無鎳（Ni）低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座的試驗研究

唐漢坤，蘇鋒賢，蘇廣才

（1.廣西機電職業技術學院，廣西 南寧 530007；2.廣西玉林市偉達機械制造有限公司，廣西 玉林 570037；3.廣西大學，廣西 南寧 530004）

低溫高強度球墨鑄鐵是一種廣泛應用于大功率機車、動車組、風力發電、地鐵、核能電站以及在寒冷地區工作的石油機械、礦山機械零部件的高科技、高附加值的新型材料，其市場前景十分廣闊。但與普通球墨鑄鐵相比，其生產難度更大，技術含量更高。我廠自2008年開始對低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座進行了系列的研究，取得了一定的效果，在取得制備低溫高強度球墨鑄鐵關鍵技術（已另文發表）和國產原材料生產低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座關鍵技術（已另文發表）的基礎上，又成功研制了無Ni低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座。

Ni是生產低溫高強度球墨鑄鐵的一個重要元素，它可以提高鐵素體的低溫韌性，降低脆性轉變溫度，因此，傳統的低溫高強度球墨鑄鐵制備方法通常都加入一定量的Ni元素，以提高材料的低溫性能，特別是低溫沖擊韌性。但是，Ni的價格昂貴，增加了生產成本。為了降低生產成本，本文對無Ni低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座進行了研究。研究結果表明，嚴格控制鐵水的冶金質量，控制適量的C、Si、Mn、Ca、Ba、Re、S 等元素的含量，特別是將錳含量嚴格控制在0.15%以下，選用優質球化劑和優質孕育劑，并配套嚴格的鑄造工藝，完善各項參數的檢測手段，無Ni低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座的生產是可以實現的。

1 無Ni低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座原材料的選擇和成分優化設計

原材料的選擇見表1，林州低Ti生鐵化學成分見表2，無Ni低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座優化成分如表3所示[1，2]。

表1 無Ni低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座原材料的選擇

表2 林州生鐵化學成分（%）

表3 無Ni低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座優化成分（%）

2 無Ni低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座試驗方法

2.1 金屬熔煉及脫錳工藝

中頻感應電爐熔煉金屬，采用50%~60%廢鋼和低溫球鐵回爐料作為主要原料，采用美國進口的優質低S增碳劑和碳化硅調整C、Si含量。待爐內金屬全部熔化后（此時溫度1 380~1 420℃），取樣檢測熔體含錳量，檢測結果見表4.取樣結束后，將內裝三氧化二鉻粉末（Cr2O3）的鋼管（壁厚1.5~2 mm，兩端封閉）用壓瓢壓入金屬熔體中，三氧化二鉻粉末的加入量為熔煉金屬總重量的0.5%~0.8%.升溫至1 600~1 620℃，保溫3~5 min后，將占熔煉金屬總重量的1%的增碳劑均勻地撒在鐵水表面上，以補償燒損的C量，3~5 min后降低電爐功率，待爐內金屬熔體降溫至1 500~1 530℃時再次取樣檢測熔體含錳量，檢測結果見表5.含錳量符合要求后即可進行脫硫處理。

表4 脫錳處理前熔體含錳量檢測結果

表5 脫錳處理后熔體含錳量檢測結果

2.2 脫硫處理工藝

在爐料熔化并加熱到1 500～1 530℃時，在澆包底部加入0.4%~0.6%經過烘干的純堿脫硫劑進行脫硫處理，緩慢均勻地導出鐵水，待鐵水充滿澆包后加入覆蓋劑并充分攪拌，反應結束后迅速將浮渣扒凈，然后將包中經脫硫處理后的鐵水倒回中頻爐內進一步精煉，經脫硫處理后的原鐵水含硫量抽檢數據見表6.化驗，調整化學成分合格后出爐，出爐溫度控制在 1 490~1 510 ℃之間[1，2]。

表6 原鐵水含硫量抽檢數據表

2.3 球化處理工藝

將BS-6型球化劑破碎至15~30 mm大小的粒度，經破碎后的球化劑置于澆包底部一側的凹坑內，BS-6型球化劑加入量為鐵水總量的1.3%~1.4%，然后在球化劑上部用BS-1A型孕育劑覆蓋，最后再用木炭+草木灰覆蓋劑覆蓋在孕育劑上面，其上再加一塊厚度為2~3 mm的鋼板壓緊。出鐵水時先沖入1/2～2/3鐵液，待鐵液沸騰反應結束后，再沖入余下鐵液，球化處理完畢后加集渣劑迅速將浮渣清除干凈，鐵液溫度控制在1 450℃ ~1 500℃范圍[1，2]。

2.4 孕育處理工藝

采用三次孕育工藝，首先用加入量為鐵水總量0.7%的BS-1A孕育劑覆蓋在球化劑上，然后在出鐵過程中再用加入量為鐵水總量0.3%～0.5%的BS-1A孕育劑進行隨流孕育，通過定量漏斗將粒狀孕育劑均勻而分散地撒向液流，直到澆包中鐵液量約為出鐵量的4/5時處理結束，最后在澆注過程中再用加入量為鐵水總量0.2%～0.3%的BS-1A孕育劑進行隨流瞬時孕育[1，2]。

2.5 鑄造工藝

（1）為了提高鑄型剛度，選用呋喃樹脂砂造型，樹脂加入量1.0%~1.2%.

（2）為了減少澆注過程的氧化，澆注系統采用底注、開放式澆注系統。

（3）為了減緩鑄件冷卻速度，以利于鐵素體的形成，加大吃砂量，不用冷鐵，并延長開箱時間。

（4）為了凈化鐵液，提高鐵水的冶金質量，熔煉過程中適當提高鐵液熔煉溫度，增加保溫時間，球化處理后的鐵液靜置時間不少于2 min，以利于氧化物及硫化物上浮，從而凈化鐵液。并且要多覆蓋、勤扒渣。

（5）采用帶有過濾器的集渣包過濾鐵液，從而使鐵—渣分離，保證進入型腔前的鐵液得到良好的凈化。

（6）盡量減少晶界偏析元素、氧化物、硫化物形成元素的含量。

2.6 熱處理工藝

碳化物和磷共晶對低溫高強度球鐵有極大的危害性，可嚴重地降低材料的沖擊韌性和提高材料的韌脆轉變溫度。因此，為了消除可能存在的碳化物和磷共晶，增加基體中鐵素體含量，提高材料的韌、塑性，采用如圖1所示的熱處理工藝對鑄件進行熱處理。

圖1 熱處理工藝

3 試驗結果及分析

表7、表8分別為制備的無Ni低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座的組織檢測結果和力學性能檢測結果，金相組織如圖2所示。

表7 無Ni低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座組織檢測結果

表8 無Ni低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座力學性能檢測結果（-50℃）

圖2 無Ni低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座的金相組織

表7、表8以及圖2表明，產品工藝的研制是成功的。無Ni低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座生產的關鍵是嚴格控制原鐵水的含硫量和含錳量以及鐵水的冶金質量。試驗中由于工藝上進行了脫硫處理，使得原鐵水的S含量控制在0.015%~0.017%的較低范圍內。由于原鐵水的S量低，因此球化處理時球化劑加入量可適當減少，這就減少了Mg或者RE離子向晶界集中的傾向，對提高球鐵低溫韌性有利[2]。Mn是碳化物形成元素，過量的錳很容易導致產生碳化物。而且Mn極易偏析，會在共晶團的邊界富集形成珠光體或晶間碳化物，這對低溫球墨鑄鐵的沖擊韌性和脆性轉變溫度都有特別不利的影響。資料表明，每提高0.1%的錳含量，球鐵的脆性轉變溫度提高10℃～12℃.因此，生產中應將錳含量嚴格控制在0.15%以下[3，4]。試驗中由于采用了自創的脫錳法，使熔體中的錳含量穩定地降至0.15%以下，這對提高球鐵低溫沖擊韌性和降低脆性轉變溫度是非常有利的。此外，工藝上采用加大吃砂量，不用冷鐵，減緩鑄件冷卻速度，并延長開箱時間，熔煉過程中適當提高鐵液熔煉溫度，增加保溫時間，增加球化處理后的鐵液靜置時間，采用鐵水過濾技術凈化鐵液，這些工藝措施都有利于低溫高強度球墨鑄鐵的生產[5]。因此，盡管沒有添加Ni元素，試驗中生產的低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座仍然性能良好，達到了指標要求。

4 結束語

通過嚴格控制鐵水的冶金質量，控制適量的C、Si、Mn、Ca、Ba、Re、S 等元素的含量，特別是將錳含量嚴格控制在0.15%以下，選用優質球化劑和優質孕育劑，并配套嚴格的鑄造工藝，完善各項參數的檢測手段，無Ni低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座的生產是可以實現的。

[1]劉文寬，蘇廣才，湯宏群，等.YJ105A牽引電機機座的鑄造技術[J].鑄造技術，2012，33（1）：91-93.

[2]蘇廣才，劉文寬，湯宏群，等.生產YJ105A牽引電機機座的試驗研究[J].鑄造技術，2013，34（6）：735-737.

[3]李振江，肖鈉敏，李殿中，等.球鐵NE-GJS-400-18U-2T低溫沖擊韌度研究及改進措施[J].鑄造技術，2013，34（11）：1509-1511.

[4]王 強，李 雷，桃野正.球墨鑄鐵低溫沖擊韌性的研究[J].鑄造，2010（2）：193-196.

[5]趙 琪，王今勝，李照磊，等.低溫高韌性球鐵的制備及其性能的研究[J].熱加工工藝，2013，42（21）：43-45.