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球墨铸铁由于其优良的力学性能,已经成为现代工业中重要的机械工程材料之一。高速铁路机车用曲轴箱体采用QT400-18L制造,出于安全的考虑,对零件的低温性能提出了更高的要求,尤其是低温-40℃时冲击韧性要求达到αkv≥12.0J/cm2。而普通球铁很难达到如此高的性能要求。因此,必须采取合金化及热处理等措施来控制球铁的成分及组织,才能获得性能合格的铸件。本研究采用在QT400-18L中加入0-1.8wt%的Ni进行合金化,选择950℃×2h高温退火+750℃×3h低温铁素体化退火的工艺对铸件进行热处理。试样的化学成分为, 3.5-3.9wt%C,1.4-2.0wt%Si,0.050-0.20wt%Mn,0.020-0.040wt%P,0.030-0.040wt%S,0.040-0.060wt%Mg。采用水玻璃砂造型,浇注Y型试块,从其底部取样并进行相应的热处理。用无水乙醇和干冰混合,模拟-20℃、-40℃和-60℃三种低温环境,测试了试样的低温冲击韧性,在室温下测试了试样的抗拉强度、延伸率和硬度。采用光学显微镜观察试样组织,用X-ray衍射仪分析试样物相组成,用扫描电子显微镜观察试样断口形貌。研究结果表明,所有铸态试样球化状况良好。含0.40wt%Ni的试样热处理后具有较好的力学性能,室温下抗拉强度为401MPa,延伸率为24.2%,硬度值为HRB80.6,在-20℃、-40℃和-60℃低温条件下,冲击韧性αkv分别达到20.2、17.9和14.5J/cm~2。含0.70 wt%Ni的试样热处理后,其室温下的抗拉强度为411MPa,延伸率为20.8%,硬度值为HRB92.6,在-20℃、-40℃和-60℃的低温条件下,冲击韧性αkv分别达到28.2、20.7和13.7J/cm~2,说明含Ni量超过0.40wt%对试样-40℃的冲击韧性改善不明显。研究还发现,未加Ni的球铁-40℃低温冲击韧性αkv为10.5J/cm~2,其组织由铁素体+少量珠光体+石墨球组成;加入0.10wt%到0.70wt%的Ni时,球铁的低温冲击韧性随着含镍量的增加而增加,-40℃低温冲击韧性αkv从10.9J/cm2增加到20.7J/cm~2,微观组织由铁素体+石墨球组成并出现极少量的残余奥氏体;镍加入量从1.0wt%增加到1.8wt%,低温冲击韧性随着含镍量的增加而降低,-40℃低温冲击韧性αkv从14.6J/cm~2降低至5.83J/cm~2,微观组织由铁素体+部分珠光体+石墨球+极少量碳化物组成,残余奥氏体消失。因此,含Ni量必须控制在合理的范围内才能确保获得所需性能的球铁。