摘要：探讨了低温铁素体球墨铸铁的理论基础。详细介绍了低温铁素体球墨铸铁的生产技术，包括化学成分、金相组织、力学性能以及生产流程的控制。成功生产了抗拉强度≥400 MPa，伸长率≥18%，-40℃、-50℃、-60℃时的冲击功大于12J的低温铁素体球墨铸铁，满足了用户的要求。
关键词：低温铁素体球墨铸铁；组织；化学成分；力学性能
中图分类号：TG143.5 文献标识码：B 文章编号：1001－4977（2015）
随着中国高速铁路的发展，时速300～350 Km/h等级的京广、京沪、哈大等高速铁路投入运行，一些国家相继与中国协商高速铁路建设。使得中国高速铁路的自身发展和走向世界进入了一个辉煌的代。2012年高速铁路已达1.2万公里，2020年预计为5万公里。为了实现引进动车组技术的消化吸收和再创新，原铁道部根据高速列车基本组成技术难度和我国铁路机车车辆的工业化水平，把高速动车组的技术分成九大关键技术：动车组系统集成、车体、转向架、牵引变压器、主变流器、牵引电机、牵引传动、列车控制网络、制动系统。常州华德机械有限公司参与了其中转向架轴箱材料的开发，研究成功低温铁素体球墨铸铁，已成功地应用在高寒地带高速列车转向架轴箱及国内外高速列车其他零件上，见表1。
这些高速列车零件，除要求高的力学性能外，还要求高的质量稳定性、一致性，为此，需要深入地研究这种材质的特性。
1 低温铁素体球墨铸铁的理论基础
低温铁素体球墨铸铁QT400-18AL（用25 mm Y型附铸试样作检验试样），要求抗拉强度≥400 MPa，屈服强度≥240 MPa，硬度HBW为130～150，伸长率≥18%的条件下，其-40℃、-50 ℃、-60 ℃时的冲击值皆要大于12 J，单个试样最小值为9 J，这个要求比至今颁布的国内外低温铁素体球墨铸铁标准更为严格。与目前执行的低温球墨铸铁标准QT400-18AL (EN-GJS400-18ULT)的不同点是除要求-20 ℃的冲击吸收功外，还要求-40 ℃、-50 ℃、-60 ℃的冲击吸收功≥12 J。为此，需要对其理论进行探讨。
低温铁素体球墨铸铁的理论基础就是如何确定金相组织与化学成分、力学性能三者之间的关系。要使低温铁素体球墨铸铁的冲击吸收功在-40～-60 ℃下稳定地达到12 J，基体要求100%铁素体，球化率90%～95%，石墨大小6～7级，石墨球数90～200个/mm2，
无磷共晶和碳化物。
100%铁素体基体是球墨铸铁提高低温冲击值的首要条件，生产实践证明，即使1%～2%的珠光体都会导致低温冲击值的降低。研究表明，同样是铁素体球墨铸铁，低磷、低硅退火态的全铁素球墨铸铁，其低温冲击值最佳，见图1。
表1 生产的高速列车轨道低温球铁产品
Table 1 Theferritic ductile iron castings suitable for low temperature service for highspeed train
用户名称
零件名称
牌号
尺寸/mm
重量/kg
性能要求
已交付的产量/套
德国舍弗勒集团有限公司
CRH300轴箱
EN-GJS-400-18LT
(-20 ℃)
861×286×309
80
抗拉强度≥400 MPa；屈服强度（规定非比例延伸强度）≥240MPa；断后伸长率≥18%；冲击吸收能量（-20℃）≥12J。
2 736
CRH380轴箱
EN-GJS-400-18LT
(-40 ℃)
861×286×309
80
抗拉强度≥400MPa；屈服强度（规定非比例延伸强度）≥240MPa；断后伸长率≥18%；冲击吸收能量（-40℃）≥12J。
8 018
斯凯孚法国有限公司
SKF轴箱（西门子项目）
EN-GJS-400-18LT
(-40 ℃)
800×426×241
82
800
法国阿尔斯通交通运输有限公司
高铁动车齿轮箱
EN-GJS-400-18LT
(-40 ℃)
585.9×525×565
147
98
长春轨道客车股份有限公司
CRH380轴箱
EN-GJS-400-18LT
(-40 ℃)
861×286×309
80
11 500
德国庞巴迪运输设备有限公司
机车齿轮箱
EN-GJS-400-18LT
(-50 ℃)
1 591×935×378
570
抗拉强度≥400MPa；屈服强度（规定非比例延伸强度）≥240MPa；断后伸长率≥18%；冲击吸收能量（-50℃）≥12J。
20
牵引电机端盖
Φ89×185
127
94
抱轴箱
Φ428×842
144
20
球化率达到90%～95%是保证低温冲击值的必要条件。球墨铸铁的裂纹是沿着球墨边界扩展的，球形越圆，越不易产生裂纹，因此球化率越高，越有利于冲击性能与疲劳强度等动载性能的提高。
石墨球数的多少对常温与低温的缺口冲击值有不同的影响。如图2所示，石墨球数少，利于上限冲击性能的提高；球墨数多，利于低温冲击性能的提高，具体多少，应根据试验确定。对于主要壁厚为30 mm的转向架轴箱，以90～200个/mm2为宜。
晶界上的磷共晶与碳化物，会大幅度降低球铁的低温冲击吸收功。
值得注意的是，上述的金相组织仅是保证低温铁素体球墨铸铁获得高的低温韧性的基础，要全面达到其性能要求，还需做以下研究。
（1）100%的铁素体基体是保证低温冲击值所需要的，但100%的铁素体却难以保证400 MPa的抗拉强度，必须对其基体进行固溶强化，以提高抗拉强度。这就要求利用化学成分中较高的Si或加入Ni等合金元素来强化铁素体，使其达到400 MPa的要求。
（2）铁素体的强化往往导致塑-脆性转变温度的提高及低温冲击值的降低。因此，要研究如何调整抗
拉强度与低温冲击值相互制约的关系，并探索其解决的方法。
（3）当金相组织较为完善，基本达到要求时，要进一步提高低温冲击值，则取决于晶界夹杂物的净化。此时如何净化晶界将是保证低温冲击值的关键因素。
（4）球墨铸铁冲击性能随温度的降低而下降是球墨铸铁固有的特性。要保证零件在低温下安全运行，不仅要保证其低温下的冲击值，还要研究塑-脆性转变温度曲线，即冲击值随温度的变化曲线。其曲线下降越平缓越安全，温度稍有变化就导致冲击值大幅度波动是不可取的。
未完待述
资料来源：铸造工业
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