王 蒙，張守全，王 佳

（共享裝備有限公司，寧夏銀川 750021）

近年來，由于寒冷地區(qū)工程機械、船運、汽運、火車運輸設備的發(fā)展及風力發(fā)電產業(yè)的迅速發(fā)展，具有低溫沖擊韌性要求的球墨鑄鐵件廣泛應用于上述領域，而且需求量逐年遞增。近一兩年，顧客要求的低溫沖擊材料標準更加苛刻，超出材料規(guī)范標準，哪家公司掌握了這項關鍵技術哪家公司就能贏得訂單。筆者所在公司對于低溫沖擊材料的研發(fā)較早，積累了一定的經驗。項目組全體成員通過試驗、改進、研發(fā)成功超規(guī)范的耐-40℃低溫沖擊球墨鑄鐵材料，對于公司占領低溫材料領域的市場、創(chuàng)造利潤增長點、增強公司競爭實力具有重大而深遠的意義。

1 規(guī)范介紹

按歐洲標準EN1563（見表1和表2）的相關規(guī)定，取鑄件主體壁厚＜60 mm，牌號為EN-GJS-400-18-Lt的材料的機械性能：抗拉強度≥400 MPa，屈服強度≥240 MPa，延伸率≥18%，低溫-20℃沖擊單值≥9 J，平均≥12 J；牌號為EN-GJS-350-22Lt的材料的機械性能：抗拉強度≥350 MPa，屈服強度≥220 MPa，延伸率≥22%，低溫-40℃沖擊單值≥9 J，平均≥12 J.

表1 V缺口試樣的最小沖擊功

共享裝備有限公司研發(fā)的西門子CRH3定子架鑄件的主體壁厚為28mm，如圖1所示。顧客對CRH3定子架鑄件材料的要求是：在環(huán)境溫度為-20℃時的機械性能和-40℃時的沖擊性能，如表3所示。

表2 對應的常規(guī)機械性能

圖1 西門子CRH3定子架鑄件模型

表3 CRH3定子架鑄件的材料要求

2 設計方案及實施

根據(jù)顧客規(guī)范及鑄件壁厚，選擇Y25試塊達到性能EN400-18要求，耐-40℃低溫沖擊達到EN350-22要求，這要求基體組織主要是鐵素體，珠光體含量<5%，球化級別1～2，石墨球數(shù)100個/mm2～150個/mm2；并且從工藝及熔煉上保證鑄件主要檢驗位置縮松缺陷符合規(guī)范級別。

由于全鐵素體的基體組織對低溫沖擊是最理想的，而獲得高鐵素體含量的基體勢必降低鑄件的強度。低溫高韌性是強度和塑性的綜合表現(xiàn)，所以獲得高塑性的基體保證鑄件的強度是必要的。目前國際上和國內-40℃材料沖擊達到要求的主要措施是通過0.5%～1.0%的Ni合金強化強度，在強度高于415 MPa時亞臨界退火處理以獲得高含量鐵素體的球墨鑄鐵從而達到低溫下的高韌性。

2.1 化學成分及基體組織選擇

圖2 Si質量分數(shù)對球墨鑄鐵沖擊性能的影響

圖3 球墨鑄鐵基體組織對沖擊性能的影響

因CE值在共晶點附近鐵水的收縮量最小，同時高碳當量利于鑄件的補縮，故選擇在4.3%～4.4%；Si元素降低韌脆性轉變溫度的作用明顯，但又是主要的合金元素，可促進基體的鐵素體化，同時也影響鑄件的抗拉強度，故選擇Si質量分數(shù)在1.90%～2.1%（圖2、圖3）.高的碳含量雖然能促進石墨化，并促進鐵素體形成，但高碳含量會降低鑄件的強度，同時高的石墨數(shù)量也會降低鑄件的塑性，所以選擇C質量分數(shù)在 3.6%～3.8%.對 Mn、Cr、Cu、Sn及 Ti、Sb等促進珠光體的有害元素應盡量控制在較低的范圍。合金元素Ni有利于固溶、強化基體且促進珠光體的傾向最小，而Ni的不利影響可通過熱處理消除，但據(jù)悉Ni的加入量在0.5%以上且通過熱處理的方式才能彌補性能合格的情況下低溫沖擊的欠缺。

試驗條件：主要元素 w（C）：3.6%～3.8%、w（Si）：19%～2.1%、w（CE）：4.3%～4.4%、其他 Mn、Cr、Cu、Sn及Ti、Sb盡可能低情況下，試驗分三種情況：無Ni、w（Ni）：0.3%～0.4%、w（Ni）：0.5%～0.6%，鑄態(tài)下檢測，試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

試驗結果：試塊強度波動較大，雖然強度合格、球化率符合顧客要求，但是低溫沖擊值全不合格，基體組織中存在15%～30%的珠光體；且隨著Ni質量分數(shù)的增加，試樣的強度增加、延伸率降低、低溫沖擊降低。從表4中的數(shù)據(jù)可知，按此條件生產的試樣無法滿足顧客的規(guī)范要求。為了進一步改進試樣的機械性能和沖擊性能，計劃對試樣進行熱處理。

2.2 熱處理

鑒于試樣在鑄態(tài)下無法達到超顧客規(guī)范的材料要求，決定對試樣進行熱處理。如2.1所述試驗熔煉工藝及成分，鑄態(tài)組織中不存在自由滲碳體，所以不需要做高溫石墨化退回，直接進行低溫石墨化退火即可。采用低溫石墨化退火的目的是在共析溫度區(qū)間將組織中的珠光體分解成鐵素體和石墨，由Fe-C-Si三元相圖可知，其共析轉變有一個較寬的溫度范圍，又知Si的質量分數(shù)高會使A c1溫度升高，故將Si的質量分數(shù)控制在1.9%～2.0%，選擇Ni的質量分數(shù)在0.5%～0.6%，制作試樣，將制作的試樣先后在720℃、600℃和700℃的溫度下進行熱處理，熱處理后對試樣進行檢測，具體檢測結果見表5.

表4 鑄態(tài)性能及耐-40℃低溫沖擊統(tǒng)計

表5 熱處理后試樣機械性能及耐-40℃低溫沖擊統(tǒng)計

由表5可以看出：

①在720℃的溫度下保溫2 h的熱處理（1～2爐次）后，試樣的抗拉強度降低幅度較大，最大相差85 MPa（第2爐次），致使抗拉強度不符合要求；而沖擊值不同程度的上升，平均值最大上升6.4 J（第2爐次）。由此可知720℃的熱處理溫度過高。

②在600℃的溫度下保溫4 h熱處理（從3～4爐次）后，試樣的抗拉強度和沖擊值的變化不大，沖擊值仍未達到顧客的規(guī)范要求。由此可知，600℃熱處理溫度偏低，即使保溫4 h也未起到相應的作用。

③在700℃的溫度下保溫2 h熱處理（從5～6爐次）后，試樣的抗拉強度降低20 MPa左右，而沖擊能夠升高4 J左右，保證了試樣的機械性能、沖擊性能符合顧客的規(guī)范要求，達到了目標控制值。

綜上所述，在 w（Si）為 1.9%～2.0%、w（Ni）為0.5%～0.6%時，采用700℃的熱處理溫度是最好的。但是經過實際生產顯示，鑄態(tài)下沖擊值也必須在8 J以上，否則這樣的熱處理也不會使沖擊合格。為了使試樣鑄態(tài)下的沖擊值能夠達到8 J以上，計劃進行無鎳試驗。

2.3 無鎳試驗

為了進行無鎳試驗，購入德國西門子定子架鑄件，并對樣件的化學成分及實體進行檢測（鑄態(tài)檢測），檢測結果見表6.

從表6可知，1）因樣件中CE的質量分數(shù)是4.19%，故該樣件的成分是亞共晶成分；2）樣件的耐-40℃低溫沖擊結果合格；3）機械性能方面，解剖1#樣件的延伸率不符合要求，解剖2#樣件的抗拉強度不符合要求。

參照德國樣件成分的控制范圍，設計了多種熔煉工藝方案以探索無鎳狀態(tài)下的鑄態(tài)性能指標。試驗的方案及試塊（鑄態(tài)檢測）結果如表7所示。

表7中的5種方案的不同之處在于主料生鐵、廢鋼、機鐵的配比變化及合金Ni的配比變化，而熔煉工藝沒有變化。從表7中試塊的檢測結果看出，均為鑄態(tài)檢測，其中方案5的試塊合格率最高，配料方案中加26%的機鐵澆注10爐，共16組Y25單鑄試塊，鑄態(tài)檢測合格率最高達到75%，其他方案鑄態(tài)檢測合格率比較低，有的甚至為0.

通過對比表7中各試驗方案，可知，方案5加26%的機鐵的結果較好，取得的試驗結果見表8.

表6 德國樣件檢測結果

表7 無Ni試驗方案及結果

從表8中可以看出，采用方案制得的試塊耐-40℃低溫沖擊值取得了較大的提高，個別值達到近16 J，平均值為15.7 J，這是以前從未取得的成果。沖擊功不合格的試塊的強度均大于415 MPa，完全可以通過熱處理獲得顧客要求的沖擊功指標。通過對此方案的整理、完善與再驗證，將會為成功批量生產符合顧客需求的CRH3定子架鑄件奠定堅實的基礎。

表8 方案5試驗化學成分及性能結果

3 結論

從配料、熔煉、變質處理及試塊、鑄件實體上進行了一系列的改進，針對問題不斷調整，試驗的工藝從傳統(tǒng)的生鐵加廢鋼工藝到合成球鐵工藝（w（Ni）：0.5%～0.6%，700℃熱處理），以及獲得的無鎳加機鐵方案，探索了一條低成本獲得高韌性材料的工藝，經過后續(xù)驗證，加機鐵試驗方案可得到機械性能、-40℃沖擊性能全部合格，且合格率達到80%以上的鑄件，為公司市場競爭力的提高做出了巨大貢獻。

［1］陸文華.鑄造合金及其熔煉［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.