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：球墨铸铁；废钢；生产技术
前言
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/T32247-2015《低温铁素体球墨铸铁件》和行业标准ZXB/T0102-01-2014《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。
1化学成分设计
碳当量过低，铁液流动性降低，不利于石墨析出和铸件的自补缩。碳当量过高，铸件易出现石墨漂浮现象。碳含量高，可以增加石墨球数量，降低白口倾向，还可减小残余应力，有利于防止铸件变形及开裂。控制碳含量范围在3.5%～3.9%。硅可促进石墨化，强化铁素体，同时提升球墨铸铁的脆性转变温度。控制硅在2.0%～2.3%。锰促进碳化物的形成。少量锰可以作为合金元素而强化基体，但对冲击韧度和脆性转变温度有不利的影响。此外，锰易偏析，过量的锰易形成网状碳化物，分布于共晶团边界，降低铸件力学性能。硫是反石墨球化元素。加入的硫含量太高，消耗的球化元素就多，造成球化不良。为获得球化良好、组织致密的铸件，原铁液的硫含量控制在≤0.02%最佳。磷一般随炉料进入铁液。磷不影响球化，却是有害元素。当磷含量超过一定值，易形成磷共晶偏析于共晶团边界，恶化铸件力学性能。随铸件壁厚增加，磷的偏析倾向加剧。此外，磷含量高，铸件易出现冷裂现象，同时加剧铸件形成缩孔、缩松等缺陷的倾向[8]。为此，磷应控制在≤0.04%为宜。球墨铸铁中含有适量的残留镁和稀土才能获得理想的球化效果[9]。残留镁量过低，石墨球圆整度变差。残留镁量过高，铁液形成缩松的倾向增大、夹渣增多。稀土是反石墨化元素。稀土可以脱氧、去硫，净化铁液。残留稀土过高，会出现碎块状石墨、提高铁液过冷倾向，从而降低铸件力学性能。
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12J，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1420℃时，取样做炉前分析，并及时进行成分调整。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当铁液温度高于1450℃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1530～1550℃，以保证铁液纯净度。
3 熔炼浇注
合格的铁液是生产高质量球铁件的首要环节，因此必须严格控制整个熔炼浇注过程。
3.1 熔炼
生铁选用低硅、低锰、低硫的优质生铁，占总炉料的80%。废钢选用来源稳定、成分种类单一的碳素废钢，占总炉料的20%。增碳剂选用低硫增碳剂。熔炼在中频感应炉中进行。铁液熔清后，扒渣、微调成分之后升温至1500～1530℃保温5～10min，以消除原料遗传性的影响。在适宜的温度范围内合炉，然后在炉中自然降温，扒渣出炉、合包。出炉温度控制在1420～1460℃左右。出炉前，在包内放入块度合适的硅钡，并尽可能缩短铁液在包内的停留时间。
3.2 喂线法
球化及孕育处理喂线法球化处理是一种新型球化处理方法，在球墨铸铁生产中获得了广泛应用。相对于冲入法球化处理，喂线法球化处理具有一系列优点：改善现场工作环境；合金加入量少，降低生产成本；自动化作业，降低工人劳动强度；可稳定控制残镁量；温度损失小；元素烧损率低、渣量少，球化质量稳定。要求多包铁液同时处理，尽可能地缩小不同浇包间铁液的温度差。球化包芯线选用直径13mm的高镁型球化线。孕育包芯线选用直径13mm的硅铁合金孕育线。球化处理后铁液表面覆盖适量草木灰以集渣、保温，随后扒渣。厚大球墨铸铁件由于铁液量大，孕育衰退是普遍存在的问题，解决此类问题的关键是选择合适的孕育处理方法。平台生产采用复合强化孕育处理工艺。多次孕育尤其后期孕育，可以明显改善铸件抗孕育衰退能力。
3.3 浇注
浇口箱选用堤坝式浇口箱，一方面搅拌铁液以便于铁液内部的浮渣充分上浮，另一方面可以过滤掉大部分氧化渣。在浇口箱内预先放置经过烘烤的足量、块度合适的硅铁孕育块，以便延缓衰退时间。从球化结束至浇包最终处于待浇注状态的时间间隔应尽可能地缩短，总时间控制在25min以内。浇注温度过高，易出现缩孔、缩松、粘砂等缺陷。浇注温度过低，铁液流程长，流动性变差，易出现浇不足、冷隔等缺陷。浇注温度控制在1330～1360℃之间。浇注时，要确保浇口箱始终被铁液充满，便于浮渣上浮至铁液表面而避免冲入型腔。浇注过程中坚持“慢-快-慢”的原则，尽可能降低高温铁液与大气的接触时间，降低氧化渣生成量。浇注末期要对浇口箱补交多次，抵消平台的液态补缩量，防止铸件出现缩孔及缩松等缺陷。
4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＜0.03%、硫＜0.02%、钛＜0.03%）。（2）严格按照化学成分要求进行配比控制，以达到QT400-18AL（-40℃、-50℃、-60℃）材料的强度、冲击性能要求。（3）球化孕育过程对铁液质量起着至关重要的作用，必须按要求进行操作，使残余镁含量保持在低标准。（4）热处理工艺是保证QT400-18AL(-60～-40℃)铸件综合力学性能的关键，必须做好热处理过程控制。
参考文献
[1]陈维平，柳哲，邓宇，等.厚大断面球墨铸铁件凝固过程物理模拟装置的研制[J].铸造，2011，60（8）：775-778
[2]陆国庆.增碳剂对球墨铸铁的孕育作用[J].铸造，2015（1）：65-68.
论文作者:曹雷
论文发表刊物:《基层建设》2019年第20期
论文发表时间:2019/9/20
标签：铸件论文; 球墨铸铁论文; 石墨论文; 温度论文; 低温论文; 浇口论文; 元素论文; 《基层建设》2019年第20期论文;