李 澤，王曉穎，郭振峰，洪 宇

（中車大連機車車輛有限公司，遼寧大連 116021）

近幾年，隨著我國軌道交通業(yè)的快速發(fā)展，各類電力機車在行駛地域上也隨之擴大，我國地域遼闊，緯度跨度很大，北方寒冷地區(qū)冬季的極端溫度可達到-40℃以下，同時由于機車運行速度的不斷升級，基于安全考慮，對電力機車用球墨鑄鐵件的力學性能（特別是低溫沖擊韌性）的要求亦越來越高。

HXD3C型交流傳動電力機車是我國鐵路線上的主力機型，其關(guān)鍵的走行部分驅(qū)動裝置齒輪箱體鑄件的材質(zhì)由QT500-7升級為QT500-7AL，根據(jù)最新版《交流傳動電力機車用球鐵齒輪箱技術(shù)條件》的規(guī)定，該鑄件不僅要求保證該牌號的強度和硬度，同時要兼具較高的伸長率和-40℃低溫沖擊韌性。目前國內(nèi)生產(chǎn)低溫沖擊韌性球鐵件主要為GB/T1348-2009中QT350-22AL和QT400-18AL兩種牌號，強度低，且全部采用高溫石墨化退火，會造成薄壁鑄件變形，生產(chǎn)周期和成本的增加，無法滿足要求。

中車大連公司通過立項攻關(guān)研制一種鑄態(tài)下具有-40℃沖擊韌性QT500-7AL齒輪箱的熔煉工藝，填補國內(nèi)在此類球鐵件生產(chǎn)上的技術(shù)空白。

1 主要技術(shù)難點

1.1 溫度對沖擊韌性的影響

隨著溫度降低，球墨鑄鐵逐漸發(fā)生由韌性向脆性的轉(zhuǎn)變，低溫沖擊韌性變差。至今為止，各國標準中對QT500-7A的球墨鑄鐵件均無低溫沖擊要求，現(xiàn)要求QT500-7A球鐵件具有-40℃沖擊功，這與球墨鑄鐵的沖擊韌性隨溫度降低而下降的趨勢相悖，故技術(shù)難度較大。

1.2 強度與韌塑性的制約關(guān)系

球墨鑄鐵的抗拉強度與低溫沖擊功一定范圍內(nèi)存在相互制約關(guān)系，例如QT400-18AL抗拉強度要求僅為≥380MPa（見表1）。要求QT500-7AL在-40℃的沖擊功值不小于4J，伸長率達到8%時，其常溫抗拉強度仍達到500 MPa難度較大[1]。

1.3 冷卻速度與金相組織

金相組織對于球墨鑄鐵的低溫沖擊韌性具有決定性作用，而冷卻速度是影響球鐵件鑄態(tài)金相組織的重要因素。由于原材料、工裝、設(shè)備、人員操作水平、甚至氣溫等外在因素的波動，實際生產(chǎn)中對于冷卻速度的精確且穩(wěn)定的控制難度較大。

2 基本原理

表1 GB/T1348-2009規(guī)定的各牌號附鑄試塊機械性能

球墨鑄鐵的化學成分、球化率和石墨球數(shù)、冷卻速度等是影響低溫沖擊韌性的主要因素。

（1）碳含量高，孕育處理好，石墨球數(shù)多對球墨鑄鐵的低溫沖擊韌性是有利的。特別是當溫度低至零下40℃時，一定范圍內(nèi)若石墨球數(shù)增加，低溫沖擊韌性也會隨之增加。

（2）硅強烈影響脆性轉(zhuǎn)變溫度，因此對于具有沖擊韌性要求的鑄件硅含量應(yīng)盡可能低，但隨硅含量的降低，抗拉強度和屈服強度也隨著下降[2]。

（3）實際生產(chǎn)中，可用適量銅來強化鐵素體球墨鑄鐵，但要嚴格控制含量，因為銅會提高球墨鑄鐵脆性轉(zhuǎn)變溫度，使沖擊值下降。

（4）鎳對石墨組織的影響較小，主要對基體產(chǎn)生影響，在低鎳合金鑄鐵中由于珠光體數(shù)量的增加，珠光體的細化以及珠光體中的鐵素體的強化，鑄鐵的強度性能可得到顯著地提高。對于低溫沖擊韌性，加Ni可擴大奧氏體區(qū)，使更多的殘余奧氏體組織保留到室溫以下，因此加鎳可以改善球鐵的低溫沖擊韌性。

（5）球墨鑄鐵在奧氏體化后不同冷卻速度形成的基體組織不同。在各類基體組織中鐵素體沖擊韌度最好。

依據(jù)以上原理，我公司鑄造車間通過鐵水化學成分的優(yōu)化和球化孕育處理過程的控制等方面，進行HXD3C齒輪箱的生產(chǎn)試驗。

表2 TJW065-2015規(guī)定的附鑄試塊機械性能

圖1 HXD3C齒輪箱鑄件三維圖

3 試驗方案制定及實施

3.1 研究對象

HXD3C齒輪箱體是HXD3C型電力機車驅(qū)動裝置的重要組成部分，其材質(zhì)為QT500-7AL，上箱體單重170kg，下箱體單重200kg（見圖1）。根據(jù)TJW065-2015《交流傳動機車球墨鑄鐵齒輪箱體暫行技術(shù)條件》規(guī)定，其各項機械性能均提出很高要求（見表2）。

3.2 化學成分設(shè)計

根據(jù)研究的基本原理，鐵液的化學成分設(shè)計是項目成功的關(guān)鍵控制點，特別是硅的含量及銅鎳等合金元素的含量。為此，本公司特別制定了以下7種方案分別逐步進行工藝試驗。

3.3 鐵水球化孕育處理

石墨形態(tài)、石墨球數(shù)、基體組織取決于鐵水的球化孕育處理水平。在HXD3C齒輪箱的生產(chǎn)中本公司采用敞口包夾層覆蓋沖入法和多次孕育的孕育處理技術(shù)（見表4），保證了較高的球化率。

3.4 附鑄試塊的位置設(shè)計

HXD3C鑄型采用自硬樹脂砂造型，通過使用MAGMA軟件對各方案凝固過程溫度場的模擬，選定試塊位置，保證其與鑄件冷卻條件相近，內(nèi)部質(zhì)量較好。

4 附鑄試塊的檢測及分析

表3 化學成分設(shè)計方案 ωB/%

表4 孕育處理方案

試生產(chǎn)后將每種方案的附鑄試塊直接在鑄態(tài)下按相應(yīng)標準進行了力學性能和金相組織檢測，檢測結(jié)果如表5所示。

由表5可知：（1）在硅含量不變的情況下，Cu+Ni的合金組合能夠保證足夠的強度，但是沖擊韌性相對較低，大部分≤4J，不能滿足技術(shù)要求；（2）合金元素單純采用Ni進行合金化后，沖擊韌性明顯提升，大部分可達6～8J，但是當Ni含量＜1.2%時，其抗拉強度均＜500MPa；（3）適當降低Si含量，可試-40℃低溫沖擊得以提升。

力學性能檢測結(jié)果較理想的方案④～⑦的金相組織如圖2所示。

表5 附鑄試塊的檢測結(jié)果

圖2 鑄態(tài)試樣的金相組織

圖3 鑄態(tài)試樣的斷口形貌

由圖2所知，良好的孕育保證了足夠的石墨球數(shù)（＞180個/mm2），鎳的加入量對鑄態(tài)試樣組織中石墨球的形貌改變影響不顯著，只是隨著加入量增加珠光體含量提高，可達45%左右。而鎳的加入對于低溫沖擊韌性的影響是顯著的。圖3所示為未加Ni和加Ni0.7%的鐵鑄態(tài)試樣的沖擊斷口形貌。

由圖3可知，不加鎳鑄態(tài)試樣斷口中石墨球周圍并沒有韌窩結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，斷裂沿著特定的晶體界面發(fā)生脆性斷裂；而加鎳的鑄態(tài)試樣在石墨球剝落形成的空洞周圍，有近似于“撕裂棱”的結(jié)構(gòu)相互聯(lián)結(jié)成網(wǎng)狀，且分布有大小不一的韌窩結(jié)構(gòu)。因此低溫沖擊韌性較好。

根據(jù)以上結(jié)論，我們采用方案⑦進行了小批量的HXD3C齒輪箱的生產(chǎn)，以驗證該方案的穩(wěn)定性和可行性，其鑄態(tài)下附鑄試塊的檢測結(jié)果如表6所示。

表6 附鑄試塊的力學性能和金相組織

由表6可知，采用方案⑦生產(chǎn)的HXD3C齒輪箱，附鑄試塊的強度、伸長率以及沖擊值均數(shù)值穩(wěn)定，抗拉強度均在500～530MPa，伸長率達10%～19%，-40℃低溫沖擊功在7～9J，各項指標均符合材料規(guī)范。

5 結(jié)論

（1）3.80%～3.85%C,1.8%～1.9%Si,0.10%～0.15%Mn,≤0.035%P,≤0.02%S,1.2%～1.3%Ni是超低溫沖擊韌性QT500-7AL球墨鑄鐵齒輪箱化學成分的適宜范圍，實際鑄件生產(chǎn)中需要配合優(yōu)選的主爐料和合理的爐料配比及先進的球化孕育處理技術(shù)形成完整的熔煉工藝。

（2）本公司生產(chǎn)的QT500-7AL球墨鑄鐵齒輪箱與GB/T1348-2009中規(guī)定的該牌號鑄件相比，具有-40℃低溫沖擊韌性，其附鑄試塊抗拉強度保持500～530MPa，伸長率達10%～20%的同時沖擊值可達到7～9J，各項性能指標完全符合《交流傳動電力機車用球鐵齒輪箱技術(shù)條件》的最新規(guī)定。

（3）本公司生產(chǎn)的QT500-7AL球墨鑄鐵齒輪箱及其試塊均不需熱處理，各項理化檢測結(jié)果均是鑄態(tài)下所得。從而大大縮短了工藝流程，避免了熱處理過程和高溫后表面清理的能源和人工投入，有效節(jié)約了生產(chǎn)成本。

[1] 馬敬仲，丁建中，尤其光，等．超低溫高韌性球墨鑄鐵QT400-18AL 的研究及應(yīng)用[J].鑄造,2012,61(8)：858-864.

[2] 陶令桓，鑄造手冊 鑄鐵[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.