CN101585075B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开的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，该方法是将按重量百分比计含碳量为3.4～4.0％的球墨铸铁在熔炼炉内进行熔炼，熔炼后先在温度为1460±10℃的铁液中加入按铁液的重量计为0.15～0.75％的Inoculin390预处理剂进行处理，然后在浇铸前向铁液中加入按球墨铸铁的重量计为0.2～0.4％的孕育剂并进行充分搅拌后，再加入按球墨铸铁的重量计为0.2～0.35％的球化剂，最后将温度不低于1400℃的铁液采用直浇道中间浇注的开放式侧面浇注系统浇注到金属型中，铁液在冒口液态金属的补缩作用下充型、凝固形成铸件，并利用铸件自身的余热进行热处理。本发明提供的铸造工艺可代替传统的锻造工艺，使产品成型容易，铸件组织致密，机械性能优良，生产效率高，生产成本可降低40％以上。

Description

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

技术领域

本发明属于风力发电机主轴的生产方法技术领域，具体涉及一种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。

背景技术

目前，随着全球能源短缺和环境污染等问题日益严峻，寻找和选择绿色环保、具有可再生性的能源已成为世界各国面临的重大课题。而自然界存在的风能与其它能源相比，不仅蕴藏量大、分布广泛、永不枯竭、是水能的10倍，而且还具有上马快、建设周期短、比水电站建设的基础投入少、灵活性强，并能有效遏制温室效应和沙尘暴灾害、绿色环保等特点。因此，利用风能发电作为新能源开发已成为全球未来能源发展战略的重要组成部分并受到了各国的高度重视和大力支持。但是，由于目前制造风电设备的技术不够成熟，导致风力发电设备昂贵，风力发电成本较高，风电电价高于煤电电价，从而制约了风电的快速发展。

风力发电机组的关键设备之一是发电机的主轴。目前，国内外制造风力发电机主轴的方法全部都是采用锻造法，其制作过程为：将特种钢冶炼后锻造成毛坯，然后再进行热处理及机械加工。但利用锻造方法生产时，首先要求必须提供高质量电炉精炼的钢锭以满足产品的高性能需要，其次需采用特殊的成型方式(锻造)来细化晶粒以便获得性能更为优良的毛坯。如内蒙古北方重工业集团有限公司与四川德阳九益锻造有限公司等单位采用锻造方法生产风机主轴的工艺过程大致为：合金熔炼→钢锭→锻造→退火→粗车→调质→半精车→精车。因此，采用锻造法不仅生产工艺复杂，产品成型和后续加工困难，成型率不高，且材料消耗大，因而生产成本高，生产效率较低，一些特钢企业及锻机小的机械行业很难进行生产，致使生产的风机主轴远远不能满足市场需求，国内相当一部分风机主轴需要进口且价格昂贵。同时，用铸钢生产风机主轴时，由于铸钢的熔点高，熔炼时能耗大，对杂质的限制要求严格，冷却时由于收缩较大而容易在铸件中产生缩孔缩松缺陷。

因此，若能使用成本低廉的铸铁并利用工序简单的工艺如传统的砂型铸造方法来生产铸件，必然会使生产成本大大降低，生产效率大大提高。但是传统的砂型铸造方法存在着劳动强度大、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，尤其是容易出现的铸件致密度差、补缩不充分、缩孔缩松多等问题将严重影响铸件的质量，甚至导致铸件报废。针对现有砂型铸造方法中存在的问题，常州柴油机厂发明了一种用金属型覆砂造型工艺生产球墨铸铁曲轴铸件。该厂用热固化酚醛树脂作粘结剂，加入量为1.5％，另加2.5％的糠醇，70/140目硅质天然砂和固化剂混成湿态树脂砂，射覆于金属型背，经热固化后作为一次性铸型。金属型壁厚为20mm，材料为灰铸铁HT20-40。覆砂层厚度平均为4.5±1.5mm。生产的铸件为S195柴油机曲轴，最大直径￠74，毛坯重量为14公斤，浇注系统总重为6公斤的小型铸件。铸件成型脱模后，采用820℃-850℃的余热进行正火处理。试验证明，金属型覆砂铸造方法具有所获铁型刚度好、铸件精度高的特点，其所获铸件内部80％为珠光体组织，力学性能良好，非常适合于制造尺寸要求高的中小型轴类零件。但是，如果直接用该方法制备风机主轴，会出现以下问题：其一，由于风机主轴强度要求高、塑性要求好，尤其是要有良好的冲击韧性，而普通球墨铸铁的综合机械性能略低于铸钢，因此如果直接用普通的球墨铸铁生产方法，在性能上就不能完全达到风机主轴的性能要求；其二，由于该方法生产的是小型铸件。小型铸件由于覆砂层薄、透气性好，因此容易得到气孔缺陷少的铸件。而风机主轴属于大型铸件，如果用同样的工艺生产，由于覆砂层较厚、透气性较差，在铸件中容易出现较多的气孔缺陷，从而影响其性能；其三，由于该方法生产的柴油机曲轴属于小型铸件，在浇注时采用的是顶注式浇注。但用该方法浇注大型件时，由于其对铸型壁的冲刷严重，液态金属的搅拌严重，容易在铸件中形成更多的夹杂，而且也不利于夹杂物的上浮，影响铸件的质量。

发明内容

本发明的目的是针对目前现有技术存在的问题，提供一种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。

本发明提供的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，该方法是将按重量百分比计含碳量为3.4-4.0％的球墨铸铁在熔炼炉内进行熔炼，熔炼后先在温度为1460±10℃的铁液中加入按铁液的重量计为0.15～0.75％的Inoculin390预处理剂进行处理，然后在浇铸前向铁液中加入按球墨铸铁的重量计为0.2～0.4％的孕育剂并进行充分搅拌后，再加入按球墨铸铁的重量计为0.2～0.35％的球化剂，最后将温度不低于1400℃的铁液浇注到内腔覆有一层型砂的金属铸型中，铁液在“覆砂层-铁型”所形成的铸型中充型、凝固，最后利用铸件自身的余热进行热处理。

由于本发明提供的以上方法在孕育处理前向铁液中加入的foseco公司生产的Inoculin390预处理剂，而该预处理剂中含有的Bi元素既能阻碍基体晶粒长大，有效增加石墨数量，使石墨更细小且分布均匀，进一步减少了其对基体的割裂作用，又能使铁液中的O/S控制在较低和稳定的水平，并形成稳定的形核质点，为球化反应提供良好的条件，从而可得到了比常规球墨铸铁还高出5％以上的高强度、高韧性性能的铸件，满足了风机主轴的使用性能要求。

为减少铁液和覆砂层中带入的氧、氢、硫及其它杂质，消除魏氏组织和柱状晶，并细化晶粒，提高冲击韧性，本发明还在熔炼的液态铁液中加入按液态铁液重量计为0.15-0.25％的稀土元素。稀土元素优选Nd、Pr或Ce中的任一种。

为增强覆砂层的透气性，减少铸件中气孔的产生，本发明在覆砂层中加入了按覆砂重量计为2-4％的煤粉。

为保证铸件凝固过程中良好的冷却，本发明根据风机主轴不同部位的尺寸大小，将金属型厚度设计为360-400mm，覆砂层厚度设计为80-100mm。即风机主轴直径尺寸大的部位，金属型厚度和覆砂层厚度相应较大，反之，相应较小。

为了使液态金属浇注时充型平稳，减少对铸型的冲刷，即使形成少量夹杂也容易上浮而除去，本发明的铁水浇注是采用直浇道中间浇注的开放式侧面浇注系统，以提高铸件质量。

以上方法中所用的预处理剂Inoculin390的粒径为2-6mm。

以上方法在浇铸前向液态铁液中加入的孕育剂成分按重量百分比计为Si 60-65％、Ca 0.8-2.2％、Be 4-6％、Mn 8-10％，其余为Fe。

以上方法向液态铁液中加入的球化剂成分按重量百分比计为Y 55-47％、Si40-45％、Ca 5-8％。

以上方法中利用铸件自身的余热进行热处理的工艺控制条件为：在920～980℃保温2-5小时，再降温至700-750℃保温3-6小时，最后炉冷至600℃以下出炉空冷即可。

本发明与已有技术相比，具有以下优点：

1、由于本发明采用的是金属型覆砂铸造技术来生产风机主轴，因而与采用传统的锻造方法而言，不仅简化了生产工艺，缩短了生产周期，生产效率高，而且可使生产成本降低40％，极大地增强了产品的市场竞争力，同时还降低了风机主轴生产苛刻的门槛要求，使普通铸造企业都可生产风机主轴，这将大大满足市场需求。

2、由于本发明采用的是金属型覆砂铸造技术来生产风机主轴，因而通过调整金属型壁和覆砂层厚度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，从而既可以增大铸件的冷却速度细化晶粒又可以使铸件不出现白口。

3、由于本发明选择球墨铸铁作为铸件材料，因而与铸钢相比大大降低了风机主轴的生产成本和苛刻的熔炼要求。同时，由于球墨铸铁的偏析程度要比合金铸钢低，因此有利于降低铸件的成分偏析，使铸件内部成分更加均匀。

4、由于本发明在铁液熔炼及浇铸前通过加入适量的预处理剂、稀土元素、孕育剂和球化剂，因而可使结晶时晶粒更加细小均匀，大大提高铸件的综合性能。

5、由于本发明可利用铸件凝固后自身的余热对铸件进行后续热处理，因而节约了能源并降低了成本。

6、本发明为风力发电机主轴的制造提供了一种全新的生产方法，这在全球面临严重能源危机的今天，可为风能这种绿色环保、再生性强并有着广阔前景的发电技术得到大力推广产生重大的意义。

具体实施方式

下面给出实施例以对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据本发明内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。

另外，值得说明的是以下实施例所用元素的百分比均为重量百分比；对所得铸件进行的抗拉强度σ_b、屈服强度σ_s、延伸率δ₅、断面收缩率ψ、冲击韧性A_ku、材料硬度HB等机械性能的测试，其中，材料的σ_b、σ_s、δ₅、ψ是在SHT4305微机控制电液伺服万能试验机上进行的；A_ku是在JB-300S摆锤冲击韧性试验机上进行的；HB是在HB-3000型布氏硬度机上进行的。

实施例1～12

1)首先按照常规制备风力发电机主轴所需金属型，其厚度为360-400mm。然后用PLC控制的射覆机将覆砂射覆于金属型内壁，经热固化后作为一次性铸型，射型机射砂时间为250-300s，固化时间为30-60min，覆砂层厚度为80-100mm。覆砂层中还含有2-4％的煤粉，见表3。

2)本发明实施例所用的材质为四种牌号的球墨铸铁：EN-GJS-400-18U-LT、QT400-18、QT450-10、QT500-7，其常见的化学成分范围见表1，Fe为余量。

表1

在实际熔炼过程中，将以上每一种牌号的球墨铸铁均熔炼三种成分作为实施例，各实施例的具体成分如表2，Fe为余量。

表2

将以上四种球墨铸铁(均为重量百分比，Fe为余量)分别进行熔炼。在熔炼球墨铸铁过程中，先向铁液中加入石灰石造渣，然后在熔炼后温度为1460±10℃的铁液中加入按铁液的重量计为0.15～0.75％的2～6mm的Inoculin390预处理剂进行处理，并在浇铸前向铁液中加入按铁液的重量计为0.2％-0.4％钡硅铁孕育剂(其成分为：Si60-65％、Ca0.8-2.2％、Be4-6％、Mn8-10％，其余为Fe)并进行充分搅拌后，再加入按铁液的重量计为0.2-0.35％的钇基重稀土复合球化剂(其中Y55-47％、Si40-45％、Ca5-8％)和按液态铁液的重量计为0.1-0.2％的稀土元素，各实施例的加入量如表3所示，最后将温度不低于1400℃的铁液采用直浇道中间浇注的开放式侧面浇注系统浇注到内腔覆有一层型砂的金属铸型中进行充型、凝固，当铸件冷却到650-750℃时取出，利用此时铸件本身的余热进行热处理，处理条件如表4，以提高其韧性，消除铸造内应力，并改善切削加工性。最后对其进行机加工即可得到所需的风机主轴。通过测试，铸件调质后的各项机械性能指标见表5。

表3

表4

表5

从表5可看出，用四种材质生产的风机主轴均能达到风机主轴使用要求的性能指标。因此，对风机主轴采取以铸代锻的方式是完全可行的。

Claims (8)

1.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，该方法是将按重量百分比计含碳量为3.4-4.0％的球墨铸铁在熔炼炉内进行熔炼，熔炼后先在温度为1460±10℃的铁液中加入按铁液的重量计为0.15～0.75％的Inoculin390预处理剂进行处理，然后在浇铸前向铁液中加入按球墨铸铁的重量计为0.2～0.4％的孕育剂并进行充分搅拌后，再加入按球墨铸铁的重量计为0.2～0.35％的球化剂，最后将温度不低于1400℃的铁液浇注到内腔覆有一层型砂的金属铸型中，铁液在“覆砂层-铁型”所形成的铸型中充型、凝固，最后利用铸件自身的余热进行热处理，

其中在覆砂层中加入了按覆砂重量计为2-4％的煤粉，铁水浇注采用直浇道中间浇注的开放式侧面浇注系统。

2.根据权利要求1所述的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，该方法在浇铸前还向液态铁液中加入按铁液的重量计为0.15-0.25％的稀土元素。

3.根据权利要求2所述的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，该方法在浇铸前向液态铁液中加入的稀土元素为Nd、Pr或Ce中的任一种。

4.根据权利要求1或2或3所述的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，该方法中所用的预处理剂是粒径为2-6mm的Inoculin390，并将金属型厚度设计为360-400mm，覆砂层厚度设计为80-100mm。

5.根据权利要求1或2或3所述的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，该方法在浇铸前向铁液中加入的孕育剂成分按重量百分比计为Si60-65％、Ca 0.8-2.2％、Be 4-6％、Mn 8-10％，其余为Fe；加入的球化剂成分按重量百分比计为Y 55-47％、Si 40-45％、Ca 5-8％。

6.根据权利要求4所述的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，该方法在浇铸前向铁液中加入的孕育剂成分按重量百分比计为Si 60-65％、Ca0.8-2.2％、Be 4-6％、Mn 8-10％，其余为Fe；加入的球化剂成分按重量百分比计为Y55-47％、Si 40-45％、Ca 5-8％。

7.根据权利要求1或2或3所述的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，该方法中利用铸件自身的余热进行热处理的工艺控制条件为：在920～980℃保温2-5小时，再降温至700-750℃保温3-6小时，最后在炉冷600℃以下出炉空冷即可。

8.根据权利要求6所述的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，该方法中利用铸件自身的余热进行热处理的工艺控制条件为：在920～980℃保温2-5小时，再降温至700-750℃保温3-6小时，最后在炉冷600℃以下出炉空冷即可。