腔結構制備后箱體鑄件的方法，具體步驟包括：

(1)首先，按照如下配比的后箱體鑄件的成分：C3.80％，Si 2.0％，Mn0.05％，P0.025％，S0.005％，RE(稀土)0.015％，Mg 0.030％Sb0.004％，CE4.47％，余量為鐵配制原料；

(2)將原料放置于沖天爐和中頻感應電爐進行雙聯熔煉；

(3)采用堤壩式沖入法球化處理，堤壩高度為150mm，球化劑加入球化包堤壩靠爐體一側后，加孕育劑覆蓋在球化劑上，球化劑加入量為鐵水重量的1.2％；

(4)采用二次孕育處理方式：出鐵時隨鐵液流加入鐵液0.3wt％的孕育劑，孕育劑選用常用的75FeSi，孕育劑粒度6mm，鐵液在進行球化處理的同時發生孕育作用(即上述步驟(3)在球化劑上覆蓋的孕育劑)；在澆注前將鐵水從球化包轉入澆包時在鐵水表面加入鐵液0.25wt％的粒度為6mm的孕育劑(孕育劑選用常用的75FeSi)作為二次孕育；

(5)將中箱體的型腔結構固定于砂箱中；然后將孕育后的鐵液進行澆注，澆注時間80-85秒，澆注溫度1310-1330℃，將鐵液經過澆注系統澆注到中箱體型腔內，冷凝后獲得后箱體鑄件。

下表1為本發明實施例制備的試樣的力學性能：

表1附鑄試塊力學性能

下表2為本發明實施例制備的試樣的金相組織結構(金相組織圖見圖5)：

表2附鑄試塊金相組織

通過本發明的實施和檢測數據可以獲得：鐵液充型平穩，減少夾渣、氣孔缺陷，保證了鑄件質量的穩定。