地铁用端盖的熔炼工艺研究

张 杰，任国波，叶长青

（中车戚墅堰机车有限公司，江苏 常州 213100）

1 铸件的特点和技术要求

端盖是地铁驱动电机上的关键零部件之一，其形状为框型结构，中间为轴承孔位置，轴承孔壁厚为22.5 mm，成“L”型热节。在工作中需承受低温冲击，因此零件材料要求严格，采用高韧性球墨铸铁，铸件材质为QT400-18LT，硬度：130 HB～175 HB.低温零下20 ℃冲击平均不小于12 J，金相组织上球化率≥90%，珠光体体积含量＜10%.

2 工艺难度分析

端盖是典型的高韧性球墨铸铁件，对材料的要求较高。性能上要求有较高的冲击值和伸长率；产品技术条件要求用本体试样进行材料验收。由于QT400-18LT 球墨铸铁缩孔倾向比一般球墨铸铁要大，要确保产品内部质量，满足产品性能要求，在工艺上必须采用相应的措施。国外通常采用加入一定量的镍合金来提高其冲击值，国内通过热处理的方式来改善其冲击值，可以通过控制合理的化学成分采用铸态工艺来满足其性能要求。

端盖安装在驱动电机两端，主要用于电机转子轴的安装及电机内腔密封作用，该产品首件必须进行实物剖切见证试验，批量生产时均须进行UT 和MT 探伤检测，其中轴承孔位置、回油槽和加强筋（见图1）内部质量要求为DIN 1690 MS2-V2，其余部位内部质量要求为DIN 1690 MS3-V3.

图1 端盖结构

3 试验方法

根据端盖的技术特点，要求球化率≥90%，珠光体含量＜10%，决定熔炼时采用专用的铁素体型球化剂和含铋的孕育剂搭配使用，来提高其球化率。

3.1 化学成分的选择

结合端盖的结构特点和技术要求，参照公司球墨铸铁的生产经验和查找相关技术资料，确定化学成分。

1）C：高的含碳量能促进石墨化，增加石墨球数量、改善球化质量，减少铸件的缩松倾向。所以，确定C 质量分数控制在3.50%～3.80%范围内。

2）Si：一定的Si 能促进石墨、防止渗碳体的产生，但Si 会提高材料的脆性转变温度，降低韧性，选择Si 质量分数为2.20%～2.50%.

3）Mn：Mn 能促进珠光体的生成，提高铸件的强度和硬度，但塑性和韧性降低，且锰提高球墨铸铁的脆性转变温度，铁素体球铁中锰质量分数增加0.1%，脆性转变温度大约提高10 ℃～12 ℃.综合考虑力学性能，将Mn 质量分数控制在0.20%～0.25%范围。

4）P：球墨铸铁中，磷的溶解度很小，当含磷量超过溶解度极限时，磷以磷共晶形态析出。由于成分、冷却速度、偏析等原因，球铁中含磷质量分数0.05%时就可能出现磷共晶，降低球墨铸铁韧性和塑性。因此，要严格限制磷含量。

5）S：低硫铁水是保证球化稳定，减少夹渣、皮下气孔等缺陷的极为重要的先决条件，应力求降低原铁水含硫量。

综合以上分析，化学成分（质量分数，%）确定为w（C）：3.50%～3.80%；w（Si）：2.20%～2.50%；w（Mn）：0.20%～0.25%；w（P）≤0.040%；w（S）≤0.020%；w（Mg 残）：0.03%～0.06%；w（Re）：≤0.020%.

w（Si）为2.20%～2.50%，促进铁素体的形成，保证产品的延伸率和冲击值；w（Mn）：0.20%～0.25%，保证性能的同时，以免出现脆性。

3.2 球化处理及孕育处理：

3.2.1 球化处理

球化剂选用铁素体型（型号为D-2F），加入质量分数为1.3%～1.6%.

球化剂装填时将球化剂放入凹坑底部，其上覆盖细硅铁粉，最上层覆盖新生铁。

采用倒包冲入法球化处理工艺，减小球化处理温度的波动、增加了铁液倾倒的速度，降低了球化处理中球化剂的氧化和烧损，稳定了球化质量。球化处理温度为1 450 ℃～1 480 ℃.

3.2.2 孕育处理

采用含Ba、Bi 的长效孕育剂复合孕育工艺。

一次孕育：选用粒度为5 mm～16 mm 的含Ba孕育剂，在球化处理后补铁液时加入铁液表面，加入质量分数为：0.5%～0.7%.

二次孕育：浇注时进行瞬时孕育，采用粒度为0.81 mm～1 mm 含Bi 的孕育剂，加入质量分数为：0.10%～0.15%.

3.2.3 温度控制

一次孕育后温度：1 380 ℃～1 400 ℃，产品浇注温度：1 350 ℃～1 370 ℃.

4 试验结果

试验结果见表1.

表1 试验结果

分析认为，通过使用铁素体型专用球化剂，提高了铸件的球化率，但是有一次试样的力学性能不符合技术要求，问题的主要原因是铸件要求高冲击需要碳含量高，锰含量不能过高。

5 改进工艺

按照以上工艺进行熔炼，在此基础上，保证铁水的碳硅当量，适当提高锰含量，降低硅含量。改进工艺后试验结果见表2.

表2 改进工艺后试验结果

改进工艺后石墨形态和基体组织如图1 所示。

图2 金相图片

分析认为，含Mn 质量分数按0.18%～0.22%控制。含Si 质量分数按2.00%～2.20%控制，力学性能和冲击值均符合产品的技术要求。

6 结论

1）由于端盖铸件为铁素体型球墨铸铁件，使用专用的铁素体型球化剂来球化处理。

2）端盖铸件要求球化率大于等于90%，球化剂加入量按偏上限控制，并进行两次孕育，二次孕育时进行随流孕育。

3）由于端盖要求高冲击值，必须合理控制铁水的锰含量和硅含量。