CN103160727A

CN103160727A - 一种低温高韧性球墨铸铁轴承座及其制造方法

Info

Publication number: CN103160727A
Application number: CN2013101140404A
Authority: CN
Inventors: 刘宪民; 刘明亮; 焦守民; 郭宏涛; 周长猛
Original assignee: SHANDONG HUIFENG CASTING CO Ltd
Current assignee: SHANDONG HUIFENG CASTING CO Ltd
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2013-04-03
Publication date: 2013-06-19

Abstract

本发明公开了一种低温高韧性球墨铸铁轴承座及其制造方法，属于铸造技术领域。其化学成分及其重量百分比为：C：3.5-3.8%，Si：1.7-2.1%，Mn<0.2%，Mg：0.035-0.055%，Ni：1-1.5%，RE：0.01-0.02%，S<0.015%，P<0.035%，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明通过原材料选择与控制，材料成分设计；选用适合的球化剂及孕育剂，辅以相应的球化孕育工艺；最后辅以适当的热处理手段保证铁素体体积分数，从而获得低温综合性能优异的球墨铸铁轴承座，满足大功率、长寿命风力发电机组建设的需求。

Description

一种低温高韧性球墨铸铁轴承座及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种低温高韧性球墨铸铁轴承座及其制造方法，属于铸造技术领域。

背景技术

风能作为一种无污染排放的绿色能源，一直受到世界各国的重视。尤其，近年来随着环保要求提高及能源紧缺的迫切，各国正加快对风力发电研究的步伐，不断推出新的技术装备。我国十分重视风能的利用，大型风力发电机组的研制已列于我国“十一五”重大科技支撑计划。制约风能利用的关键是风力发电机组运行的可靠性和使用寿命，目前国内外普遍设计寿命为30年，正向50年努力。由于风电设备是野外、高空运行，维修不方便，必须保证其运行可靠性。这样其主要部件如球铁轴承箱在气候变化条件下（如一般温度在-40到40℃范围内变化）必需具有良好的性能。目前常用材料的低温脆性限制了其可靠性和使用寿命。为此，低温球铁的研制已成为国内外研究的重要方向之一。

大量实验研究表明，球墨铸铁尤其是铁素体球铁室温下有良好的韧性，但随着温度的降低，其韧性降低，当低于某温度时韧性急剧降低而出现脆性断裂，该温度被称为韧脆转变温度。为保证其使用安全性，必须使材料的韧脆转变温度远低于最低使用温度。

关于风机关键零部件球墨铸铁材料低温冲击性能，国外因技术保密的原因从未见诸报道。我国风机产业化获得快速发展始于2006年，一些铸造厂也是从那时才开始从事风机零部件球墨铸铁件生产，至今不超过2年，一般凭借经验生产，因为缺乏研发经历和技术沉淀过程，生产的风机关键零部件球墨铸铁件的低温冲击性能往往达不到要求，甚至出现过大批整机不能正常运行的事件，可见迄今为止，我国尚未进行风机关键零部件球墨铸铁材料低温冲击性能的研发报道，因此开展该项研究显得紧迫和重要。

发明内容

本发明在深入研究球墨铸铁低温脆性形成机理及影响因素的基础上，通过原材料选择与控制，材料成分设计、熔炼工艺、球化及孕育工艺的优化，研制低温下具有高冲击韧性的球墨铸铁轴承座及制备工艺；并根据典型铸件的结构特点，优化铸造工艺，从而获得低温综合性能优异的球墨铸铁轴承座，满足大功率、长寿命风力发电机组建设的需求。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：一种低温高韧性球墨铸铁轴承座，其特征是，其化学成分为（wt%）：C：3.5-3.8%，Si：1.7-2.1%，Mn：<0.2%，Mg：0.035-0.055%，Ni：1-1.5%，RE（稀土元素）：0.01-0.02%，S<0.015%，P<0.035%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明采用电炉熔炼，具体工艺步骤如下：

（1）熔炼处理过程：采用本溪Q10生铁和低锰碳素废钢（Q10生铁和低锰碳素废钢的质量比为68-72：30）进行电炉熔炼生产；采用增碳剂（加入量为低锰碳素废钢质量的4±0.2%）增碳，镍板（加入量为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的1-1.5%）调整铁液成分，使铁液的化学成分如表1所示；按上述化学成分要求熔炼铁液，将炉温升到1500-1540℃，静置1-3分钟后出炉；

表1原铁液及铸件的化学成分wt%

材料

C

Si

Mn

P

S

Ni

Mg

Re

原铁液

3.7-3.9

0.7-1.1

<0.2

<0.035

<0.020

1-1.5

--

铸件

3.5-3.8

1.7-2.1

<0.2

<0.035

<0.015

1-1.5

0.035-0.055

0.01-0.02

（2）球化处理：利用盖包球化法进行球化，球化剂总加入量为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的1.6±0.1%；经此球化后镁残量控制在0.035-0.055wt%。

球化剂：DY-5钇基重稀土球化剂，其用量为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的0.8±0.1%；稀土镁合金FeSiMg8Re3，其用量为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的0.8±0.1%；二者复合使用。

盖包球化法工艺稳定，保证球化效果，石墨体积减小，数量明显增多，分布均匀，并且更加圆整。同时还具有以下有点：①镁的吸收率高（大于50%）。②减少球化后铁液中的含硫量，减少铸件中偏析倾向和微量夹杂物的含量。③减少球化剂的用量，减少生产成本。要注意残余镁的含量，镁虽可以使墨圆整，球数增加，减缓球化衰退，但也会加大铸件收缩和脆性，因此w(Mg残）量应保证球化不产生衰退的前提下越低越好，根据笔者多年经验，w(Mg残）量控制在0.035-0.055%较为适宜。

（3）孕育处理：采用两次孕育处理：一次孕育在包底将孕育剂（采用粒度为3-8mm的含Ba与Ca孕育剂，其加入量为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的0.8%）覆盖在球化剂表面，上面用钢板遮盖；二次孕育采用低温（1350-1310℃）浇注过程中的随流孕育（采用粒度为0.2-0.7mm的含Ba和Bi的孕育剂，加入量为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的0.10-0.15%）。

孕育的实质是脱硫、脱氧，并形成异质晶核。采用两次孕育，第一次孕育采用3-8mm的含Ba与Ca孕育剂；浇铸过程中再用0.2-0.7mm的含Ba和Bi的孕育剂随流孕育，孕育量虽少，但效果极佳，既可改善断面中心部位的球化状况，又使得球径变小，球数增多，经过二次孕育，球墨数量能达到≥200个/mm²。随着石墨数量增加，低温冲击值也显著提高，当球墨数量≥250个/mm²时，退火态的-40℃低温冲击韧性值约为铸态的的3倍。

（4）石墨化退火：将试样升温至930-950℃，保温2-3小时；炉冷至730-750℃，保温2-3小时，然后炉冷至600℃出炉即可。

耐低温冲击球铁件必须保证全铁素体基体，即珠光体体积分数需稳定控制在小于5%，才能达到低温冲击韧性的要求，所以必须通过热处理的方式来解决。退火态球铁基体全部为铁素体，随着石墨数量增多，石墨粒径减小，碳在共析转变时向熔体扩散的行经缩短，铁素体晶粒细小，韧性得到提高；同时石墨数量增多，石墨周围铁素体的碳含量低，塑性增强，基体硬度下降。另外，较高的石墨球数量能够减弱碳化物的形成趋势，在一定程度上也能够提高铁素体球铁低温冲击韧性，这也就是我们一直强调要增加球墨数量的重要原因之一。

为了消除铸态组织中的少量或微量的渗碳体，必须进行高温、低温两个阶段石墨化退火。高温阶段全部奥氏体化、消除自由渗碳体，低温阶段由奥氏体转变为铁素体。

本发明的有益效果是：本发明通过原材料选择与控制，材料成分设计；选用适合的球化剂及孕育剂，辅以相应的球化孕育工艺；最后辅以适当的热处理手段保证铁素体体积分数。本发明所生产的低温高韧性球墨铸铁轴承座的性能指标是：抗拉强度380-450N/mm²，屈服强度260-280N/mm²，延伸率23-25%，硬度164-168HBW，-20±2℃冲击值(V型缺口）11-13J/cm²，完全合格。

附图说明

图1为本发明的退火工艺图；

图2为球化金相照片(100×)；

图3为基体组织金相照片(100×)。

具体实施方式

实施例1

本溪Q10生铁：碳含量4.3%，硅含量：0.9-1.1%，磷含量<0.04%，硫含量：<0.025%；

低锰碳素废钢：碳含量0.5-1.0%，硅含量：0.9-1.1%，磷含量<0.02%，硫含量<0.010%，Mn<0.3%。

（1）熔炼处理过程：采用本溪Q10生铁和低锰碳素废钢（Q10生铁和低锰碳素废钢的质量比为70：30）进行电炉熔炼生产；采用增碳剂（加入量为低锰碳素废钢质量的4.0%）增碳，镍板（加入量为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的1-1.5%）调整铁液成分，使铁液的化学成分如表1所示；按下述表中铁液化学成分要求熔炼铁液，达到要求后，将炉温升到1500-1540℃，静置2分钟后出炉；

表2原铁液及铸件的化学成分wt%

C	Si	Mn	P	S	Ni
						3.7-3.9	0.7-1.1	<0.2	<0.035	<0.020	1-1.5

（2）球化处理：利用盖包球化法进行球化，球化剂总加入量为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的1.6%；经此球化后镁残量控制在0.035-0.055wt%。

球化剂：DY-5钇基重稀土球化剂，其用量为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的0.8%；稀土镁合金FeSiMg8Re3，其用量为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的0.8%；二者复合使用。

（3）孕育处理：采用两次孕育处理：一次孕育在包底将孕育剂（采用粒度为3-8mm的复合孕育剂，其加入量为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的0.8%）覆盖在球化剂表面，上面用钢板遮盖；二次孕育采用低温（1350-1310℃）浇注过程中的随流孕育（采用粒度为0.2-0.7mm的复合孕育剂，加入量为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的0.10-0.15%）。复合孕育剂成分如表3所示：

表3复合孕育剂成分

Si	Ca	Al	Ba	Bi	Co	其他稀土	Zr	Mn	Fe
										75-78	0.6-0.8	0.5	1-2	0.6-1.0	10	3	5.5-6.5	5-7	余量

（4）石墨化退火：将试样升温至930-950℃，保温2-3小时，炉冷至730-750℃，保温2-3小时，然后炉冷至600℃出炉即可。高温阶段全部奥氏体化、消除自由渗碳体，低温阶段由奥氏体转变为铁素体。

按上述步骤重复进行3批，结果如下：

（1）化学分析结果如表4所示：

表4化学成分检测结果wt(%)

（2）金相检验结果如图2、图3所示：

球化级别为2级，球化个数250个/mm²，热处理后基体组织珠光体<5%。（3）机械性能结果如表5。

依据金属材料室温拉伸试验方法GB/T228-2002，进行机械性能试验，结果如表5所示。

表5机械性能试验结果

。

Claims

1.一种低温高韧性球墨铸铁轴承座，其特征是，其化学成分及其重量百分比为：C：3.5-3.8%，Si：1.7-2.1%，Mn<0.2%，Mg：0.035-0.055%，Ni：1-1.5%，RE：0.01-0.02%，S<0.015%，P<0.035%，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的一种低温高韧性球墨铸铁轴承座，其特征是，抗拉强度380-450N/mm²，屈服强度260-280N/mm²，延伸率为23-25%，硬度为164-168HBW，V型缺口-20±2℃冲击值为11-13J/cm²。

3.权利要求1或2所述的低温高韧性球墨铸铁轴承座的制造方法，其特征是，

（1）熔炼处理：将本溪Q10生铁和低锰碳素废钢加入电炉熔炼成铁液，采用增碳剂增碳，镍板调整铁液成分中镍含量，经调整后铁液的化学成分及其重量百分比为：C：3.7-3.9%，Si：0.7-1.1%，Mn<0.2%，S<0.020%，P<0.035%，Ni：1-1.5%；按上述化学成分要求熔炼铁液，将炉温升到1500-1540℃，静置1-3分钟后出炉；

（2）球化处理：利用盖包球化法进行球化，经此球化后镁残量控制在0.035-0.055wt%；

球化剂：DY-5钇基重稀土球化剂，其用量为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的0.8±0.1%；稀土镁合金FeSiMg8Re3，其用量为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的0.8±0.1%；二者复合使用；

（3）孕育处理：采用两次孕育处理：一次孕育在包底将孕育剂覆盖在球化剂表面，上面用钢板遮盖；二次孕育采用低温1310-1350℃浇注过程中的随流孕育；

所述一次孕育时采用粒度为3-8mm的含Ba与Ca孕育剂，其加入量为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的0.8%；二次孕育时采用粒度为0.2-0.7mm的含Ba和Bi的孕育剂，加入量为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的0.10-0.15%；

（4）石墨化退火：将试样升温至930-950℃，保温2-3小时；炉冷至730-750℃，保温2-3小时，然后炉冷至600℃出炉。

4.如权利要求3所述的低温高韧性球墨铸铁轴承座的制造方法，其特征是，步骤（1）中，所述Q10生铁和低锰碳素废钢的质量比为68-72：30；所述增碳剂加入量为低锰碳素废钢质量的4±0.2%；所述镍板加入量为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的1-1.5%。