鑄態(tài)下具有-40℃沖擊韌性的QT500-7AL齒輪箱熔煉工藝研究

李 澤，王曉穎，郭振峰，洪 宇

（中車大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧大連 116021）

近幾年，隨著我國軌道交通業(yè)的快速發(fā)展，各類電力機(jī)車在行駛地域上也隨之?dāng)U大，我國地域遼闊，緯度跨度很大，北方寒冷地區(qū)冬季的極端溫度可達(dá)到-40℃以下，同時(shí)由于機(jī)車運(yùn)行速度的不斷升級(jí)，基于安全考慮，對(duì)電力機(jī)車用球墨鑄鐵件的力學(xué)性能（特別是低溫沖擊韌性）的要求亦越來越高。

HXD3C型交流傳動(dòng)電力機(jī)車是我國鐵路線上的主力機(jī)型，其關(guān)鍵的走行部分驅(qū)動(dòng)裝置齒輪箱體鑄件的材質(zhì)由QT500-7升級(jí)為QT500-7AL，根據(jù)最新版《交流傳動(dòng)電力機(jī)車用球鐵齒輪箱技術(shù)條件》的規(guī)定，該鑄件不僅要求保證該牌號(hào)的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)要兼具較高的伸長率和-40℃低溫沖擊韌性。目前國內(nèi)生產(chǎn)低溫沖擊韌性球鐵件主要為GB/T1348-2009中QT350-22AL和QT400-18AL兩種牌號(hào)，強(qiáng)度低，且全部采用高溫石墨化退火，會(huì)造成薄壁鑄件變形，生產(chǎn)周期和成本的增加，無法滿足要求。

中車大連公司通過立項(xiàng)攻關(guān)研制一種鑄態(tài)下具有-40℃沖擊韌性QT500-7AL齒輪箱的熔煉工藝，填補(bǔ)國內(nèi)在此類球鐵件生產(chǎn)上的技術(shù)空白。

1 主要技術(shù)難點(diǎn)

1.1 溫度對(duì)沖擊韌性的影響

隨著溫度降低，球墨鑄鐵逐漸發(fā)生由韌性向脆性的轉(zhuǎn)變，低溫沖擊韌性變差。至今為止，各國標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)QT500-7A的球墨鑄鐵件均無低溫沖擊要求，現(xiàn)要求QT500-7A球鐵件具有-40℃沖擊功，這與球墨鑄鐵的沖擊韌性隨溫度降低而下降的趨勢(shì)相悖，故技術(shù)難度較大。

1.2 強(qiáng)度與韌塑性的制約關(guān)系

球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度與低溫沖擊功一定范圍內(nèi)存在相互制約關(guān)系，例如QT400-18AL抗拉強(qiáng)度要求僅為≥380MPa（見表1）。要求QT500-7AL在-40℃的沖擊功值不小于4J，伸長率達(dá)到8%時(shí)，其常溫抗拉強(qiáng)度仍達(dá)到500 MPa難度較大[1]。

1.3 冷卻速度與金相組織

金相組織對(duì)于球墨鑄鐵的低溫沖擊韌性具有決定性作用，而冷卻速度是影響球鐵件鑄態(tài)金相組織的重要因素。由于原材料、工裝、設(shè)備、人員操作水平、甚至氣溫等外在因素的波動(dòng)，實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)于冷卻速度的精確且穩(wěn)定的控制難度較大。

2 基本原理

表1 GB/T1348-2009規(guī)定的各牌號(hào)附鑄試塊機(jī)械性能

球墨鑄鐵的化學(xué)成分、球化率和石墨球數(shù)、冷卻速度等是影響低溫沖擊韌性的主要因素。

（1）碳含量高，孕育處理好，石墨球數(shù)多對(duì)球墨鑄鐵的低溫沖擊韌性是有利的。特別是當(dāng)溫度低至零下40℃時(shí)，一定范圍內(nèi)若石墨球數(shù)增加，低溫沖擊韌性也會(huì)隨之增加。

（2）硅強(qiáng)烈影響脆性轉(zhuǎn)變溫度，因此對(duì)于具有沖擊韌性要求的鑄件硅含量應(yīng)盡可能低，但隨硅含量的降低，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也隨著下降[2]。

（3）實(shí)際生產(chǎn)中，可用適量銅來強(qiáng)化鐵素體球墨鑄鐵，但要嚴(yán)格控制含量，因?yàn)殂~會(huì)提高球墨鑄鐵脆性轉(zhuǎn)變溫度，使沖擊值下降。

（4）鎳對(duì)石墨組織的影響較小，主要對(duì)基體產(chǎn)生影響，在低鎳合金鑄鐵中由于珠光體數(shù)量的增加，珠光體的細(xì)化以及珠光體中的鐵素體的強(qiáng)化，鑄鐵的強(qiáng)度性能可得到顯著地提高。對(duì)于低溫沖擊韌性，加Ni可擴(kuò)大奧氏體區(qū)，使更多的殘余奧氏體組織保留到室溫以下，因此加鎳可以改善球鐵的低溫沖擊韌性。

（5）球墨鑄鐵在奧氏體化后不同冷卻速度形成的基體組織不同。在各類基體組織中鐵素體沖擊韌度最好。

依據(jù)以上原理，我公司鑄造車間通過鐵水化學(xué)成分的優(yōu)化和球化孕育處理過程的控制等方面，進(jìn)行HXD3C齒輪箱的生產(chǎn)試驗(yàn)。

表2 TJW065-2015規(guī)定的附鑄試塊機(jī)械性能

圖1 HXD3C齒輪箱鑄件三維圖

3 試驗(yàn)方案制定及實(shí)施

3.1 研究對(duì)象

HXD3C齒輪箱體是HXD3C型電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)裝置的重要組成部分，其材質(zhì)為QT500-7AL，上箱體單重170kg，下箱體單重200kg（見圖1）。根據(jù)TJW065-2015《交流傳動(dòng)機(jī)車球墨鑄鐵齒輪箱體暫行技術(shù)條件》規(guī)定，其各項(xiàng)機(jī)械性能均提出很高要求（見表2）。

3.2 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

根據(jù)研究的基本原理，鐵液的化學(xué)成分設(shè)計(jì)是項(xiàng)目成功的關(guān)鍵控制點(diǎn)，特別是硅的含量及銅鎳等合金元素的含量。為此，本公司特別制定了以下7種方案分別逐步進(jìn)行工藝試驗(yàn)。

3.3 鐵水球化孕育處理

石墨形態(tài)、石墨球數(shù)、基體組織取決于鐵水的球化孕育處理水平。在HXD3C齒輪箱的生產(chǎn)中本公司采用敞口包夾層覆蓋沖入法和多次孕育的孕育處理技術(shù)（見表4），保證了較高的球化率。

3.4 附鑄試塊的位置設(shè)計(jì)

HXD3C鑄型采用自硬樹脂砂造型，通過使用MAGMA軟件對(duì)各方案凝固過程溫度場(chǎng)的模擬，選定試塊位置，保證其與鑄件冷卻條件相近，內(nèi)部質(zhì)量較好。

4 附鑄試塊的檢測(cè)及分析

表3 化學(xué)成分設(shè)計(jì)方案 ωB/%

表4 孕育處理方案

試生產(chǎn)后將每種方案的附鑄試塊直接在鑄態(tài)下按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了力學(xué)性能和金相組織檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表5所示。

由表5可知：（1）在硅含量不變的情況下，Cu+Ni的合金組合能夠保證足夠的強(qiáng)度，但是沖擊韌性相對(duì)較低，大部分≤4J，不能滿足技術(shù)要求；（2）合金元素單純采用Ni進(jìn)行合金化后，沖擊韌性明顯提升，大部分可達(dá)6～8J，但是當(dāng)Ni含量＜1.2%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度均＜500MPa；（3）適當(dāng)降低Si含量，可試-40℃低溫沖擊得以提升。

力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果較理想的方案④～⑦的金相組織如圖2所示。

表5 附鑄試塊的檢測(cè)結(jié)果

圖2 鑄態(tài)試樣的金相組織

圖3 鑄態(tài)試樣的斷口形貌

由圖2所知，良好的孕育保證了足夠的石墨球數(shù)（＞180個(gè)/mm2），鎳的加入量對(duì)鑄態(tài)試樣組織中石墨球的形貌改變影響不顯著，只是隨著加入量增加珠光體含量提高，可達(dá)45%左右。而鎳的加入對(duì)于低溫沖擊韌性的影響是顯著的。圖3所示為未加Ni和加Ni0.7%的鐵鑄態(tài)試樣的沖擊斷口形貌。

由圖3可知，不加鎳鑄態(tài)試樣斷口中石墨球周圍并沒有韌窩結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，斷裂沿著特定的晶體界面發(fā)生脆性斷裂；而加鎳的鑄態(tài)試樣在石墨球剝落形成的空洞周圍，有近似于“撕裂棱”的結(jié)構(gòu)相互聯(lián)結(jié)成網(wǎng)狀，且分布有大小不一的韌窩結(jié)構(gòu)。因此低溫沖擊韌性較好。

根據(jù)以上結(jié)論，我們采用方案⑦進(jìn)行了小批量的HXD3C齒輪箱的生產(chǎn)，以驗(yàn)證該方案的穩(wěn)定性和可行性，其鑄態(tài)下附鑄試塊的檢測(cè)結(jié)果如表6所示。

表6 附鑄試塊的力學(xué)性能和金相組織

由表6可知，采用方案⑦生產(chǎn)的HXD3C齒輪箱，附鑄試塊的強(qiáng)度、伸長率以及沖擊值均數(shù)值穩(wěn)定，抗拉強(qiáng)度均在500～530MPa，伸長率達(dá)10%～19%，-40℃低溫沖擊功在7～9J，各項(xiàng)指標(biāo)均符合材料規(guī)范。

5 結(jié)論

（1）3.80%～3.85%C,1.8%～1.9%Si,0.10%～0.15%Mn,≤0.035%P,≤0.02%S,1.2%～1.3%Ni是超低溫沖擊韌性QT500-7AL球墨鑄鐵齒輪箱化學(xué)成分的適宜范圍，實(shí)際鑄件生產(chǎn)中需要配合優(yōu)選的主爐料和合理的爐料配比及先進(jìn)的球化孕育處理技術(shù)形成完整的熔煉工藝。

（2）本公司生產(chǎn)的QT500-7AL球墨鑄鐵齒輪箱與GB/T1348-2009中規(guī)定的該牌號(hào)鑄件相比，具有-40℃低溫沖擊韌性，其附鑄試塊抗拉強(qiáng)度保持500～530MPa，伸長率達(dá)10%～20%的同時(shí)沖擊值可達(dá)到7～9J，各項(xiàng)性能指標(biāo)完全符合《交流傳動(dòng)電力機(jī)車用球鐵齒輪箱技術(shù)條件》的最新規(guī)定。

（3）本公司生產(chǎn)的QT500-7AL球墨鑄鐵齒輪箱及其試塊均不需熱處理，各項(xiàng)理化檢測(cè)結(jié)果均是鑄態(tài)下所得。從而大大縮短了工藝流程，避免了熱處理過程和高溫后表面清理的能源和人工投入，有效節(jié)約了生產(chǎn)成本。

[1] 馬敬仲，丁建中，尤其光，等．超低溫高韌性球墨鑄鐵QT400-18AL 的研究及應(yīng)用[J].鑄造,2012,61(8)：858-864.

[2] 陶令桓，鑄造手冊(cè) 鑄鐵[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.