CN103898396A - 兆瓦级风电高强高韧-30℃低温球墨铸铁件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铸铁技术领域，具体涉及一种兆瓦级风电高强高韧-30℃低温球墨铸铁件的制备方法。本发明的方法不用热处理、不添加合金元素镍、利用国内生铁、不采用特定稀土球化剂的条件下，通过合理的成分控制，添加一种微量元素Sb，在相对较低的球化、孕育处理成本下，得到附铸试块既满足-30℃冲击韧性，又满足GJS-400-18U-LT拉伸性能，且铸件本体套样性能达到附铸试块性能的80％的兆瓦级风电铸件。本发明填补了国内无-30℃GJS-400-18U-LT材质的低温韧性的空白。

Description

兆瓦级风电高强高韧-30℃低温球墨铸铁件的制备方法

技术领域

本发明属于铸铁技术领域，具体涉及一种兆瓦级风电高强高韧低温（-30℃）球墨铸铁件的制备方法。

背景技术

从2006至今兆瓦级风机已成为国内风电市场的主流机型，而风电铸件多为厚大部件，已由原来的几吨增加到十几吨甚至几十吨，制造难度加大。风力发电机一般安装在海边或沙漠等多风地带，这些地方多属于高寒地区，且要求风机平稳运行工作20年，因此对铸件的低温性能和内部组织具有很高的要求。普通球墨铸铁的低温冲击韧性较低，在寒冷的环境中易发生脆性断裂，不适合风电配件。

铁素体基体球铁的特性是随着温度的下降，球铁的抗拉、屈服强度会逐步上升，但冲击功却急剧下降。对于球墨铸铁件要求低温冲击韧性，国内、国外一般采用GB1348-2009和EN1563标准，材料为要求-20℃冲击韧性的GJS-400-18U-LT和要求-40℃冲击韧性的GJS-350-22U-LT。随着近几年风电行业的发展，要求-20℃冲击韧性的GJS-400-18U-LT材质铸件，要在更低温度的风场使用-即要求材料-30℃低温冲击韧性，因此迫切需要开发一种既满足-30℃冲击韧性，又满足GJS-400-18U-LT拉伸性能的材料。生产这样性能要求的低温大型球铁件存在很大的技术难度，国内尚无GJS-400-18U-LT的-30℃低温要求的球铁，而-30℃低温区占整个低温区一半以上，因此开发-30℃低温要求的球墨铸铁材料有一定的经济和实用价值。

现有技术中，为满足低温球铁冲击韧性和内部组织结构，国内一般采用热处理的方式。该方法的缺点是：风电铸件结构复杂、尺寸较大，热处理设备要求高，且热处理时易变形、能耗大、生产周期长、成本高。另外，加镍是最有效的提高冲击功的方式，而且还不降低抗拉强度。国内外均有厂家采用加Ni生产此类低温球铁件。但是，目前镍价昂贵，资源紧缺，加Ni使得总成本提高。

目前已有科研院所在实验室获得耐低温（-40℃）球墨铸铁，单铸试块抗拉强度不低于400MPa，伸长率不低于18%，-40℃下的标准V型缺口试样的冲击功不小于12J。但是，这些研究成果仅限于实验室产品。在实际生产应用时，铸件的重量都在1吨左右，壁厚在30mm左右，因此这些研究成果未能在重量超过5吨，壁厚超过60mm的铸件上获得成功。

中国发明专利CN200510022689.9，发明名称为“铸态无Ni低温球铁铸造大型高韧部件的方法”，该方法对3MW产品发现厚大断面存在碎块状石墨，不能满足力学要求。

中国发明专利CN201010250274.8，发明名称为“3MW风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法及铸造用添加剂、球化剂”，该方法是达到-40℃低温冲击韧性的GJS-400-18U-LT材料，需特定的球化剂，该球化剂中稀土的成分、含量要求很严格，成本较高，所以并不适合要开发的兆瓦级风电高强高韧低温（-30℃）球墨铸铁件的生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺操作简单、成本低廉的兆瓦级风电高强高韧低温（-30℃）球铸铁件制备方法。

本发明的技术方案是提供一种风电用低温（-30℃）球铁铸件GJS-400-18U-LT材质的制备方法，在不用热处理、不添加合金元素镍(Ni)、利用国内生铁、不采用特定稀土球化剂的条件下，通过合理的成分控制，添加一种微量元素Sb，在相对较低的球化、孕育处理成本下，得到附铸试块（按标准70mm*70mm*170mm）既满足-30℃冲击韧性（单个≥7J，三个平均≥10J），又满足GJS-400-18U-LT拉伸性能（抗拉强度≥370MPa，屈服强度≥240MPa，延伸率≥12%），且铸件本体套样性能能达到附铸试块性能的80％的兆瓦级风电铸件。

本发明通过控制成分和球化处理、二次孕育处理工艺制备满足低温（-30℃）要求的GJS-400-18U-LT材质。本发明适用于风电大型铸件，满足其-30℃的低温冲击性能要求。

本发明提供了一种兆瓦级风电高强高韧-30℃低温球墨铸铁件的制备方法，该方法以生铁为材料，球墨铸铁材料的元素组成：C:3.7~3.90wt%，Si:1.9~2.20wt%，Mn≤0.20wt%，P≤0.035wt%，S≤0.020wt%，Sb：0.001~0.0030wt%，Mg:0.03~0.050wt%，其余为Fe和制备过程中产生的杂质；

所述的球墨铸铁材料的制备方法包括以下步骤：

A）熔炼：控制出铁水温度为1420～1460℃；

B）球化处理：选择常规稀土镁合金球化剂，其中球化剂的成分配方是：Mg5-7wt%，Si40-50wt%，其余为铁；球化剂的加入量为1.0~1.5wt%；球化处理温度：1420～1460℃；

C）一次孕育：采用硅钙钡孕育剂，成分配方是：Si70-80wt%；Ca1.5-2.5wt%，Ba8-12wt%，其余为铁；孕育剂加入量为0.4-1.0wt%；在球化反应开始后加入；

D）二次孕育：采用含铋孕育剂，成分配方是：Si65-75wt%，Bi0.5-2.5%，其余为铁；孕育剂加入量为0.10-0.15wt%；在浇注时随流加入。

所述的球墨铸铁材料的制备方法还包括以下步骤：

E）造型：采用树脂砂工艺铸造，保证充足的吃砂量；

F）浇注：控制浇注温度在1310~1380℃，保证浇注速度平稳；

G）冷却：确保铸件在型内缓慢冷却，开箱温度控制在≤400℃，开箱后空冷。

本发明具有以下有益效果；

通过对本发明方法制备得到的产品测试，其本体抗拉强度在365～380MPa，延伸率在12～16％，-30℃冲击功平均值在10J以上，本体性能达到了EN1563标准要求的GJS-400-18U-LT附铸试块性能的80%以上的要求，且石墨球化率达到90％以上，铁素体含量达90％以上；而且不需要特定的含稀土成分的球化剂，成本低廉，在MW级风电大型铸件中运用成功，填补了国内无-30℃GJS-400-18U-LT材质的低温韧性的空白。

具体实施方式

下面结合本发明的实施例对本发明的实施作详细说明，以下实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：为新疆金风科技股份有限公司制作的球墨铸铁件—1.5MW定轴、轴套、轮毂、底座

以生铁为材料，球墨铸铁材料的元素组成：C:3.7-3.9wt%，Si:1.9-2.2wt%，Mn≤0.2wt%，P%≤0.035wt%，S%≤0.02wt%，Sb:0.0015-0.002wt%；Mg的残余含量0.03-0.045wt%，剩余的是铁和制备过程中产生的杂质。

上述配方的球墨铸铁材料，首先熔炼，控制出铁水温度为1420～1460℃。之后球化处理，球化剂的配方是Mg5-7wt%，Si40-50wt%，其余为铁，球化剂的加入量1.0~1.2wt%，球化处理温度为1420～1460℃。

球化反映开始后加入硅钙钡孕育剂，成分配方是：Si70-80wt%，Ca1.5-2.5wt%，Ba8-12%，其余为铁，加入量为0.4-0.8wt%；球化处理后，在1350℃至1380℃之间将所述铁液浇铸到铸型中，并在浇注过程中加入含铋孕育剂，成分配方是：Si65-75wt%，Bi0.5-2.5wt%，其余为铁；加入量为0.10-0.15wt%，在浇注时随铁水流加入。

浇注结束后在砂型中缓慢冷却到350-400℃从铸型中清出。所述冷却的速度最好是10-20℃/分钟。

生产表明，采用本实施例方法制备得到的1.5MW定轴、轴套、轮毂、底座产品，性能稳定达到EN1563中GJS-400-18U-LT的强度要求及-30℃低温冲击韧性要求。铸件辅助试块性能：抗拉强度370-380MPa，屈服强度240-260MPa，延伸率13-17%，-30℃低温冲击韧性，单个大于8J，平均大于11J，且本体套样性能，抗拉强度大于310MPa，屈服强度大于210，延伸率大于10%。

实施例2：为新疆金风科技股份有限公司制作的球墨铸铁件—2.5MW轮毂、底座

球墨铸铁材料的元素组成：C:3.7-3.9wt%，Si:1.9-2.1wt%，Mn≤0.2wt%，P%≤0.035wt%，S%≤0.02wt%，Sb:0.001-0.002wt%；球化剂的加入量为1.0-1.3%；球化反应开始后加入孕育剂，孕育剂的加入量为0.5-1.0wt%；其它同实施例1。

通过本实施例方法制备得到的2.5MW轮毂、底座产品，性能稳定达到EN1563中GJS-400-18U-LT的强度要求及-30℃低温冲击韧性要求，且本体套样性能大于辅助试块要求的80%，适用于-30℃低温风场风电高强高韧铸件的性能要求。铸件辅助试块性能：抗拉强度370-380MPa，屈服强度240-260MPa，延伸率13-17%，-30℃低温冲击韧性，单个大于8J，平均大于11J。本体套样性能，抗拉强度大于310MPa，屈服强度大于210，延伸率大于10%。

实施例3：本发明制备方法和现有技术的比较

表1：本发明制备方法和现有技术的比较

表1中，中国专利CN201010250274.8提供的方法因为采用的球化剂为价格昂贵的稀土（因对成分、含量有严格要求，价格昂贵）使生产成本大大增加；而本发明制备方法采用的球化剂不含稀土，加入的微量元素Sb对成本基本无影响，本发明的制备方法通过材料成分的控制要求以及工艺条件的控制，可以稳定达到EN1563中GJS-400-18U-LT的强度要求及-30℃低温冲击韧性要求。本发明的制备方法成本较低，铸件成本降低：80~100元/吨。

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 (2)

1.一种兆瓦级风电高强高韧-30℃低温球墨铸铁件的制备方法，该方法以生铁为材料，其特征在于，球墨铸铁材料的元素组成：C:3.7~3.90wt%，Si:1.9~2.20wt%，Mn≤0.20wt%，P≤0.035wt%，S≤0.020wt%，Sb：0.001~0.0030wt%，Mg:0.03~0.050wt%，其余为Fe和制备过程中产生的杂质；

所述的球墨铸铁材料的制备方法包括以下步骤：

A）熔炼：控制出铁水温度为1420～1460℃；

B）球化处理：选择常规稀土镁合金球化剂，其中球化剂的成分配方是：Mg5-7wt%，Si40-50wt%，其余为铁；球化剂的加入量为1.0~1.5wt%；球化处理温度：1420～1460℃；

C）一次孕育：采用硅钙钡孕育剂，成分配方是：Si70-80wt%；Ca1.5-2.5wt%，Ba8-12wt%，其余为铁；孕育剂加入量为0.4-1.0wt%；在球化反应开始后加入；

D）二次孕育：采用含铋孕育剂，成分配方是：Si65-75wt%，Bi0.5-2.5%，其余为铁；孕育剂加入量为0.10-0.15wt%；在浇注时随流加入。

2.根据权利要求1所述的一种兆瓦级风电高强高韧-30℃低温球墨铸铁件的制备方法，其特征在于，所述的球墨铸铁材料的制备方法还包括以下步骤：

E）造型：采用树脂砂工艺铸造；

F）浇注：控制浇注温度在1310~1380℃；

G）冷却：确保铸件在型内缓慢冷却，开箱温度控制在≤400℃，开箱后空冷。