CN101643877A - 高速动车组牵引电机壳体新材料及其制造技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速动车组牵引电机壳体新材料及其制造技术，成品组分及其质量比例为C：3.35～3.80，Si：2.0～2.5，P≤0.055，S≤0.025，Mn≤0.2，杂质＜0.02％，余量为铁。产品的耐低温和抗冲击性能达到在－40℃、－50℃、－60℃下冲击功均≥12J，室温抗拉强度均≥400MPa，延伸率均≥18％，其它主要力学性能指标合格。

Description

高速动车组牵引电机壳体新材料及其制造技术

技术领域

本发明涉及一种新型铸件材料及其制造技术，特别涉及一种高速动车组牵引电机壳体新材料及其制造技术。

背景技术

由于动车组时速高，跨越地区温差大，运行速度要求高，包括牵引电机壳体在内的动力牵引部分必须具有耐低温抗冲击特性。高速动车组牵引电机壳体材质要求QT400-18L，抗拉强度400MPa，屈服强度≥240MPa，延伸率≥18％，球化率≥80％，且在-50℃时，需达到12J冲击功。X射线检测允许缺陷等级不得超过ASTME446/ASTME186标准中规定等级，超声波检测内部不能有超过规定的缩松。因产品结构复杂，大型内腔型芯排气不畅，特别是低温条件下的耐冲击合格，室温抗拉强度要求及其它性能同时达标，是产品的生产难点。

国内现有的产品不能达到此标准的要求，目前我国高速机车的动力牵引部分全部依赖进口，由德国西门子、庞巴迪等公司引进。

-50℃抗冲击高速动车组牵引电机壳体材料生产技术在国际上也只有少数几个企业掌握，由于其技术垄断，能够借鉴的经验几乎没有，国内更是没有企业能够掌握其生产工艺。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种高速动车组牵引电机壳体材料及其制造技术，通过严格选择、控制其化学成份，优化制备工艺，使产品的耐低温抗冲击性能达到在-40℃、-50℃、-60℃下冲击功均≥12J，室温抗拉强度均≥400MPa，延伸率均≥18％，其他主要力学性能指标均达标。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种高速动车组牵引电机壳体材料，其特征是：成品组分及其质量比例为C：3.35～3.80，Si：2.0～2.5，P≤0.055，S≤0.025，Mn≤0.2，杂质＜0.02％，余量为铁。

高速动车组牵引电机壳体材料的制造技术，其特征是：

(1)、投料质量比例：生铁80％，废钢10％，锑0.015～0.02％，回炉铁9.985％；

(2)、熔炼：出炉温度1500～1520℃；

(3)、造型：采用树脂自硬砂以芯代型造型，在壁厚不均匀情况下，内部质量无缺陷，成品率高。

(4)、浇注到砂型型腔中，浇注温度在1420～1450℃之间；

(5)、保温12小时打开砂型；

(6)、落砂；

(7)、打磨；

(8)、热处理：炉内加热至900～920℃，保温3.5小时；随炉自然冷却至600℃，出炉；自然冷却至室温后回炉，炉内加热到500℃，保温2.5小时；随炉自然冷却至300℃，出炉；自然冷却至室温。

其中关键技术：新材料成分配比及孕育方式选择是本发明的第一项关键技术。碳和硅是促进石墨化元素。在一定的冷却速度和孕育条件下，碳当量增加可以提高球铁的石墨化程度，碳化物形态存在的数量减少，石墨形态存在的数量增加，在组织上表现为白口倾向减小，铸态渗碳体和珠光体数量减少。由于球化处理后的铁水过冷倾向增大，为消除铸态渗碳体，球铁需要有较高的碳当量。由于石墨化引起球铁铸件在结晶过程中体积膨胀，含碳量提高，体积膨胀增大，在铸型刚度较大的条件下，可以使铸件致密，减少缩松，在铸型松软的条件下则增大缩松。在铸型刚度足够大时铸件体积膨胀达到最高值。过分提高碳量或碳也不必要，碳高，镁的吸收率高，有利于球化。球铁达到共晶成分时流动性最好。适当提高碳当量使其接近共晶成分，可提高流动性。由于石墨呈球状，对基体的削弱作用减小，提高碳量对机械性能不产生明显的不利影响，而且还会改善减震性、减摩性。碳量或碳当量过高会引起石墨漂浮。碳量提高使脆性转变温度略有降低。

在硅量较低时，硅对石墨化的影响较大，例如高碳低硅球铁白口倾向较大，这时只要少量增硅就可明显地减小白口倾向。以孕育剂方式加入的硅比炉料中的硅，石墨化作用更为强烈，其影响远不止碳对石墨化作用能力的三分之一。如果充分利用饱和孕育状态(加入孕育剂后，铁水中结晶核心很快增加，然后逐渐减少，结晶核心达到最高数量，称为饱和孕育状态)，不很高的碳当量和少量的孕育增硅也可以消除铸态渗碳体。孕育处理不仅促进石墨化，更重要的意义在于细化共晶团，改善石墨圆整度。在上述情况下，硅量增加，使渗碳体、珠光体减少，铁素体增多，共晶团细化、石墨圆整，冲击韧性则提高。低锰、低硫、低磷、低锑等有害成分值为最小化。

造型新工艺的选择是本发明的第二项关键技术。采用全新的自硬树脂砂以芯代型造型工艺，产品外形尺寸好，不变形，表面光洁，组织致密，做到了壁厚不均匀情况下综合品质好、成品率高。

热处理新工艺的选择是本发明的第三项关键技术。热处理工艺的进行对于改善基体组织、力学性能起到重要作用。采用高温退火、雾化正火、回火、保温的热处理新工艺，保证了材料基体组织及主要力学性能的符合性。

产品浇注完成后，经清磨、抛丸处理，检测人员对其外观、尺寸进行了检测。结果显示外观和尺寸方面满足要求。根据产品要求要进行热处理，热处理完成后进行低温冲击试验及其它性能试验。结果显示：-40℃、-50℃、-60℃冲击功均≥12J，室温抗拉强度、硬度、化学成分、金相均合格。

低温抗冲击性能及主要力学性能与国家标准和现有产品的对比结果如表如下：

本发明还具有以下特点：

(1)采用树脂自硬砂造型，新铸造工艺，以芯代型，避免了砂型铸造的变形问题，外部轮廓清晰，表面光洁，内部质量好，组织致密，虽壁厚不均匀但综合品质高。

(2)-40℃、-50℃、-60℃低温耐冲击：之前的低温耐冲击铸件仅是零下20℃耐冲击，本发明的产品具有-40℃、-50℃、-60℃耐冲击特性，并且其他性能均达标，满足了客户需求，填补了国内空白，主要技术指标达国际先进水平。

(3)较大温差环境产品外形尺寸无变化：列车的运行环境温差较大，该产品能够在这种环境中保证外形尺寸无变化，避免了由于产品变形导致的电机烧损。

(4)推进高速动车的国产化程度：该材料产品安装于京沪高速京津段高速动车组及奥运“和谐号”动车组上，替代了原由德国西门子进口的产品。

具体实施方式

下面结合具体实施方式进一步说明本发明。

下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法，所述百分比含量如无特别说明均为质量百分含量。

成品组分及其质量比例为C：3.35～3.80，Si：2.0～2.5，P≤0.055，S≤0.025，Mn≤0.2，杂质＜0.02％，余量为铁。

制造方法如下：

一、投料质量比例：生铁80％，废钢10％，锑0.015％，回炉铁9.985％。；

二、熔炼：要求出炉温度1500～1520℃。

先将球化剂放入坑、穴内紧实，其上覆盖部分孕育剂，盖上盖包密封，盖包内有一小包与球化包联通，通过控制孔的直径来控制铁水的下落速度，电炉的出铁速度始终大于盖包内铁水的下落速度，盖包内铁水的下落时间大于球化剂的反应时间，经称量铁水后把球化包放入前炉底坑，开始出铁，当铁水出至2/3包时，在出铁槽的上方均匀的加入孕育剂，直到出铁水结束，经搅拌、扒渣、炉前检测、覆盖、浇注、与普通冲入法相比，球化处理时不冒烟，球化剂的吸收率高，减少了球化剂的加入量，球化效果受铁水温度的高低，处理包在前炉地坑的位置、处理包内球化剂上覆盖物的多少，松紧影响较小，球化效果稳定。盖包封闭球化法消除了普通球化处理时冒白烟现象，改善了劳动环境，加少了球化剂的加入量，可减少30-35％，提高了球化剂的吸收率，改善了球化元素因铁水温度的波动而变化较大的情况。使球化元素的残留量稳定，保证了球化级别，减少了皮下气孔夹渣等缺陷。

针对铸件存在厚大部位，同时将RE孕育剂和Bi孕育剂分不同量和不同方式加入，取30％为RE孕育剂，以顺时孕育剂方法加入，下余1/4用在铸件厚大断面进行型腔孕育，型腔孕育时提前预制一定准确质量的块状，在造型时确定位置，在合箱前固定在铸件厚大断面，增加铸件厚大断面的共晶团数量，确保铸件质量的一致性，整个孕育过程要求操作者严格量化。型内孕育型内孕育逐层熔化，熔解均匀一致，孕育效果明显，铁素体增加，石墨球数增加，大小更均匀些，工艺优于随流孕育，消除了异态石墨。

采用了盖包孕育法+型内孕育法提高了孕育剂抗衰退的能力，限制和降低了共晶团的生长速度，细化了基体组织，对整个铸件起到了调整作用，解决了壁厚差较大铸件成品率低的问题以及铸件组织分布不均匀的问题，在保证低温抗冲击性的基础上，同时提高了产品的常温力学性能，两次孕育处理确保硅的含量Si＝2.0％～2.5％，形成了-40℃、-50℃、-60℃时冲击功均≥12J，室温抗拉强度≥400Mpa，延伸率≥18％的球墨铸铁材料配套的熔炼及炉前孕育工艺。

三、造型：造型采用以芯代型(无箱组芯)、安装发热保温冒口及随行外冷铁、立式浇注工艺。采用以芯代型(无箱组芯)以芯代型工艺，对电机壳体整体分割为6大部分，合箱后的上盖无任何产品形状，只有明冒口和排气孔，1#芯底座设有各个芯子的定位，限位装置和内浇道，2#芯产品的内腔，有散热片，固定板、排风室，排风口全部由2#芯完成。7#芯最后合箱的盖板，该芯落位后组芯工作完成。该工艺特点：造就了该产品可立姿浇注的工作状态，从而解决了桶状铸件分箱，与浇注状态相互矛盾的难题，可有效的避免该产品薄壁处处于良好的成形状态，铸件冷缩均匀，从而避免浇注冷隔，外观不清晰的质量缺陷；便于清理在操作过程中散落和因下芯的摩擦而在型腔内的浮砂和不良物质，能做到合箱后心中有底，提高功效3-5倍，成品率高，降低成本15-30％。因此称之为明合箱。

采用目前技术先进的计算机辅助设计分析CAE-Procast模拟仿真分析软件。Procast铸造模拟软件是现代CAD/CAE集成化程度最高的，一直保持技术领先。Procast铸造模拟软件有强大的网格划分器，与CAD有良好的接口，还包括一个多层网格增加精度，有限元的母性的几何描述使得procast能够预测技术在模具中的流动并能准确预测铸造缺陷，精确的计算冷却或加热通道位置以及保卫冒口的使用。经过项目组设定生产工艺条件参数，在计算机Procast软件上进行铸造生产过程的分析和判断，对铸造过程中铸件的温度场、金属流场等进行模拟计算，直接输入合金的化学组成，然后得到模拟所需的相关材料属性，模拟模具充型，凝固和对微观组织预测。对铸件可能出现的缩孔、缩松缺陷及大小、部位和发生的时间进行有效预测，调整工艺参数不断改进工艺，有效控制凝固过程。

通过模拟分析，在屏幕上显示出冒口的数量及位置对产生缩孔的影响。项目组决定改掉预定方案的冒口及冒口设置方法，将原顶冒口中的4个设为发热保温冒口，在排气和储存低温铁水的同时加热型腔上部铁水的工作温度；并对腔内480mm以上部位热节补缩，其余为常规冒口，形成良好的凝固顺序；同时由于该产品为较为复杂的几何形状，壁厚差大，用CAE-Procast软件模拟发现热解部位和热节点达360余处，除采用浇冒系列消除一部分外，为达均衡凝固及消除缺陷，使用随型外冷铁，设计出铁芯砂芯在操作时放置于激冷部位，再填入树脂自硬砂，经轻微捣固成型，模与砂型浑然一体，满足了技术要求，在产品外观上不存在冷铁留迹，冷铁的脱落性降至为零，提高了工作效率，提高了项目产品外观质量。同时采用底柱式立式浇注法，浇注铁水时直接浇到底部，再向上缓冲到顶部，这样铁水流动过程平稳，充实，安装的发热保温冒口，储存了热量，保证了铁水的温度。利用计算机辅助设计分析模拟效果，从而确定了铸造工艺方案。从模拟分析的结果上看，在铸件凝固的过程中，冒口内的金属液始终保持较高的温度，且晚于铸件凝固，使铸件原产生缩松的部位，能够较早的进行收缩凝固，而且发热保温冒口能够保证对该部位有畅通的补缩通道并进行有效补缩，顺畅了冒口的排气加强了补缩效果，从而消除了缩松缺陷，设置的随型外冷铁降低了清理打磨工作量，提高了工作效率，使项目产品外关达到或超过了德国西门子对该项目的生产。又经过2次试制验证，铸件完全消除了缩松缺陷，而且工艺出品率由原来的58％提高到69％。

四、浇注到砂型型腔中，浇注温度在1420～1450℃之间。

五、保温12小时后打开砂型。

六、落砂。

七、打磨。

八、热处理：炉内加热至910℃，保温3.5小时；随炉自然冷却至600℃，出炉；自然冷却至室温后回炉，炉内加热到500℃，保温2.5小时；随炉自然冷却至300℃，出炉；自然冷却至室温。

随炉自然冷却至600℃，出炉后最好立即进行一次喷雾雾化正火，然后自然冷却至室温后回炉。

检测表明：在炉内加热至900～920℃时，保温3.5小时；随炉自然冷却至600℃出炉时，测得成品抗拉强度为408Mpa，冲击功12.2J；在炉内加热至900～920℃时，保温3小时；随炉自然冷却至650℃出炉时，测得成品抗拉强度为375Mpa，冲击功11J；在炉内加热至900～920℃时，保温2小时；随炉自然冷却至680℃出炉时，测得成品抗拉强度为350Mpa，冲击功10.5J；在炉内加热至900～920℃时，保温2小时；随炉自然冷却至700℃出炉时，测得成品抗拉强度为300Mpa，冲击功10.5J。

生产过程中不仅控制炉子的金属液温度，还要控制浇注温度、记录浇注温度，浇包还要加保温盖以减少浇注过程中的温差。还要每件编号，测每件的实际浇注温度，每包金属重量记录。做到配比严格、熔炼温度精确，生产的铸件产品才能够满足性能的要求。

在原料的配比方面要求废钢必须除锈，各种原材料分析化验成分，一一记录元素配比，以保证铁水各成份配比精确、无杂质，在普通QT400-18L的原料配比基础上，分析碳、硅、锰、磷、硫、镁、稀土等的含量，调整碳当量，提高球化率，并调整稀有金属加入量，在浇注温度方面严格控制在1420-1450℃，球化剂两次孕育保证硅的含量在2.0％～2.5％，从而保证其抗冲击性，及各项力学性能的符合性。

Claims (3)

1、一种高速动车组牵引电机壳体新材料，其特征是：成品组分及其质量比例为C：3.35～3.80，Si：2.0～2.5，P≤0.055，S≤0.025，Mn≤0.2，杂质＜0.02％，余量为铁。

2、根据权利要求1所述的高速动车组牵引电机壳体新材料的制造技术，其特征是：

(1)、投料质量比例：生铁80％，废钢10％，锑0.015～0.02％，回炉铁9.980～9.985％；

(2)、熔炼：出炉温度1500～1520℃；

(3)、造型：采用树脂自硬砂以芯代型造型。

(4)、浇注到砂型型腔中，浇注温度在1420～1450℃之间；

(5)、保温12小时后打开砂型；

(6)、落砂；

(7)、打磨；

(8)、热处理：炉内加热至900～920℃，保温3.5小时；随炉自然冷却至600℃，出炉；自然冷却至室温后回炉，炉内加热到500℃，保温2.5小时；随炉自然冷却至300℃，出炉；自然冷却至室温。

3、如权利要求2所述的高速动车组牵引电机壳体新材料的制造技术，其特征是：随炉自然冷却至600℃，出炉后立即进行一次雾化正火，然后自然冷却至室温后回炉。