拖拉機變速箱采用行星傳動結構，行星架是行星齒輪變速箱行星傳動結構中的一個重要零件，起到安裝和支撐的作用，在運行過程中行星架受外力矩的作用較大[1]。另外，行星架和20MnCr5H鋼太陽輪軸相配合，因此要求其具有高強度、高韌性，行星架的可靠性直接影響整個機組的可靠性。某行星架在使用約400 h后發生斷裂，材料為QT500-7球墨鑄鐵，硬度要求為179~240 HBW。行星架采用砂型鑄造方式成型，生產工藝流程為：造型→熔煉→澆注→清理→入庫→機械加工→清洗等。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了行星架斷裂的原因，以避免該類問題再次發生。

1. 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

開裂行星架的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：行星架從花鍵套端部開裂至底部，花鍵套內花鍵磨損嚴重；將行星架沿花鍵套底部切開，發現較多鑄造夾渣、縮孔和疏松缺陷，鑄造缺陷面積約為3 cm2，缺陷主要集中在與主體連接處，即熱節處，行星架毛坯花鍵套部位壁厚約為20 mm；行星架開裂源1位于距花鍵套端部約13 mm的外表面，開裂源2位于花鍵套底部鑄造缺陷處，未見明顯加工缺陷，斷口未見明顯塑性變形，斷口邊緣未見剪切唇，斷裂性質為脆性斷裂[2-3]。

圖 1斷裂行星架的宏觀形貌

1.2 掃描電鏡（SEM）分析

利用掃描電子顯微鏡觀察行星架斷裂源處的形貌，結果如圖2所示。鑄造缺陷處的SEM形貌如圖3所示。由圖3可知：鑄造缺陷位置有較多孔洞，可觀察到自由凝固的枝晶形貌[4-5]。

圖 2斷裂源處SEM形貌

圖 3鑄造缺陷處的SEM形貌

1.3 力學性能測試

在行星架壁厚約16 mm處取拉伸試樣和硬度試樣，試樣的力學性能測試結果如表1所示。由表1可知：試樣的抗拉強度低于GB/T 1348—2019《球墨鑄鐵件》對QT500-7球墨鑄鐵的要求，試樣的硬度低于圖紙技術要求。

1.4 金相檢驗

在行星架斷裂源處取金相試樣，利用光學顯微鏡對其進行觀察，結果如圖4所示。由圖4可知：兩處斷裂源的組織區別不大，石墨球化級別為3級，石墨大小為6級(體積分數為60%)+7級(體積分數為40%)，珠光體的體積分數約為5%，未發現明顯磷共晶和碳化物。

圖 4斷裂源處的微觀形貌

2. 綜合分析

行星架花鍵套底部有嚴重的夾渣、縮孔和疏松缺陷。夾渣缺陷的產生原因為澆注金屬液不純凈，或澆注過程控制和澆注系統設計不合理，使熔渣、低熔點化合物及氧化物等裹在金屬液中流入型腔，最終產生了夾雜類缺陷。縮孔和疏松缺陷的產生原因為零件在凝固過程中金屬液得不到及時補縮[6]，此外，鐵水凝固時形成樹枝狀晶，主干先凝固，樹枝狀晶由于溶質元素的聚集，成為最后局部凝固部分，從而產生了疏松缺陷[7-8]。縮孔和疏松容易成為受力或應力集中點，降低零件使用過程中的可靠性，縮短零件的使用壽命。鑄件壁厚設計不合理，使凝固過程中不能形成有效的補縮通道，無法實現順序凝固；澆冒口體積小，布置不合理，造成補縮效果不明顯[9]。這些鑄造夾渣、縮孔和疏松缺陷會破壞基體的連續性，降低鑄件的致密度，從而降低其有效承載能力，嚴重影響鑄件質量和使用壽命。行星架的力學性能雖然不達標，但從批量使用情況看，仍在設計的安全系數內。

針對行星架產生的鑄造缺陷提出以下預防措施：（1）控制鐵液成分，盡量提高金屬液的出爐溫度，選擇適宜的靜置時間，以促進非金屬夾雜物的上浮和聚集，應設置集渣包和擋渣裝置，以避免產生夾渣缺陷；（2）在鑄造工藝設計時，應合理布置澆冒口和冷鐵，適當提高澆注溫度，提高冒口的補縮能力；（3）結合前期鑄造工藝設計以及鑄件情況，降低行星架花鍵套處的加工余量，使鑄件壁厚控制為12~15 mm，縮短該部位的凝固時間，從而減少縮孔和疏松缺陷，提高行星架的整體質量，滿足性能要求。

在行星架生產過程中，應嚴格執行相應的生產標準和規范。在鐵液成分配比方面，控制好碳當量。

3. 結論及建議

行星架的開裂原因為結構熱節以及補縮不到位，導致零件產生集中連片的縮孔、疏松、夾渣缺陷，嚴重影響了基體的連續性，并造成應力集中，在外力的作用下，行星架發生斷裂。

建議產品部門完善驗收標準，按照批量對行星架易出現縮孔、疏松、夾渣缺陷的位置進行檢測。

文章來源——材料與測試網