快速连接器熔炼工艺研究

张 杰，李业林，宋 岩，叶长青

（中车戚墅堰机车有限公司，江苏 常州 213011）

1 铸件的特点和技术要求

快速连接器（见图1）是大型拖拉机上重载荷部位零件，最大壁厚为134 mm,最小壁厚为13 mm,在工作中需承受很大的载荷，外形尺寸为1 111 mm×899 mm×325 mm，总载荷约38 t.零件材料要求严格，需要采用高强度球墨铸铁。铸件材质为QT700-3，硬度241 HB～302 HB，试样抗拉强度≥700 MPa,屈服强度≥450 MPa,伸长率≥3%.金相组织要求球化率≥85%,珠光体含量＞90%，铁素体含量＜5%，化学成分ω（Cu）/10+ω（Sn）≤0.08%.

图1 快速连接器

2 工艺难度分析

快速连接器是典型的高强度球墨铸铁件，产品性能要求有较高的强度，同时还要有一定的伸长率。产品技术条件要求用附铸试样进行材料验收，但由于浇注后附铸试样的凝固、冷却条件较差，易造成其组织中石墨球数量少、球径大，同时珠光体容易分解，易造成力学性能的降低，很难保证屈服强度≥450 MPa 的技术要求；珠光体含量的要求在铸态情况下也很难达到；要满足铸件本体硬度达到241 HB～302 HB 的要求，铸件各部位的硬度应基本均匀，而实际浇注后铸件各部位由于吃砂量大小、壁厚大小受热程度等的不同将导致凝固冷却速度的差异，这样要达到硬度的要求也是一个难题。

3 试验方法

根据快速连接器的技术特点，为了达到球化率≥85%，珠光体含量＞90%，决定熔炼时加入一定量的Cu、Mo、Sn，增加其基体组织中的珠光体含量；使用珠光体型专用球化剂，加入量按偏上限控制，来提高其球化率。

3.1 化学成分的选择

结合快速连接器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，但过高易产生石墨飘浮缺陷。所以，ω（C）控制在3.50%～3.80%范围内。

2）Si：一定的Si 能促进石墨化、防止渗碳体的产生，但Si 会促进铁素体的生成，降低铸件的强度和硬度，选择ω(Si)为2.10%～2.50%.

3）Mn：Mn 能促进珠光体的生成，提高铸件的强度和硬度，但容易在晶界产生偏析，所以不能依靠提高Mn 量来增加珠光体含量，将ω(Mn)控制在0.65%～0.70%范围。

4）Cu ：Cu 在铸铁的一次结晶时促进石墨化，共析转变时有效增加珠光体含量，所以特别适用于断面变化大的铸件，使铸件硬度趋向均匀；Cu 还促进细化共晶团、增加石墨球数量，提高铸件的强度和硬度。综合分析Cu 含量对球墨铸铁性能的影响，确定ω(Cu)加入量为0.35%～0.40%.

5）Sn ：在球墨铸铁中添加质量分数0.03%～0.10%的Sn，能使球墨铸铁基体组织中珠光体含量明显增加，但过高的锡会降低铸件的塑性和韧性，综合考虑Sn 和其他元素的影响，其加入量为0.035%～0.040%.

综合以上分析，最后确定成品化学成分如表1所示。

表1 快速连接器化学成分（质量分数，%）

w（Mn）≤0.70%，以免出现脆性，w（Cu）：0.35%～0.40%，能显著增强珠光体的含量，w（Sn）:0.035%～0.040%加入量适中，在增加珠光体含量的同时不会影响延伸率。

3.2 球化处理及孕育处理

3.2.1 球化处理

选用珠光体型球化剂，加入质量分数为1.3%～1.8%，球化处理温度为1 450 ℃～1 480 ℃.采用倒包冲入法球化处理工艺，减小了球化处理温度的波动，增加了铁液倾倒的速度，减少了球化处理中球化剂的氧化和烧损，稳定了球化质量。

球化剂装填时将球化剂放入凹坑底部，其上覆盖细硅铁粉，最上层覆盖铜板。

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0.8 mm～1 mm 含Bi 的孕育剂，加入质量分数为0.15%～0.20%.

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

通过试验生产，所得试验结果见表2.

表2 试验结果

从表2 可以看出机械性能不稳定，不能达到要求。分析认为，通过使用珠光体型专用球化剂，提高了铸件的球化率，但是力学性能仍不符合技术要求，主要原因是铸件在砂型中的冷却条件较差，容易分解珠光体，珠光体含量偏低。

5 改进工艺

在原来熔炼工艺的基础上，加入质量分数为0.65%～0.75%的钼，改进工艺后试验结果见表3.

表3 改进工艺后试验结果

改进工艺后石墨形态如图2，基体组织（珠光体含量85%）如图3 所示。

图2 石墨形态

图3 基体组织

从表3 可以看出机械性能指标都满足要求。球化率90%，珠光体含量85%，符合产品技术要求。

6 结论

1）由于快速连接器铸件为珠光体型球铁件，加入一定量的Cu、Sn 来稳定珠光体，以提高力学性能。

2）快速连接器铸件要求球化率不低于85%，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）由于快速连接器要求取附铸样，浇注完的铸件附铸样在砂型中的冷却条件较差，珠光体分解较多，Mo 是典型的珠光体稳定元素，通过加入Mo 元素能细化石墨和珠光体，提高铸件的强度和硬度。