QT400-18LT低温铁素体球墨铸铁的生产与研究

王 刚 李丙云 代正伟 李强

摘要：介绍了QT400-18LT低温球铁，3T中频感应电炉熔炼铁液，喂丝法球化处理的生产工艺。叙述了西门子地铁机壳，牵引端盖的力学性能，化学成分的严格控制，熔炼过程的控制，球化处理的控制，以及生产中改进措施后质量稳定的过程。

关键词：球墨铸铁 低温铁素体 冲击功

西门子地铁机壳，牵引端盖是我们新泺公司生产的两种新产品，铸件质量290kg左右，由于高速铁路逐步向高寒地区发展，有时甚至要在-40℃的环境中工作，使用条件十分恶劣，因此对这两种铸件除了要有常温的抗拉强度，延伸率，硬度要求外，还要有良好的低温性能，要求冲击功≥12J，生产上具有一定的难度，对原材料，过程控制等都提出了新的更高的要求。

一、铸件的结构及技术要求

1.铸件的结构见图1.北京地铁机壳，图2.牵引端盖。

2.技术要求见表1.材料牌号QT400-18LT，主要壁厚＜20mm.

材料牌号	相应壁厚/mm	抗拉强度/mpa	伸长率（%）	低温冲击韧度/J-40℃	球化级别	机体组织
QT400-18LT	≤20mm	≥400	≥18	≥12J	不低于3级	铁素体

表1

二、过程控制
1.化成分的选择

化学成分的选择是生产低温球墨铸铁的关键，直接影响铸件的金相组织和物理性能，我们深入研究了各种化学元素，在低温球铁中的作用，通过多次试验得出各种化学成分合适的范围并加以控制。

Si是首要控制的元素，因为Si能显著的提高抗拉强度，同时又显著降低低温冲击性能，要保证高的冲击韧度必须严格控制Si的含量上限。

Mn能促进珠光体的产生，低温球墨铸铁要求铁素体体积份数达到95%以上，接近100%。所以，要尽量降低Mn的含量。

P、S对低温球铁有害无益，也应尽量降低。

球墨铸铁往往以铸造性能选择CE，为了获得收缩与白口倾向最小，流动性最好的铸件，将球墨铸铁的CE定制在共晶点上无疑是最好的选择。但球墨铸铁的共晶点，不是固定在4.3%，而是动态的，随铸件壁厚的大小，残余Mg的高低，孕育效果的好坏，浇注温度的高低而变动。经过多次实验确定本公司这两种产品的最佳CE为4.42%左右，由于Si量受限，以前选择C偏低，产品有缩松现象，现在选择原铁水C为3.83%左右，考虑球化处理后0.1%的烧损，加上终硅2.2%，CE大致在4.42%左右，缩松现象基本消除了。

化学成分的控制见表2

	C	Si	Mn	P	S	Mg
原铁液	3.82±0.05	1.4~1.6	≤0.12	≤0.03	≤0.02	-
终成分	3.6~3.8	2.0~2.3	≤0.12	≤0.03	≤0.02	0.035~0.045

表2

2.原材料的控制

炉料采用高纯生铁和高质量的低锰碳素钢。

由于国家对影响高速列车安全隐患或失效的轨道零部件实行零容忍，这也是为确保高速列车的安全行驶和乘客的人身安全，所以，轨道产品质量必须稳定，铸件质量的好坏与原材料息息相关。结合本公司的两种产品性能要求至少有以下几项与高纯生铁有关。

①球化率＞90%以上，对炉料中S量和反球化元素含量严格控制。

②-40℃左右的低温冲击功≥12J，这就要求生铁中Mn、P的含量控制在一个很低的范围。

③夹杂物的严格要求使得必须采用高纯生铁的质量稳定性。

4、高性能球化剂主要有镁系、稀土镁硅系 、复合（稀土镁硅+钙、钡等）球化剂，本公司选用于喂丝球化处理的喂丝线。

高性能球化剂主要有：

⑴钇基重稀土球化剂：该球化剂有脱硫、脱氧、球化和抗球化衰退能力强，细化机体组织，白口倾向小，适用范围宽等特点，特别在高炉冷却壁、轧辊、曲轴、大断面球铁等关键铸件上效果明显，芯部性能达到国际标准。

⑵稀土镁球化剂：能够促进石墨球状化，使石墨球生成或增加，球化剂元素能够与硫、氧和碳有较强亲和力，减少铁水中的硫和氧。

硅锶孕育剂 ：硅锶孕育剂适用于灰铸铁和球墨铸铁，灰铸铁在应用中减少白口的同时，不会像其它孕育剂那样大量的增加共晶团数，并可减少铸件的缩孔、缩松的缺陷，较适合薄壁铸件孕育。球墨铸铁在应用中，由于锶元素大分子结构所带来较多石墨球数，因此更有利于缺少稀土元素的球墨铸铁进行孕育。

3. 生产设备

采用树脂砂造型，3T感应中频电炉熔炼，喂丝法球化处理。

喂丝球化处理是将一定成分，一定粒度的球化剂，经卷线设备，包裹在一定厚度和宽度的钢皮内，制成适当强度和填充率的电缆状包芯线卷，然后用喂丝设备，在带有包盖的处理包中以一定的速度喂入铁液中，从而实现球化处理的一种新工艺。其实质是以喂丝的方式，将以钢皮为载体的球化剂包芯线慢慢插入处理包内铁液中，直至铁液底部实现球化剂的加入过程。喂丝量一般和铁水的温度，含S量，要求的残余Mn量有关。具有Mg吸收率高，球化等级高，球化稳定性好，操作方便等特点，特别是增Si少，这对于低温球墨铸铁获得高的冲击韧性十分有利。

本公司处理包的高度为1.2m，包盖高度为0.3m，考虑到芯线前端一般有0.3m的烧损，而喂丝球化要求包芯到达包底起爆最佳，所以理想起爆为芯线进入包盖上表面以下1.8m，结合多次的实验。本厂产品喂丝速度控制为18m/min，喂丝系数为6.8。

4.熔炼工艺

在炉内加入80%的高纯生铁，20%的低锰废钢，用增碳剂，碳化硅，硅铁调整铁液成分。送电熔化，注意不要产生棚料，尽量保证铁液冶金核心的原始数量。不能因局部过热，使异质核心减少。当炉内温度达到1400℃左右时，取光谱和热分析仪。调整成分和出晶温度合格。当炉内温度达到1520~1530℃时，保温过热5分钟，然后扒干净渣。由于喂丝处理温度一般高于铸件浇注温度110~120℃左右。铸件的浇注温度，为1390±10℃，所以保证出炉后包内铁水温度在1500℃左右，将铁水包转至喂丝机处，球化处理，处理数据见图3。

注意：喂丝球化的同时，孕育0.7%的高Ba长效孕育剂。

球化完毕，至少扒2次渣，直至扒净，炉前取光谱，三角试片，热分析仪取再辉度，然后转浇注。

5.要求球化处理后，9分钟内,浇完，浇注时，挡好渣，随流孕育0.1%的高Ba孕育剂，浇注完毕， 图4

在砂箱上注明浇注时间。浇注见图4。

6.生产结果

炉前三角试片断口呈银白色，两侧有一定的凹陷。中间有明显的缩松，炉前热分析仪测得球化后数据，共晶度为1.000，再辉度为0.0，见图5，光谱残余Mg见图6。

公司理化室化验力学性能见表3，金相组织见图7。

铸件名称	抗拉强度/mpa	伸长率%	低温冲击功J	球化级别	基本组织
地铁机壳	442	22	15	2	铁素体

表3

三、几个问题的说明

1.共晶成分的球铁，缩松最小，但在过共晶成分中，缩孔缩松的体积，随着含C量的提高而增大，主要原因是在共晶成分时，共晶凝固析出的石墨达到最大值。本公司这两种产品由于Si量的限制，C+1/3的终硅达到4.42刚好，不要再盲目增加C量。

2.生产中加强孕育处理，可以使石墨球更圆整，C含量一定的情况下，球化率和石墨球数对冲击韧性影响显著。圆整的石墨球可以改善冲击韧性，石墨球体积份数和球数的增加，均可使脆性下降，冲击吸收能量提高。现场只保留高Ba孕育剂一种。球化时孕育的粒度较大，随流孕育拉度较细小。

3.3T电炉尽量快熔快出，谨防熔炼后期气体含量回升，元素烧损增加。

4.含S量尽量低＜0.02%，但也不宜过低，当S＜0.008时，球化时孕育处理效果不佳，易出现渗碳体。

四、结束语

通过降低Si、Mn，严格控制原材料和化学成分，尽量使球化后达到共晶成分，熔炼，喂丝注重细节，生产的产品低温冲击值有了很大的提高，缩松也基本消除了，取得了预期的效果，成功生产出了铸态条件下满足客户性能要求的低温球墨铸铁，但是仍有很多方面需要改善，笔者相信，只要我们团结一心，不断向精品化迈进，就一定能生产出更多的优质产品。

参考文献

1. 中国机械工程学会铸造专业学会，铸造手册（第5卷）

【M】北京，机械工业出版社，1994

2. 柏海峰，刘金海耐低温冲击风电球铁件铸件的生产工艺要点，现代铸铁2010（03）51~55

3. 丁建中，赵金权，丁杰等，低温铁素体铸铁的生产与研究，现代铸铁2015（02）32~36

作者简介：王刚（1980、11-），男，山东泰安人，工程师，从事铸铁工艺开发工作。