PDF《轨道交通用超低温球墨铸铁生产工艺》

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68 No.1

2019 60 工艺技术 轨道交通用超低温球墨铸铁生产工艺 杨忠耀1 ,杨金铭1 ,孙清洲2 ,周志强3 (1. 莱州新忠耀机械有限公司,山东烟台 261400;

2. 山东建筑大学材料科学与工程学院,山东济南 250101;

3. 中车永济电机有限公司,山西永济 044500) 摘要:通过对低温(-20℃、-40℃、-50℃、-60℃)球墨铸铁生产工艺进行系统的分析,对 各工序提出了具体的控制措施.通过合理的化学成分配比及原辅材料选择,精细化熔炼及球 化孕育控制,热处理工艺制定,提高了低温球墨铸铁QT400-18AL(-60 ℃)的力学性能,满 足了轨道交通、风电、核电、南北极开发等领域高端装备制造业的需求. 关键词:低温球墨铸铁;

化学成分;

熔炼控制;

热处理;

轨道交通 作者简介: 杨忠耀(1964-), 男, 高级工程师,主要从事铸 造材料开发及工艺设计工 作.

电话:13906451072, E - m a i l : z h o n g y a o @ chinazhongyao.com 中图分类号:TG255 文献标识码:B 文章编号: 1001-4977 (2019 ) 01-0060-03 收稿日期: 2018-09-10 收到初稿, 2018-11-21 收到修订稿. 低温球墨铸铁材料已广泛应用于轨道交通、海洋石油机械、船舶、风电、核电、南北极开发等高端装备制造领域.随着轨道交通、风电、核电等领域的快速发 展,对于球墨铸铁低温性能要求越来越高,QT400-18AL(-40 ℃、-50 ℃、-60 ℃) 低温材料标准已被列入国家标准GB/T 32247-2015《低温铁素体球墨铸铁件》和行业 标准ZXB/T 0102-01-2014《轨道交通用低温铁素体球墨铸铁件》.利用低温球墨铸 铁材料研制的轨道交通产品(牵引电机壳体、电机端盖、转子压板、轴箱、齿轮箱 体、轴承盖等)已应用于多条地铁线路,并大批量装备到和谐号及复兴号标准动车 组,应用效果良好.QT400-18AL(-60 ℃)材料已应用于中车312A等项目,及"中 国至俄罗斯"、"莫斯科至喀山"的项目生产中.典型铸件见图1. 1? 化学成分的配比控制 1.1? 确定化学成分 化学成分的确定遵循以下原则: (1)碳含量以不出现石墨漂浮体和白口为上下限,并且要保证完全球化. (2)硅是强烈促进石墨化的元素,有利于提高铁素体含量,但硅量的增加会导 致球铁的低温冲击性能降低.Si含量每提高0.1%,脆性转变温度就提高5.5~6 ℃. 但硅含量过低会影响铸件强度,可以通过添加镍来解决降低Si含量带来的强度不足问 题. (3)锰对球铁的冲击韧性和脆性转变温度都有特别不利的影响,每提高0.1%的 锰含量,球铁的脆性转变温度就提高10~12 ℃,一般锰含量不得大于0.2%. (4)磷含量过高易形成磷共晶,严重恶化韧性和塑性[1] ,因此磷含量应该控制 在0.03%以下. (5)硫含量过高会影响球化效果,因此硫含量应小于0.015%. 通过对球墨铸铁化学成分的分析及生产经验总结,生产中控制QT400-18AL (-60 ℃)低温铸件球化后的化学成分如下: C:3.50%~3.80%,Si:1.9%~2.25%,Mg:0.03%~0.05%,Mn≤0.20%, 工艺技术 2019年?第1期/第68卷61 P≤0.03%,S≤0.015%.根据性能要求加入一定数量的 Ni以增加强度,其他微量元素尽量保持在低标准. 1.2? 原辅料的选择及控制 1.2.1 原材料选择控制 (1)生铁―应选用高纯生铁,因高纯生铁碳含量 高,硅、锰、磷、硫及其他微量元素等相对较低. (2)废钢―应选用含合金元素较低的废钢. (3)增碳剂―选用易吸收的低硫增碳剂[2] ,收得 率技术要求C≥90%,S≤0.25%. 1.2.2 熔炼过程中化学成分控制 (1)炉料按配料单要求过磅称重. (2)铁液出炉前进行成分化验(光谱分析),严 格按炉前化学成分要求执行. (3)球化剂、孕育剂及覆盖球铁板按要求准确称 重. 2? 熔炼过程中的控制要素 2.1? 配料控制 为保证产品韧性,铸件低温时冲击功不低于12 J, 而且基体组织必须保证尽量接近100%铁素体,所以 配料要避免杂质及其他合金元素的混入,以免影响铸 件中铁素体含量,避免珠光体的产生.因此配料时应 多选用高纯生铁(高纯生铁含杂质及其他合金元素 少),尽量少使用废钢和回炉料(避免杂质或其他合 金元素混入),化学成分计算要准确.因熔炼过程存 在烧损,需要在熔化过程中实时进行调整,因此要保 留适当调整空间. 2.2? 熔炼控制 熔炼过程要保证快速熔化,避免长时间熔化而发 生氧化,不要出现棚料,避免成分不均匀,注意操作 细节. 2.3? 炉前分析调整 当铁液温度高于1

420 ℃时,取样做炉前分析,并 及时进行成分调整.当铁液温度高于1

450 ℃时(接近 出炉温度),取样做光谱分析,根据分析结果继续做 调整成分. 2.4? 出炉控制 快速升温至出炉温度后,扒净浮渣,避免浮渣随 铁液进入产品,控制出炉温度为1 530~1

550 ℃,以保 证铁液纯净度. 3? 球化过程中的保证 3.1? 球化剂的选用 选用低镁低稀土球化剂,而且要求氧化镁的含量 不高于0.7%. 3.2? 球化剂控制 球化剂粒度:3~20 mm. 球化剂加入量:1.15%~1.25%. 残余镁含量:0.036%~0.050%. 3.3? 球化包修包要求 球化包包底修成凹坑式,保证合适的大小及深 度,其高度与直径比大于2为佳. 3.4? 球化过程控制 球化剂放入包底凹坑中,扒平捣实,并均匀覆 盖孕育剂,在其上方覆盖薄球铁板.球化出铁液时, 避免铁液直冲球化剂.控制出铁液速度,保持先快后 慢.1 t铁液球化控制时间在90 s左右,球化完毕后保证 (a) 齿轮箱体(-50~-20 ℃) (b) 电机端盖(-40 ℃) (c) 缸盖、闸瓦托、左右轴箱(-40 ℃) (d) 电机机座(-50 ℃) 图1 轨道交通用典型低温球墨铸铁件 Fig.

1 Typical low temperature ductile iron castings for rail transit Vol.68 No.1

2019 62 工艺技术 在15 min之内浇注完成. 4? 出炉孕育保证球化率 4.1? 孕育剂的选用 在以硅铁为基础的孕育剂中加入少量的钙、钡等 元素,而且适当增加了钡含量,同时在随流孕育剂中 补加微量的铋,有助于避免孕育衰退,同时增加石墨 球数. 4.2? 控制孕育剂加入量 孕育剂的加入量应尽量控制在上限,但不能出现 孕育过剩,一般控制在1.10%~1.20%之间. 4.3? 加大瞬时孕育剂加入量 瞬时(随流)孕育剂加入量在0.10%~0.20%之间,以保证孕育效果. 5? 热处理工艺曲线的选择 为保证QT400-18AL(-60 ℃)基体铁素体含量 100%,需将基体中存有的少量珠光体全部转化为铁素 体,因此必须进行热处理.通过大量生产试验验证, 得出900~920 ℃高温热处理后连续冷却,铸件的抗拉 强度≥425 MPa,冲击吸收功在12~14 J之间,伸长率 ≥22%,满足了力学性能要求. 6? 结论 (1)必须选用高纯生铁,生铁中磷、硫、钛等有 害元素含量控制在低标准(磷