摘要：铝合金棘轮是高速铁路接触网系统中的核心部件，采用低压铸造成型工艺进行生产主要是保障棘轮的力学性能及疲劳性能。对ZL114A铝合金棘轮低压铸造过程中有可能会出现的铸造缺陷做多元化的分析，提出控制措施，从而保障棘轮的铸造质量。
棘轮下锚装置是一种机械补偿器，是高速客运专线牵引供电接触网系统中的重要组成部分，对接触网整体安全性能起着及其重要的作用。在日常的运行过程中，供电接触网系统中的悬挂索会因环境和温度的变化引起长度的伸缩，从而引起接触网张力的变化。为了确认和保证接触网张力的恒定，棘轮下锚装置通过调整坠砣行程和坠砣数量，对接触悬挂线索伸缩变化进行补偿，保障整个供电网的安全。
图1为棘轮下锚装置，棘轮是下锚装置中最重要的部件。它是由轮辋、棘齿、轮毂、轮辐等组成，外形为典型回转体结构，具有壁厚不均匀、轮廓较为复杂等特点。
棘轮的质量决定了棘轮下锚装置的可靠性，及对接触网张力补偿的恒定性。这就要求通过低压铸造的铝合金棘轮不仅仅具备强度高、抗疲劳强度好；同时，因为在室外长期工作，还一定要有一定的耐大气腐蚀和耐晶间腐蚀的性能。而要保障这些性能，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，表面上的质量要高；铸件晶粒度要小，组织要致密。
目前，国内外接触网棘轮本体一般都会采用铝合金制造，国内采用牌号为ZL114A（ZAlSi7Mg1A）的铸造铝合金，它是在ZL101A铝合金基础上增加镁含量发展起来的Al－Si－Mg系高强度铸造铝合金。不仅仅具备较高的力学性能，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铝合金的化学成分，表2为ZL114A铝合金的力学性能。
棘轮低压铸造是一种采用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方法，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发展起来的一种铸造方法［1～2］。其工作原理是：棘轮铸造模具被放置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。
铝合金棘轮低压铸造过程中主要产生氢气孔、裂纹、缩孔缩松及氧化膜夹杂等问题。
氢气孔是铝合金棘轮低压铸造过程中存在的一种主要缺陷，与氢在铝合金中的溶解度变化及扩散机制有关。图3为不一样的温度下氢在铝合金中的溶解度，从图中能够准确的看出，氢在铝合金液中的溶解度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。在浇注过程中，如果成型模具的温度比较低，铝液凝固的速度较快，那么铝液在凝固过程中就会有较多的氢被释放开来，这就为氢气孔的形成提供了条件［3～5］。氢气孔大多数存在于铸件表面，呈螺钉状断口。
图4为铸造车间环境中水分压在年度内变化的变动情况，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，这表明在气候潮湿的月份，即环境中水分压大的月份生产的铸件中氢气孔增加。
图5为ZL114A铝合金低压铸造件中氢气孔缺陷形貌。氢气孔的存在不仅影响棘轮的外观，减小铸件有效面积，而且会造成应力集中、形成裂纹源，还会影响棘轮的强度和抗疲劳性能。
低压铸造铝合金棘轮中的裂纹不仅对生产所带来的成本、生产效率有影响，而且最关键的是影响到高速铁路的行车安全。
棘轮采用ZL114A铝合金低压铸造而成，它的线线胀系数大，凝固时收缩率大，在铸造过程中易成较大的拘束应力，而大的拘束应力是棘轮在铸造过程中产生裂纹的最终的原因。棘轮铸造过程中产生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，铸件内的应力如果超过材料本身的极限强度，就会形成冷裂。棘轮的冷裂纹一般出现在与模具接触的棘轮棘齿表面，裂纹断口表面特征是表面会产生轻微的氧化现象。热裂纹产生于合金的凝固过程中，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，树枝晶枝晶间存在少量未凝固的液态薄膜，在较大的拘束应力作用下，枝晶内的液态薄膜就会被拉裂，这时如果铝液来不及补充或者没有足量的铝液来补充，就会形成热裂纹。热裂纹表面会因强烈氧化而呈现出暗色或黑色的特征［3，6～7］。
通过铸造过程分析，铸造工艺参数的变化、棘轮的结构是不是合理、浇注时模具的温度控制等许多因素都对铸件产生拘束应力有影响，如果拘束应力大则导致产生裂纹。
缩孔和缩松缺陷是铝合金低压铸造棘轮铸造过程中不可避免的缺陷，一般多出现在棘轮的轮辐和轮心处。棘轮在铸造过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出现。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，凝固部位就很容易产生因补缩不足而出现缩松、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出现的部位。
图6所示为铝合金棘轮在低压铸造中轮辐部位出现的缩松缩孔。缩孔在显微组织中特征为大的孔洞，形状不规则、表面不光滑；而缩松的显微特征表现为细小孔，表面十分光滑，但分布比较分散。不论是产生缩孔还是缩松缺陷都会降低材料的伸长率，而且对产品的抗冲击性能、抗疲劳寿命都有很大的影响。
铝合金易氧化，在棘轮的低压铸造过程中，熔化的铝液在与棘轮模具内的空气接触时会在表明产生厚度很薄的氧化膜，这些氧化膜会被夹带在铝液中影响铝液的流动性能。在浇铸过程中，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产生热裂纹，有时还会产生气孔。氧化膜如果存在于棘轮的表面，那么在棘轮脱模时，会因这些氧化膜脆性大，没办法承受脱模时的应力而发生剥落，因此导致棘轮表面参差不齐，影响棘轮表面上的质量及后续的处理。图7所示为氧化膜缺陷。
从棘轮铸造生产管理的角度看，影响产品质量的因素概括起来有：人员、设备、材料、工艺方法和生产环境五要素，简称为：“人、机、料、法、环”。每个要素对不同工序的影响有很大差别，应具体分析。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产生就是与这五要素有关。
（1）加强对工人进行岗位培训，提高实践操作技能水平；日常生产中，形成以老带新的机制，保证生产的顺利进行。
（2）技术员要熟知整个生产的基本工艺的重要节点，定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，最好的浇注状态是层流态。
（1）对棘轮浇铸系统来进行技术改造，主要是升液装置。通常能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改进升液装置。
（2）棘轮模具方面，应适当加大开模行程。开模行程会影响到工人对模具进行全方位检查及相应的清理的程度，进而影响到棘轮的成品率。
（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）对于形状复杂的棘轮，在浇铸时为避免欠浇、出现铸造缺陷。可控制铝液浇注的速度；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）在棘轮铸造过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。
（1）注意浇铸环境的变化，特别是车间湿度的变化，每年6～9月生产时，要注意车间的除湿，防止氢气孔的产生。
（2）在棘轮铸造过程中要控制不同阶段压缩气体的压力，避免欠浇、氧化膜夹杂等缺陷的产生。
通过对高速铁路触网中 ZL114A 铝合金棘轮低压铸造生产的全部过程中常见的缺陷做多元化的分析，并结合中铁建公司在铸造生产管理中的“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措施。通过近一年中铁建公司质检部门反馈的数据，在 ZL114A 铝合金棘轮低压铸造生产的全部过程中采用了这些相应的控制措施后，棘轮成品率得到大幅度提高，棘轮铸造质量较为稳定，力学性能和抗疲劳性得到较大改善。（洲际铸造 作者：殷荣幸，李东升）
