铜蜗轮制造工艺的改进

伍俊杰，余明仪

（广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545007）

铜蜗轮是平地机核心零部件——蜗轮箱的重要零部件，负责将动力传递至工作装置，使之进行回转运动。在这工作过程中，铜蜗轮会受到冲击负荷，容易发生断裂事故。

铜蜗轮的产品品质，直接影响整机性能。目前市场反馈主要为铜蜗轮开裂，平均故障时间约为250 h，其中46%为100 h以内的早期故障，市场外反馈率为1.94%。

铜蜗轮结构形式为铜铁合铸，外层为铜内层为铁，通过铸造将两种材料连接在一起（如图1）。

图1 铜蜗轮的结构形式

1 铜蜗轮断裂原因分析

经采用目测及电子显微镜等手段，对铜蜗轮断面进行了分析研究（如图2～图4）。

图2 断裂面铸铜内表面有明显的铸造缺陷、夹杂

图3 断裂面裂纹源位于铜内表面铸造缺陷、夹杂处，先期断裂面有明显的氧化色

图4 100X显微镜下，铸铜件第二相分布均匀，可见孔洞、夹杂

图5 100X显微镜下，铜铸件平均晶粒度为3

对上列4张图片作进一步分析，可以得出以下结论：

（1）铜蜗轮铸造工艺不合理，铸造品质控制薄弱；

（2）铸造应力大，应力释放造成了从铸造缺陷处断裂。

2 方案制定及实施效果

针对铸造工艺不合理与铸造品质控制薄弱的问题，采取改进铸造工艺，控制铸造品质的方案；

针对铸造应力大，应力释放造成从铸造缺陷处断裂，采取热处理去应力及更改结构形式两种方案。

2.1 改进铸造工艺、控制铸造品质

改进铸造工艺，对比不同铸造工艺的铸造品质与应力状况，降低铸造杂质并改善铜铸件的晶粒度。最终选择铁芯铸造，加工好后，在铁芯浇铸铜时，采用离心铸造的方法。控制铸造品质，要求铸造厂家每炉铸件须提供规定形状的试样一件及检验报告一份，并要求质检部门按规定频次抽检（图6、图7）。

图6 试样

图7 试样图

3.2 研究热处理去应力的可行性

根据金属材质制定固溶高温时效与固溶中温时效两种热处理方法，并跟踪试验两种方案。

（1）固溶高温时效。加热820～850℃，保温3 h，水冷，600℃退火。

（2）固溶中温时效。加热820～850℃，保温3 h，水冷，500℃退火。

图8 经退火处理的铜蜗轮

图9 未经退火处理的铜蜗轮

经过热处理的铜蜗轮，在晶粒度方面均有提升，但通过破坏性试验，发现铜蜗轮仍有开裂的现象，可见热处理能起到一定的效果，但尚不能完全满足目标的要求。

3.3 研究更改结构形式以减少应力的可行性

原铜蜗轮结构为铜铁合铸。在铸造过程中，因铜与铁的收缩率不一致，造成铸造应力大。

为减少应力，研究更改结构形式为镶嵌装配式。将铜与铁分别铸造加工，通过配合与螺钉连接。经破坏性试验，发现铜蜗轮开裂的比率有明显下降。

图10 铜蜗轮结构形式的更改

3.4 效果验证

通过无损检测及温度急剧变化的破坏性试验，确定改进效果，改进后的铜蜗轮自2010年后无品质问题反馈。

4 结束语

通过改进铸造工艺、控制铸造品质、热处理去应力与结构形式的改变，可以有效地改进铜蜗轮断裂的品质问题。

[1]GB 1176-87，铸造铜合金技术条件[S].

[2]GB/T 228-2002，金属材料拉伸试验[S].

[3]成大先.机械设计手册（第三版）[M].北京：化学工业出版社，1999.