專利名稱：：高速動車組牽引電機殼體新材料及其制造技術的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種新型鑄件材料及其制造技術，特別涉及一種高速動車組牽引電機殼體新材料及其制造技術。
背景技術：
：由于動車組時速高，跨越地區溫差大，運行速度要求高，包括牽引電機殼體在內的動力牽引部分必須具有耐低溫抗沖擊特性。高速動車組牽引電機殼體材質要求QT400-18L，抗拉強度400MPa，屈服強度^240MPa，延伸率218%，球化率280%，且在-5(TC時，需達到12J沖擊功。X射線檢測允許缺陷等級不得超過ASTME446/ASTME186標準中規定等級，超聲波檢測內部不能有超過規定的縮松。因產品結構復雜，大型內腔型芯排氣不暢，特別是低溫條件下的耐沖擊合格，室溫抗拉強度要求及其它性能同時達標，是產品的生產難點。國內現有的產品不能達到此標準的要求，目前我國高速機車的動力牽引部分全部依賴進口，由德國西門子、龐巴迪等公司引進。-50°。抗沖擊高速動車組牽引電機殼體材料生產技術在國際上也只有少數幾個企業掌握，由于其技術壟斷，能夠借鑒的經驗幾乎沒有，國內更是沒有企業能夠掌握其生產工藝
發明內容本發明所要解決的技術問題是，提供一種高速動車組牽引電機殼體材料及其制造技術，通過嚴格選擇、控制其化學成份，優化制備工藝，使產品的耐低溫抗沖擊性能達到在-40。C、-50°C、-60卩下沖擊功均》1211，室溫抗拉強度均^400MPa，延伸率均》18%，其他主要力學性能指標均達標。本發明解決其技術問題所采用的技術方案如下一種高速動車組牽引電機殼體材料，其特征是:成品組分及其質量比例為C:3.35~3.80，Si:2.02.5,P-0.055,S《0.025，Mn《0.2，雜質<0.02%，余量為鐵。高速動車組牽引電機殼體材料的制造技術，其特征是(1)、投料質量比例生鐵80%，廢鋼10%，銻0.0150.02%，回爐鐵9.985%;(2)、熔煉出爐溫度15001520°C;(3)、造型釆用樹脂自硬砂以芯代型造型，在壁厚不均勻情況下，內部質量無缺陷，成品率高。(4)、澆注到砂型型腔中，澆注溫度在14201450'C之間；(5)、保溫12小時打開砂型；(6)、落砂；(7)、打磨；(8)、熱處理爐內加熱至90092(TC，保溫3.5小時；隨爐自然冷卻至600°C,出爐；自然冷卻至室溫后回爐，爐內加熱到50(TC，保溫2.5小時；隨爐自然冷卻至30(TC，出爐；自然冷卻至室溫。其中關鍵技術新材料成分配比及孕育方式選擇是本發明的第一項關鍵技術。碳和硅是促進石墨化元素。在一定的冷卻速度和孕育條件下，碳當量增加可以提高球鐵的石墨化程度，碳化物形態存在的數量減少，石墨形態存在的數量增加，在組織上表現為白口傾向減小，鑄態滲碳體和珠光體數量減少。由于球化處理后的鐵水過冷傾向增大，為消除鑄態滲碳體，球鐵需要有較高的碳當量。由于石墨化引起球鐵鑄件在結晶過程中體積膨脹，含碳量提高，體積膨脹增大，在鑄型剛度較大的條件下，可以使鑄件致密，減少縮松，在鑄型松軟的條件下則增大縮松。在鑄型剛度足夠大時鑄件體積膨脹達到最高值。過分提高碳量或碳也不必要，碳高，鎂的吸收率高，有利于球化。球鐵達到共晶成分時流動性最好。適當提高碳當量使其接近共晶成分，可提高流動性。由于石墨呈球狀，對基體的削弱作用減小，提高碳量對機械性能不產生明顯的不利影響，而且還會改善減震性、減摩性。碳量或碳當量過高會引起石墨漂浮。碳量提高使脆性轉變溫度略有降低。在硅量較低時，硅對石墨化的影響較大，例如高碳低硅球鐵白口傾向較大，這時只要少量增硅就可明顯地減小白口傾向。以孕育劑方式加入的硅比爐料中的硅，石墨化作用更為強烈，其影響遠不止碳對石墨化作用能力的三分之一。如果充分利用飽和孕育狀態(加入孕育劑后，鐵水中結晶核心很快增加，然后逐漸減少，結晶核心達到最高數量，稱為飽和孕育狀態)，不很高的碳當量和少量的孕育增硅也可以消除鑄態滲碳體。孕育處理不僅促進石墨化，更重要的意義在于細化共晶團，改善石墨圓整度。在上述情況下，硅量增加，使滲碳體、珠光體減少，鐵素體增多，共晶團細化、石墨圓整，沖擊韌性則提高。低錳、低硫、低磷、低銻等有害成分值為最小化。造型新工藝的選擇是本發明的第二項關鍵技術。采用全新的自硬樹脂砂以芯代型造型工藝，產品外形尺寸好，不變形，表面光潔，組織致密，做到了壁厚不均勻情況下綜合品質好、成品率高。熱處理新工藝的選擇是本發明的第三項關鍵技術。熱處理工藝的進行對于改善基體組織、力學性能起到重要作用。采用高溫退火、霧化正火、回火、保溫的熱處理新工藝，保證了材料基體組織及主要力學性能的符合性。產品澆注完成后，經清磨、拋丸處理，檢測人員對其外觀、尺寸進行了檢測。結果顯示外觀和尺寸方面滿足要求。根據產品要求要進行熱處理，熱處理完成后進行低溫沖擊試驗及其它性能試驗。結果顯示-40°C、-°C、-60°。沖擊功均212J，室溫抗拉強度、硬度、化學成分、金相均合格。低溫抗沖擊性能及主要力學性能與國家標準和現有產品的對比結果如表如下<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>本發明還具有以下特點(1)采用樹脂自硬砂造型，新鑄造工藝，以芯代型，避免了砂型鑄造的變形問題，外部輪廓清晰，表面光潔，內部質量好，組織致密，雖壁厚不均勻但綜合品質高。(2)-40°C、-50°C、-60。C低溫耐沖擊之前的低溫耐沖擊鑄件僅是零下20°C耐沖擊，本發明的產品具有-4(TC、-50°C、-601:耐沖擊特性，并且其他性能均達標，滿足了客戶需求，填補了國內空白，主要技術指標達國際先進水平。(3)較大溫差環境產品外形尺寸無變化列車的運行環境溫差較大，該產品能夠在這種環境中保證外形尺寸無變化，避免了由于產品變形導致的電機燒損°(4)推進高速動車的國產化程度該材料產品安裝于京滬高速京津段高速動車組及奧運"和i皆號"動車組上，替代了原由德國西門子進口的產品。具體實施方式下面結合具體實施方式進一步說明本發明。下述實施例中所用方法如無特別說明均為常規方法，所述百分比含量如無特別說明均為質量百分含量。成品組分及其質量比例為C:3.353.80，Si:2.02.5，P《0.055，S《0.025，Mn《0.2，雜質<0.02%，余量為鐵。制造方法如下一、投料質量比例生鐵80%，廢鋼10%，銻0.015%，回爐鐵9.985%。；二、熔煉要求出爐溫度15001520°C。先將球化劑放入坑、穴內緊實，其上覆蓋部分孕育劑，蓋上蓋包密封，蓋包內有一小包與球化包聯通，通過控制孔的直徑來控制鐵水的下落速度，電爐的出鐵速度始終大于蓋包內鐵水的下落速度，蓋包內鐵水的下落時間大于球化劑的反應時間，經稱量鐵水后把球化包放入前爐底坑，開始出鐵，當鐵水出至2/3包時，在出鐵槽的上方均勻的加入孕育劑，直到出鐵水結束，經攪拌、扒渣、爐前檢測、覆蓋、澆注、與普通沖入法相比，球化處理時不冒煙，球化劑的吸收率高，減少了球化劑的加入量，球化效果受鐵水溫度的高低，處理包在前爐地坑的位置、處理包內球化劑上覆蓋物的多少，松緊影響較小，球化效果穩定。蓋包封閉球化法消除了普通球化處理時冒白煙現象，改善了勞動環境，加少了球化劑的加入量，可減少30-35%，提高了球化劑的吸收率，改善了球化元素因鐵水溫度的波動而變化較大的情況。使球化元素的殘留量穩定，保證了球化級別，減少了皮下氣孔夾渣等缺陷。針對鑄件存在厚大部位，同時將RE孕育劑和Bi孕育劑分不同量和不同方式加入，取30%為虹孕育劑，以順時孕育劑方法加入，下余l/4用在鑄件厚大斷面進行型腔孕育，型腔孕育時提前預制一定準確質量的塊狀，在造型時確定位置，在合箱前固定在鑄件厚大斷面，增加鑄件厚大斷面的共晶團數量，確保鑄件質量的一致性，整個孕育過程要求操作者嚴格量化。型內孕育型內孕育逐層熔化，熔解均勻一致，孕育效果明顯，鐵素體增加，石墨球數增加，大小更均勻些，工藝優于隨流孕育，消除了異態石墨。采用了蓋包孕育法+型內孕育法提高了孕育劑抗衰退的能力，限制和降低了共晶團的生長速度，細化了基體組織，對整個鑄件起到了調整作用，解決了壁厚差較大鑄件成品率低的問題以及鑄件組織分布不均勻的問題，在保證低溫抗沖擊性的基礎上，同時提高了產品的常溫力學性能，兩次孕育處理確保硅的含量Si-2.00/。2.5。/。，形成了-40。C、-50°C、-6(TC時沖擊功均^12J，室溫抗拉強度M00Mpa，延伸率218%的球墨鑄鐵材料配套的熔煉及爐前孕育工藝。三、造型造型采用以芯代型(無箱組芯)、安裝發熱保溫冒口及隨行外冷鐵、立式澆注工藝。采用以芯代型(無箱組芯)以芯代型工藝，對電機殼體整體分割為6大部分，合箱后的上蓋無任何產品形狀，只有明冒口和排氣孔，1#芯底座設有各個芯子的定位，限位裝置和內澆道，2#芯產品的內腔，有散熱片，固定板、排風室，排風口全部由2#芯完成。7#芯最后合箱的蓋板，該芯落位后組芯工作完成。該工藝特點造就了該產品可立姿澆注的工作狀態，從而解決了桶狀鑄件分箱，與澆注狀態相互矛盾的難題，可有效的避免該產品薄壁處處于良好的成形狀態，鑄件冷縮均勻，從而避免澆注冷隔，外觀不清晰的質量缺陷；便于清理在操作過程中散落和因下芯的摩擦而在型腔內的浮砂和不良物質，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%。因此稱之為明合箱。采用目前技術先進的計算機輔助設計分析CAE-Procast模擬仿真分析軟件。Procast鑄造模擬軟件是現代CAD/CAE集成化程度最高的，一直保持技術領先。Procast鑄造模擬軟件有強大的網格劃分器，與CAD有良好的接口，還包括一個多層網格增加精度，有限元的母性的幾何描述使得procast能夠預測技術在模具中的流動并能準確預測鑄造缺陷，精確的計算冷卻或加熱通道位置以及保衛冒口的使用。經過項目組設定生產工藝條件參數，在計算機Procast軟件上進行鑄造生產過程的分析和判斷，對鑄造過程中鑄件的溫度場、金屬流場等進行模擬計算，直接輸入合金的化學組成，然后得到模擬所需的相關材料屬性，模擬模具充型，凝固和對微觀組織預測。對鑄件可能出現的縮孔、縮松缺陷及大小、部位和發生的時間進行有效預測，調整工藝參數不斷改進工藝，有效控制凝固過程。通過模擬分析，在屏幕上顯示出冒口的數量及位置對產生縮孔的影響。項目組決定改掉預定方案的冒口及冒口設置方法，將原頂冒口中的4個設為發熱保溫冒口，在排氣和儲存低溫鐵水的同時加熱型腔上部鐵水的工作溫度；并對腔內480mm以上部位熱節補縮，其余為常規冒口，形成良好的凝固順序；同時由于該產品為較為復雜的幾何形狀，壁厚差大，用CAE-Procast軟件模擬發現熱解部位和熱節點達360余處，除采用澆冒系列消除一部分外，為達均衡凝固及消除缺陷，使用隨型外冷鐵，設計出鐵芯砂芯在操作時放置于激冷部位，再填入樹脂自硬砂，經輕微搗固成型，模與砂型渾然一體，滿足了技術要求，在產品外觀上不存在冷鐵留跡，冷鐵的脫落性降至為零，提高了工作效率，提高了項目產品外觀質量。同時采用底柱式立式澆注法，澆注鐵水時直接澆到底部，再向上緩沖到頂部，這樣鐵水流動過程平穩，充實，安裝的發熱保溫冒口，儲存了熱量，保證了鐵水的溫度。利用計算機輔助設計分析模擬效果，從而確定了鑄造工藝方案。從模擬分析的結果上看，在鑄件凝固的過程中，冒口內的金屬液始終保持較高的溫度，且晚于鑄件凝固，使鑄件原產生縮松的部位，能夠較早的進行收縮凝固，而且發熱保溫冒口能夠保證對該部位有暢通的補縮通道并進行有效補縮，順暢了冒口的排氣加強了補縮效果，從而消除了縮松缺陷，設置的隨型外冷鐵降低了清理打磨工作量，提高了工作效率，使項目產品外關達到或超過了德國西門子對該項目的生產。又經過2次試制驗證，鑄件完全消除了縮松缺陷，而且工藝出品率由原來的58%提高到69%。四、澆注到砂型型腔中，澆注溫度在1420145(TC之間。五、保溫12小時后打開砂型。六、落砂。七、打磨。八、熱處理爐內加熱至91(TC，保溫3.5小時；隨爐自然冷卻至60(TC，出爐；自然冷卻至室溫后回爐，爐內加熱到50(TC，保溫2.5小時；隨爐自然冷卻至30(TC，出爐；自然冷卻至室溫。隨爐自然冷卻至60(TC，出爐后最好立即進行一次噴霧霧化正火，然后自然冷卻至室溫后回爐。檢測表明在爐內加熱至900920。C時，保溫3.5小；隨爐自然冷卻至600。C出爐時，測得成品抗拉強度為408Mpa，沖擊功12.2J;在爐內加熱至90092(TC時，保溫3小時；隨爐自然冷卻至65(TC出爐時，測得成品抗拉強度為375Mpa，沖擊功11J;在爐內加熱至900920。C時，保溫2小時；隨爐自然冷卻至68(TC出爐時，測得成品抗拉強度為350Mpa，沖擊功10.5J;在爐內加熱至卯0920'C時，保溫2小時；隨爐自然冷卻至70(TC出爐時，測得成品抗拉強度為300Mpa，沖擊功10.5J。生產過程中不僅控制爐子的金屬液溫度，還要控制澆注溫度、記錄澆注溫度，澆包還要加保溫蓋以減少澆注過程中的溫差。還要每件編號，測每件的實際澆注溫度，每包金屬重量記錄。做到配比嚴格、熔煉溫度精確，生產的鑄件產品才能夠滿足性能的要求。在原料的配比方面要求廢鋼必須除銹，各種原材料分析化驗成分，一一記錄元素配比，以保證鐵水各成份配比精確、無雜質，在普通QT400-18L的原料配比基礎上，分析碳、硅、錳、磷、硫、鎂、稀土等的含量，調整碳當量，提高球化率，并調整稀有金屬加入量，在澆注溫度方面嚴格控制在1420-1450'C，球化劑兩次孕育保證硅的含量在2.0°/。2.5%，從而保證其抗沖擊性，及各項力學性能的符合性。權利要求1、一種高速動車組牽引電機殼體新材料，其特征是成品組分及其質量比例為C3.35～3.80，Si2.0～2.5，P≤0.055，S≤0.025，Mn≤0.2，雜質＜0.02％，余量為鐵。2、根據權利要求l所述的高速動車組牽引電機殼體新材料的制造技術，其特征是-(1)、投料質量比例生鐵80%，廢鋼10%,銻0.0150.02%，回爐鐵9細9.985%;(2)、熔煉出爐溫度15001520°C;(3)、造型采用樹脂自硬砂以芯代型造型。(4)、澆注到砂型型腔中，澆注溫度在1420145(TC之間；(5)、保溫12小時后打開砂型；(6)、落砂；(7)、打磨；(8)、熱處理爐內加熱至卯0920。C，保溫3.5小時；隨爐自然冷卻至600°C，出爐；自然冷卻至室溫后回爐，爐內加熱到50(TC，保溫2.5小時；隨爐自然冷卻至30(TC，出爐；自然冷卻至室溫。3、如權利要求2所述的高速動車組牽引電機殼體新材料的制造技術，其特征是隨爐自然冷卻至60(TC，出爐后立即進行一次霧化正火，然后自然冷卻至室溫后回爐。全文摘要本發明公開了一種高速動車組牽引電機殼體新材料及其制造技術，成品組分及其質量比例為C3.35～3.80，Si2.0～2.5，P≤0.055，S≤0.025，Mn≤0.2，雜質＜0.02％，余量為鐵。產品的耐低溫和抗沖擊性能達到在-40℃、-50℃、-60℃下沖擊功均≥12J，室溫抗拉強度均≥400MPa，延伸率均≥18％，其它主要力學性能指標合格。文檔編號C22C37/10GK101643877SQ20091017049公開日2010年2月10日申請日期2009年8月22日優先權日2008年9月27日發明者楊忠耀申請人:萊州新忠耀機械有限公司