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(yè)技術(shù)學(xué)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(xué)，廣西 南寧 530004）

低溫高強度球墨鑄鐵是一種廣泛應(yīng)用于大功率機車、動車組、風(fēng)力發(fā)電、地鐵、核能電站以及在寒冷地區(qū)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(chǎn)難度更大，技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)（已另文發(fā)表）和國產(chǎn)原材料生產(chǎn)低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座關(guān)鍵技術(shù)（已另文發(fā)表）的基礎(chǔ)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(chǎn)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(zhuǎn)變溫度，因此，傳統(tǒng)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(chǎn)成本。為了降低生產(chǎn)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(jié)果表明，嚴格控制鐵水的冶金質(zhì)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(yōu)質(zhì)球化劑和優(yōu)質(zhì)孕育劑，并配套嚴格的鑄造工藝，完善各項參數(shù)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(chǎn)是可以實現(xiàn)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(yōu)化設(shè)計

原材料的選擇見表1，林州低Ti生鐵化學(xué)成分見表2，無Ni低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座優(yōu)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(xué)成分（%）

表3 無Ni低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座優(yōu)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(yīng)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(yōu)質(zhì)低S增碳劑和碳化硅調(diào)整C、Si含量。待爐內(nèi)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(jié)果見表4.取樣結(jié)束后，將內(nèi)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(nèi)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(jié)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(jié)果

表5 脫錳處理后熔體含錳量檢測結(jié)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(jīng)過烘干的純堿脫硫劑進行脫硫處理，緩慢均勻地導(dǎo)出鐵水，待鐵水充滿澆包后加入覆蓋劑并充分攪拌，反應(yīng)結(jié)束后迅速將浮渣扒凈，然后將包中經(jīng)脫硫處理后的鐵水倒回中頻爐內(nèi)進一步精煉，經(jīng)脫硫處理后的原鐵水含硫量抽檢數(shù)據(jù)見表6.化驗，調(diào)整化學(xué)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(shù)據(jù)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(jīng)破碎后的球化劑置于澆包底部一側(cè)的凹坑內(nèi)，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(yīng)結(jié)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(jié)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(tǒng)采用底注、開放式澆注系統(tǒng)。

（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(zhì)量，熔煉過程中適當(dāng)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(zhuǎn)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(jié)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(jié)果和力學(xué)性能檢測結(jié)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(jié)果

表8 無Ni低溫高強度球墨鑄鐵YJ105A牽引電機機座力學(xué)性能檢測結(jié)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(chǎn)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(chǎn)的關(guān)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(zhì)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(nèi)。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(dāng)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(dǎo)致產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變溫度提高10℃～12℃.因此，生產(chǎn)中應(yīng)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(chuàng)的脫錳法，使熔體中的錳含量穩(wěn)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(zhuǎn)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(dāng)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(shù)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(chǎn)[5]。因此，盡管沒有添加Ni元素，試驗中生產(chǎn)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(jié)束語

通過嚴格控制鐵水的冶金質(zhì)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(yōu)質(zhì)球化劑和優(yōu)質(zhì)孕育劑，并配套嚴格的鑄造工藝，完善各項參數(shù)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(chǎn)是可以實現(xiàn)的。

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

[2]蘇廣才，劉文寬，湯宏群，等.生產(chǎn)YJ105A牽引電機機座的試驗研究[J].鑄造技術(shù)，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(shù)，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.