QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料研究及應(yīng)用

■ 趙陽(yáng)，孫新明，李亞文

隨著高鐵、風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展,人們對(duì)球墨鑄鐵鑄件低溫沖擊性能指標(biāo)要求越來(lái)越高，QT400-18AL（-20℃）低溫球墨鑄鐵材料已被各國(guó)列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。QT400-18AL（-40℃）低溫球墨鑄鐵材料在近幾年內(nèi)也越來(lái)越多被引用到產(chǎn)品要求內(nèi)，國(guó)內(nèi)也有部分鑄造廠家能夠生產(chǎn)此材料要求的鑄件。隨著產(chǎn)品的發(fā)展，QT400-18AL（-50℃）低溫球墨鑄鐵材料的研究和應(yīng)用也逐漸成為鑄造行業(yè)技術(shù)攻關(guān)的主要課題之一。

生產(chǎn)QT400-18AL(-50℃)低溫沖擊材料,在保證抗拉強(qiáng)度≥400MPa、屈服強(qiáng)度≥250MPa、伸長(zhǎng)率≥18%達(dá)到要求的前提下進(jìn)行-50℃(-52℃保溫10min以上）低溫沖擊試驗(yàn)，要求三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)夏比試樣沖擊吸收能量平均值KV≥12J，單個(gè)試樣沖擊吸收能量KV≥9J。若想得到較高的沖擊吸收能量，材料必須是合適的化學(xué)成分、較好的球化等級(jí)、較多的石墨球數(shù)、較高的鐵素體含量及伸長(zhǎng)率。

一、化學(xué)成分的選擇與控制

化學(xué)成分的選擇與控制是生產(chǎn)QT400-18AL(-50℃)低溫沖擊材料鑄件關(guān)鍵點(diǎn)之一，化學(xué)成分直接影響鑄件的金相組織及物理性能，因此我們深入研究了各種化學(xué)元素在球墨鑄鐵中的作用，通過(guò)試驗(yàn)找出了高性能指標(biāo)相應(yīng)各種化學(xué)元素的合適范圍并加以控制。

1. 化學(xué)成分的選擇確定

結(jié)合各元素的作用和國(guó)內(nèi)外原材料狀況以及生產(chǎn)QT400-18AL（-40℃）低溫沖擊鑄件的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定生產(chǎn)QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊鑄件的化學(xué)成分范圍。

（1）進(jìn)一步驗(yàn)證Si元素的重要作用，Si含量的高低直接影響抗拉強(qiáng)度、沖擊值的大小；從試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，若想進(jìn)一步提高沖擊值指標(biāo)，必須繼續(xù)降低Si含量，但降Si已無(wú)法滿足強(qiáng)度要求。我們通過(guò)加大鎳含量方法，解決了降低Si含量帶來(lái)的強(qiáng)度不足問(wèn)題。

（2）結(jié)合我公司生產(chǎn)過(guò)程中化學(xué)成分控制能力，控制QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊鑄件球化反應(yīng)后化學(xué)成分如下：wC＝3.50%～3.80%，wSi＝2.05%～2.15%，wMg＝0.38%～0.54%，wRE＝0.005%～0.009%，wNi＝0.77%～0.83%，wMn≤0.10%，wP≤0.028%，wS≤0.015%，wTi≤0.018%，wCr≤0.023%，其他微量元素越低越好。

2. 化學(xué)成分的控制

（1）原材料控制 ①生鐵。選用C高，Si、Mn、P、S較低，Ti、Cr、Sn、Sb、Pb等微量元素足夠低的高純生鐵。②廢鋼。選用含合金元素較低的Q235廢鋼。③增碳劑。選用低S易吸收的增碳劑，收得率要求C≥90%、S≤0.3%。

（2）熔煉過(guò)程中化學(xué)成分控制 ①嚴(yán)格按配料單檢重量，配料有記錄和可追溯性。②嚴(yán)格按鐵液出爐前化學(xué)成分要求執(zhí)行，化學(xué)成分不符合要求的鐵液不允許出爐。

生產(chǎn)QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊鑄件球化反應(yīng)前化學(xué)成分要求：wC＝3.92%～3.98%，wSi＝0.68%～0.72%， wNi＝0.77%～0.83%，wMn≤0.10%，wP≤0.028%，wS≤0.015%，wTi≤0.018%，wCr≤0.023%，其他微量元素越低越好。

（3）不僅球化劑、孕育劑要稱重準(zhǔn)確，而且覆蓋球化劑鋼片稱重要求±1kg，出鐵稱重要求±10kg。

合理的化學(xué)成分確定與控制是本項(xiàng)目的首要環(huán)節(jié)、必要條件，本項(xiàng)目的另一重要條件是必須有良好的球化效果。

二、熔煉控制

獲得優(yōu)質(zhì)鐵液是良好球化效果的基礎(chǔ)。所謂優(yōu)質(zhì)鐵液就是在保證鐵液純凈度的前提下，盡量保證熔液冶金核心原始數(shù)量 ，使大量異質(zhì)核心得到保持，并保證合適化學(xué)成分、鐵液出爐溫度。生產(chǎn)QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料鑄件在熔煉控制中應(yīng)關(guān)注以下幾點(diǎn)。

1. 配料

配料時(shí)多使用原生鐵，少使用廢鋼、回爐料，計(jì)算時(shí)盡量接近理想化學(xué)成分，留有少量微調(diào)空間。多加原生鐵的目的是保證原始石墨核心數(shù)量，同時(shí)減少增碳劑加入量（減少增硫）。

2. 送電熔化

大電流快速熔化，時(shí)刻關(guān)注爐料下落情況，不要出現(xiàn)棚料而產(chǎn)生鐵液局部過(guò)熱。鐵液過(guò)熱使異質(zhì)核心消失，減少球化反應(yīng)后石墨球數(shù)量，影響球化效果。

3. 取樣分析及調(diào)整

鐵液溫度升至1400～1430℃時(shí)取樣做爐前分析，鐵液溫度升至1420～1450℃時(shí)取樣做爐前光譜分析，成分不合格時(shí)需調(diào)整至合格。

4. 鐵液出爐

大電流送電、快速升溫至出爐溫度，將鐵液表面浮渣扒凈，然后出爐。我公司鐵液出爐溫度為1525～1535℃，與其他公司生產(chǎn)低溫沖擊球墨鑄鐵件不同，鐵液達(dá)到出爐溫度后馬上出爐，不采用5～10min凈化處理。其原因如下：

（1）電爐出鐵采用出鐵槽導(dǎo)流，出鐵槽多降溫5～10℃，出爐溫度應(yīng)提高5～10℃用來(lái)彌補(bǔ)出鐵槽降溫。

（2）爐料熔化后隨著溫度升高開(kāi)始出氣凈化，當(dāng)升溫到1500℃以上時(shí)開(kāi)始吸氣氧化，原始異質(zhì)核心逐漸消失，鐵液過(guò)冷度逐漸增大。為保證球化反應(yīng)后石墨球數(shù)量，必須保證球化反應(yīng)前鐵液中原始核心數(shù)量。

球墨鑄鐵件熔化設(shè)備為1臺(tái)3t/h電爐和1臺(tái)1.5t/h電爐。3t/h電爐生產(chǎn)為每爐2包出鐵球化，鐵液達(dá)到出爐溫度時(shí)停電開(kāi)始出第一包，待第一包鐵液球化反應(yīng)結(jié)束、扒渣完畢、鐵液吊走后繼續(xù)送電，當(dāng)鐵液溫度達(dá)到出爐要求時(shí)，開(kāi)始出第二包鐵液。我們對(duì)第一包、第二包鐵液所澆試塊抗拉強(qiáng)度進(jìn)行比較，QT500-7材質(zhì)取200組數(shù)據(jù)，第一包數(shù)據(jù)平均值比第二包數(shù)據(jù)平均值高22.6MPa；QT400-18AL材質(zhì)取200組數(shù)據(jù)，第一包數(shù)據(jù)平均值比第二包數(shù)據(jù)平均值高8.2MPa，因此我公司要求鐵液快速升溫、快速出爐，3t/h電爐第二包鐵液不能生產(chǎn)球墨鑄鐵低溫沖擊鑄件。

（3）鐵液出爐溫度高有利于球化反應(yīng)渣上浮，有利于球化反應(yīng)后鐵液凈化。

與其他公司不同，我公司采用出鐵槽導(dǎo)流出鐵：①防止鐵液直沖球化劑，保證球化反應(yīng)平穩(wěn)。②保證了出鐵重量的準(zhǔn)確性，減少成分波動(dòng)。

三、球化處理

1. 球化劑種類

考慮到球化反應(yīng)的穩(wěn)定性與稀土元素會(huì)降低低溫沖擊值的特性，我們選用了特制的低鎂低稀土球化劑，而且要求氧化鎂的含量要≤0.8%。

2. 球化劑粒度與加入量

球化劑粒度：3～20mm。

球化劑加入量：1.15%～1.2%（鐵液S含量高、出爐溫度高、球化鐵液量少時(shí)按上限加入）。

由于球化劑中鎂為強(qiáng)烈促使白口化元素，直接影響球化等級(jí)、強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率與低溫沖擊吸收能量，因此將殘鎂量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）控制在0.038%～0.056%。

3. 球化包要求

球化包底修成凹坑式，凹坑大小、深度要合適，球化包高度與直徑比應(yīng)≥1.8。其目的一是提高鎂的吸收率，二是保證球化反應(yīng)的穩(wěn)定性。

4. 球化劑加入方法及出鐵

球化劑加在包底凹坑內(nèi)、扒平，特殊情況鐵液出爐溫度高時(shí)要搗實(shí)。球化劑上均勻覆蓋孕育劑，然后再均勻覆蓋薄鋼片（或潔凈無(wú)銹球墨鑄鐵末），薄鋼片要稱重，1.5t球化包覆蓋薄鋼片重量為13～15kg，2t球化包覆蓋薄鋼片重量為18～20kg。出鐵時(shí)不要直沖球化劑，開(kāi)始時(shí)盡量快速將鐵液出到球化包內(nèi)，最后時(shí)減慢出鐵速度。

5. 球化反應(yīng)

（1）球化反應(yīng)時(shí)間為70～120s。

（2）盡量將鑄型擺放在電爐附近，以縮短球化反應(yīng)后鐵液運(yùn)輸及澆注時(shí)間；若必須將鑄型放在遠(yuǎn)離電爐處，鑄型附近可設(shè)置扒渣場(chǎng)，鐵液快速出爐后直接吊到扒渣場(chǎng)扒渣。鐵液表面及包沿浮渣應(yīng)徹底清理干凈后再開(kāi)始澆注。球化反應(yīng)完畢到澆注結(jié)束不能超過(guò)12min。

四、強(qiáng)化孕育處理

孕育處理是本項(xiàng)目又一重要環(huán)節(jié)，直接影響球化等級(jí)、伸長(zhǎng)率，最終影響沖擊性能。提高孕育效果的具體措施主要有以下幾個(gè)方面。

1. 選擇強(qiáng)效孕育劑

為提高孕育抗衰退性，強(qiáng)化孕育效果，增加球化反應(yīng)后石墨球數(shù)，提高球化等級(jí)及伸長(zhǎng)率；我們?cè)谝怨梃F為基礎(chǔ)的孕育劑中加入少量的Al、Ca、Ce、Sr、Ba等元素，而且適當(dāng)增加了鋇含量(考慮鋇抗孕育衰退的作用)。同時(shí)又考慮到Bi具有增加石墨球數(shù)量的作用，我們?cè)陔S流孕育劑中補(bǔ)加了微量Bi。

2. 加大球化孕育劑加入量

在保證未孕育過(guò)剩前提下，盡量降低球化反應(yīng)前化學(xué)成分硅含量，加大球化反應(yīng)孕育劑加入量，控制在1.1%～1.2%。具體加入方法為：0.25%硅鋇孕育劑加在球化包底，均勻覆蓋在球化劑上；0.15%高硅鋇孕育劑作為預(yù)處理劑放在包底鐵液直沖處；其余球化反應(yīng)孕育劑加在出鐵槽漏斗內(nèi)，當(dāng)鐵液出到2/3～3/4時(shí)，出鐵槽漏斗加入。

3. 加大隨流孕育劑（瞬時(shí)孕育）加入量

盡量縮短孕育至凝固時(shí)間，在加大球化反應(yīng)孕育劑量的同時(shí)，增加隨流孕育劑加入量，這是因?yàn)樗性杏齽┑脑杏Ч荚趧偧尤胨查g為最大。隨流孕育劑加入量為0.13%～0.23%，澆注鑄件時(shí)加在澆包包嘴鐵液表面，漏斗加入，用漏斗孔直徑大小來(lái)控制加入量。

4. 控制鐵液S含量

根據(jù)球化反應(yīng)前鐵液S含量的高低選用不同隨流孕育劑。

S含量控制：球化反應(yīng)前鐵液S含量越低越好，但S低影響孕育效果，減少球化反應(yīng)后石墨球數(shù)。我們采取的辦法是當(dāng)原鐵液S含量較高時(shí)（球化反應(yīng)前wS≥0.015%時(shí)）隨流孕育使用普通硅鋇孕育劑（含微量鉍）；當(dāng)原鐵液wS＜0.015%時(shí)，球化后補(bǔ)加一定的硫量，隨流孕育劑使用S-O孕育劑。

保證球化反應(yīng)后鐵液應(yīng)有必要的含S量，過(guò)低的含S量不利于提高石墨球數(shù)，其原因是各種硫化物是球墨核心的原始基底，過(guò)低的S量勢(shì)必減少RES、MgS生成物，使石墨球數(shù)減少。因此，在球化后鐵液中S含量過(guò)低時(shí)，我們使用S-O孕育劑，添加一定量的S、O非金屬組分，以補(bǔ)充原球墨鑄鐵液中為獲得大量核心所需要的S、O不足量。

五、如何增加石墨球數(shù)及工藝設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

球化反應(yīng)后石墨球數(shù)多有利于提高各項(xiàng)性能指標(biāo)，自身補(bǔ)縮能力加強(qiáng)，減少鑄件縮松、縮孔傾向，球化后石墨球數(shù)的多少直接反映了熔煉控制水平。鑄件本體取樣，意味著要求鑄件零鑄造缺陷；金相異形石墨、氧化夾雜、微觀縮松、氣孔縮孔等都會(huì)成為斷裂源，影響性能指標(biāo)。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)表明：金相組織石墨球大小6～8級(jí)、石墨球數(shù)≥130個(gè)，才能滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。石墨球直徑增大，相應(yīng)石墨球數(shù)量減少（我們通過(guò)取鑄件未加冷鐵、壁厚≥50mm處和熱節(jié)處金相發(fā)現(xiàn)），石墨球數(shù)90～130個(gè)，滿足國(guó)標(biāo) GBT1348—2009、歐標(biāo) EN1369—2003要求，但根本達(dá)不到QT400-18AL（-40～-60℃）低溫沖擊材料所要求的性能指標(biāo)。

綜上所述，歸納生產(chǎn)QT400-18AL（-40～-60℃）低溫沖擊材料經(jīng)驗(yàn)，若想增加球化反應(yīng)后金相組織中石墨球數(shù)量，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

（1）熔煉控制中減少棚料，鐵液達(dá)到出爐溫度時(shí)快速出爐，有利于保留原始異質(zhì)核心，增加球化反應(yīng)后石墨球數(shù)量。

（2）較高的碳當(dāng)量有利于增加原始石墨核心，增加球化反應(yīng)后石墨球數(shù)。

（3）球化劑中合適的稀土含量，孕育劑中添加Ce、Sr、Ba、Bi微量元素能提高抗衰退效果，增加石墨球數(shù)。

（4）合適的S量可保證異質(zhì)核心數(shù)量及孕育效果，增加石墨球數(shù)。

（5）添加預(yù)處理劑可解決過(guò)冷度大、鐵液過(guò)熱產(chǎn)生的問(wèn)題，增加石墨球數(shù)。

（6）增加球化反應(yīng)孕育劑量及隨流孕育劑量可增加共晶團(tuán)及石墨球數(shù)量。

另外，鐵液冷卻速度的快慢直接影響石墨球數(shù)量多少，冷卻速度快石墨球小，數(shù)量遞增，因此工藝設(shè)計(jì)時(shí)為提高鐵液冷卻速度應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①鑄件壁厚部位及熱節(jié)處應(yīng)加冷鐵，以增加冷卻速度。②盡量少用冒口，減少局部熱節(jié)，多加冷鐵。③少用頂冒口，多用側(cè)冒口，用冒口時(shí)要配加冷鐵。

六、理化檢測(cè)情況

（1）生產(chǎn)QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料理化檢測(cè)，從6爐次統(tǒng)計(jì)記錄得出：化學(xué)成分在控制要求范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度在405～415PMa，屈服強(qiáng)度在260～275PMa，伸長(zhǎng)率在20%～26%，球化等級(jí)為1～2級(jí)，沖擊吸收能量在13.2～14.7J，均滿足該牌號(hào)材質(zhì)技術(shù)要求。

（2）以爐號(hào)QT1834-1為例，QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料金相組織如圖1所示。圖1a為腐蝕前金相，球化級(jí)別為2級(jí)，石墨大小為6～7μm。圖1b為腐蝕后金相，鐵素體含量為100%。

七、高溫?zé)崽幚?/h2>

前面已經(jīng)介紹，生產(chǎn)QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料，基體鐵素體含量必須100%，由于我們通過(guò)加入一定量Ni來(lái)提高強(qiáng)度，必然會(huì)產(chǎn)生微量珠光體。我們采取高溫?zé)崽幚淼哪康木褪菍⒅楣怏w完全轉(zhuǎn)化為奧氏體，然后慢速冷卻按穩(wěn)定系相變，實(shí)現(xiàn)珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，以達(dá)到基體組織100%鐵素體。QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料試制階段，我公司用同一包鐵液澆注15塊厚度為15mm的U型試塊（Ni加入量為0.8%），采用試驗(yàn)室箱式電阻爐進(jìn)行了3組熱處理試驗(yàn)。第一組：600℃和720℃低溫?zé)崽幚韺?duì)比；第二組：600℃低溫?zé)崽幚砗?70℃高溫?zé)崽幚韺?duì)比；第三組：920℃高溫?zé)崽幚砗?70℃高溫?zé)崽幚韺?duì)比。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，870℃高溫?zé)崽幚韺?duì)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、沖擊吸收能量影響較大，對(duì)伸長(zhǎng)率無(wú)太大影響。870℃高溫?zé)崽幚硎箍估瓘?qiáng)度降低5MPa，但沖擊吸收能量增加3J，能滿足性能要求，因此最終確定在批量生產(chǎn)QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料鑄件時(shí)采用870℃高溫?zé)崽幚砉に嚕鐖D2所示。

八、結(jié)論

通過(guò)一年多批量生產(chǎn)QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料鑄件，得出以下結(jié)論。

（1）首先必須保證原材料P、S含量較低，微量元素Ti、Cr等足夠低。

圖2

圖1

（2）Si含量控制在合適范圍內(nèi)是生產(chǎn)QT400-18AL(-50℃)低溫沖擊材料鑄件非常重要的環(huán)節(jié)，Si含量決定著抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及沖擊吸收能量的大小。生產(chǎn)時(shí)注意：①原材料Si含量波動(dòng)小。②每班前做光譜校驗(yàn)，Si分析數(shù)據(jù)誤差小。③鐵液出爐前成分不合格不允許出爐。④保證鐵液、球化劑、孕育劑及覆蓋鋼片重量的準(zhǔn)確性。

（3）Ni只有加入適量值才能達(dá)到提高強(qiáng)度的效果。

（4）我公司在如何增加球化反應(yīng)后石墨球數(shù)及提高球化等級(jí)、保證球化反應(yīng)穩(wěn)定性方面取得了成功經(jīng)驗(yàn)：①鐵液快速升溫、快速出爐有利于球化反應(yīng)后鐵液凈化、增加球化反應(yīng)后石墨球數(shù)。②采取出鐵槽出鐵、定量覆蓋球化劑鋼片、適當(dāng)加深球化包深度、降低球化劑稀土及鎂含量等，是保證球化反應(yīng)穩(wěn)定性的有效措施。③特效孕育劑有利于提高抗衰退性，增加球化反應(yīng)后石墨球數(shù)，提高球化等級(jí)。

（5）金相100%鐵素體不能保證材料伸長(zhǎng)率合格，要保證低溫沖擊材料伸長(zhǎng)率合格，首先要控制合適的殘留鎂量，其次要控制球化反應(yīng)孕育劑及隨流孕育劑加入量。

（6）生產(chǎn)低溫沖擊鑄件、當(dāng)鑄件重量較輕時(shí)，隨流孕育劑加入量較難控制，直接影響材料最終硅含量，因此經(jīng)常對(duì)操作工進(jìn)行培訓(xùn)顯得尤為重要。

（7）低溫沖擊材料鑄件必須采取高溫?zé)崽幚怼?/p>

九、結(jié)語(yǔ)

只要合理控制爐料采購(gòu)，嚴(yán)格控制球化反應(yīng)前鐵液化學(xué)分，做好球化處理，強(qiáng)化孕育，采用高溫?zé)崽幚恚涂梢苑€(wěn)定生產(chǎn)QT400-18AL(-50℃)低溫沖擊材料鑄件，同時(shí)為下一步批量生產(chǎn)QT400-18AL（-60℃）低溫沖擊材料的研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為高鐵提速及在嚴(yán)寒地區(qū)所用部件的開(kāi)發(fā)提供了必要的材料保障，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。