摘要：采用优质原材料、废钢增碳手段限制铁水P、S含量，加入适量Cu、Mn合金元素，采用冲入法球化处理、多次孕育处理，制订了高强度高伸长率QT600-7球墨铸铁熔炼工艺；多次重复性试验表明，上述熔炼工艺合理，成本低，操作简单，应用范围较广。
　　关键词：高强度；球墨铸铁；熔炼工艺
　　随着轨道交通行业的快速发展和列车时速的不断提升，列车的使用条件对传动系统、制动系统等关键零部件的质量提出了越来越高的要求。例如制动系统中的夹钳、吊架等零件，以往选用的QT500-7、QT600-3等传统球墨铸铁材料已经不能很好地满足使用要求，各类零部件都在不断提出既要具有高强度，又要具有高塑性的性能，因此QT600-7等高强度、高塑性的新型球墨铸铁材料应运而生。
　　目前，国内外生产QT600-7球墨铸铁材料主要途径有[1]-[3]：
　　1、添加合金元素，如Ni、Mo等；
　　2、提高Si含量以获得高Si固溶强化铁素体球墨铸铁，其具有高强度和高伸长率；
　　3、改变铸型散热条件，细化晶粒，如采用铁型覆砂工艺等。
　　然而，上述工艺的也存在局限性：添加合金元素，成本过高；提高Si含量会显著降低材料的低温冲击性能，难以适应一些高寒列车的环境；改变铸型散热条件则工艺宽泛性较低，应用范围有限。因此，本文开展了一系列的材料熔炼试验，旨在研究一种低成本的、操作简单的、适用于普通砂型铸造的铸态QT600-7熔炼成分及工艺。
　　1 试验目标
　　QT600-7的力学性能要求见下表1；同时，表1也列出了GB 1348-2009中与其接近的2个牌号的材料性能要求。
　　表1 铸态QT600-7球墨铸铁力学性能要求

　　上表中可以看出，QT600-7在抗拉强度、屈服强度、伸长率等各个指标上都比传统球墨铸铁要高，兼具了珠光体的高强度和铁素体的高伸长率；
　　为了满足上述性能要求，必须要细化晶粒，并努力提高石墨球的圆整度，因此，试验对QT600-7材料的金相组织做了要求，见下表2。
　　表2 铸态QT600-7材料金相组织要求

　　2 试验内容
　　2.1化学成分设计
　　（1）碳和硅
　　对于铸态球墨铸铁件来说，只要不产生石墨漂浮，宜采用高碳当量（4.2%-4.8%之间），可有效促进石墨化，并降低缩孔、缩松倾向?？悸堑讲牧系牡臀率褂靡?，应控制Si含量不超过3.0%，因此，试验要求C含量为3.5%-3.8%，Si含量为2.2%-2.5%。
　?。?）锰和铜
　　Mn和Cu都是稳定珠光体的元素，所不同的是，Mn在促进珠光体形成的同时，会使白口倾向增加，而Cu却能促进石墨化，减少白口倾向。因此，试验中，Mn含量不宜过高，应控制在0.3%-0.5%；同时，为促进形成一定量的珠光体组织，Cu含量设定为0.3%-0.5%左右。
　?。?）磷与硫
　　P和S为有害元素，应严格限制这两种元素的含量。本次试验要求P含量不大于0.05%，S含量不大于0.03%。
　　2.2 原材料的选择
　　试验采用优质的生铁和废钢作为主要原材料（其成分见表3），并加入部分低S增碳剂；其他原材料为普通低稀土球化剂，含Ba、Ca等元素的长效硅钡孕育剂，电解Cu板等。

　　2.3 熔炼工艺
　　采用100kg的中频感应电炉熔炼，依次在炉底加入废钢与增碳剂，最后压上生铁。熔炼温度在1530-1560℃，并适当保持一定时间后出炉。出炉温度为1480-1500℃。采用操作简单的冲入法球化处理；采用预处理孕育+出铁随流孕育+浇注随流孕育的多次孕育工艺。
　　2.4 试验方法
　　用上述处理的铁水浇注树脂砂造型的标准Y型试块（GB1348-2009）若干，并在最后浇注的Y型试块上取样进行分析试验，测试试样的成分、力学性能和金相组织，所采用的检测设备有碳硫分析仪、等离子体发射光谱仪、微控电子万能试验机、金相显微镜等。
　　3 试验结果与分析
　　3.1 Cu与Mn的影响
　　Cu与Mn对于抗拉强度及伸长率的影响见图1。图中可见，在试验的成分范围内，Cu与Mn共存时，Cu对强度的促进作用要强于Mn，Cu含量每增加0.1%，材料强度提高约50Mpa；另一方面，Mn含量较低时，伸长率普通较高，此时增加Cu，材料在强度提高的同时，对于伸长率的影响并不太大。分析原因为， Cu在共晶转变时，促进石墨化，减少渗碳体，在共析转变时，促进珠光体的形成，且对基体起固溶强化作用；而Mn虽然促进珠光体的形成，但由于较大偏析的倾向而易富集于晶界上，影响到材料的韧塑性，因此，Mn含量的提高，强度增加不明显，但对伸长率有一定程度的影响。试验结果还表明，当Cu含量为0.4%，Mn含量为0.3%时，材料的综合性能最高，强度为662Mpa，伸长率10.5%，达到了试验目标。

a.  对强度的影响

a.  对伸长率的影响

图1 Cu、Mn含量对力学性能的影响

　　3.2 废钢增碳熔炼工艺的应用效果
　　在铸态球墨铸铁中，P含量增多，形成的磷共晶会增多，磷共晶呈多角状分布于共晶团边界，会急剧恶化材料的韧塑性；因此，要想获得高伸长率的铸态球铁材料，必须严格控制P含量；S为反球化元素，降低其含量是确保球化效果的前提；试验采用了50%废钢与50%生铁配比的废钢增碳熔炼工艺，得到的P含量不到0.03%，S含量也不到0.015%，远低于设计的成分要求。同时，采用废钢增碳工艺的另一个优点还在于可降低白口倾向，细化珠光体，增加珠光体数量[4]-[5]；因此，废钢增碳熔炼工艺对获得高性能的铸态球墨铸铁材料很有益处。
　　3.3 多次复合孕育工艺的应用效果
　　将采用预处理孕育+出铁随流孕育+浇注随流孕育的复合孕育处理，与未经多次复合孕育处理的试验结果进行对比，其金相结果分别见图2 a）与b）。

　　a）采用复合孕育处理的试样金相
　　b）未经复合孕育处理的试样金相
　　图2 复合孕育对金相的影响（x100

　　石墨球的好坏直接影响到球墨铸铁的力学性能。由于球化前对铁水进行了预处理孕育，且球化后浇注时进行随流孕育，不仅提高了铁水纯净度，为石墨析出和长大提供了良好的环境，更重要的是增加了石墨形核数量，从而减小了石墨球直径，提高了球化效果。图2也可以看出，采用了复合孕育处理的试样，球化级别达到2级以上，石墨大小在6级，无论从大小，还是圆整度方面，都要优于普通试样。因此，采用多次复合孕育处理是获得低合金高性能球墨铸铁的关键。
　　4 生产过程中的验证
　　采用上述工艺批量生产某QT600-7吊架铸件，铸件各项性能仍稳定的满足技术要求，其成分、金相和性能检测结果分别见表4-6。

表5 金相组织检测结果

表6 力学性能检测结果

　　5 结论
　　1) 铸态QT600-7的合理成分范围为：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) 当Cu含量为0.4%左右，Mn含量为0.3%左右时，珠光体数量为60%-70%，此时，材料具有较高的强度和伸长率。
　　3) 废钢增碳熔炼、多次复合孕育处理等是获得预期化学成分和优异的铸态QT600-7材料性能的重要工艺保证。
　　参考文献：
　　1 陈淑梅，潘全章，刘宝安. QT600-7球墨铸铁材料的试验研究[J].铁道机车车辆,2009.08.
　　2 Larker Richard.固溶强化铁素体球墨铸铁[J].铸造，2010，59（6）.
　　3 林钰杰，吴宝成.铸态QT600-10的生产工艺[J].现代铸铁，2014.04.
　　4 封雪平，陈小华.高性能球墨铸铁熔炼工艺[J].机车车辆工艺，2010.02.
　　5 李娄明，朱正锋等.废钢增碳在合成铸铁中的应用探讨[J].铁道机车车辆工人，2012.04