QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料研究及應用

■ 趙陽，孫新明，李亞文

隨著高鐵、風電行業的快速發展,人們對球墨鑄鐵鑄件低溫沖擊性能指標要求越來越高，QT400-18AL（-20℃）低溫球墨鑄鐵材料已被各國列入國家標準。QT400-18AL（-40℃）低溫球墨鑄鐵材料在近幾年內也越來越多被引用到產品要求內，國內也有部分鑄造廠家能夠生產此材料要求的鑄件。隨著產品的發展，QT400-18AL（-50℃）低溫球墨鑄鐵材料的研究和應用也逐漸成為鑄造行業技術攻關的主要課題之一。

生產QT400-18AL(-50℃)低溫沖擊材料,在保證抗拉強度≥400MPa、屈服強度≥250MPa、伸長率≥18%達到要求的前提下進行-50℃(-52℃保溫10min以上）低溫沖擊試驗，要求三個標準夏比試樣沖擊吸收能量平均值KV≥12J，單個試樣沖擊吸收能量KV≥9J。若想得到較高的沖擊吸收能量，材料必須是合適的化學成分、較好的球化等級、較多的石墨球數、較高的鐵素體含量及伸長率。

一、化學成分的選擇與控制

化學成分的選擇與控制是生產QT400-18AL(-50℃)低溫沖擊材料鑄件關鍵點之一，化學成分直接影響鑄件的金相組織及物理性能，因此我們深入研究了各種化學元素在球墨鑄鐵中的作用，通過試驗找出了高性能指標相應各種化學元素的合適范圍并加以控制。

1. 化學成分的選擇確定

結合各元素的作用和國內外原材料狀況以及生產QT400-18AL（-40℃）低溫沖擊鑄件的經驗數據，確定生產QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊鑄件的化學成分范圍。

（1）進一步驗證Si元素的重要作用，Si含量的高低直接影響抗拉強度、沖擊值的大??；從試驗數據得出，若想進一步提高沖擊值指標，必須繼續降低Si含量，但降Si已無法滿足強度要求。我們通過加大鎳含量方法，解決了降低Si含量帶來的強度不足問題。

（2）結合我公司生產過程中化學成分控制能力，控制QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊鑄件球化反應后化學成分如下：wC＝3.50%～3.80%，wSi＝2.05%～2.15%，wMg＝0.38%～0.54%，wRE＝0.005%～0.009%，wNi＝0.77%～0.83%，wMn≤0.10%，wP≤0.028%，wS≤0.015%，wTi≤0.018%，wCr≤0.023%，其他微量元素越低越好。

2. 化學成分的控制

（1）原材料控制 ①生鐵。選用C高，Si、Mn、P、S較低，Ti、Cr、Sn、Sb、Pb等微量元素足夠低的高純生鐵。②廢鋼。選用含合金元素較低的Q235廢鋼。③增碳劑。選用低S易吸收的增碳劑，收得率要求C≥90%、S≤0.3%。

（2）熔煉過程中化學成分控制 ①嚴格按配料單檢重量，配料有記錄和可追溯性。②嚴格按鐵液出爐前化學成分要求執行，化學成分不符合要求的鐵液不允許出爐。

生產QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊鑄件球化反應前化學成分要求：wC＝3.92%～3.98%，wSi＝0.68%～0.72%， wNi＝0.77%～0.83%，wMn≤0.10%，wP≤0.028%，wS≤0.015%，wTi≤0.018%，wCr≤0.023%，其他微量元素越低越好。

（3）不僅球化劑、孕育劑要稱重準確，而且覆蓋球化劑鋼片稱重要求±1kg，出鐵稱重要求±10kg。

合理的化學成分確定與控制是本項目的首要環節、必要條件，本項目的另一重要條件是必須有良好的球化效果。

二、熔煉控制

獲得優質鐵液是良好球化效果的基礎。所謂優質鐵液就是在保證鐵液純凈度的前提下，盡量保證熔液冶金核心原始數量 ，使大量異質核心得到保持，并保證合適化學成分、鐵液出爐溫度。生產QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料鑄件在熔煉控制中應關注以下幾點。

1. 配料

配料時多使用原生鐵，少使用廢鋼、回爐料，計算時盡量接近理想化學成分，留有少量微調空間。多加原生鐵的目的是保證原始石墨核心數量，同時減少增碳劑加入量（減少增硫）。

2. 送電熔化

大電流快速熔化，時刻關注爐料下落情況，不要出現棚料而產生鐵液局部過熱。鐵液過熱使異質核心消失，減少球化反應后石墨球數量，影響球化效果。

3. 取樣分析及調整

鐵液溫度升至1400～1430℃時取樣做爐前分析，鐵液溫度升至1420～1450℃時取樣做爐前光譜分析，成分不合格時需調整至合格。

4. 鐵液出爐

大電流送電、快速升溫至出爐溫度，將鐵液表面浮渣扒凈，然后出爐。我公司鐵液出爐溫度為1525～1535℃，與其他公司生產低溫沖擊球墨鑄鐵件不同，鐵液達到出爐溫度后馬上出爐，不采用5～10min凈化處理。其原因如下：

（1）電爐出鐵采用出鐵槽導流，出鐵槽多降溫5～10℃，出爐溫度應提高5～10℃用來彌補出鐵槽降溫。

（2）爐料熔化后隨著溫度升高開始出氣凈化，當升溫到1500℃以上時開始吸氣氧化，原始異質核心逐漸消失，鐵液過冷度逐漸增大。為保證球化反應后石墨球數量，必須保證球化反應前鐵液中原始核心數量。

球墨鑄鐵件熔化設備為1臺3t/h電爐和1臺1.5t/h電爐。3t/h電爐生產為每爐2包出鐵球化，鐵液達到出爐溫度時停電開始出第一包，待第一包鐵液球化反應結束、扒渣完畢、鐵液吊走后繼續送電，當鐵液溫度達到出爐要求時，開始出第二包鐵液。我們對第一包、第二包鐵液所澆試塊抗拉強度進行比較，QT500-7材質取200組數據，第一包數據平均值比第二包數據平均值高22.6MPa；QT400-18AL材質取200組數據，第一包數據平均值比第二包數據平均值高8.2MPa，因此我公司要求鐵液快速升溫、快速出爐，3t/h電爐第二包鐵液不能生產球墨鑄鐵低溫沖擊鑄件。

（3）鐵液出爐溫度高有利于球化反應渣上浮，有利于球化反應后鐵液凈化。

與其他公司不同，我公司采用出鐵槽導流出鐵：①防止鐵液直沖球化劑，保證球化反應平穩。②保證了出鐵重量的準確性，減少成分波動。

三、球化處理

1. 球化劑種類

考慮到球化反應的穩定性與稀土元素會降低低溫沖擊值的特性，我們選用了特制的低鎂低稀土球化劑，而且要求氧化鎂的含量要≤0.8%。

2. 球化劑粒度與加入量

球化劑粒度：3～20mm。

球化劑加入量：1.15%～1.2%（鐵液S含量高、出爐溫度高、球化鐵液量少時按上限加入）。

由于球化劑中鎂為強烈促使白口化元素，直接影響球化等級、強度、伸長率與低溫沖擊吸收能量，因此將殘鎂量（質量分數）控制在0.038%～0.056%。

3. 球化包要求

球化包底修成凹坑式，凹坑大小、深度要合適，球化包高度與直徑比應≥1.8。其目的一是提高鎂的吸收率，二是保證球化反應的穩定性。

4. 球化劑加入方法及出鐵

球化劑加在包底凹坑內、扒平，特殊情況鐵液出爐溫度高時要搗實。球化劑上均勻覆蓋孕育劑，然后再均勻覆蓋薄鋼片（或潔凈無銹球墨鑄鐵末），薄鋼片要稱重，1.5t球化包覆蓋薄鋼片重量為13～15kg，2t球化包覆蓋薄鋼片重量為18～20kg。出鐵時不要直沖球化劑，開始時盡量快速將鐵液出到球化包內，最后時減慢出鐵速度。

5. 球化反應

（1）球化反應時間為70～120s。

（2）盡量將鑄型擺放在電爐附近，以縮短球化反應后鐵液運輸及澆注時間；若必須將鑄型放在遠離電爐處，鑄型附近可設置扒渣場，鐵液快速出爐后直接吊到扒渣場扒渣。鐵液表面及包沿浮渣應徹底清理干凈后再開始澆注。球化反應完畢到澆注結束不能超過12min。

四、強化孕育處理

孕育處理是本項目又一重要環節，直接影響球化等級、伸長率，最終影響沖擊性能。提高孕育效果的具體措施主要有以下幾個方面。

1. 選擇強效孕育劑

為提高孕育抗衰退性，強化孕育效果，增加球化反應后石墨球數，提高球化等級及伸長率；我們在以硅鐵為基礎的孕育劑中加入少量的Al、Ca、Ce、Sr、Ba等元素，而且適當增加了鋇含量(考慮鋇抗孕育衰退的作用)。同時又考慮到Bi具有增加石墨球數量的作用，我們在隨流孕育劑中補加了微量Bi。

2. 加大球化孕育劑加入量

在保證未孕育過剩前提下，盡量降低球化反應前化學成分硅含量，加大球化反應孕育劑加入量，控制在1.1%～1.2%。具體加入方法為：0.25%硅鋇孕育劑加在球化包底，均勻覆蓋在球化劑上；0.15%高硅鋇孕育劑作為預處理劑放在包底鐵液直沖處；其余球化反應孕育劑加在出鐵槽漏斗內，當鐵液出到2/3～3/4時，出鐵槽漏斗加入。

3. 加大隨流孕育劑（瞬時孕育）加入量

盡量縮短孕育至凝固時間，在加大球化反應孕育劑量的同時，增加隨流孕育劑加入量，這是因為所有孕育劑的孕育效果都在剛加入瞬間為最大。隨流孕育劑加入量為0.13%～0.23%，澆注鑄件時加在澆包包嘴鐵液表面，漏斗加入，用漏斗孔直徑大小來控制加入量。

4. 控制鐵液S含量

根據球化反應前鐵液S含量的高低選用不同隨流孕育劑。

S含量控制：球化反應前鐵液S含量越低越好，但S低影響孕育效果，減少球化反應后石墨球數。我們采取的辦法是當原鐵液S含量較高時（球化反應前wS≥0.015%時）隨流孕育使用普通硅鋇孕育劑（含微量鉍）；當原鐵液wS＜0.015%時，球化后補加一定的硫量，隨流孕育劑使用S-O孕育劑。

保證球化反應后鐵液應有必要的含S量，過低的含S量不利于提高石墨球數，其原因是各種硫化物是球墨核心的原始基底，過低的S量勢必減少RES、MgS生成物，使石墨球數減少。因此，在球化后鐵液中S含量過低時，我們使用S-O孕育劑，添加一定量的S、O非金屬組分，以補充原球墨鑄鐵液中為獲得大量核心所需要的S、O不足量。

五、如何增加石墨球數及工藝設計的注意事項

球化反應后石墨球數多有利于提高各項性能指標，自身補縮能力加強，減少鑄件縮松、縮孔傾向，球化后石墨球數的多少直接反映了熔煉控制水平。鑄件本體取樣，意味著要求鑄件零鑄造缺陷；金相異形石墨、氧化夾雜、微觀縮松、氣孔縮孔等都會成為斷裂源，影響性能指標。通過反復試驗表明：金相組織石墨球大小6～8級、石墨球數≥130個，才能滿足各項性能指標要求。石墨球直徑增大，相應石墨球數量減少（我們通過取鑄件未加冷鐵、壁厚≥50mm處和熱節處金相發現），石墨球數90～130個，滿足國標 GBT1348—2009、歐標 EN1369—2003要求，但根本達不到QT400-18AL（-40～-60℃）低溫沖擊材料所要求的性能指標。

綜上所述，歸納生產QT400-18AL（-40～-60℃）低溫沖擊材料經驗，若想增加球化反應后金相組織中石墨球數量，應注意以下幾點。

（1）熔煉控制中減少棚料，鐵液達到出爐溫度時快速出爐，有利于保留原始異質核心，增加球化反應后石墨球數量。

（2）較高的碳當量有利于增加原始石墨核心，增加球化反應后石墨球數。

（3）球化劑中合適的稀土含量，孕育劑中添加Ce、Sr、Ba、Bi微量元素能提高抗衰退效果，增加石墨球數。

（4）合適的S量可保證異質核心數量及孕育效果，增加石墨球數。

（5）添加預處理劑可解決過冷度大、鐵液過熱產生的問題，增加石墨球數。

（6）增加球化反應孕育劑量及隨流孕育劑量可增加共晶團及石墨球數量。

另外，鐵液冷卻速度的快慢直接影響石墨球數量多少，冷卻速度快石墨球小，數量遞增，因此工藝設計時為提高鐵液冷卻速度應注意以下幾點：①鑄件壁厚部位及熱節處應加冷鐵，以增加冷卻速度。②盡量少用冒口，減少局部熱節，多加冷鐵。③少用頂冒口，多用側冒口，用冒口時要配加冷鐵。

六、理化檢測情況

（1）生產QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料理化檢測，從6爐次統計記錄得出：化學成分在控制要求范圍內，抗拉強度在405～415PMa，屈服強度在260～275PMa，伸長率在20%～26%，球化等級為1～2級，沖擊吸收能量在13.2～14.7J，均滿足該牌號材質技術要求。

（2）以爐號QT1834-1為例，QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料金相組織如圖1所示。圖1a為腐蝕前金相，球化級別為2級，石墨大小為6～7μm。圖1b為腐蝕后金相，鐵素體含量為100%。

七、高溫熱處理

前面已經介紹，生產QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料，基體鐵素體含量必須100%，由于我們通過加入一定量Ni來提高強度，必然會產生微量珠光體。我們采取高溫熱處理的目的就是將珠光體完全轉化為奧氏體，然后慢速冷卻按穩定系相變，實現珠光體全部轉變為鐵素體，以達到基體組織100%鐵素體。QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料試制階段，我公司用同一包鐵液澆注15塊厚度為15mm的U型試塊（Ni加入量為0.8%），采用試驗室箱式電阻爐進行了3組熱處理試驗。第一組：600℃和720℃低溫熱處理對比；第二組：600℃低溫熱處理和870℃高溫熱處理對比；第三組：920℃高溫熱處理和870℃高溫熱處理對比。

試驗數據表明，870℃高溫熱處理對抗拉強度、屈服強度、沖擊吸收能量影響較大，對伸長率無太大影響。870℃高溫熱處理使抗拉強度降低5MPa，但沖擊吸收能量增加3J，能滿足性能要求，因此最終確定在批量生產QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料鑄件時采用870℃高溫熱處理工藝，如圖2所示。

八、結論

通過一年多批量生產QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料鑄件，得出以下結論。

（1）首先必須保證原材料P、S含量較低，微量元素Ti、Cr等足夠低。

圖2

圖1

（2）Si含量控制在合適范圍內是生產QT400-18AL(-50℃)低溫沖擊材料鑄件非常重要的環節，Si含量決定著抗拉強度、屈服強度及沖擊吸收能量的大小。生產時注意：①原材料Si含量波動小。②每班前做光譜校驗，Si分析數據誤差小。③鐵液出爐前成分不合格不允許出爐。④保證鐵液、球化劑、孕育劑及覆蓋鋼片重量的準確性。

（3）Ni只有加入適量值才能達到提高強度的效果。

（4）我公司在如何增加球化反應后石墨球數及提高球化等級、保證球化反應穩定性方面取得了成功經驗：①鐵液快速升溫、快速出爐有利于球化反應后鐵液凈化、增加球化反應后石墨球數。②采取出鐵槽出鐵、定量覆蓋球化劑鋼片、適當加深球化包深度、降低球化劑稀土及鎂含量等，是保證球化反應穩定性的有效措施。③特效孕育劑有利于提高抗衰退性，增加球化反應后石墨球數，提高球化等級。

（5）金相100%鐵素體不能保證材料伸長率合格，要保證低溫沖擊材料伸長率合格，首先要控制合適的殘留鎂量，其次要控制球化反應孕育劑及隨流孕育劑加入量。

（6）生產低溫沖擊鑄件、當鑄件重量較輕時，隨流孕育劑加入量較難控制，直接影響材料最終硅含量，因此經常對操作工進行培訓顯得尤為重要。

（7）低溫沖擊材料鑄件必須采取高溫熱處理。

九、結語

只要合理控制爐料采購，嚴格控制球化反應前鐵液化學分，做好球化處理，強化孕育，采用高溫熱處理，就可以穩定生產QT400-18AL(-50℃)低溫沖擊材料鑄件，同時為下一步批量生產QT400-18AL（-60℃）低溫沖擊材料的研究奠定了堅實基礎，為高鐵提速及在嚴寒地區所用部件的開發提供了必要的材料保障，具有較高的經濟效益與社會效益。