随着高铁、风电行业的快速发展，人们对球墨铸铁低温冲击铸件的性能指标要求越来越高，QT400-18AL（-20°C）低温球墨铸铁材料已被列入各国国家标准。QT400-18AL（-40°C）低温球墨铸铁材料近年来在产品要求中的应用越来越多，国内一些铸造厂家可以生产这种材料所需的铸件。随着产品的发展，QT400-18AL（-50°C）低温球墨铸铁材料的研究与应用逐渐成为铸造行业的主要技术研究课题之一。

生产QT400-18AL（-50°C）低温冲击材料，在保证抗拉强度≥、屈服强度≥、伸长率≥18%的前提下，满足-50°C（-52°C保温10min以上）低温冲击试验的要求，要求三标准比较试样的平均冲击吸收能量KV≥12J， 以及单个样品KV≥9J的冲击吸收能。为了获得更高的冲击吸收能，材料必须具有合适的化学成分、良好的球化等级、更多的石墨球数量、更高的地铁含量和伸长率。

1.化学成分的选择与控制

化学成分的选择和控制是QT400-18AL（-50°C）低温冲击材料铸件生产的关键点之一，化学成分直接影响铸件的金相组织和物理性能。

1.化学成分的选择确定

结合各元素的作用和国内外原材料状况，以及QT400-18AL（-40°C）低温冲击铸件生产的经验数据，确定了QT400-18AL（-50°C）低温冲击铸件生产的化学成分范围。

（1）通过QT400-18AL（-40°C）低温冲击铸件的理化检测记录，进一步验证了Si元素的重要作用，Si含量水平直接影响抗拉强度和冲击值;从测试数据来看，为了进一步提高冲击值指标，有必要继续降低Si含量，但Si的降低已经不能满足强度要求。通过提高镍含量，解决了Si还原导致的强度不足的问题。

（2）结合QT400-18AL（-40°C）低温冲击铸件生产实际经验及国内外原材料情况和我公司在生产过程中的化学成分控制能力，球化反应后QT400-18AL（-50°C）低温冲击铸件在生产中的化学成分控制如下： 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.化学成分的控制

（1）原料控制 （1）生铁。选择高C、低Si、Mn、P、S，Ti、Cr、Sn、S、P等微量元素足够低的高纯生铁。如南非生铁、本溪生铁、抚顺汉王生铁、龙凤山生铁等。 （2）废料。选择低合金元素的 A3 废料。（3）增碳剂。选用S低、易吸收的增碳剂，要求收率为C≥90%和S≤0.3%。

（2）冶炼过程中的化学成分控制 （1）根据配料表严格检查重量，并记录配料

溯源。（2）在烘烤前严格按照铁水化学成分的要求，化学成分不符合要求的铁水不允许烘烤。

QT400-18AL（-50°C）低温冲击铸件球化反应前的化学成分要求为：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）不仅要准确称量球化器和孕育剂，而且覆盖球化器的钢板要称±1kg，出龙头孔称量要求要±10kg。

合理的化学成分测定和控制是本项目的第一环节和必要条件，本项目的另一个重要条件是必须具有良好的地球化学效果。

2.熔融控制

获得优质铁水是良好球化的基础。所谓优质铁水，就是在保证铁水纯度的前提下，尽可能保证冶金铁水原有数量，使大量非均质铁芯得以保持，保证适当的化学成分和铁水温度被烘烤出来。QT400-18AL（-50°C）低温冲击材料铸件的生产在熔炼控制中应注意以下几点。

1. 成分

配料时，多用初级铁，少用废钢，回料，计算时尽量接近理想的化学成分，留有少量微调空间。添加更多伯铁的目的是在减少增碳剂用量的同时，保证原石墨芯的数量（减少增碳剂的硫增强）。

2.电气化熔炼

大电流熔化迅速，时刻注意电荷的下降，不要因脱落而产生铁水局部过热。铁水的过热使非均相核心消失，减少了球化反应后的石墨球数量，影响了球化效果。

3. 取样、分析和调整

当铁水温度升至1400~430°C时，取样在炉前由碳硅仪器分析，当铁水温度升至1420~1450°C时，取样进行炉前光谱分析。

4.铁水被烘烤

大电流电力传输，快速加热至炉温，将铁水表面的浮渣清洗干净，然后释放炉膛。我公司铁水的炉温为1525~1535°C，与其他公司生产低温冲击球墨铸铁件不同，铁水达到炉温后立即释放，5~10min不进行净化处理。原因如下：

（1）电炉出水点采用出水龙头引流，出水口冷却5~10°C，出料温度应提高5~10°C，以弥补出水龙头的冷却。

（2）装料熔化后，随着温度的升高，气体开始净化，当温度上升到1500°C以上时，开始激发氧化，原有的异质核心逐渐消失，铁水的过冷度逐渐增加。为了保证球化反应后石墨球的数量，必须保证球化反应前铁水中原芯的数量。

我公司生产球墨铸铁用3t电炉1台，1台1.5t电炉。3t电炉生产每炉2包铁球化，当铁水达到炉温时，停电开始生产第一包，第一包铁水球化反应结束，刮渣完成，铁水被吊走继续送电， 当温度达到炉膛要求时，开始第二包铁水。我们比较了第一包和第二包铁水浇注的试块的抗拉强度，T500-7材料需要200组数据，第一包数据的平均值比第二包数据的平均值高22.6MPa，QT400-18材料需要200组数据， 第一包数据的平均值比第二包数据的平均值高8.2MPa，因此我公司要求铁水快速加热和快速炉，3T电炉第二包铁水不能生产球墨铸铁低温冲击铸件。

（3）铁水出炉温度高，有利于球化反应渣的漂浮和球化反应后铁水的提纯。

与其他公司不同，我公司采用丝锥槽引导铸铁的流动：（1）防止铁水直接冲向球化剂，保证球化反应顺利进行。（2）保证了丝锥重量的准确性，减少了成分的波动。

3. 球化

1. 球化剂的种类

考虑到球化反应的稳定性和稀土元素降低低温冲击值的特性，我们选择了一种特殊的低镁低稀土球化剂，要求氧化镁含量≤0.8%。

2.球化剂的粒径和用量

粒径：3~20mm。

球化剂的添加量：1.15%~1.2%（铁水S%含量高、焙烧温度高、球化铁水用量少时为1.2%）。

由于球化元素镁是一种强白口元素，直接影响球化等级、强度、伸长率和低温冲击吸收能，因此残镁量（质量分数）控制在0.038%~0.056%。

3. 球化封装要求

这

球化袋底部应修复成凹坑式，凹坑大小和深度应适当，球化袋的高度和直径之比应≥1.8。目的是提高镁的吸收率，保证球化反应的稳定性。

4.球化剂添加方法及攻丝

将球化剂加入袋底坑中，压平，特殊情况下炉温高时应夯实铁水。球化剂均匀覆盖孕育剂，再均匀覆盖薄钢板（或干净不生锈的球墨铸铁泡沫），对薄钢板进行称重球墨铸铁用废钢的作用，1.5t球化包覆盖的薄钢板重量为13~15kg，2t球化包覆盖的薄钢板重量为18~20kg。攻铁时不要直接冲进球化器，尽量在开始时尽快将铁水放入球化袋中，最后放慢攻丝速度。

5. 球化反应

（1）球化反应时间为70~120s。

（2）尽量将模具放置在电炉附近，以缩短球化反应后铁水的输送和浇注时间;如果模具必须放置在远离电炉的地方，可以在铸件附近设置刮渣场，铁水快速烘烤后直接吊到刮渣场。浇注前应彻底清洁铁水表面和包装上的浮渣。球化反应从浇注结束到浇注结束不应超过12min。

四、加强妊娠期治疗

接种处理是该项目的另一个重要环节，它直接影响结节化等级、伸长率，并最终影响性能。改善怀孕效果的具体措施主要包括以下几个方面。

1.选择强力孕育剂

为了提高孕育抗性，加强孕育效果，增加了球化反应后的石墨根瘤数量，提高了球化等级和伸长率。我们在硅铁基孕育剂中加入少量的Al、Ca、Ce、Sr、Ba等元素，并适当增加钡含量（考虑钡对抗接种下降的影响）。同时，考虑到Bi具有增加石墨球数量的作用，我们在流动孕育剂中添加了微量的铋。

2.增加球化反应中接种剂的添加量

在保证不过量接种的前提下，球化反应前化学硅的含量应尽可能降低，球化反应中加入的孕育剂用量应提高到1.1%~1.2%。具体添加方法如下：在球化包底部加入0.25%二氧化硅钡孕育剂，均匀覆盖在球化剂上;将0.15%高硅钡孕育剂作为预处理剂放置在袋底冲洗铁水的地方;将剩余的球化反应孕育剂加入自来水槽漏斗中，当铁水为2/3~3/4时，加入自来水槽漏斗。

3.增加随流量添加的孕育剂（瞬时孕育）量

尽量缩短接种至混凝时间，增加球化反应的接种剂量，增加随流量添加的孕育剂用量，因为所有孕育剂的接种效果在添加时最大。随流动加入的孕育剂用量为0.13%~0.23%，浇注铸件时加入到浇注钢包和喷嘴中的铁水表面，采用漏斗孔直径控制添加量。

4.控制铁水的S含量

根据球化反应前铁水S的含量，选择不同种类的流动孕育剂。

S含量控制：球化反应前铁水的S含量越低越好，但低S会影响孕育效果，减少球化反应后的石墨球数量。我们采用的方法是在原铁液含硫量较高时（球化反应前wS≥0.015%）时用流动接种，用普通的钡硅孕育剂（含微量铋）进行接种;当原铁液的wS为<0.015%时，球化后加入一定量的硫磺，以S-O孕育剂为流动孕育剂。

保证铁水在球化反应后应具有必要的S含量，而S含量过低不利于增加石墨球的数量，因为各种硫化物是球墨芯的原始基材，而S含量过低势必会降低RES和MgS产品， 这样可以减少石墨球的数量。因此，当球化后铁水中的S含量过低时，我们使用S-O孕育剂添加一定量的S和O非金属组分，以补充原有球墨铸铁液中大量铁芯所需的S和O量不足。

5、如何增加石墨球数量及工艺设计注意事项

球化反应后的石墨球数量有利于提高各项性能指标，增强其自身的收缩能力，降低铸件收缩孔隙率和收缩孔隙率的趋势，球化后的石墨球数量直接反映了熔融控制水平。铸体抽样，即要求铸件具有零铸件缺陷;金相石墨、氧化夹杂物、微观收缩孔隙率、孔隙率等都会成为断裂源，影响性能指标。通过反复试验表明，金相组织石墨球尺寸为6~8级，石墨球数量≥130个，可以满足各种性能指标的要求。石墨球的直径增大，相应的石墨球数量减少（我们通过取不含冷铁的铸件，壁厚≥50mm，热接头处的金相发现）球墨铸铁用废钢的作用，石墨球的数量为90~130，符合国家标准GBT 1348-2009和欧洲标准EN 1369-2003的要求， 但不符合QT400-18AL（-40~-60°C）低温冲击材料要求的性能指标。综上所述，总结QT400-18AL（-40~-60°C）低温冲击材料的生产经验，如果想增加球化反应后具有金相结构的石墨球的数量，应注意以下几点。

（1）在冶炼控制中减少棚料，铁水达到炉温时迅速排出，有利于保留原有的异质芯，增加球化反应后的石墨球数量。

（2）较高的碳当量有利于增加原石墨芯，增加球化反应后的石墨球数量。

（3）球化剂中适宜的稀土含量，并在孕育剂中加入Ce、Sr、Ba和Bi微量元素，提高抗衰退效果，增加石墨球数量。

（4）适量的硫磺可以保证异质核的数量和孕育效果，增加石墨球的数量。

（5）添加预处理剂可以解决铁水过冷过热引起的问题，增加石墨球的数量。

（6）增加球化反应的接种剂量和流动的接种剂量可以增加共晶团簇和石墨球的数量。

另外，铁水冷却速度的速度直接影响到石墨球的数量，冷却速度快，石墨球小，数量增加，所以在工艺设计中要注意以下几点，以提高铁水的冷却速度： （1）冷铁应在铸件的壁厚部分和热接头处增加冷却速度。（2）尽量少用冒口，减少局部热接头，多加冷烙铁。（3）使用少上冒口，多使用侧冒口，使用冒口时加冷烙铁。

六、理化检测

（1）QT400-18AL（-50°C）低温冲击材料理化试验由6次热的统计记录产生：化学成分在控制要求范围内，抗拉强度为405~，屈服强度为260~，伸长率为20%~26%，球化等级为1~2，冲击吸收能为13.2~14.7J， 均符合该牌号的技术要求。

（2）以-1号炉为例，QT400-18AL（-50°C）低温冲击材料金相结构

如图 1 所示。图1a为腐蚀前的金相，球化等级为2级，石墨尺寸为6~7μm。图1b显示了100%铁素体的腐蚀金相。

（a） 腐蚀前（100×）。

（b） 腐蚀后（100×）。

7.高温热处理

如前所述，QT400-18AL（-50°C）低温冲击材料基体的铁素体含量必须为100%，由于我们通过添加一定量的Ni来增加强度，因此不可避免地会产生微量的珠光体。我们高温热处理的目的是将珠光体完全转化为奥氏体，然后根据稳定体系的相变缓慢冷却，实现珠光体完全转化为铁素体，从而实现基体结构中100%的铁素体。在QT400-18AL（-50°C）低温冲击材料试制阶段，我公司用相同的铁水浇注了15块厚度为15mm（Ni添加量）的U型试块，并使用实验室箱式电阻炉进行了3套热处理试验。第一组：600°C和720°C低温热处理对比;第二组：600°C低温热处理和870°C高温热处理;第 3 组：920°C 高温热处理和 870°C 高温热处理比较。

试验数据表明，870°C高温热处理对拉伸强度、屈服强度和冲击吸收能影响较大，但对伸长率影响不大。870°C高温热处理使抗拉强度降低了5MPa，但冲击吸收能量增加了3J，可以满足性能要求，因此最终确定在QT400-18AL（-50°C）低温冲击材料铸件的批量生产中使用870°C高温热处理工艺，如图2所示。

8. 结论

通过QT400-18AL（-50°C）低温冲击材料铸件一年多的量产，得出以下结论：

（1）首先要保证原料中P、S的含量低，微量元素Ti、Cr足够低。

（2）Si含量控制在适当的范围内是生产QT400-18AL（-50°C）低温冲击材料铸件非常重要的一环，Si含量决定了抗拉强度、屈服强度和冲击吸收能。制作时注意：

（1）原料Si含量波动小。

（2）频谱在每次移位前进行测试，Si分析数据误差小。

（3）铁水成分在烘烤前不合格，不允许烘烤。

（4）保证铁水称重、球化剂、孕育剂和覆盖钢板重量的准确性。

（3）Ni只能通过添加适当的值来达到增加强度的效果。

（4）在生产QT400-18AL（-50°C）低温冲击材料铸件的过程中，我公司在如何增加球化反应后石墨球的数量，提高球化等级，保证球化反应的稳定性方面取得了成功的经验

（1）铁水的快速加热和快速释放，有利于球化反应后铁水的提纯和球化反应后石墨球数量的增加。

（2）取出水龙头槽的丝铁，定量覆盖球化剂钢板，适当加深球化包的深度，降低球化剂中稀土和镁的含量，是保证球化反应稳定性的有效措施。

（3）特殊孕育剂有利于提高抗退回性，增加球化反应后石墨球的数量，提高球化等级。

（5）金相100%铁氧体不能保证材料的伸长率合格，要保证生产的QT400-18AL（-50°C）低温冲击材料的伸长率合格，就必须控制适量的残镁，还要控制球化反应孕育剂和流动孕育剂的用量。

（6）低温冲击铸件的生产，当铸件重量轻时，随流动添加的孕育剂量难以控制，直接影响材料的最终硅含量。

（7）QT400-18AL（-40~-60°C）低温冲击材料铸件的生产必须经过高温处理。

结论

只要合理控制装料的购买，严格控制球化反应前铁水的化学成分，进行球化处理，加强孕育，采用高温热处理，就可以稳定生产QT400-18AL（-50°C）低温冲击材料铸件。QT400-18AL（-50°C）低温冲击材料铸件研发成功，进一步提升了低温球墨铸铁件的性能指标，为下一步QT400-18AL（-60°C）低温冲击材料的量产奠定了坚实的基础，为严寒地区高铁的发展提供了必要的材料保障， 具有很高的经济效益和社会效益。

作者简介：赵阳、孙新明、李亚文、天元二手资料。