編者導語：從鑄造工藝技術(shù)、熔煉處理技術(shù)等方面研究了軌道交通用QT400-18L（-40℃）球墨鑄鐵件的成套制造技術(shù)。研究表明：采用小頸保溫冒口和保溫覆蓋劑以加強補縮效果可以有效消除鑄件的縮孔縮松缺陷。嚴格的成分設計、精選爐料、優(yōu)化配料是熔煉高溫純凈鐵液的前提條件，采用爐前熱分析在線檢測鐵液的球化效果是保證鑄件高質(zhì)量和一致性的重要解決方案。采用新型蓋包法球化處理裝置、瞬時孕育技術(shù)和低鎂低稀土球化劑、高鈣鋇孕育劑、硫氧孕育劑等，可以有效避免球化衰退，改善球化效果，增加石墨球數(shù)量和石墨化自膨脹效果。通過以上技術(shù)措施生產(chǎn)了-40℃低溫V型缺口沖擊值穩(wěn)定在12J以上的齒輪箱、抱軸承蓋等低溫高韌性球墨鑄鐵件。

隨著高鐵、風電以及核電等工業(yè)的發(fā)展，對低溫條件下使用的鐵素體球墨鑄鐵件的需求快速增加，對鐵素體球墨鑄鐵件的低溫沖擊性能和鑄件質(zhì)量也提出了更高的要求。以高鐵機車為例，由于行駛速度快、安全性要求高、鑄件受力復雜，且一些零部件裸露在外部，需承受冬季低溫嚴寒，因此高鐵機車對球墨鑄鐵件的低溫沖擊性能、動載性能以及力學性能和鑄件質(zhì)量的穩(wěn)定性均要求很高。軌道交通用低溫高韌性球鐵件例如齒輪箱、抱軸承蓋等在國產(chǎn)化研制過程中有兩個技術(shù)難題：難以同時達到GJS-400-18LT（-40℃）牌號的低溫沖擊性能和常溫強度;鑄件的縮孔縮松等鑄造缺陷難以消除;其中抱軸承蓋是和電機殼配合加工的，對鑄件質(zhì)量的要求更高，加工過程中一旦出現(xiàn)鑄造缺陷，將造成抱軸承蓋和電機殼同時報廢，經(jīng)濟損失很大。因此，出于更高時速和更高安全性的要求，該鑄件在國產(chǎn)化時提出了高于國外的技術(shù)要求。例如哈爾濱 至北京高速鐵路用的QT400-18L球鐵件，要求-40℃時V型缺口沖擊值達到12 J以上;哈爾濱至大連高速鐵路用球鐵件甚至要求-50℃時V型缺口沖擊值達到12J以上。本文以齒輪箱、抱軸承蓋等產(chǎn)品為研究對象，研究了軌道交通用低溫高韌性鐵素體球墨鑄鐵件的制造技術(shù)，獲得性能穩(wěn)定、安全可靠的產(chǎn)品，形成了批量生產(chǎn)能力，可滿足市場需求。

1 鑄造工藝研究

1.1 齒輪箱鑄造工藝

齒輪箱由上箱體與下箱體兩部分組成，整體重量合計550kg，主體壁厚12 mm，箱口法蘭壁厚80 mm，部分螺孔搭子處厚為90 mm，該鑄件尺寸結(jié)構(gòu)具有壁厚突變、熱節(jié)分布繁雜等特點。表1是齒輪箱鑄件力學性能、金相組織、無損檢測與驗收標準等技術(shù)要求。

表1 力學性能、金相組織、無損檢測等技術(shù)要求

鑄造工藝特點：造型采用水玻璃自硬砂，砂芯采用樹脂砂，刷醇基石墨涂料。圖1是齒輪箱的上箱體與下箱體的鑄造工藝與數(shù)值模擬。由圖1a和圖1b可見，內(nèi)澆道位置設在箱體法蘭處以利于鐵液充型平穩(wěn)，防止湍流，減少渣類氣孔缺陷；上下橫澆道處都采用規(guī)格為FCF-1Z100mm×100mm×22mm（10PPI）的過濾網(wǎng)；箱體的凸臺處設置石墨冷鐵。由圖1c和圖1d可見，該工藝下冒口補縮效果良好。

圖1 齒輪箱鑄件的鑄造工藝與數(shù)值模擬

1.2 抱軸承蓋鑄造工藝

澆注系統(tǒng)采用封閉式，各組元截面積比例約為ΣF內(nèi)∶ΣF橫∶ΣF直=1∶1.4∶1.2。內(nèi)澆道數(shù)量為兩個，采用上下安置的多級橫澆道，在上下橫澆道結(jié)合處放置過濾網(wǎng)，增加鐵液在流動過程中的阻力和擋渣能力，并利于平穩(wěn)充型。使用小頸保溫冒口技術(shù)。保溫冒口的作用是在凝固前對鑄件進行充分的液態(tài)補縮;小頸的作用是保證冒口頸比鑄件先凝固，使鑄件的凝固在密閉的高剛度砂型中進行，以充分利用球墨鑄鐵的石墨化膨脹作用，同時采用保溫冒口套和保溫覆蓋劑以增強補縮效果，從根本上消除縮孔縮松缺陷。圖2是抱軸承蓋的砂型，圖3是采用JSCAST數(shù)值模擬軟件對鑄造工藝進行的凝固過程缺陷預測分析結(jié)果。由圖3可見，縮孔、疏松等缺陷主要集中在澆道及冒口里，鑄件內(nèi)部質(zhì)量完好。

圖2 抱軸承端蓋的砂型

圖3 鑄造缺陷數(shù)值模擬

2 熔煉處理工藝研究要實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)常溫強度和低溫沖擊韌性俱佳的QT400-18L（-40℃）球鐵件，需要在包括原材料質(zhì)量、化學成分、鐵液凈化處理、爐前鐵液質(zhì)量在線分析、球化孕育處理工藝以及無損檢測等的各方面采取一系列技術(shù)措施，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量及其穩(wěn)定性。

2.1 化學成分設計

合適而穩(wěn)定的化學成分是穩(wěn)定生產(chǎn)-40℃時V型缺口沖擊值達到12J以上的低溫鐵素體球鐵件的首要條件。表2是低溫鐵素體球鐵的化學成分設計。C能促進石墨化、減少白口、增加鐵素體含量、改善韌性，使脆性轉(zhuǎn)變溫度略有降低，但過高的碳含量會降低伸長率;Si能固溶強化鐵素體，但過高含量的硅會降低低溫沖擊韌度;C、Si的含量控制應根據(jù)鑄件壁厚、球鐵基體組織要求、鑄造工藝性能和生產(chǎn)成本等綜合考慮，一般w(C)=3.7%±0.20%、w(Si終)=2.1%±0.20%; Mn易造成晶間偏析，降低塑、韌性，鐵素體球鐵應盡量降低Mn含量;降低原鐵液的S量可以減少保證球化所需的殘余Mg量，減少夾渣、縮孔、針孔等缺陷，應控制在0.015%以下;P對要求低溫性能的球鐵危害較大，應控制在0.03%以下;鐵液中的Mg先脫S、脫O，然后才起球化石墨的作用，故w(Mg)=(w(S)×0.76)+0.025%，典型控制范圍為±0.005%，其他球化元素如RE中的Ce、La等僅起替代球化元素Mg和中和某些干擾元素的作用，RE殘留量高易引起白口傾向加大、產(chǎn) 生碳化物，因此Mg與其他球化元素殘留量之和要控制在0.06%以內(nèi)。微量元素如Ti、Al、B、As、Pb、Bi、Cd、Se和Te等熔點低、沸點低，在鐵液中溶解度極小，在奧氏體中的平衡分配系數(shù)小，這些元素的復合比單個元素對球鐵的危害性更大，超過一定量后會使鑄鐵產(chǎn)生粒狀、絲狀、蠕蟲狀、水草狀、過冷及片狀石墨，使石墨球形變差，球化率下降，出現(xiàn)白口，嚴重影響球鐵的力學性能。表3是低溫鐵素體球鐵中微量元素和雜質(zhì)元素的最大值，表中11種微量元 素之和<0.06%。

表2 低溫鐵素體球鐵化學成分設計

表3 低溫鐵素體球鐵中微量元素和雜質(zhì)元素的最大值

2.2 熔煉工藝及試驗方法

高溫純凈的鐵液是穩(wěn)定生產(chǎn)低溫鐵素體球鐵的前提條件。采用高純生鐵和優(yōu)質(zhì)碳素廢鋼作為主要金屬爐料，以提高鐵液的純凈度，減少滲碳體、磷共晶的數(shù)量。

熔煉時，先將一定比例的爐料烘干后放入中頻感應電爐中熔煉，熔煉過程中需注意經(jīng)常搗料，防止“搭橋”或結(jié)殼；當鐵液溫度達到1300℃時加入覆蓋劑進行保護熔煉，以防止氧化;爐料熔清后添加75硅鐵等調(diào)整化學成分至符合要求，鐵液溫度在1480℃時進行爐前取樣，采用ARL-直讀光譜儀檢測鐵液的化學成分并調(diào)整至符合要求，采用C408B型熱分析儀檢測鐵液的冷卻曲線、測量鐵液的最低過冷溫度；當鐵液成分合格、溫度為1500~1510℃時出爐進行球化、孕育處理。

每爐澆注3個附鑄試塊，在試塊根部25 cm高度上截取拉伸試樣、金相試樣和沖擊試樣。

2.3 爐前球化率檢測方法

熱分析法是利用冷卻曲線記錄金屬及其合金在凝固過程中相變效應的一種能量分析方法。鑄鐵熱分析技術(shù)的基本原理是利用熱分析儀記錄鐵液在特定樣杯中的冷卻曲線，然后根據(jù)冷卻曲線上特征值的變化來定量計算鐵液的化學成分和力學性能，定性評價鑄鐵的石墨形態(tài)，不僅能快速預報球化率，而且能同時檢測C、Si含量及鑄鐵的孕育效果、基體組織及力學性能等。本研究采用C408B型熱分析儀在線分析球化孕育處理后的鐵液凝固特性，可以在爐前3 min內(nèi)預測抗拉強度、球化級別、球化率等性能指標。

2.4 新型蓋包法球化處理

在熔煉高溫純凈鐵液、控制化學成分的基礎上采取合理有效的球化劑和球化處理工藝、孕育劑和孕育處理工藝等是保證鐵素體球鐵的常溫強度和-40℃時V型缺口沖擊值的重要技術(shù)保障。

(1)新型蓋包的研制。結(jié)合實際生產(chǎn)，為了便于擋渣和扒渣操作，采用茶壺澆包加蓋(圖4)的活動式蓋包進行球化處理，球化處理包的高徑比(H/D)大于1.2，以利于鎂和稀土元素的吸收。借鑒煉鋼過程中爐外吹氬的二次精煉工藝，在蓋包盤面上加裝吹氬通氣孔，以對包內(nèi)鐵液進行隔絕氧氣的吹氬保護。

圖4 新型球化處理包結(jié)構(gòu)圖

(2)球化孕育處理。在烘烤后的茶壺包遠離壺嘴的凹坑內(nèi)放入1.0%球化劑(5800球化劑：44%～48%Si、5.55%～6.15%Mg、0.8%～1.2%Ca、0.85%～1.15%RE、Al<1.0%，粒度為4～25mm)，球化劑上覆蓋0.6%的FeSi75，再覆蓋約3 mm厚的鐵屑。

出爐時鐵液流沖入澆包上蓋盆，通過底孔流入澆包內(nèi)堤壩沒有球化劑一側(cè)的凹坑內(nèi)，鐵液隨液面上升而流入有球化劑的凹坑內(nèi)，直至湮沒球化劑，出鐵完成后添加0.4%高鈣鋇孕育劑(72%～78%Si、1.0%～2.0%Ca、2.0%～3.0%Ba、Al<1.5%、粒度3～8 mm)進行浮硅孕育;澆注時采用0.1%的硫氧孕育劑(70%～76%Si、0.75%～1.25%Ca、1.5%～2.0%Ce、 0.75%～1.25%Al、S&O：<1.0%、粒度3～8 mm)進行隨流孕育。

2.5 澆注與打箱

鐵液澆注溫度控制在1350～1360℃，澆注時采用隨流孕育漏斗加入0.1%的硫氧孕育劑進行隨流孕育，澆注完畢在冒口上撒珍珠砂進行保溫，從球化開始到澆注完畢的時間控制在6min內(nèi)。當鑄件溫度降低至300℃以下時開始打箱。

3 結(jié)果與討論

3.1 成分、組織和性能

表4是采用以上制造技術(shù)生產(chǎn)的齒輪箱和抱軸承蓋鑄件的化學成分和力學性能，圖5是齒輪箱鑄件的金相組織。由表4和圖5可見，各爐鐵液Mn≤0.19%、P≤0.03%、S≤0.015%，高溫純凈的鐵液為生產(chǎn)-40℃時V型缺口沖擊功值≥12J的低溫鐵素體球鐵QT400-18LT提供了良好的前提條件；鑄件的抗拉強度、屈服強度和伸長率均符合指標要求，-40℃時V型缺口沖擊功值穩(wěn)定在12J以上;金相組織特征為：石墨球化級別2～3級，石墨球大小為5～7級，鐵素體含量≥95%，滲碳體+磷共晶<0.5%。

圖5 齒輪箱鑄件的金相組織

表4 抱軸承蓋和齒輪箱鑄件的化學成分和力學性能

3.2 斷口形貌微觀組織

從常溫拉伸試樣斷口形貌(圖6)和-40 ℃沖擊試樣斷口形貌(圖7)可見：

(1)拉伸斷口有將要脫落的石墨和較大較深的韌窩，石墨球因已脫離或保留在相匹配的對應斷口上而留下孔洞，石墨或石墨孔洞四周有密集分布的由韌窩組成的撕裂棱，撕裂棱呈封閉狀態(tài)，裂紋較難擴展到鄰近的石墨中去，同時石墨被鐵素體基體所包圍，因此在試樣斷裂前表現(xiàn)出充分的塑性變形。畸形石墨的尖端是裂紋首先形成并迅速割裂基體的斷裂源，而石墨球化率為90%～95%、畸形石墨相對較少，因此脫離鐵素體基體的石墨較少，從而在試樣斷口上留下少量較大較深的韌窩。

圖6 常溫拉伸斷口微觀形貌

圖7 低溫沖擊斷口微觀形貌

(2)沖擊斷口較平滑，而且有很多小亮點，說明韌性較差；沖擊斷口也有很多類似拉伸斷口的韌窩，不同之處在于拉伸斷口的韌窩是等軸韌窩且較大較深，沖擊斷口的韌窩是剪切韌窩且較小較淺；石墨或石墨孔洞也有撕裂棱，但撕裂棱邊緣相對拉伸斷口較暗，脫落石墨留下的孔洞也相對較淺；斷口上存在很多明顯可見的平面區(qū)域，說明基體的塑性變形不充分，裂紋擴展速度比拉伸斷口快。

3.3 退火熱處理工藝

通過采取精選爐料、優(yōu)化配料、新型蓋包法球化處理和瞬時孕育等熔煉處理技術(shù)措施以及低鎂低稀土球化劑、高鈣鋇孕育劑、硫氧孕育劑的應用，提高了鑄件石墨球化級別，增加了石墨球數(shù)量和凝固期間的石墨化膨脹效果，同時保證了基體組織為全鐵素體、不含碳化物和磷共晶，因此將900℃高溫退火處理改為低溫退火處理。低溫退火熱處理工藝為：進爐升溫至750℃，保溫6h，隨爐冷卻至600℃，出爐空冷。

3.4 鑄件及解剖驗證

生產(chǎn)的齒輪箱箱體和抱軸承蓋鑄件，用超聲波探傷儀探測鑄件，結(jié)果顯示內(nèi)部組織無明顯縮孔、夾渣缺陷，符合GB/T7233-1987標準中2級標準要求。對抱軸承蓋鑄件的解剖試塊，解剖結(jié)果證實所制定的鑄造工藝充分發(fā)揮了保溫冒口的液態(tài)補縮和球墨鑄鐵凝固期間的石墨化膨脹作用，從根本上消除了鑄件的縮孔縮松缺陷。

4 結(jié)論 (1)結(jié)合計算機數(shù)值模優(yōu)化鑄造工藝，采用小頸保溫冒口和保溫覆蓋劑加強補縮效果等鑄造工藝方案，充分利用球墨鑄鐵凝固期間的石墨化膨脹，可從根本上消除鑄件的縮孔縮松缺陷。

(2)通過精選爐料、優(yōu)化配料、爐前熱分析等熔煉處理技術(shù)，在中頻感應電爐中熔煉Mn≤0.12%、P≤0.03%、S≤0.013%、Ti≤0.031%、出爐溫度≥1500℃的高溫純凈鐵液是生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體基體、不含碳化物和磷共晶、材質(zhì)性能達到-40℃時V型缺口沖擊值≥12J的低溫鐵素體球鐵QT400-18L的前提條件。

(3)通過球化孕育處理工藝上的集成創(chuàng)新，采用新型蓋包法球化處理裝置和處理工藝、低鎂低稀土球化劑、高鈣鋇孕育劑、硫氧孕育劑等，在氣體保護條件下進行球化處理，可提高球化級別;采用瞬時孕育技術(shù)，可避免球化衰退，增加石墨球數(shù)量和石墨化膨脹效果;生產(chǎn)的鐵素體球鐵件金相組織可達到：球化級別2～3級，石墨大小5～7級，鐵素體含量≥95%，滲碳體+磷共晶<0.5%，-40℃低溫時V型缺口試樣沖擊值穩(wěn)定在12J以上。

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