CN102864371B

CN102864371B - 一种风电装备制动器缸体的制造方法

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Publication number: CN102864371B
Application number: CN201210372714.6A
Authority: CN
Inventors: 刘天平; 王爱丽
Original assignee: Individual
Current assignee: Tancheng County New Area Construction Development Co ltd
Priority date: 2012-09-29
Filing date: 2012-09-29
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2032-09-29
Also published as: CN102864371A

Abstract

本发明属于风电装备技术领域，具体公开了一种风电装备制动器缸体及其制造方法，所述风电装备制动器缸体采用QT350-22AL材质的低温高韧性耐蚀球墨铸铁材料铸造而成。本发明风电装备制动器缸体采用低温高韧性耐蚀球墨铸铁材质提高了其抗低温冲击性能和耐腐蚀性，提高并满足了在恶劣工况条件下的使用要求，从而进一步提高了风电装备的使用寿命，有效节约了生产成本；本发明采用铸造方法制成风电装备制动器缸体毛坯，能有效解决缸体的内在质量问题，同时，还能解决加工量大，加工效率低下的问题，显著降低了产品成本，具有巨大的经济效益。

Description

一种风电装备制动器缸体的制造方法

技术领域

本发明涉及风电装备技术领域，具体涉及一种风电装备制动器缸体及其制造方法。

背景技术

随着全球经济的发展，能源与环境问题已经成为全球可持续发展面临的主要问题，日益引起国际社会的广泛关注及对积极对策的寻求，风能是一种取之不尽、用之不竭的可再生、无污染的绿色能源，已经成为各国的能源目标。风能的大规模开发利用，将会有效减少化石能源的使用、减少室温气体排放、保护环境，大力发展风电已成为各国政府的重要选择。此外由于其利用简单，且机动灵活的特点，成为新能源开发的重点方向。

我国风能资源丰富，但是风电产业的发展同国外发达国家相比，起步较晚。自从2005年国家颁布《可再生能源法》重点支持发展可再生能源发电以来，风力发电作为重点扶持产业发展迅速。到2009年，我国累计装机容量已超过200GW，提前完成了“十一五”规划目标，并且09年新增装机容量占全球新增装机容量近三分之一。2010年，中国风能总装机容量将达到300 GW，超过德国和西班牙，仅次于美国。根据这个增速，同时在国家不断加大政策支持力度和对环境问题日益重视的背景下，我国风电装机将继续保持快速增长，预计至2020年我国风电累计装机将可以达到700GW，占当时国内电力装机总量的14.06%。

我国风电装备的工况条件：

（1）运行环境恶劣：我国幅员辽阔，南北气候差异较大，考虑北方地区要求，冬季气温很低，铸件材质必须确保在低温下有良好的韧性，研制能耐－40℃及其以下气温要求的低温型机组；考虑沿海地区要求，研制具备三防措施（防盐雾、防湿热、防霉菌）的沿海高温型机组。另外，我国风电机组一般安装在高山、荒原、海岛等风口处，经常受无规律的、变向的、变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，风电机起停频繁、受冲击大。

（2）装备维修期长：风电装备架设在高处运行，且装备不便于经常维修，装备设计时确定的维修期通常为20年，甚至30年。因此，对铸件材质的疲劳强度，对铸件质量的可靠性和耐用性，都有非常严格的要求。

考虑到风电装备的工况条件及结构特点，普通球墨铸铁已无法满足风电装备的性能要求，不适合用以生产风电配件，必须选用具有较高技术含量的低温高韧性耐蚀球墨铸铁，以此来保证风电配件的使用安全。作为风电装备关键零部件的制动器缸体，是一种小体积大断面球墨铸铁铸件，壁厚最厚110mm，同时同薄壁相连，壁厚最薄20mm，壁厚相差较大，独立热节多，其结构更为复杂，这就加大了制造的难度。目前国内外广泛使用的风电装备制动器缸体以钢板焊接为主，整体结构稳定性较差；焊后存在的内应力较高，容易产生变形；材质易变脆，危及安全；因过热、过烧等原因导致焊接接头的机械性能、抗腐蚀性能降低等；另外，钢板割制、锻制的毛坯结构简单，以至于制动器缸体加工量大，费工费时，效率低下，制造成本很高，市场竞争力不强，特别是一些孔系，不能或不能更加经济的做出来，加工量会更大，更费工时。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对当前问题，提供了一种风电装备制动器缸体；所述风电装备制动器缸体具有良好的综合力学性能及耐蚀性能，提高了风电装备的使用寿命，有效节约了生产成本；本发明还提供了一种采用QT350-22AL材质的低温高韧性耐蚀球墨铸铁加工风电装备制动器缸体的方法，该方法代替了传统的钢板焊接，加工量小，加工效率高，显著降低了生产成本，更便于工业化生产。

本发明技术方案为：

本发明提供了一种风电装备制动器缸体，所述风电装备制动器缸体由低温高韧性耐蚀球墨铸铁材料制成。

根据上述的风电装备制动器缸体，以重量百分含量表示，所述低温高韧性耐蚀球墨铸铁材料化学组成为C 3.6~3.9%，Si 1.8~ 2.1%，Mn＜0.2%，Ni 0.1~0.5%，P＜0.04%，S＜0.02%，Mg 0.03~0.05%，稀土＜0.03%，余量为Fe，各成分总合为100%。

根据上述的风电装备制动器缸体，所述低温高韧性耐蚀球墨铸铁材料优选Si 1.9~2.05%。

根据上述的风电装备制动器缸体，所述低温高韧性耐蚀球墨铸铁材料的原料为废钢、生铁、增碳剂、球化剂和孕育剂。

硅(Si)：球墨铸铁中最主要的石墨化元素，对球墨铸铁的力学性能有重要影响。对于厚大断面球墨铸铁件，一方面，硅以置换形式固溶于铁素体基体中，使铁素体基体强化，从而提高球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度和硬度，同时使塑性指标降低；另一方面，硅的孕育作用使珠光体和铁素体的比例改变。随着含Si量的增加，基体中的铁素体量随之增加，白口倾向减小，能细化石墨，使其分布均匀且能提高圆整度，伸长率δ也随之提高。Si能强烈地提高铁素体基体球铁的韧-脆性转变温度，这是由于Si的原子半径、原子结构与Fe相差大，溶入铁素体基体后会使点阵产生强烈的畸变。本发明从金相组织、强度、低温冲击性能以及防止石墨畸变等多方面来综合考虑，确定了合适的含硅量。

锰(Mn)：属于反石墨化元素，在球墨铸铁凝固时，锰使白口倾向增加，强烈促进珠光体和渗碳体的形成。锰和硅一样，可以提高球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度和硬度，但对伸长率和冲击韧度的不利影响较硅更为严重，锰对冲击韧度的影响与硅不同，锰的增加使珠光体量增加，而且锰固溶于铁素体中并强化铁素体，当硅保持不变而锰量增加时，冲击性能持续降低。此外锰还容易出现微区偏析，在大断面球墨铸铁件的生产过程中更是易出现“反白口”现象。当锰很低时（如0.1%），即使硅高达2.8%，采用含钡孕育剂低稀土球化剂处理的试样在-40℃下，冲击韧度仍达46J/cm²；而锰较高至0.6%，其他条件相同时，冲击值仅为29 J/cm²。由此可见，对低温高韧性球墨铸铁来说，应当尽可能将含锰量控制在较低的水平，含锰量应低于0.2%。

镍(Ni)：在铁液中和固态球墨铸铁均能无限固溶，可提高球墨铸铁的强度和冲击韧度。此外，镍还可以强化铁素体，每加入质量分数为0.5%的镍，可使铁素体基体的球墨铸铁屈服强度提高18MPa；当w(Si)= ２～3%时，镍降低脆性转变温度，即含镍球墨铸铁在低温具有更高的冲击韧度。

本发明还提供了一种利用所述低温高韧性耐蚀球墨铸铁材料制造所述风电装备制动器缸体的方法，包括以下步骤：

(1) 铸造模型：采用呋喃树脂砂造型法铸造风电装备制动器缸体铸型，并在砂内放置冷铁；

(2) 熔炼：将满足上述低温高韧性耐蚀球墨铸铁材料的金属炉料在电炉中进行熔炼，温度为1420～1550℃，熔炼后经球化、孕育处理得到低温高韧性耐蚀球墨铸铁合金液体；

(3) 浇注：将步骤2所述合金液体注入步骤1所述风电装备制动器缸体铸型中，进行压边浇注，浇注后冷却至常温，脱模，并清除树脂砂，得到风电装备制动器缸体铸件；

(4) 热处理：将步骤3中风电装备制动器缸体工件铸件加热至920～940℃，保温3～4小时后，再冷却至720～760℃，保温5～6小时后，继续冷却至650～550℃出炉，自然冷却，即得风电装备制动器缸体毛坯。

本发明还提供了一种风电装备制动器，所述风电装备制动器包括上述风电装备制动器缸体。

本发明积极有益效果：

(1) 本发明风电装备制动器缸体采用低温高韧性耐蚀球墨铸铁材质提高了其抗低温冲击性能和耐腐蚀性，提高并满足了在恶劣工况条件下的使用要求，从而提高了风电装备的使用寿命，有效节约了生产成本；产品性能达到抗拉强度σ_b≥360MPa，延伸率δ≥25%，-40℃时单个冲击功A_kv≥9J、平均冲击功A_kv≥12J，盐雾腐蚀条件下腐蚀速率＜0.06g/m²，达到国家标准中的QT350-22AL及欧洲标准中的EN-JGS-350-22U-LT力学性能要求；

(2) 本发明风电装备制动器缸体基体组织为全铁素体，表面质量达到25~50Ra，尺寸精度达到CT11级，内在质量达到超声波和磁粉探伤Ⅱ级要求，满足风电装备制动器缸体的质量要求；

(3) 本发明采用球墨铸铁铸造的方法制成风电装备制动器缸体毛坯，解决了加工量大，加工效率低下的问题，显著降低了产品成本，在原钢板焊接每班制造3件的情况下，实行铸造工艺以后现每班生产25件，且节约原材料，致总成本下降20~30%；

(4) 本发明采用球墨铸铁铸造的方法制成风电制动器缸体毛坯，这种工艺灵活、适合复杂结构的生产，可实现风电装备制动器缸体的形状美观优化，及其它功能性结构；

(5) 本发明基于风电装备制动器缸体壁厚相差较大、独立热节多等特点，研发合理的造型工艺，合理采用压边浇注和覆砂冷铁相结合的铸造工艺方法，使缸体各部分实现均衡凝固，有效解决了缸体安装处出现缩松缩孔、缸筒处致密度低等内在质量问题。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

本实施例采用的低温高韧性耐蚀球墨铸铁材料化学组成为：C 3.79%，Si 1.80%，Mn 0.19%，Ni 0.30%，P 0.025%，S 0.016%，Mg 0.038%，稀土0.028%，余量为Fe；

实施例2

本实施例采用的低温高韧性耐蚀球墨铸铁材料化学组成为：C 3.80%，Si 1.90%，Mn 0.20%，Ni 0.31%，P 0.022%，S 0.018%，Mg 0.036%，稀土 0.029%，余量为Fe；

实施例3

本实施例采用的低温高韧性耐蚀球墨铸铁材料化学组成为：C 3.82%，Si 1.95%，Mn 0.20%，Ni 0.28%，P 0.023%，S 0.016%，Mg 0.039%，稀土0.028%，余量为Fe；

实施例4

本实施例采用的低温高韧性耐蚀球墨铸铁材料化学组成为：C 3.80%，Si 2.10%，Mn 0.19%，Ni 0.30%，P 0.025%，S 0.019%，Mg 0.037%，稀土0.026%，余量为Fe；

利用上述实施例1~4低温高韧性耐蚀球墨铸铁材料加工风电装备制动器缸体的方法，包括以下步骤：

(4) 热处理：将步骤3中风电装备制动器缸体工件铸件加热至920～940℃，保温3～4小时后，再冷却至720～760℃，保温5～6小时后，继续冷却至650～550℃出炉，自然冷却，即得满足性能要求的全铁素体基体组织的风电装备制动器缸体毛坯。

对实施例1~4所得各1件风电装备制动器缸体试件进行性能测试，具体数据如下：

1. 对各试件依据GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行试验：

表1试件抗拉强度和伸长率指标

2. 对各试件依据GB/T 231-2002《金属布氏硬度试验》进行试验：

表2试样硬度试验结果

3. 对各试件依据GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行-40℃低温冲击试验：

表3 低温冲击试验结果

4. 将各试件在溶度为3.5%NaCl溶液中进行全浸腐蚀试验：

表4 各试件全浸腐蚀试验结果

5. 对各试件进行电化学腐蚀试验：

根据腐蚀电位采用极化曲线外推法测出各试样的腐蚀电流密度，并根据腐蚀速率与腐蚀电流密度的关系式计算腐蚀速率，结果见表5。

表5 各试件极化曲线分析结果

Claims

1.一种利用低温高韧性耐蚀球墨铸铁制造风电装备制动器缸体的方法，其特征在于：以重量百分含量表示，所述低温高韧性耐蚀球墨铸铁材料化学组成为C 3.6~3.9%，Si 1.8～2.1%，Mn＜0.2%，Ni 0.1~0.5%，P＜0.04%，S＜0.02%，Mg 0.03~0.05%，稀土＜0.03%，余量为Fe，各成分总合为100%；

所述制造方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述低温高韧性耐蚀球墨铸铁材料中Si 1.9~2.05%。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述低温高韧性耐蚀球墨铸铁材料的原料为废钢、生铁、增碳剂、球化剂和孕育剂。