摘要：采用優質原材料、廢鋼增碳手段限制鐵水P、S含量，加入適量Cu、Mn合金元素，采用沖入法球化處理、多次孕育處理，制訂了高強度高伸長率QT600-7球墨鑄鐵熔煉工藝；多次重復性試驗表明，上述熔煉工藝合理，成本低，操作簡單，應用范圍較廣。
　　關鍵詞：高強度；球墨鑄鐵；熔煉工藝
　　隨著軌道交通行業的快速發展和列車時速的不斷提升，列車的使用條件對傳動系統、制動系統等關鍵零部件的質量提出了越來越高的要求。例如制動系統中的夾鉗、吊架等零件，以往選用的QT500-7、QT600-3等傳統球墨鑄鐵材料已經不能很好地滿足使用要求，各類零部件都在不斷提出既要具有高強度，又要具有高塑性的性能，因此QT600-7等高強度、高塑性的新型球墨鑄鐵材料應運而生。
　　目前，國內外生產QT600-7球墨鑄鐵材料主要途徑有[1]-[3]：
　　1、添加合金元素，如Ni、Mo等；
　　2、提高Si含量以獲得高Si固溶強化鐵素體球墨鑄鐵，其具有高強度和高伸長率；
　　3、改變鑄型散熱條件，細化晶粒，如采用鐵型覆砂工藝等。
　　然而，上述工藝的也存在局限性：添加合金元素，成本過高；提高Si含量會顯著降低材料的低溫沖擊性能，難以適應一些高寒列車的環境；改變鑄型散熱條件則工藝寬泛性較低，應用范圍有限。因此，本文開展了一系列的材料熔煉試驗，旨在研究一種低成本的、操作簡單的、適用于普通砂型鑄造的鑄態QT600-7熔煉成分及工藝。
　　1 試驗目標
　　QT600-7的力學性能要求見下表1；同時，表1也列出了GB 1348-2009中與其接近的2個牌號的材料性能要求。
　　表1 鑄態QT600-7球墨鑄鐵力學性能要求

　　上表中可以看出，QT600-7在抗拉強度、屈服強度、伸長率等各個指標上都比傳統球墨鑄鐵要高，兼具了珠光體的高強度和鐵素體的高伸長率；
　　為了滿足上述性能要求，必須要細化晶粒，并努力提高石墨球的圓整度，因此，試驗對QT600-7材料的金相組織做了要求，見下表2。
　　表2 鑄態QT600-7材料金相組織要求

　　2 試驗內容
　　2.1化學成分設計
　　（1）碳和硅
　　對于鑄態球墨鑄鐵件來說，只要不產生石墨漂浮，宜采用高碳當量（4.2%-4.8%之間），可有效促進石墨化，并降低縮孔、縮松傾向。考慮到材料的低溫使用要求，應控制Si含量不超過3.0%，因此，試驗要求C含量為3.5%-3.8%，Si含量為2.2%-2.5%。
　　（2）錳和銅
　　Mn和Cu都是穩定珠光體的元素，所不同的是，Mn在促進珠光體形成的同時，會使白口傾向增加，而Cu卻能促進石墨化，減少白口傾向。因此，試驗中，Mn含量不宜過高，應控制在0.3%-0.5%；同時，為促進形成一定量的珠光體組織，Cu含量設定為0.3%-0.5%左右。
　　（3）磷與硫
　　P和S為有害元素，應嚴格限制這兩種元素的含量。本次試驗要求P含量不大于0.05%，S含量不大于0.03%。
　　2.2 原材料的選擇
　　試驗采用優質的生鐵和廢鋼作為主要原材料（其成分見表3），并加入部分低S增碳劑；其他原材料為普通低稀土球化劑，含Ba、Ca等元素的長效硅鋇孕育劑，電解Cu板等。

　　2.3 熔煉工藝
　　采用100kg的中頻感應電爐熔煉，依次在爐底加入廢鋼與增碳劑，最后壓上生鐵。熔煉溫度在1530-1560℃，并適當保持一定時間后出爐。出爐溫度為1480-1500℃。采用操作簡單的沖入法球化處理；采用預處理孕育+出鐵隨流孕育+澆注隨流孕育的多次孕育工藝。
　　2.4 試驗方法
　　用上述處理的鐵水澆注樹脂砂造型的標準Y型試塊（GB1348-2009）若干，并在最后澆注的Y型試塊上取樣進行分析試驗，測試試樣的成分、力學性能和金相組織，所采用的檢測設備有碳硫分析儀、等離子體發射光譜儀、微控電子萬能試驗機、金相顯微鏡等。
　　3 試驗結果與分析
　　3.1 Cu與Mn的影響
　　Cu與Mn對于抗拉強度及伸長率的影響見圖1。圖中可見，在試驗的成分范圍內，Cu與Mn共存時，Cu對強度的促進作用要強于Mn，Cu含量每增加0.1%，材料強度提高約50Mpa；另一方面，Mn含量較低時，伸長率普通較高，此時增加Cu，材料在強度提高的同時，對于伸長率的影響并不太大。分析原因為， Cu在共晶轉變時，促進石墨化，減少滲碳體，在共析轉變時，促進珠光體的形成，且對基體起固溶強化作用；而Mn雖然促進珠光體的形成，但由于較大偏析的傾向而易富集于晶界上，影響到材料的韌塑性，因此，Mn含量的提高，強度增加不明顯，但對伸長率有一定程度的影響。試驗結果還表明，當Cu含量為0.4%，Mn含量為0.3%時，材料的綜合性能最高，強度為662Mpa，伸長率10.5%，達到了試驗目標。

a.  對強度的影響

a.  對伸長率的影響

圖1 Cu、Mn含量對力學性能的影響

　　3.2 廢鋼增碳熔煉工藝的應用效果
　　在鑄態球墨鑄鐵中，P含量增多，形成的磷共晶會增多，磷共晶呈多角狀分布于共晶團邊界，會急劇惡化材料的韌塑性；因此，要想獲得高伸長率的鑄態球鐵材料，必須嚴格控制P含量；S為反球化元素，降低其含量是確保球化效果的前提；試驗采用了50%廢鋼與50%生鐵配比的廢鋼增碳熔煉工藝，得到的P含量不到0.03%，S含量也不到0.015%，遠低于設計的成分要求。同時，采用廢鋼增碳工藝的另一個優點還在于可降低白口傾向，細化珠光體，增加珠光體數量[4]-[5]；因此，廢鋼增碳熔煉工藝對獲得高性能的鑄態球墨鑄鐵材料很有益處。
　　3.3 多次復合孕育工藝的應用效果
　　將采用預處理孕育+出鐵隨流孕育+澆注隨流孕育的復合孕育處理，與未經多次復合孕育處理的試驗結果進行對比，其金相結果分別見圖2 a）與b）。

　　a）采用復合孕育處理的試樣金相
　　b）未經復合孕育處理的試樣金相
　　圖2 復合孕育對金相的影響（x100

　　石墨球的好壞直接影響到球墨鑄鐵的力學性能。由于球化前對鐵水進行了預處理孕育，且球化后澆注時進行隨流孕育，不僅提高了鐵水純凈度，為石墨析出和長大提供了良好的環境，更重要的是增加了石墨形核數量，從而減小了石墨球直徑，提高了球化效果。圖2也可以看出，采用了復合孕育處理的試樣，球化級別達到2級以上，石墨大小在6級，無論從大小，還是圓整度方面，都要優于普通試樣。因此，采用多次復合孕育處理是獲得低合金高性能球墨鑄鐵的關鍵。
　　4 生產過程中的驗證
　　采用上述工藝批量生產某QT600-7吊架鑄件，鑄件各項性能仍穩定的滿足技術要求，其成分、金相和性能檢測結果分別見表4-6。

表5 金相組織檢測結果

表6 力學性能檢測結果

　　5 結論
　　1) 鑄態QT600-7的合理成分范圍為：C 3.5-3.8%、Si 2.2-2.5%、Mn 0.3%左右、Cu 0.4%左右、P＜0.03%、S＜0.02%。
　　2) 當Cu含量為0.4%左右，Mn含量為0.3%左右時，珠光體數量為60%-70%，此時，材料具有較高的強度和伸長率。
　　3) 廢鋼增碳熔煉、多次復合孕育處理等是獲得預期化學成分和優異的鑄態QT600-7材料性能的重要工藝保證。
　　參考文獻：
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　　4 封雪平，陳小華.高性能球墨鑄鐵熔煉工藝[J].機車車輛工藝，2010.02.
　　5 李婁明，朱正鋒等.廢鋼增碳在合成鑄鐵中的應用探討[J].鐵道機車車輛工人，2012.04