随着时代的快速发展，轨道交通车辆铸件催生了轻量化要求。轻量化一方面可以减轻车辆自重和节约原材料；另一方面可以减少车辆的牵引力和制动力，实现节能降耗。可见，轻量化车辆铸件已经是铸造行业不断追求和努力的目标[1-4]。
等温淬火球墨铸铁(austempered ductile iron,ADI)作为一种新的应用材料，逐渐被行业了解和熟悉。其材料力学性能优越，质量比钢轻[5-6]。近年来，国内外研究人员不断进行材料创新，将不同的合金元素添加到铸铁中，以改善球墨铸铁的力学性能，使其能够更好地承受各种应力和载荷，保证设备的稳定性和寿命[7-8]。但是铸件强度和硬度还存在局限性。江苏某公司通过对成分设计、铸造工艺和热处理工艺优化深入研究，成功研制了高强度高韧性的轨道交通壳体铸件。
1 轨道交通壳体铸件分析
1.1 铸件结构分析
轨道交通壳体铸件结构示意图如图1 所示，该铸件质量为36.7 kg，壁厚最小处9 mm，壁厚最大处58 mm，壁厚不均匀且结构复杂，这不仅给铸造工艺的设计带来困难，而且不利于ADI 的热处理。
图1 轨道交通壳体铸件结构图
Fig.1 Schematic diagram of the casting structure for rail transit shell
1.2 ADI 球墨铸铁的成分设计
根据壳体性能要求，在球墨铸铁的化学成分设计时，尽量降低磷硫含量，并增加少量铜元素保证淬透性，提高机械性能。具体化学成分及性能要求见表1 和2。
2 工艺设计
2.1 铸造工艺
初步铸造工艺方案如图2 所示。采用德国KW线机器造型线，一模两件，在铸件无法起模的中间孔处设计4 个砂芯，在直浇道两侧各设计了过滤网，有效进行挡渣和避免紊流的产生。设有3 个内浇道和1 个冒口入水，采用开放式浇注系统，浇道面积F 直∶F 横∶F 内=1 156∶1 935∶2 212=1.00∶1.67∶1.91，保证充型速度，避免铸件产生冷隔、砂眼等铸造缺陷。此外，基于铸件模数和计算所得冒口尺寸(冒口模数=铸件模数×1.2)[9-10]，在铸件顶部和侧面放置冒口对铸件进行补缩，保证铸件内部和外部质量。
图2 铸造工艺方案：(a)上箱；(b)下箱
Fig.2 Casting process:(a)upper box;(b)lower box
2.1.1 铸造模拟分析及工艺优化
为验证工艺可靠性，采用MAGMA 模拟软件对球墨铸铁轨道交通壳体铸件凝固过程进行模拟。首先把铸件、冒口和浇注系统等转为STL 格式文件导入到MAGMA，针对导入的每个零部件进行网格划分，为了加快计算速度且不失准确性，浇注系统的网格尺寸大于铸件部分，网格优化形成了2 139 766个节点，452158 个单元。化学成分按照实际生产中值控制。因铸件壁厚整体较厚，铸件浇注温度参数设计为1 400 ℃，砂型温度为25 ℃，最后浇注时间参数为10 s。MAGMA 模拟主要参数设置如表3 所示。
2.1.2 方案模拟分析
图3为铁轨道交通壳体铸件的模拟结果。从图3a 可以看出，在铸件内部有孤立液相，可能存在铸造缺陷，且在图3b 热节示意图可以看出，铸件内部还存在热节，说明铸件出现缩松或缩孔的风险较大。通过MAGMA 模拟结果看出，现有冒口的补缩距离不够。故突破传统工艺，增加冷铁来提升铸件的散热速度，以增加冒口的补缩距离，即可使用小冒口达到补缩的目的[11-13]。同时因为QT800-10 的Si 含量较高，容易造成铸件组织石墨粗大，影响铸件伸长率，冷铁可有效改善和提高铸件组织和性能[5,14-15]。
表1 轨道交通壳体化学成分要求
Tab.1 Chemical composition requirements for rail transit shell (mass fraction/%)
ElementCSiMnPSCuMg Pre-furnace chemical composition3.85～3.951.90～2.000.3～0.5≤0.050.006～0.0180.4～0.7-Final chemical composition3.60～3.802.35～2.550.3～0.5≤0.050.006～0.0180.4～0.70.035～0.055
图3 模拟结果：(a)最终缩松模拟结果；(b)最终热节模拟
Fig.3 Simulation results:(a)final simulation result of the shrinkage porosity;(b)final simulation result of the thermal center
2.1.3 工艺方案优化
如图4 所示，根据铸件结构、激冷效果和工艺性原则，在铸件壁厚较厚区域的下模，根据式(1)所示冷铁设计公式和铸件结构较厚区域放置了2 种型号的冷铁各2 块(冷铁1：130 mm×70 mm×50 mm；冷铁2：100 mm×70 mm×40 mm)。
图4 增加冷铁工艺方案：(a)上箱；(b)下箱
Fig.4 Optimized process by adding chills:(a)upper box;(b)lower box
式中，G为冷铁质量；ρ为冷铁密度；A为冷铁接触面积。
在图4 所示各处设置冷铁，在温度场方面，冷铁的热导率高，能迅速吸收铸件的热量。当液态金属浇入铸型后，靠近冷铁部分的金属温度会因冷铁的吸热作用而快速下降。这使得铸件在冷铁附近的温度场梯度增大，温度降低加快。从凝固顺序来讲，由于冷铁加速了与之接触部分金属的冷却，这部分金属会率先凝固。进而改变了铸件原本的凝固顺序，让凝固从冷铁处开始向其他部位推进。这样可以使铸件实现顺序凝固，将缩孔、缩松等缺陷转移到冒口等补缩区域，从而有效提高铸件的致密度，减少内部缺陷。通过优化后的方案进行模拟可以证实，铸件内部没有孤立液相，最后液相全部处于冒口和浇注系统中，且如图5b 所示，铸件内部没有热节且整个热节都在冒口中(图5a)，说明铸件铸件内部不会产生缩松、缩孔等铸造问题，达到优化目的[16-19]。
图5 优化后模拟结果：(a)最终缩松模拟结果；(b)最终热节模拟
Fig.5 Simulationresultafteroptimization:(a)finalsimulationresultoftheshrinkageporosity;(b)finalsimulationresultofthethermalcenter
2.2 ADI 热处理工艺
轨道交通壳体铸件采用周期式等温淬火炉，首先，对铸件进行预热，然后将球墨铸铁升温至奥氏体化温度(860～920 ℃)，保温2～3 h，以确保铸件完全奥氏体化。随后，将铸件迅速淬入到温度范围为350～400 ℃的盐浴中。这个过程中，铸件从后室到盐槽的转移速度必须快，以防止发生珠光体转变。在盐浴中，根据铸件的壁厚和合金含量，将其在等温温度下保温1～2 h。期间需要确保盐浴温度的稳定，通过机械搅拌和加入适量水来增加盐浴的流动性及冷却烈度。最后将铸件从盐浴中取出，并在空气中冷却至室温。具体热处理曲线见图6。
图6 ADI 热处理工艺曲线
Fig.6 Heat treatment curve of the ADI
3 铸件检验及分析
通过一定炉料配比，改变合金元素Mn、Cu 的添加量和含铋孕育剂的加入量制备了轨道交通壳体铸件，具体方案如表4 所示。采用美国赛默飞世尔直读光谱仪测量其化学成分。根据图7 要求，在轨道交通壳体铸件截取试块，制成金相、硬度和拉伸试棒。采用美国MTS 型号E45.305 万能拉伸试验机对ADI 球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度及伸长率进行测试。参照ISO945，使用美国徕卡金相显微镜，对其腐蚀前后的金相组织进行观察。腐蚀前的试样主要观察石墨的数量、尺寸及圆整度；经浓度为4%的硝酸酒精溶液腐蚀后的试样主要观察其基体组织组成、晶粒尺寸等。在拉伸试样上截取硬度试样，使用400HBS-3000A 布氏硬度计测量ADI 球墨铸铁的布氏硬度，轨道交通壳体铸件化学成分、性能及组织分析。
图7 铸件取样位置示意图
Fig.7 Schematic diagram of the sampling locations for castings
由表4 和5 及图8 可知，方案1 采用锰铜合金化保证铸件的淬透性，但球化率仅80%，石墨球数量166 个/mm2，还有一定的碎块状石墨出现，大大影响了其抗拉强度和伸长率(仅6%)。方案2 在保证淬透性的基础上降低锰铜的含量，加入0.1%含铋孕育剂促进铸铁中的石墨化过程，助于形成细小、均匀分布的石墨，改善铸铁的力学性能，提高强度和韧性，降低硬度。球化率和石墨球数量显著增加，石墨球数量增加到300 个/mm2 以上，满足QT800-10 的要求。方案3 是在方案2 保证ADI 淬透性的基础上再次降低了锰铜含量并增加含铋孕育剂的加入量(0.15%)，使球化率达到95%，石墨数量到达345 个/mm2，抗拉强度和伸长率达到984 MPa 和20%。ADI 球墨铸铁的基体组织为奥铁体，球化率达到90%，碳质量分数控制在3.65%～3.75%、硅在2.35%～2.55%、碳当量在4.43%～4.60%时，石墨球数量处于307～345 个/mm2之间，满足淬透性基体组织为奥铁体，抗拉强度、伸长率均达到表2 中标准要求。
表2 轨道交通壳体技术要求
Tab.2 Technical requirements for rail transit shell
MaterialTensile strength/MPaYield strength/MPaElongation/%Brinell hardness(HBW)Microstructure EN-GJS-800-10>800>500>10260～320Austenite
表3 模拟参数设置
Tab.3 Setting of simulation parameters
ParameterCasting material Pouring time/s ValueQT800 Tidal film sand1 40010 Molding sand material Intial pouring temperature/℃
表4 铸件化学成分
Tab.4 Chemical composition of the castings (mass fraction/%)
Project LocationCSiMnCuBi 1T13.752.350.490.66-T23.752.350.490.66-2T13.692.520.470.530.10 T23.692.520.470.530.10 3T13.652.520.380.440.15 T23.652.520.380.440.15
表5 铸件性能及组织分析
Tab.5 Properties and microstructure analysis of the castings
ProjectLocationHBWUltimate tensile property,Rm/MPa Yield strength,Rp0.2/MPa Elongation,A/%Nodularity/%Graphite quantity/mm-2Ausferrite/%1T13187704876.580166100 T23218015026.0---2T130989757210.590307100 T230991858113.5---3T129698461020.095345100 T229397160216.5---
图8 铸件金相显微组织：(a)方案1；(b)方案1-碎状石墨；(c,d) 方案2；(e,f)方案3
Fig.8 Metallographic microstructure of the castings:(a)project 1;(b)project 1-crushed graphite;(c,d)project 2;(e,f)project 3
通过对比发现，当C 质量分数3.65%、Si 质量分数2.52%、Mn 质量分数0.38%、Cu 质量分数0.44%时，加入0.15%含铋孕育剂可改善石墨形态，增加石墨球数量为345 个/mm2，试样抗拉强度、屈服强度、伸长率达到最好状态，为984 MPa 和20%。表明合适的碳当量有助于提高壳体的韧性和塑性，而降低锰、铜的含量，并利用含铋孕育剂改善孕育效果，细化铸铁的晶粒，可使组织更加致密。细小的晶粒可以改善材料的强度和硬度，同时提高其韧性。通过增加石墨的形核点，含铋孕育剂能够控制石墨的生长尺寸，从而达到细化晶粒的目的，石墨球化率达到95%，改善了铸件的基体组织，从而提高试样的抗拉强度，并保证了较高的伸长率。通过实验数据可以发现，研制的ADI 球墨铸铁轨道交通壳体铸件的球化率和机械性能均稳定，达到了标准要求。
4 结论
(1)采用MAGMA 模拟分析，最终采用优化后的顶冒口+冷铁工艺方案进行生产，铸件内部无缩松。
(2)加入3.65%C、2.52%Si，0.38%Mn，0.44%Cu时，同时加入0.15%含铋孕育剂试样的抗拉强度和伸长率达到984 MPa 和20%。
(3)通过2 个阶段的等温淬火热处理，实现铸件性能提升。ADI800-10 轨道交通壳体通过检测与使用得到客户认可。
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