铸钢大齿轮是矿山、冶金、水泥、建材、煤炭、电力等行业的重要大型铸钢件，齿轮圈材质为ZG42CrMo，凝固温度范围大，其凝固特性决定了铸件易形成显微疏松，磁粉检测后出现超标磁痕显示。齿轮圈尺寸大，最大直径达到9.9m，重达60多吨，形状特殊，其轮缘铣齿深度达厚度的1/2。随着近年来尺寸增大，生产中砂眼、气孔、疏松缺陷比较突出，特别是精加工后，齿面部位存在疏松，造成大量毛坯返修，不仅影响质量，增加成本，还影响交货期，降低齿轮圈的工艺出品率，因而大型齿轮圈铸钢件的生产直接关系国家重点工程项目的质量、安全及进度，对于国计民生具有重要的意义。
6．3．1 φ5103mm×450mm铸钢大齿轮技术要求
(1)保证铸件质量，齿轮轮缘进行超声波检测，质量达GB/T 7233.1—2009Ⅱ级要求。控制铸件轮缘壁厚的均匀度，使其偏差不大于其厚度的10％。铸件进行超声波检测和磁粉检测，并提交检验记录。
(2)化学成分和力学性能：C含量为0.42％～0.48％、Si含量为0.3％～0.6％、Mn含量为0.6％～1.0％、Cr含量为0.8％～1.2％、Mo含量为0.2％～0.3％、S含量w(S)≤0.035％、P含量w(P)≤0.025％；抗拉强度Rm≥690MPa，下屈服强度ReL≥490MPa，断后延伸率A≥11％，硬度(HB)=200～240。
(3)保证铸件轮缘壁厚均匀，铸件表面应整洁，外观质量要好，不应有气孔、裂缝、缩松、缩孔、冷隔等缺陷。
(4)保证内部组织致密，无裂纹，能经得起超声波检测、磁粉检验，保证齿轮圈在恶劣的工作环境下满足使用要求，确保整个机器的安全运行。
(5)铸件的尺寸较大，轮缘壁厚较大，铸件易形成显微疏松，磁粉检测后出现超标磁痕显示，精加工后不易进行返修焊补和回火处理，特别是在轮缘和加强筋处上述问题不易控制。生产中，由于铸件尺寸过大，采用1/2方式生产，再用螺栓拼接成型。铸造生产采取整圈造型，防止铸件变形。
(6)铸件内部无不利于使用的缺陷，粗加工前去应力退火，粗加工后正火处理。
(7)铸件完成后，应进行正火+回火的热处理工艺。
6．3．2 φ5103mm×450mm铸钢大齿轮工艺方案
根据φ5103mm×450mm铸钢大齿轮的技术要求，制订了φ5103mm×450mm铸钢大齿轮铸造工艺方案和工艺参数。
(1)铸造采用部分实样+组芯的工艺方案。
(2)铸造工艺参数。收缩率为2.0％，加工余量如下：齿轮内外轮缘的上下端面加工余量选取25mm，外轮缘齿顶圆取30mm，内轮缘两侧及内孔选取25mm。
(3)主要工艺流程。50t电炉初炼→LF精炼→包底吹氩、型腔吹氩→快速浇注→型内冷却→开箱→清砂→正火→热割冒口→回火→打磨、精整及缺陷焊补→粗加工→检验、发货。
6．3．3 φ5103mm×450mm铸钢大齿轮工艺设计
φ5103mm×450mm铸钢大齿轮铸造工艺图如图6．17所示。
1．冒口设计
(1)冒口设置：在外轮缘与筋结合处，采用14个圆柱冒口，尺寸为φ400mm×560mm，在结合板处采用2个腰圆形冒口，尺寸为φ400mm×560mm，在内轮缘与筋结合处采用14个圆柱加半球形冒口，尺寸为φ300mm+半球φ300mm、高450mm。
(2)为各个冒口设置保温冒口套，具体尺寸为：原φ375mm、高560mm的圆形明冒口加设φ500mm×610mm的保温冒口套；原φ375mm、高560mm的腰圆形明冒口加设φ500mm×610mm的保温冒口套；原φ300mm+半球φ300mm、高450mm的暗冒口加设φ400mm+半球φ400mm、高500mm的保温冒口套。
(3)在钢液上升到铸件1/2～2/3处时往各个明冒口上面加撒覆盖剂。
2．冷铁设计
在外轮缘周围加冷铁一周，厚度为300mm。冷铁的形状和外轮缘相同，材质与铸件一致。
3．其他铸造工艺方案及工艺参数
(1)采用内浇口底返工艺，即通过直浇道和横浇道把钢水引到铸件底部，再由内浇口从底部注入型腔。
(2)采用简易浇注系统，浇注温度为1550℃。
(3)本体试样6只，尺寸为70mm×100mm×200mm。与大齿轮同炉浇注、同炉热处理。
4．炼钢及浇注
钢水采用50t电炉初炼后进行LF精炼、包底吹氩、型腔吹氩的工艺，化学成分严格按内控指标控制，其中C含量为0.42％～0.48％、Si含量为0.3％～0.6％、Mn含量为0.6％～1.0％、Cr含量为0.8％～1.2％、Mo含量为0.2％～0.3％、S含量w(S)≤0.035％、P含量w(P)≤0.025％。
采用两包合浇方案：共4个包孔(2个φ100mm、2个φ80mm)，铸件本体浇注时间控制在90s以内，冒口浇至分型面以上300mm高度时，从冒口的补浇装置中浇至规定高度。
5．清理及热处理
清砂采用手工方式进行，热处理后利用余热、氧—炔焰切割冒口，因冒口较大，故采用氧气辅助切割的方式。非加工表面精整采用碳弧气刨、砂轮打磨的方法。清理后的铸钢大齿轮见图6．18。热处理工艺曲线图见图6．19。性能试棒采用本体试样，试样与铸件同炉热处理。大齿轮粗加工后的照片如图6．20所示。
6．3．4 φ5103mm×450mm铸钢大齿轮工艺验证
1．计算机凝固模拟验证
为保证φ5103mm×450mm铸钢大齿轮工艺的可靠性，首先对大齿轮的铸造工艺进行凝固模拟。图6．21为大齿轮的工艺模型，图6．22为大齿轮浇注后不同时间的凝固结果。由凝固结果可以断定，大齿轮铸造工艺合理，采用该工艺生产的大齿轮能够满足标准要求。
2．生产验证
φ5103mm×450mm铸钢大齿轮采用该工艺制造，铸钢大齿轮的力学性能如下：抗拉强度Rm=745MPa，下屈服强度ReL=550MPa，断后延伸率A=20.5％，硬度(HB)=217，符合齿轮圈生产技术要求，同时经检验，化学成分、尺寸、磁粉检测和超声波检测结果均满足相关标准要求。
