球墨铸铁在高铁上的应用
2024-12-23 12:06:51 点击数：0
一、球墨铸铁在高铁上的应用
球墨铸铁件以其优异的抗拉强度和屈服强度、良好的冲击韧性和断裂韧性、突出的耐磨性和耐腐蚀性以及承受高载荷和摩擦的能力，被广泛应用于高铁的生产成分。
高铁转向架的轴箱、高铁牵引电机的壳体和端盖、高铁列车的变速箱壳和制动部件等均采用超低温耐冲击球墨铸铁件。一般采用QT400-18AL（-50℃、-60℃）耐低温冲击材料制成。
二.高铁球墨铸铁部件材料标准
QT400-18AL（-50℃、-60℃）低温耐冲击材料，材料要求：
- 材质标准：400-18AL
- 拉伸强度：≥400Mpa
- 屈服强度：≥240Mpa
- 伸长率：≥18%
- 硬度 HBW：130 - 150
- 低温冲击值：-50℃、-60℃
- 冲击能量：12 J/cm²
- 金相基体结构要求：
- 球化率：90%以上
- 石墨球数：≥100球/mm²
- 基体结构：100%铁氧体
- 石墨尺寸：6-7级
- 无磷共晶和碳化物
100%铁素体基体是提高球墨铸铁低温冲击值的首要条件。即使是1%～2%的珠光体也会导致低温冲击值的下降。对于铁素体球墨铸铁来说，低磷低硅退火全铁素体球墨铸铁具有最好的低温冲击值。
90%～95%的球化率是保证低温冲击值的必要条件。球墨铸铁中的裂纹沿着结核边界扩展。结节越圆，出现裂纹的可能性就越小。因此，球化率越高，越有利于冲击性能和疲劳强度等动载荷性能的提高。
石墨球数量对低温冲击的影响：石墨球数量少有利于提高冲击性能上限；大量的石墨球有利于提高低温冲击性能。对于主壁厚为30mm的转向架轴箱，100-200个球/mm²比较合适。晶界处的磷共晶和碳化物会显着降低球墨铸铁的低温冲击吸收能。
三．高铁球墨铸铁轴箱生产工艺
1、对原铁水的要求
球化反应前原铁水化学成分：
- 碳：3.9% - 3.98%
- 硅：0.65%～0.75%
- 在：0.75% - 0.83%
- 锰：≤0.10%
- P：≤0.025%
- 硫：≤0.015%
- 如果：≤0.015%
- 铬：≤0.015%
- 其他微量合金：≤0.01%
Si含量的高低直接影响拉伸强度和冲击值；当减少Si不能满足强度要求时，采用添加Ni的方法来解决减少Si引起的强度不足的问题。 （本方案中添加了Ni）
2. 原材料
- 生铁：采用铁固供应的优质生铁。生铁化学成分中微量元素总量控制≤0.10%。
- 废钢：采用碳素废钢。
- 所有废钢不得混有污物。有色金属或任何类型的异物，并且不得有过度的生锈和腐蚀。
- P、S含量均不大于0.030%。
- Cr的质量分数不大于0.1%。
- Cu的质量分数不大于0.1%。
- 增碳剂：高温全石墨化增碳剂，C≥98.5%，S≤0.1%，N≤0.03。
配制混合料时，多用生铁，少用废钢和返废钢，计算时尽量接近理想化学成分，留少量微调空间。多添加生铁的目的是保证原有石墨芯的数量，同时减少增碳剂的添加量和增碳剂引起的硫增加。常见的配方是生铁占88%～92%，废钢占8%～11%，硅铁占1.7%～2.0%，增碳剂占0.2%～0.24%。
- 球化剂：
- 品牌： 镧系球化剂La-1
- 镁：6 - 6.5%
- : 1.0 - 1.2%
- 并且：43 - 44%
- 钙：2.2 - 2.5%
- 巴：1 - 1.5%
- 氧化镁：<0.5
- 粒度：5-20毫米
- 添加量：1.2-1.3%
- 孕育剂：采用长效复合孕育剂。
- 一次孕育：硅钡J-4
- 并且：68 - 70%
- 巴：4.5 - 5.5%
- 铝：<1.0%
- 粒度：3-8毫米
- 添加量：0.8-1.0%
- 二次孕育：硅钡J-3
- 并且：68 - 70%
- 巴：2.5 - 3.5%
- 铝：<1.0%
- 粒度：1-3mm
- 添加量：0.2-0.4%
- 中间包孕育剂：硅铋J-1
- 并且：70 - 72%
- 巴：1 - 1.5%
- 钙：2 - 3%
- 铋：1.5 - 2.5%
- 铝：<0.8%
- 粒度：0.2-0.7mm
- 添加量：0.1%
孕育剂要求石墨促进作用强，能维持时间长，吸收率高且稳定。因此，孕育分为炉前孕育、钢包孕育和中间包孕育，三者缺一不可。
炉前采用高Ba抗腐长效孕育剂，浇注时采用含Bi孕育剂，改善断面中心部位球化条件，使球化直径小，球化数多，增加铁素体含量，改善铸态性能。
3. 熔化过程
球墨铸铁的熔炼过程基本相同。熔化温度一般控制在1450～1520℃，高温静置，温度控制在1520～1550℃，静置时间5分钟左右，出钢温度1480～1500℃，浇注温度为1420℃。
高温静置后，当炉温降至1480℃～1500℃时，出铁水，进行球化处理。反应即将结束后，除渣2～3次。
4.球化反应后的化学成分
- 碳：3.50 - 3.80%
- 硅：2.05 - 2.15%
- 镁：0.035 - 0.045%
- 答：0.005 - 0.009%
- 含量：0.75 - 0.83%
- 锰：≤0.10%
- P：≤0.025%
- 硫：≤0.01%
- 如果：≤0.018%
- 铬：≤0.023%
- 其他合金元素：≤0.01%
拉伸强度：405 - 415 PMa
屈服强度：260 - 275 PMa
伸长率：18% - 23%
球化等级：1 - 2
冲击吸收能量：13 - 15 J
均符合该牌号材料的技术要求。
四．浸没球化处理的要点
必须保证所选用的球化剂、孕育剂等纯净，不含夹杂物、杂质、氧化物等，这些物质在球化处理后不能通过除渣完全去除，最终会进入铸件中造成缺陷。
- 球化处理温度波动控制在±15℃以内。
- 使用带坝的钢包。钢包深度h与内径∮之比：H：∮≥1.5-2.0（处理时铁水实际深度与内径）。
- 采用坝式处理添加球化剂、孕育剂、覆盖剂等材料后，坝需至少高20毫米。
- 钢包交替使用。使用前，将钢包彻底干燥，必要时进行预热。
- 装箱顺序为球化剂、孕育剂，顶部用覆盖剂或铁屑覆盖，必须填实不留缝隙。
- 一般情况下，球化反应的最佳反应时间为1～1.5分钟。根据反应时间调整合金的致密性和覆盖材料的厚度。
- 覆盖球化剂的孕育剂占总量（全部孕育剂添加量）的40～60%，钢包孕育剂占30%，中间包孕育剂占10～15%。
- 浇注时间，从球化结束到结束，控制在13分钟以内。
五、高温热处理
生产QT400-18AL（-50℃、-60℃）低温冲击材料，基体铁素体含量必须达到100%。由于添加一定量的Ni以提高强度，因此不可避免地会产生微量的珠光体。高温热处理的目的是使珠光体完全转变为奥氏体，然后按照稳定相变缓慢冷却，实现珠光体完全转变为铁素体，从而达到100%铁素体基体。
通过870℃高温热处理，对抗拉强度、屈服强度、冲击吸收能有影响，但对伸长率没有影响。 870℃高温热处理使抗拉强度降低5MPa，但冲击吸收能提高3J，能够满足要求。因此，生产QT400-18AL（-50℃、-60℃）低温冲击材料铸件时，采用870℃高温热处理工艺。
六．防范措施
- 需要100%铁素体基体才能保证低温冲击值，但100%铁素体很难保证400 MPa的抗拉强度。需要对其基体进行固溶强化，以提高抗拉强度。这就需要在化学成分中采用较高的Si含量或添加Ni等合金元素来强化铁素体，以满足400MPa的要求。
- 铁素体的强化往往导致韧脆转变温度升高和低温冲击值降低。因此，有必要调整拉伸强度与低温冲击值之间相互制约的关系，并探索解决方案。
- 当金相组织比较完善、基本满足要求时，进一步提高低温冲击值有赖于晶界夹杂物的净化。这时，如何净化晶界将是保证低温冲击值的关键因素。
- 球墨铸铁的冲击性能随温度降低而降低，这是球墨铸铁的固有特性。为了保证零件在低温下的安全运行，不仅要保证低温下的冲击值，还必须研究韧脆转变温度曲线，即冲击值随温度变化的曲线。曲线下降得越平坦，就越安全。不宜因温度的微小变化而引起冲击值的较大波动。
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