CN108284202B - 一种改善球墨铸铁材料组织和性能的铸造方法及由其铸造的铸件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善球墨铸铁材料组织和性能的铸造方法，其包括步骤：A)金属型的设计：根据铸件的外形结构，设计制作随型的金属型，金属型材质与铸件材质的热导率和热容量近似，金属型壁厚与铸件壁厚之比为0.8～1.2:1；B)金属型和砂芯的预处理：将金属型进行预热，然后内壁均匀涂刷水基涂料；同时对预制的砂芯表面均匀涂刷醇基涂料；刷完涂料后合箱并通热风处理；C)铸件的铸造。本发明还公开了通过该方法铸造的铸件。本发明采用热导率和热容量大的金属型进行铸造，通过调整金属型壁厚来控制铸件的凝固过程，可有效调节铸件不同厚度部位的冷却速度，增大铸件整体的冷却速度，使铸件较快的冷却形成细晶，改善铸件的组织和性能。

Description

一种改善球墨铸铁材料组织和性能的铸造方法及由其铸造的 铸件

技术领域

本发明属于铸造工艺技术领域，特别涉及一种改善球墨铸铁材料组织和性能的铸造方法及由其铸造的铸件。

背景技术

随着全球能源短缺和环境污染日益严重，风能因其绿色环保及可再生性的优势，已成为世界各国在能源利用方面研究发展的主要方向，逐渐受到世界各国的高度重视和大力支持。

风电铸件多数为超大、超厚的球墨铸铁件，其生产方法仍以传统的砂型铸造为主，存在着劳动强度大、原材料消耗多、铸件重量偏重、环境污染严重、机加工工作量大等问题。同时，对于厚大端面球墨铸铁件，砂型工艺生产的铸件凝固时间长，球化衰退严重，铸件心部石墨畸变，组织粗大，导致铸件力学性能急剧下降。实际生产中，为了加快铸件冷却，缩短凝固时间，一般采用冷铁作为激冷材料。但是从实际效果来看，冷铁尺寸(厚度)与铸件壁厚并非呈线性关系，易造成蓄热饱和，冷却能力有限，也不能保证心部的石墨形态；其次冷铁使用次数有限，需要在一定使用次数后更换新冷铁，增加生产成本，且当冷铁使用量较多时，也增加了造型时间和难度。

申请号CN200910059662，公开号CN101585075的国内专利“利用球墨铸铁制造风力发电机主轴的金属型覆砂铸造方法”中涉及到的金属型，在其表面增加覆砂层，厚度达80～100mm，相对于本专利，其浇注过程中有可能导致覆砂层脱落进入铁液，导致铸件夹杂缺陷，同时也会增加工序和生产成本；申请号CN200910201280，公开号CN101758208的国内专利“厚断面球墨铸铁件快速冷却的方法”中，其金属型设置了附加的水冷却装置，通过循环水冷却金属型，从而使铸件冷却，并未体现金属型本身促使铸件快速冷却的能力，且增加了操作难度。

发明内容

因此，针对现有技术中大型风电铸件冷却慢，组织和性能容易恶化的技术问题，本发明的目的在于提供一种改善球墨铸铁材料组织和性能的铸造方法，所述方法利用金属型进行铸造，金属型即外模为全金属的模具，具有高导热率，能够使铸件较快的冷却形成细晶，便于实现对模具温度在时间和部位上的调节控制，避免铸件组织和性能容易恶化，提升铸件性能。

本发明的改善球墨铸铁材料组织和性能的铸造方法包括步骤：

A)金属型的设计

根据铸件的外形结构，设计制作随型的金属型，金属型材质与铸件材质的热导率和热容量近似，金属型壁厚与铸件壁厚之比为0.8～1.2:1；

B)金属型和砂芯的预处理

将金属型进行预热，然后内壁均匀涂刷水基涂料，利用金属型预热温度烘干涂料；同时对预制的砂芯表面均匀涂刷醇基涂料，烘干；所述的水基涂料组分包括：锆英粉50～80wt％、水19～40wt％及辅料1～10％；刷完涂料后，金属型和砂芯合箱，再对金属型与砂芯之间的型腔进行热风处理；

C)铸件的铸造

(c1)将炉料在熔炼炉内进行熔炼，调整炉料配比控制元素C、Si至规定值；优选的，控制元素C含量为3.0～3.6wt％，Si含量为1.5～2.6wt％优选2.5～2.6wt％；

(c2)在浇包底部加入球化剂和覆盖孕育剂，混合均匀；然后将步骤c1熔炼的铁液倒进浇包，同时加入一次孕育剂；

(c3)将浇包中的铁液浇注到金属型与砂芯之间的型腔中，浇注过程中同时加入随流孕育剂，铁液在型腔中充型、凝固，冷却后开箱清理出铸件。

其中，设计制作随型的金属型时，可利用铸造模拟软件，比如MAGMA、Any casting等本领域常用专业软件，对铸件进行凝固模拟，分析铸件不同壁厚处的冷却过程，据此设计金属型相应部位的厚度，保证铸件在冷却过程中，内部不出现缩松缩孔等缺陷。与采用传统的砂型铸造而言，减少了型砂、冷铁的用量，降低生产成本，简化生产工艺，缩短生产周期，提高生产效率。本发明采用金属型铸造，通过调整金属型壁厚来控制铸件的凝固过程，有效调节铸件不同厚度部位的冷却速度，既可增大铸件整体的冷却速度又可以细化晶粒，进而改善铸件的组织和性能。

本发明的一些较佳实施例中，步骤A中，所述球墨铸铁材料(即需要铸造的铸件材料)为EN-GJS-500-14，所述金属型材料为热导率和热容量与之近似的球墨铸铁QT400-18。球墨铸铁QT400具有较高的高温强度，这种材质的金属型具备较佳的抗热疲劳性能，适合高温球铁件的浇注。

本发明的一些较佳实施例中，步骤B中，金属型预热表面温度控制在50～80℃；水基涂料的涂料波美度控制在65～85Be，金属型内壁和砂芯表面的涂料层厚度控制在0.4～0.7mm优选0.45～0.6mm更优选0.5mm，涂刷时，金属型内壁刷3～4遍，砂芯表面刷2～3遍。本发明水基涂料的选择需要考虑涂料的稳定性、刷涂均匀性及强度。

较佳的，步骤B中，所述辅料为粘土类矿物质。优选耐高温的粘土类矿物质。

较佳的，步骤B中，砂芯表面可涂刷普通的铸造用的醇基涂料，醇基涂料更易干透，醇基涂料可以是普通水基涂料中将溶剂水替换为更易挥发的醇类溶剂。优选的醇基涂料组分包括：锆英粉50～80wt％、乙醇19～40wt％及辅料1～10％。即采用所述水基涂料除水以外的相同组分，使用乙醇类溶剂代替水。

满足大型风电铸件(比如EN-GJS-500-14球墨铸铁风电铸件)的性能需求，除了对金属型的设计，还需要对炉料、球化剂和孕育剂以及具体的工艺参数等进行控制和优化。

本发明的一些较佳实施例中，步骤c1中，所述炉料的组分为：生铁30％～50％、回炉料30％～50％、废钢10％～20％。

进一步的，生铁选用低硅类生铁，生铁中Si≤1.0wt％、Mn≤0.2wt％、P≤0.05wt％、S≤0.035wt％、有害合金元素≤0.025wt％；所述的废钢为薄片类碳素废钢，废钢中C≤0.20wt％、Si≤0.5wt％、Mn≤0.5wt％、P≤0.035wt％、S≤0.035wt％、Cr≤0.10wt％；回炉料为铁素体球墨铸铁回炉料。

生铁、回炉料和废钢熔炼后C、Si含量不足时，可通过添加增碳剂和硅铁使C、Si含量至规定值。

选择合适的球化剂和孕育剂，优化球化处理工艺和孕育工艺等，不仅能满足大型风电铸件的性能需求，还能保证铸件生产的稳定性、产品性能的一致性。制定出适用于风电铸件新材料的球化剂、孕育剂的成分及处理工艺，得到金相组织良好，无碎块状石墨及钉状石墨等其他的异形石墨出现，石墨球圆整，石墨球数多，综合力学性能良好的铸件。

本发明的一些较佳实施例中，步骤C中，按浇注铁水重量百分比计，球化剂用量为0.9～1.2wt％，覆盖孕育剂用量为0.3～0.5wt％，一次孕育剂用量为0.4～0.8wt％；随流孕育剂用量为0.10～0.20wt％；其中球化剂选用稀土硅镁球化剂，化学成分包括5.0～7.0wt％Mg、0.10～0.50wt％RE、40～50wt％Si以及余量的铁；覆盖孕育剂和一次孕育剂选用硅钙钡孕育剂，化学成分包括40～60wt％Si、1.5～2.5wt％Ba、0.2～1.0wt％Ca以及余量的铁；随流孕育剂选用硫氧孕育剂，化学成分包括65～80wt％Si、0.5～1.5wt％Ca以及余量的铁。

本发明的一些较佳实施例中，步骤c2中浇包的熔融铁液温度为1400～1450℃；步骤c3中浇注的铁液温度为1330～1350℃。

另外，根据大断面的特性，设计合理的铸件开箱温度和保温时间，可防止因开箱过早造成铸件开裂等报废，以及影响铸件加工尺寸精度。

本发明的目的还在于提供通过所述方法铸造的铸件。

本发明的一些较佳实施例中，通过所述方法铸造的铸件其组成为：C：3.2～3.6wt％、Si：3.0～3.6wt％、Mn≤0.30wt％、P≤0.04wt％、S：0.005～0.02wt％、Mg：0.03～0.07wt％、Re≤0.35wt％；其余为Fe及制备过程中带入的杂质。

为制得符合标准EN-GJS-500-14的风电铸件，本发明对铸件的化学成分进行综合考虑。

其中，碳当量(CE)对球墨铸铁的流动性影响很大，提高碳当量可以提高球墨铸铁的流动性，在碳当量为4.6％～4.8wt％时，流动性最好，有利于浇注成形、补缩，但另一方面由于壁厚超厚大，凝固时间比较长，更需要警惕石墨畸变、石墨漂浮等问题的出现，而碳当量越高越会加剧这种情况，故对厚壁件碳当量不能太高；对缩孔、缩松的影响则是碳当量在4.2wt％左右时，缩孔体积最大。碳当量在4.8wt％时缩松倾向最小，大于或小于此数值，缩松倾向均增加。为此将碳当量控制在4.2～4.8wt％之间时，则可以缩孔小、缩松少，可以获得健全铸件。综述以上几方面考虑将碳当量控制在4.5％～4.7wt％。

Si是固溶强化铁素体，可以提高抗拉强度与屈服强度；但Si又提高球墨铸铁的脆性转变温度，每提高0.1％Si，脆性转变温度升高5.5～6.0℃，故过高会影响伸长率和冲击。综合考虑Si控制在3.0～3.6wt％。

Mn可以显著增加球墨铸铁中珠光体含量，且容易在共晶团边界上产生偏析，导致力学性能恶化，故Mn量要低，控制在≤0.3％。

P随金属炉料进入球墨铸铁，它不影响球化，但P是有害元素，它溶解在铁液中，很容易偏析产生磷共晶，随着铸件壁厚的增加，其偏析越严重。由于磷共晶熔点低，最终会分布在共晶团边界处，会急剧恶化铸铁力学性能。另外磷使脆性转变温度升高，每增加磷0.01％，则球墨铸铁的脆性转变温度升高4.0～4.5℃，故P应越低越好。P含量控制在≤0.04％。

保S在球墨铸铁中既有害又不可缺少，因此要尽可能控制在一个合理范围内，为证良好的球化率及较多的石墨球数，将S控制在0.005～0.02wt％。

Mg是生产球墨铸铁所必须的元素，其含量直接影响石墨形态，由于厚大件凝固时间长，镁损耗较多，导致球化衰退，容易出现畸变石墨，从而影响到石墨形态，为得到较为圆整的石墨球，Mg含量控制在0.03％～0.07％。

本发明的有益效果：

1、本发明采用金属型铸造，与采用传统的砂型铸造相比，金属型的热导率和热容量大，冷却速度快，通过调整金属型壁厚来控制铸件的凝固过程，可有效调节铸件不同厚度部位的冷却速度，可增大铸件整体的冷却速度，使铸件较快的冷却形成细晶，避免铸件组织和性能恶化，进而改善铸件的组织和性能，铸造的铸件组织致密，力学性能比砂型铸件高15％左右。

2、本发明为硅固溶强化球墨铸铁EN-GJS-500-14提供了改善组织和性能的铸造方法，为开发厚壁、适合恶劣环境的大功率风电铸件提供技术支持，使其在风电设备关键零部件的批量生产成为可能，为开发较更大功率的风力发电主机做好技术准备，为我国风电事业的发展提供有力的技术支持。

3、本发明利用金属型表面预热温度自行烘干水基涂料，减少操作步骤，保证涂料固化的均匀性。

4、本发明采用金属型铸造，与采用传统的砂型铸造相比，减少了型砂、冷铁的用量，不仅可以减少粉尘和有害气体，改善环境；而且可以简化生产工艺，降低劳动强度，降低生产成本，缩短生产周期，提高生产效率。另外，金属型具有一定的蓄热能力，铸件凝固时释放的热量被铸型暂时吸收，可利用此余热对铸件进行热处理，进一步节约能源并降低成本。

附图说明

图1为附铸试块金相图片；

图2为本体试样金相图片。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

实施例1风电主轴的铸造

结合高硅固溶强化球墨铸铁材料EN-GJS-500-14进行开发，用以改善此种材料的组织和性能，以某风电主轴为浇注实例，其壁厚在170～250mm，属于厚大断面范畴。

具体步骤如下：

A)金属型的设计

根据铸件的外形结构，设计制作随型的金属型，利用铸造模拟软件MAGMA模拟铸件的冷却过程，根据冷却过程计算金属型不同部位的壁厚，根据铸件的不同部位的实际尺寸。金属型材质选用与铸件材质的热导率和热容量近似的QT400-18，金属型壁厚与铸件壁厚之比为1:1，即将金属型厚度设计为170～250mm。

B)金属型和砂芯的预处理

将金属型进行预热，表面温度控制在50～80℃，然后内壁均匀涂刷三遍水基涂料，利用金属型预热温度烘干涂料；所用的水基涂料组分包括：锆英粉50～80wt％、水19～40wt％及粘土类矿物质1～10％辅料，涂料波美度控制在65～85Be。同时对预制的砂芯表面均匀涂刷两遍醇基涂料，烘干；所用的醇基涂料组分包括：锆英粉50～80wt％、乙醇19～40wt％及粘土类矿物质1～10％辅料。金属型内壁和砂芯表面的涂料层厚度控制在0.4～0.7mm(优选0.45～0.6mm更优选5mm)。刷完涂料后，金属型和砂芯合箱，再对型腔进行热风处理。

C)铸件的铸造

(c1)将炉料在熔炼炉内进行熔炼，调整炉料配比控制元素C、Si至规定值，其中C含量为3.0～3.6wt％，Si含量为1.5～2.6wt％优选2.5～2.6wt％。

(c2)在浇包底部加入球化剂和覆盖孕育剂，混合均匀。然后当步骤c1熔炼的铁液温度达1400～1450℃时，将铁液倒进浇包，同时加入一次孕育剂。

(c3)当浇包中铁液温度降至1330～1350℃时，将铁液浇注到金属型与砂芯之间的型腔中，浇注过程中同时加入随流孕育剂，铁液在型腔中充型、凝固，冷却后开箱清理出铸件。

步骤c1中，炉料的组分为：生铁30％～50％、回炉料30％～50％、废钢10％～20％。其中，生铁选用低硅类生铁，生铁中Si≤1.0wt％、Mn≤0.2wt％、P≤0.05wt％、S≤0.035wt％、有害合金元素≤0.025wt％；所述的废钢为薄片类碳素废钢，废钢中C≤0.20wt％、Si≤0.5wt％、Mn≤0.5wt％、P≤0.035wt％、S≤0.035wt％、Cr≤0.10wt％；回炉料为铁素体球墨铸铁回炉料。生铁、回炉料和废钢熔炼后C、Si含量不足时，可通过添加增碳剂和硅铁使C、Si含量至规定值。

步骤C中，步骤C中，按浇注铁水重量百分比计，球化剂用量为0.9～1.2wt％，覆盖孕育剂用量为0.3～0.5wt％，一次孕育剂用量为0.4～0.8wt％；随流孕育剂用量为0.10～0.20wt％；其中球化剂选用稀土硅镁球化剂，化学成分包括5.0～7.0wt％Mg、0.10～0.50wt％RE、40～50wt％Si以及余量的铁；覆盖孕育剂和一次孕育剂选用硅钙钡孕育剂，化学成分包括40～60wt％Si、1.5～2.5wt％Ba、0.2～1.0wt％Ca以及余量的铁；随流孕育剂选用硫氧孕育剂，化学成分包括65～80wt％Si、0.5～1.5wt％Ca以及余量的铁。

通过上述步骤铸造的风电主轴铸件，测定其组成为：C：3.2～3.6wt％、Si：3.0～3.6wt％、Mn≤0.30wt％、P≤0.04wt％、S：0.005～0.02wt％、Mg：0.03～0.07wt％、Re≤0.35wt％，其余为Fe及制备过程中带入的杂质。

为了对比金属型的改善优点，同时进行对比试验，对比例1和对比例2均采用普通砂型进行铸造，对比例1的冷却方式采用石墨冷铁进行辅助，对比例2未采取辅助冷却方式。其余工艺步骤包括炉料的熔炼、球化和孕育、以及浇注等同实施例1。

实施例1和对比例1～2铸造的附铸试块和本体试样的力学性能与金相分析结果分别如表1和表2所示，金相图片如图1和图2所示。

表1附铸试块力学性能与金相分析

表2本体试样(在本体心部取样)力学性能和金相分析

由上述实施例1和对比例1～2的检测分析可知，采用金属型冷却方式，铸件的附铸试块和本体试样组织和性能均能得到明显改善，相比于使用普通砂型铸造的方法，本发明铸造的铸件组织致密，力学性能比砂型铸件高15％左右。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种改善球墨铸铁材料组织和性能的铸造方法，其特征在于，包括步骤：

A)金属型的设计

根据铸件的外形结构，利用铸造模拟软件对铸件进行凝固模拟，分析铸件不同壁厚处的冷却过程，据此设计金属型相应部位的厚度，设计制作随型的金属型，金属型材质与铸件材质的热导率和热容量近似，金属型壁厚与铸件壁厚之比为0.8～1.2:1；

所述球墨铸铁材料为EN-GJS-500-14，所述金属型材料为热导率和热容量与之近似的球墨铸铁QT400-18；

B)金属型和砂芯的预处理

将金属型进行预热，然后内壁均匀涂刷水基涂料，利用金属型预热温度烘干涂料；同时对预制的砂芯表面均匀涂刷醇基涂料，烘干；所述的水基涂料组分包括：锆英粉50～80wt％、水19～40wt％及辅料1～10％；所述的醇基涂料组分包括：锆英粉50～80wt％、乙醇19～40wt％及辅料1～10％；刷完涂料后，金属型和砂芯合箱，再对金属型与砂芯之间的型腔进行热风处理；

C)铸件的铸造

(c1)将炉料在熔炼炉内进行熔炼，调整炉料配比控制元素C、Si至规定值；

(c2)在浇包底部加入球化剂和覆盖孕育剂，混合均匀；然后将步骤c1熔炼的铁液倒进浇包，同时加入一次孕育剂；

(c3)将浇包中的铁液浇注到金属型与砂芯之间的型腔中，浇注过程中同时加入随流孕育剂，铁液在型腔中充型、凝固，冷却后开箱清理出铸件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B中，金属型预热表面温度控制在50～80℃；水基涂料的涂料波美度控制在65～85Be，金属型内壁和砂芯表面的涂料层厚度控制在0.4～0.7mm，涂刷时，金属型内壁刷3～4遍，砂芯表面刷2～3遍。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B中，所述辅料为粘土类矿物质。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c1中，所述炉料的组分为：生铁30％～50％、回炉料30％～50％、废钢10％～20％。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，生铁选用低硅类生铁，生铁中Si≤1.0wt％、Mn≤0.2wt％、P≤0.05wt％、S≤0.035wt％、有害合金元素≤0.025wt％；所述的废钢为薄片类碳素废钢，废钢中C≤0.20wt％、Si≤0.5wt％、Mn≤0.5wt％、P≤0.035wt％、S≤0.035wt％、Cr≤0.10wt％；回炉料为铁素体球墨铸铁回炉料。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C中，按浇注铁水重量百分比计，球化剂用量为0.9～1.2wt％，覆盖孕育剂用量为0.3～0.5wt％，一次孕育剂用量为0.4～0.8wt％；随流孕育剂用量为0.10～0.20wt％；其中球化剂选用稀土硅镁球化剂，化学成分包括5.0～7.0wt％Mg、0.10～0.50wt％RE、40～50wt％Si以及余量的铁；覆盖孕育剂和一次孕育剂选用硅钙钡孕育剂，化学成分包括40～60wt％Si、1.5～2.5wt％Ba、0.2～1.0wt％Ca以及余量的铁；随流孕育剂选用硫氧孕育剂，化学成分包括65～80wt％Si、0.5～1.5wt％Ca以及余量的铁。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c2中浇包的熔融铁液温度为1400～1450℃；步骤c3中浇注的铁液温度为1330～1350℃。

8.根据权利要求1～7任一项所述的方法铸造的铸件。

9.如权利要求8所述的铸件，其特征在于，其组成为：C：3.2～3.6wt％、Si：3.0～3.6wt％、Mn≤0.30wt％、P≤0.04wt％、S：0.005～0.02wt％、Mg：0.03～0.07wt％、Re≤0.35wt％，其余为Fe及制备过程中带入的杂质。

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