CN104480374A - 低温球铁件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低温球铁件及其制备方法，其中，球铁件的化学成分为：C：3.6～3.8wt％，Si：2.1～2.5wt％，Mn：0.1～0.2wt％，P≤0.02wt％，S≤0.02wt％，V：0.01～0.1wt％，Mg：0.035～0.05wt％，其余部分为铁以及制备过程中产生的杂质。本发明实施例的低温球铁件及其制备方法，通过对铁水进行预处理及钒合金化处理后使得低温球铁件在抗拉强度大于400Mpa、屈服强度大于260Mpa时，冲击功在温度为-20℃大于10J，实现了风机铸件的轻量化设计。

Description

低温球铁件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铸件以及铸件的制备方法，尤其涉及一种低温球铁件及其制备方法。
背景技术
随着风电机组的大型化，机组用的主要零部件如轮毂、底座等也将更大、更重。这些变化为生产制造、运输、装配等都带来了巨大的困难。因此零部件的轻量化设计是必然趋势。为了实现轻量化，需要选用更高强度的球铁才能满足上述设计的需要，但是，目前风电领域所用铸件的强度均无法达到减重的目标。经过理论分析可知，只有当抗拉强度大于400Mpa、屈服强度大于260Mpa，同时冲击功在-20℃时大于10J，才能实现铸件的轻量化设计。
目前兆瓦风电球铁件均采用球墨铸铁标准EN1563-2011中规定的EN-GJS-400-18AL或EN-GJS-350-22RT，这两种材料在低温下有很好的综合性能，能够满足风电机组的运行。为适应提高材料的低温使用安全性，又开发出了满足-30度和-40度的EN-GJS-400-18AL材料，但这几种材料的强度均无法满足机组轻量化设计需要。目前风电用铸件均采用EN-1563标准中GJS-400-18-AL或GJS-350-22U-LT，附铸尺寸为70×70×170mm时，材质为EN-GJS-400-18U-LT，则抗拉强度要求大于360Mpa，屈服强度要求大于220Mpa，冲击值-20℃单个≥7J，三个平均≥10J；材质为EN-GJS-350-22U-LT，则抗拉强度要求320Mpa，冲击值-40℃单个≥7J，三个平均≥10J。现在对风电用球铁材料的研究集中在解决如何在保持现有强度的基础上，使冲击功在温度-30℃、-40℃和以下温度能满足大于10J。但是，从研究结果来看，提高强度的同时保证低温冲击功非常困难，这是一对矛盾体，提高强度，必然会影响低温冲击功。由此可见，EN-1563标准中GJS-400-18-AL或GJS-350-22U-LT仍然无法满足机组轻量化设计需要，无法实现在保证强度要求的基础上实现风机铸件的轻量化设计。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种低温球铁件及其制备方法，实现风机铸件的轻量化设计。
一种低温球铁件，其化学成分为：C：3.6～3.8wt％，Si：2.1～2.5wt％，Mn：0.1～0.2wt％，P≤0.02wt％，S≤0.02wt％，V：0.01～0.1wt％，Mg：0.035～0.05wt％，其余部分为铁以及制备过程中产生的杂质。
一种上述低温球铁件的制备方法，包括：
熔炼工序：将生铁原材料熔炼为铁水；
增碳及加入钒合金工序：向所述铁水中加入增碳剂和钒合金，所述钒合金中V的重量比大于90％，其余为碳，V的加入量相对于要制备的低温球铁件的重量比为0.01-0.1wt％，增碳剂中碳的重量比大于90wt％，硫的重量比小于0.05wt％；
球化及孕育处理工序：向所述铁水中加入球化剂和孕育剂，所述球化剂的加入量相对于所述低温球铁件的重量比为1.0～1.2wt％，其中，所述球化剂的成分以及各成分在球化剂中的重量比为：Mg：6～7wt％，Re：2～3wt％，Si：40～50wt％，其余为铁；所述孕育剂的加入量相对于所述低温球铁件的重量比为0.4～0.6wt％，所述孕育剂的成分以及各成分在所述孕育剂中的重量比为：Si：70～80wt％，其余为铁；
浇注工序：将所述铁水浇入铸型，冷却后获得球铁件。
本发明实施例的低温球铁件及其制备方法，通过在增碳的过程中同时加入上述特定量的钒合金，从而抑制了石墨球的增长，提高了石墨球圆整度，使得基体强化，最终提高了球铁件的强度，满足了风机铸件的轻量化设计的强度要求。
附图说明
图1为本发明实施例的低温球铁件的制备方法的流程图。
具体实施方式
本发明实施例的低温球铁件，其成分中含有一定量的V，来改善其微观结构特性，获得超高强度的低温型球铁，使之能够满足机组轻量化设计需要，实现风机铸件的轻量化设计。在其制备方法中，通过对球化剂和孕育剂成分的调整，并在制备过程中加入特定配比的钒合金，从而来获得满足上述条件的低温球铁件。在本发明实施例中，主要以重量百分比(wt％)的形式来表示各化学成分的含量。
实施例一
本发明实施例的低温球铁件，其化学成分为：C：3.6～3.8wt％，Si：2.1～2.5wt％，Mn：0.1～0.2wt％，P≤0.02wt％，S≤0.02wt％，V：0.01～0.1wt％，Mg：0.035～0.05wt％，其余部分为铁以及制备过程中产生的杂质。
本发明实施例的低温球铁件，通过在其化学成分中加入了0.01～0.1wt％的V，钒合金的加入促进了晶粒细化和基体固溶强化，使球铁件能够在抗拉强度大于400Mpa、屈服强度大于260Mpa时，冲击功在温度为-20℃大于10J，满足了低温下的韧性要求，实现了风机铸件的轻量化设计。
实施例二
下面介绍一下上述低温球铁件的制备方法，如图1所示，制备方法包括如下工序：
熔炼工序101：将生铁原材料熔炼为铁水。具体地，可以将国产生铁(Q10)、回炉料、废钢作为原材料，可以采用中频炉进行熔化处理，将原材料熔炼成铁水。
增碳及加入钒合金工序102：向所述铁水加入增碳剂和钒合金，钒合金中V的重量比大于90wt％，其余为碳，V的加入量相对于所述要制备的低温球铁件的重量比为0.01-0.1wt％，增碳剂中碳的重量比大于90wt％，硫的重量比小于0.05wt％，加入如此配比的增碳剂以及钒合金有助于提高材料强度。
在本实施例中，加入了含V的微量元素，V在基体中以化合物的形式固溶于铁素体基体中可以起到固溶强化的作用，进一步地，V是反石墨化元素，可以抑制石墨球的增长，提高石墨球圆整度，使得基体强化，起到细化晶粒的作用，可以提高材料的强度。
另外，本发明实施例所加入的上述特定比例和成分的钒合金，其具有极好的吸收率，可以使珠光体含量小于1％，并且该合金的加入不会使材料的低温冲击功降低。
此外，在实际作业中，为了减少杂质的量，优选地，需要对熔炼后的铁水进行溶清，对去除炉渣的铁水表面进行增碳处理并加入钒合金，同时加强搅拌，增加碳和合金的吸收。铁水温度优选地控制在1400℃～1450℃。
球化及孕育处理工序103：向所述铁水中加入球化剂和孕育剂，所述球化剂的加入量相对于要制备的低温球铁件的重量比为1.0～1.2wt％，其中，所述球化剂的成分以及各成分在球化剂中的重量比为：Mg：6～7wt％，Re：2～3wt％，Si：40～50wt％，其余为铁；所述孕育剂的加入量相对于要制备的低温球铁件的重量比为0.4～0.6wt％，孕育剂的成分以及各成分在所述孕育剂中的重量比可以为：Si：70～80wt％，其余为铁。这样组分的孕育剂有利于促进石墨化，减少白口倾向，细化晶粒，减少偏析，均匀组织，提高力学强度，调整硬度，改善机械性能，改善基体，改善石墨的形态分布，减少铸件内应力和壁厚敏感度。
在该工序中，一般采用将铁水倒入球化包内的方式进行球化处理，在实施例中，可以将球化剂和孕育剂均放置在球化包内，具体地，用铸铁屑覆盖球化剂，并在铸铁屑上放置所述孕育剂，铸铁屑的覆盖厚度优选为6-10mm，该厚度能够将球化时间控制在相对合理的范围内，有助于使铁水进行充分的球化。该工序的温度优选地控制在1420～1460℃。
浇注工序104：将所述铁水浇入铸型，冷却后获得球铁件。在该工序中，可以待经过球化处理的铁水的温度降至1330～1360℃后，再浇入铸型，必要时，需要进行扒渣处理后再浇入铸型。此外，铁水经过前期的球化、扒渣处理后，有孕育衰退迹象，为防止铁水在型腔中衰退严重，在将所述铁水浇入铸型的过程中，可以再次加入用于进行随流孕育的孕育剂，该孕育剂的加入量相对于所述铁水的重量比为0.1-0.2wt％。随流孕育剂一般采用细小的颗粒形态的孕育剂。随流孕育工艺是在铁水浇入型腔的同时加入孕育剂，是对前期孕育衰退的补充，同时随流孕育也会直接影响石墨数量和大小，通过进行随流孕育能够将石墨颗粒进一步细化，增加石墨数量。
在浇注完成后，可以使铸件在铸型中缓慢冷却到400℃以下(缓慢冷却的速度最好是10～20℃/min)，再从铸型中取出铸件，最终形成成形的球铁件。
通过上述工序制备出的球铁件，屈服强度能够达到260Mpa以上，同时使球铁件能满足-20℃冲击韧性的要求，满足了机组轻量化设计需要，实现了风机铸件的轻量化设计。
实施例三
以上所述为本实施例的低温球铁件及其制备方法，下面将举出具体实验例及实际实验数据来进一步说明本发明。
如表1所示，其为按照本实验例的方案制造出低温球铁件的性能测试结果，在制备工艺中，可以选用国产原料生铁(Q10)作为制备原料，其中，该生铁(Q10)的主要成分为：C＞3.7wt％，Si＜0.5wt％，Mn＜0.2wt％P＜0.02wt％％，S＜0.02wt％，Mn＜0.15wt％。在制备的过程中，选用的球化剂的成分为：Mg 6～7wt％，Re 2～3wt％，Si 40～50wt％，其余为铁；孕育剂的成分：Si 70wt％，其余为铁。
进一步地，采用10T的电炉进行熔炼，熔炼温度为1430℃，在此温度下炉内经增碳和0.07％钒合金处理后，将铁水倒入1T的球化包内再进行球化和孕育处理，球化剂和孕育剂的加入量分别为1.0wt％和0.4wt％。浇注过程采用了二次孕育的方式，最终得到成分为：C 3.7％，Si 2.4％，Mn 0.12％，Mg的残余含量0.045％的球铁件。由表1所示的数据结果可以得出，表中附铸的三次实验结果中抗拉强度Rm均大于400Mpa、屈服强度Rp0.2均大于260Mpa，同时冲击功Ak在-20℃大于10J，可以实现铸件的轻量化设计。即钒合金化处理可以提高材料强度，并且对低温冲击功的影响较小。
表1为按照本实验例的方案制造出低温球铁件的性能测试结果
本发明实施例的低温球铁件及其制备方法，通过添加球化剂、孕育剂以及钒合金并采用二次孕育方法来制备球铁件，在铸态下得到了超高强度的低温型球铁，该低温球铁件在抗拉强度大于400Mpa、屈服强度大于260Mpa时，冲击功在温度为-20℃大于10J，实现了风机铸件的轻量化设计。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种低温球铁件，其特征在于，其化学成分为：C：3.6～3.8wt％，Si：2.1～2.5wt％，Mn：0.1～0.2wt％，P≤0.02wt％，S≤0.02wt％，V：0.01～0.1wt％，Mg：0.035～0.05wt％，其余部分为铁以及制备过程中产生的杂质。
2.一种权利要求1所述的低温球铁件的制备方法，其特征在于，包括：
熔炼工序：将生铁原材料熔炼为铁水；
增碳及加入钒合金工序：向所述铁水中加入增碳剂和钒合金，所述钒合金中V的重量比大于90wt％，其余为碳，V的加入量相对于要制备的低温球铁件的重量比为0.01-0.1wt％，增碳剂中碳的重量比大于90wt％，硫的重量比小于0.05wt％；
球化及孕育处理工序：向所述铁水中加入球化剂和孕育剂，所述球化剂的加入量相对于所述低温球铁件的重量比为1.0～1.2wt％，其中，所述球化剂的成分以及各成分在球化剂中的重量比为：Mg：6～7wt％，Re：2～3wt％，Si：40～50wt％，其余为铁；所述孕育剂的加入量相对于所述低温球铁件的的重量比为0.4～0.6wt％，所述孕育剂的成分以及各成分在所述孕育剂中的重量比为：Si：70～80wt％，其余为铁；
浇注工序：将所述铁水浇入铸型，冷却后获得球铁件。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述增碳及加入钒合金工序中，将所述铁水的温度控制在1400℃～1450℃。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述球化及孕育处理工序中，向所述铁水中加入球化剂和孕育剂包括：
将所述铁水倒入球化包，在所述球化包中加入所述球化剂，并用铸铁屑覆盖所述球化剂，在所述铸铁屑上放置所述孕育剂，所述铸铁屑的覆盖厚度为6-10mm。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述球化及孕育处理工序中，将所述铁水的温度控制在1420℃～1460℃。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述浇注工序中，在将所述铁水浇入铸型的过程中，再次加入用于进行随流孕育的孕育剂，该孕育剂的加入量相对于所述铁水的重量比为0.1-0.2wt％。
7.根据权利要求2或6所述的方法，其特征在于，在所述浇注工序中，待所述铁水的温度降至1330℃～1360℃后，再将所述铁水浇入铸型，在所述铸型中缓慢冷却到400℃以下后，再从所述铸型中取出最终成形的球铁件。
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