CN106893930B

CN106893930B - 一种超厚大低温球墨铸铁及其制备方法

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Publication number: CN106893930B
Application number: CN201710196473.7A
Authority: CN
Inventors: 王美喜; 王星; 史学涌; 陈玉芳; 闫兴义
Original assignee: Jiangsu Jixin Wind Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Jixin Wind Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2018-12-07
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: CN106893930A

Abstract

本发明公开了一种超厚大(壁厚≥200mm)低温球墨铸铁，其组成为：CE:4.2～4.4wt％，Si:1.9～2.1wt％，Mn:≤0.15wt％，P:≤0.025wt％，S:0.006～0.012wt％，Mg:0.030～0.045wt％，Sb:0.003～0.005wt％，V:0.02‑0.03wt％，其余为Fe和制备过程中带入的杂质。本发明还公开了所述超厚大低温球墨铸铁的制备方法。所述超厚大低温球墨铸铁心部组织良好，无碎块状石墨等异形石墨出现，在满足抗拉强度、屈服强度和延伸率时并满足‑20℃冲击要求，满足风电铸件大功率发展对材料的要求。

Description

一种超厚大低温球墨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明属于铸铁材料技术领域，特别涉及一种超厚大低温球墨铸铁及其制备方法。

背景技术

2006年后，我国风电装机呈现爆发式增长，2015年，中国风电装机量再创新高。全国(除台湾地区外)新增安装风电机组16740台，新增装机容量30753MW，同比增长32.6％；累计安装风电机组92981台，累计装机容量145362MW，同比增长26.8％。2015年，我国新增风电装机中，2MW风电机组装机市场份额首次超过1.5MW机组，占全国新增装机容量的50％，1.5MW机组和2MW机组仍占市场主导地位，市场份额达到84％。与2014年相比，1.5MW机组市场份额下降了12个百分点，而2MW机组所占市场份额上升了9个百分点。2.1MW至2.5MW机组市场份额达到12％，其中主要是以2.5MW为主。2.6MW至3MW机组市场份额达到2％，其他机组装机占比在1％以下。截至2015年底，在所有吊装的海上风电机组中，单机容量为4MW机组最多，累计装机容量达到352MW，占海上装机容量的34.69％，其次是2.5MW机组，装机容量占18.48％，3MW装机容量占比为17.74％，其余不同功率风电机组装机容量占比均不到10％。我国目前单机容量最大的是6MW机组，除了原有联合动力和明阳风电的产品，金风科技在2015年新增吊装一台6MW机组。

可以看出无论是陆上还是海装，随着风机机型的发展，使得其球墨铸铁零部件的重量和壁厚也在不断的增加。从以前的主要机型1MW到2.5MW之间逐步过渡到3MW到6MW；球墨铸铁关键零部件重量从5t～25t、主要壁厚从60mm～200mm之间增加到25t和200mm以上(7MW产品的壁厚已达到500mm，单件重量达到90多吨)。

厚大断面球墨铸铁铸件(一般指壁厚不小于100mm)由于冷却速度缓慢，往往在厚壁中心或热节处出现变态石墨，石墨球数减少，组织粗大，易出现晶间碳化物和石墨漂浮等现象，导致力学性能下降。而且随着壁厚的进一步增加，力学性能则进一步恶化，与此相应，疲劳强度也要下降，严重影响到铸件的安全使用。

风电设备上使用的球墨铸铁工作条件恶劣，对材料的性能要求比普通球墨铸铁的要高，在寒冷条件下使用时，必须同时满足低温冲击性能、静态抗拉强度和伸长率最小值要求。近几年随着风电行业的发展，我国对风电球墨铸铁的研究越来越重视，但对适用于风电用的超厚大(壁厚＞200mm)低温球墨铸铁研究较少，而现有球墨铸铁国外标准EN1563∶2011和国内标准GB/T 1348—2009中关于壁厚＞200mm部分还是空白并没有相关规定。因此针对大型风电配件的生产需要以及现有的发展趋势，超厚大球墨铸铁材料的研发具有实际意义和具有良好市场前景。

发明内容

因此，针对现有技术中满足国内外标准的超厚大低温球墨铸铁短缺的技术问题，本发明的目的在于提供一种超厚大(壁厚≥200mm)低温球墨铸铁及其制备方法。

本发明的超厚大低温球墨铸铁的组成为：碳当量:4.2～4.4wt％，Si:1.9～2.1wt％，Mn:≤0.15wt％，P:≤0.025wt％，S:0.006～0.012wt％，Mg:0.030～0.045wt％，Sb:0.003～0.005wt％，V:0.02-0.03wt％，其余为Fe和制备过程中带入的杂质。其中wt％表示质量百分数，下同。

为满足大型风电铸件的性能需求，对超厚大低温球墨铸铁的化学成分配比进行综合考虑。

其中，碳当量(CE)对球墨铸铁的流动性影响很大，提高碳当量可以提高球墨铸铁的流动性，在碳当量为4.6％～4.8wt％时，流动性最好，有利于浇注成形、补缩，但另一方面由于壁厚超厚大，凝固时间比较长，更需要警惕石墨畸变、石墨漂浮等问题的出现，而碳当量越高越会加剧这种情况，故对厚壁件碳当量不能太高；对缩孔、缩松的影响则是碳当量在4.2wt％左右时，缩孔体积最大。碳当量在4.8wt％时缩松倾向最小，大于或小于此数值，缩松倾向均增加。为此将碳当量控制在4.2～4.8wt％之间时，则可以缩孔小、缩松少，可以获得健全铸件。综述以上几方面考虑将碳当量控制在4.2％～4.4wt％。

在低温铁素体球墨铸铁中，Si是固溶强化铁素体，加Si可以提高抗拉强度与屈服强度；但Si又提高球墨铸铁的脆性转变温度，每提高0.1％Si，脆性转变温度升高5.5～6.0℃，故过高会影响伸长率和冲击。综合考虑Si控制在1.9％～2.1wt％。

Mn可以显著增加球墨铸铁中珠光体含量，且容易在共晶团边界上产生偏析，导致力学性能恶化，故Mn量要低，控制在≤0.15％。

P随金属炉料进入球墨铸铁，它不影响球化，但P是有害元素，它溶解在铁液中，很容易偏析产生磷共晶，随着铸件壁厚的增加，其偏析越严重。由于磷共晶熔点低，最终会分布在共晶团边界处，会急剧恶化铸铁力学性能。另外磷使脆性转变温度升高，每增加磷0.01％，则球墨铸铁的脆性转变温度升高4.0～4.5℃，故P应越低越好。P含量控制在≤0.025％。

S在球墨铸铁中既有害又不可缺少，因此要尽可能控制在一个合理范围内，为保证良好的球化率及较多的石墨球数，将S控制在0.006％～0.012％。

Mg是生产球墨铸铁所必须的元素，其含量直接影响石墨形态，由于厚大件凝固时间长，镁损耗较多，导致球化衰退，容易出现畸变石墨，从而影响到石墨形态，为得到较为圆整的石墨球，Mg含量控制在0.030％～0.045％。

在厚大断面球墨铸铁中加入微量元素锑(Sb)可以防止石墨畸变，增加石墨球数，明显提高力学性能。但是锑增加晶间析出物，当锑超过0.01％时，在共晶团边界析出富锑相，致使抗拉强度和断后伸长率下降，并且随着锑量的增加，冲击韧度会显著降低。故必须严格控制加入量，将锑控制在0.003％～0.005％。

V在铸铁中的存在状态主要有三种：①固溶于α-Fe中；②析出相；③块状化合物。研究表明，V含量大于0.1％时就可以出现明显的块状化合物。随V含量的增加，块状物的大小及形状均改变。由骨头棒形、三角形、四方形逐渐成Y形、不规则的多边形和花样形，数量增多，尺寸也随之增大。冷却速度主要影响块状物的尺寸，随冷却速度减小块状物尺寸增大，数量增多。所以，对于V的加入量必须<0.1％，将V控制在0.02％～0.03％。

通过对上述化学成分的控制，使得该超厚大低温球墨铸铁(铸件)可满足：

(1)附铸试块金相组织：基体为铁素体，铁素体≥90％，渗碳体+磷共晶≤1％，球化率2级以上、石墨球大小5-8级；

(2)力学性能：满足DIN EN 1563标准中EN-GJS-400-18-LT要求：抗拉强度Rm≥360MPa，屈服强度Rp0.2≥220MPa，伸长率A≥12％；

(3)冲击功：满足DIN EN 1563标准中低温-20℃(Akv)要求：三个试样单个值≥7J，平均值≥10J；

(4)铸件本体套样金相：基体为铁素体，铁素体≥90％，球化率3级以上。

所述的超厚大低温球墨铸铁的制备方法中，材料包括：

熔炼材料，包括生铁50～70wt％、回炉料20～30wt％和废钢10～20wt％；

球化剂，包括稀土硅铁镁合金球化剂和钇球化剂，稀土镁合金球化剂的成分配方是：Mg:4～6wt％，Re:0.2～0.3wt％，Si:40～45wt％，其余为铁；钇球化剂的成分配方是：Mg:4～6wt％，Re:0.4～0.6wt％，Si:40～45wt％，Y:0.5％～0.7％，其余为铁；

预处理剂，成分配方是：Si:60～67wt％，Ba:7～14wt％，Ca:0.4～2.0wt％，Al:0.5～1.7wt％，其余为铁；

特制包内孕育剂，成分配方是：Si:46～50wt％，Ca:0.4～0.6wt％，Ba:1.8～2.2wt％，Al：0.4～1.0wt％，其余为铁；

硅钙钡孕育剂，成分配方是：Si:70～75wt％，Ca:1～2wt％，Ba:2～3wt％，其余为铁；

含铋随流孕育剂，成分配方是：Si:68-75wt％，Ca:≤2.0wt％，Al:≤1.5wt％，Bi:0.5-2.5wt％，企业为铁；

所述的超厚大低温球墨铸铁的制备包括步骤：

A)熔炼

将熔炼材料熔化，控制铁水出炉温度为1420～1460℃；

B)球化处理

将重量比为7:3的稀土镁合金球化剂和钇球化剂预埋入浇包之内并适度紧实，采用冲入法进行球化处理，在出铁量三分之二时开始球化反应；稀土镁合金球化剂和钇球化剂的加入总量为步骤A所得铁水总量的0.9～1.1wt％；球化处理温度为1420～1460℃。

C)孕育

孕育包括包内孕育、预处理、一次孕育和随流孕育，包内孕育为冲入铁水前在步骤B预埋的稀土镁合金球化剂和钇球化剂上面覆盖特制包内孕育剂，特制包内孕育剂的加入量为步骤A所得铁水总量的0.2％～0.3wt％；预处理为在装球化剂凹坑的对面加入步骤A所得铁水总量0.2％～0.3wt％的预处理剂；一次孕育为在球化反应开始时(即出铁量三分之二时)加入步骤A所得铁水总量的0.2％～0.3wt％的硅钙钡孕育剂；随流孕育为在后续浇注时随流加入步骤A所得铁水总量0.15～0.20wt％的含铋随流孕育剂；

D)微量合金元素的加入

随流孕育时，将微量合金元素Sb和V与硅钙钡孕育剂混合均匀后在浇注时随流加入铁水；其中Sb的加入量为步骤A所得铁水总量的0.003～0.005wt％；V的加入量为步骤A所得铁水总量的0.02～0.03wt％；

E)浇注，将经过球化和一次孕育后的铁水浇注到铸型中，冷却后得到铸件。

较佳的，所述的生铁为高纯生铁，其中C:≥4.0wt％，Mn:≤0.10wt％，P:≤0.025wt％，S:≤0.015wt％，反球化有害合金元素总和≤0.08wt％。

较佳的，所述的废钢为薄片类碳素废钢，其中C:≤0.15wt％，Mn:≤0.40wt％，P:≤0.03wt％，S:≤0.03wt％。

较佳的，步骤E浇注时，控制浇注温度在1330～1350℃，控制铁水进铁速度≤0.5m/s，保证浇注速度平稳；冷却时，确保铸件在铸型内缓慢冷却，开箱温度控制在≤300℃，开箱后空冷，得到超厚大低温球墨铸铁。

较佳的，步骤E冷却时，还可以采取放置冷铁、砂箱加强散热。

较佳的，步骤E中的铸型在造型时，可采用呋喃树脂砂工艺铸造，并保证充足的吃砂量和型砂强度；吃砂量一般控制在200～300mm，兼顾最小吃砂量的同时，保证良好的散热条件；型砂的抗拉强度一般控制在2.4MPa以上，以便于充分利用石墨的自膨胀，减少缩松缺陷。

另外，所述制备方法可采用MAGMA、Any casting模拟软件进行铸造工艺设计，提高工艺设计的效率、缩短试制周期、节约资源降低试制成本。并根据大断面的特性，设计合理的铸件开箱温度和保温时间，防止因开箱过早造成铸件开裂等报废，以及影响铸件加工尺寸精度。

本发明的有益效果：

本发明的超厚大低温球墨铸铁，心部组织良好，无碎块状石墨等异形石墨出现。金相组织：基体为铁素体组织，铁素体≥90％，渗碳体+磷共晶≤1％，球化率2级以上、石墨球大小5-8级；在力学性能方面可满足DIN EN 1563标准中EN-GJS-400-18-LT要求：抗拉强度Rm≥360MPa，屈服强度Rp0.2≥220MPa，伸长率A≥12％。冲击功方面：满足DIN EN 1563标准中低温-20℃(Akv)要求：三个试样单个值≥7J，平均值≥10J。铸件本体套样金相：基体为铁素体，铁素体≥90％，球化率3级以上。

综上可满足风电铸件大功率发展对材料的要求。

由于铸态状态下可以满足风电件性能要求，节省了热处理费用，缩短了生产周期，通过本发明的超厚大低温球墨铸铁的制备方法，可批量生产风电大功率设备关键零部件。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

实施例1～3

(1)制备材料

熔炼材料，包括生铁60wt％、回炉料25wt％和废钢15wt％。生铁选择高纯生铁，其中C:≥4.0wt％，Mn:≤0.10wt％，P:≤0.025wt％，S:≤0.015wt％，反球化有害合金元素总和≤0.08wt％。废钢选择薄片类碳素废钢，其中C:≤0.15wt％，Mn:≤0.40wt％，P:≤0.03wt％，S:≤0.03wt％。

球化剂，包括新型的稀土硅铁镁合金球化剂和钇球化剂，稀土镁合金球化剂的成分配方是：Mg:4～6wt％，Re:0.2～0.3wt％，Si:40～45wt％，其余为铁；钇球化剂的成分配方是：Mg:4～6wt％，Re:0.4～0.6wt％，Si:40～45wt％，Y:0.5％～0.7％，其余为铁。

预处理剂，成分配方是：Si:60～67wt％，Ba:7～14wt％，Ca:0.4～2.0wt％，Al:0.5～1.7wt％，其余为铁。

(2)制备步骤

A)熔炼

将生铁、回炉料和废钢一起熔化，控制铁水出炉温度为1420～1460℃；

B)球化处理

将重量比为7:3的稀土镁合金球化剂和钇球化剂预埋入浇包之内并适度紧实，采用冲入法进行球化处理，在出铁量三分之二时开始球化反应；稀土镁合金球化剂和钇球化剂的加入总量为步骤A所得铁水总量的1.0wt％；球化处理温度为1420～1460℃。

C)孕育

孕育包括包内孕育、预处理、一次孕育和随流孕育，包内孕育为冲入铁水前在步骤B预埋的稀土镁合金球化剂和钇球化剂上面覆盖特制包内孕育剂，特制包内孕育剂的加入量为步骤A所得铁水总量的0.3wt％；预处理为在装球化剂凹坑的对面加入步骤A所得铁水总量0.3wt％的预处理剂；一次孕育为在球化反应开始时(即出铁量三分之二时)加入步骤A所得铁水总量的0.3wt％的硅钙钡孕育剂；随流孕育为在后续浇注时随流加入步骤A所得铁水总量0.20wt％的含铋随流孕育剂；

D)微量合金元素的加入

随流孕育时，将微量合金元素Sb和V与硅钙钡孕育剂混合均匀后在浇注时随流加入铁水；其中Sb的加入量为步骤A所得铁水总量的0.004wt％；V的加入量为步骤A所得铁水总量的0.03wt％；

E)浇注

将经过球化和一次孕育后的铁水浇注到铸型中，控制浇注温度在1330～1350℃，控制铁水进铁速度≤0.5m/s，保证浇注速度平稳；浇注完成后冷却时放置冷铁、砂箱加强散热，确保铸件在型内缓慢冷却，开箱温度控制在≤300℃，开箱后空冷，得到超厚大低温球墨铸铁。

实施例1～3的步骤E中用的铸型分别为用于铸造Φ800×800mm圆柱形铸件、7MW风电机组的轮毂、7MW风电机组的主机架的铸型，上述铸型采用呋喃树脂砂工艺铸造，并保证充足的吃砂量和型砂强度；吃砂量控制在200～300mm，兼顾最小吃砂量的同时，保证良好的散热条件；型砂的抗拉强度控制在2.4MPa以上，以便于充分利用石墨的自膨胀，减少缩松缺陷。

实施例1～3制备得到的铸件的元素分析结果如表1所示。

表1实施1～3铸件的化学成分

注：表1中均为质量百分数，余量的Fe和制备过程中带入的杂质未录入。

实施例1～3制备得到的铸件本体套样金相：基体为铁素体，铁素体≥90％，球化率3级以上。力学性能检测结果包括附铸试块(290×290×290mm)和本体套样的抗拉强度(Rm)屈服强度(Rp0.2)、伸长率A以及低温-20℃冲击功(Akv)如表2所示。

表2实施1～3铸件的力学性能

由表2可知，本发明的超厚大低温球墨铸铁在力学性能方面可满足DIN EN 1563标准中EN-GJS-400-18U-LT要求：抗拉强度Rm≥360MPa，屈服强度Rp0.2≥220MPa，伸长率A≥12％。冲击功方面：满足DIN EN 1563标准中低温-20℃(Akv)要求：三个试样单个值≥7J，平均值≥10J。可满足风电铸件大功率发展对材料的要求。而且制备过程由于铸态状态下可以满足风电件性能要求，节省了热处理费用，缩短了生产周期，通过本发明的超厚大低温球墨铸铁的制备方法，可批量生产风电大功率设备关键零部件。

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

1.一种超厚大低温球墨铸铁的制备方法，所述的超厚大低温球墨铸铁的组成为：碳当量:4.2～4.4wt％，Si:1.9～2.1wt％，Mn:≤0.15wt％，P:≤0.025wt％，S:0.006～0.012wt％，Mg:0.030～0.045wt％，Sb:0.003～0.005wt％，V:0.02-0.03wt％，其余为Fe和制备过程中带入的杂质，其特征在于，所述的超厚大低温球墨铸铁的制备方法的材料包括：

含铋随流孕育剂，成分配方是：Si:68-75wt％，Ca:≤2.0wt％，Al:≤1.5wt％，Bi:0.5-2.5wt％，其余为铁；

所述的超厚大低温球墨铸铁的制备包括步骤：

A)熔炼

将熔炼材料熔化，控制铁水出炉温度为1420～1460℃；

B)球化处理

将重量比为7:3的稀土镁合金球化剂和钇球化剂预埋入浇包之内并适度紧实，采用冲入法进行球化处理，在出铁量三分之二时开始球化反应；稀土镁合金球化剂和钇球化剂的加入总量为步骤A所得铁水总量的0.9～1.1wt％；球化处理温度为1420～1460℃；

C)孕育

孕育包括包内孕育、预处理、一次孕育和随流孕育，包内孕育为冲入铁水前在步骤B预埋的稀土镁合金球化剂和钇球化剂上面覆盖特制包内孕育剂，特制包内孕育剂的加入量为步骤A所得铁水总量的0.2％～0.3wt％；预处理为在装球化剂凹坑的对面加入步骤A所得铁水总量0.2％～0.3wt％的预处理剂；一次孕育为在球化反应开始时加入步骤A所得铁水总量的0.2％～0.3wt％的硅钙钡孕育剂；随流孕育为在后续浇注时随流加入步骤A所得铁水总量0.15～0.20wt％的含铋随流孕育剂；

D)微量合金元素的加入

随流孕育时，将微量合金元素Sb和V与含铋随流孕育剂混合均匀后在浇注时随流加入铁水；其中Sb的加入量为步骤A所得铁水总量的0.003～0.005wt％；V的加入量为步骤A所得铁水总量的0.02～0.03wt％；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的生铁为高纯生铁，其中C:≥4.0wt％，Mn:≤0.10wt％，P:≤0.025wt％，S:≤0.015wt％，反球化有害合金元素总和≤0.08wt％。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的废钢为薄片类碳素废钢，其中C:≤0.15wt％，Mn:≤0.40wt％，P:≤0.03wt％，S:≤0.03wt％。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤E浇注时，控制浇注温度在1330～1350℃，控制铁水进铁速度≤0.5m/s，保证浇注速度平稳；冷却时，确保铸件在铸型内缓慢冷却，开箱温度控制在≤300℃，开箱后空冷，得到超厚大低温球墨铸铁。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤E中的铸型在造型时，采用呋喃树脂砂工艺铸造，并保证充足的吃砂量和型砂强度；吃砂量控制在200～300mm，兼顾最小吃砂量的同时，保证良好的散热条件；型砂的抗拉强度控制在2.4MPa以上，以便于充分利用石墨的自膨胀，减少缩松缺陷。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤E冷却时，采取放置冷铁、砂箱加强散热。