CN107058861B - 一种球墨铸铁材料、包含其的组合物和风电铸件及风电铸件的制备方法 - Google Patents

一种球墨铸铁材料、包含其的组合物和风电铸件及风电铸件的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种球墨铸铁材料，以重量百分含量计，其包括：3.70～3.90％的C，1.90～2.10％的Si，≤0.15％的Mn，≤0.030％的P，≤0.015％的S，0.0030～0.0040％的Sb，0.030～0.045％的Mg以及余量的Fe和制备过程中产生的杂质。所述球墨铸铁材料配合稀土镁合金球化剂和孕育剂的球化和孕育处理，制得的球铸铁件可同时符合QT400‑18AL(EN‑GJS‑400‑18‑LT)拉伸性能要求和QT350‑22AL(EN‑GJS‑350‑22‑LT)低温冲击性能要求，适用于5MW大功率风电铸件。本发明还公开了含有所述球墨铸铁材料的球墨铸铁组合物，以及以所述球墨铸铁组合物为原料制备风电铸件的方法。

Description

一种球墨铸铁材料、包含其的组合物和风电铸件及风电铸件 的制备方法
技术领域
本发明属于铸铁材料技术领域，特别涉及一种球墨铸铁材料、包含其的组合物和风电铸件及风电铸件的制备方法。
背景技术
风电机组服役环境温度范围较广，在-40～40℃范围内，为避免风电机组中的球墨铸铁铸件在低温时易产生脆性断裂，与普通球墨铸铁件相比，球墨铸铁风电铸件的生产有着更高的要求，在原材料选择、化学成分控制、球化处理及孕育处理工艺等方面也具有其独特性与复杂性。按照国家标准GB/T 1348(2009)或欧洲标准EN 1563(2012)，铸件壁厚＞60～200mm时，QT400-18AL(EN-GJS-400-18-LT)材料拉伸性能要求抗拉强度≥360MPa，屈服强度≥220MPa，延伸率≥12％，低温冲击性能要求-20℃低温冲击韧度单个≥7J，三个平均≥10J。
随着风电场的逐步开发，环境恶劣但风能资源丰富的地区(比如超低温-40℃的地区)也要开发为风场，这就要求开发超低温型球墨铸铁零部件，以满足QT400-18AL(EN-GJS-400-18-LT)材料拉伸性能要求的同时还符合QT350-22AL(EN-GJS-350-22-LT)材料的低温冲击性能要求(铸件壁厚＞60～200mm时，-40℃低温冲击韧度单个≥7J，三个平均≥10J)。但是，众所周知，球墨铸铁的抗拉强度与低温冲击韧性是一种相互制约的关系，抗拉强度提高的同时，势必会降低其低温冲击韧性，尤其是-40℃。因此对于球墨铸铁来说，要求抗拉强度≥360MPa，同时要求-40℃低温冲击韧性，是对材质的一种挑战。而且随着风电市场的发展，大功率(3MW及以上)风电铸件的应用已成为一种主流趋势。风机功率的增加，势必带来风电铸件外形尺寸、铸件总量和铸件壁厚的增加。对于球墨铸铁而言，壁厚的增加将导致冷却速度变慢、凝固时间延长，由此带来因球化衰退与孕育衰退而发生石墨畸变，形成各种非球状石墨，同时由于凝固时溶质元素的再分配还会出现严重的元素偏析，造成球铁性能的低下，在技术上提出了极大的挑战。比如通过传统的热处理方法制备大型风电铸件时，因铸件变形、热处理由于设备等问题，工艺不可执行。而加镍(Ni)方法制备时，工艺虽然可行，但是考虑到其价格，生产成本太高。因此急需提出新的技术方案来生产可同时符合QT400-18AL(EN-GJS-400-18-LT)材料的拉伸性能要求和QT350-22AL(EN-GJS-350-22-LT)材料的低温抗冲击性能要求的大功率风电铸件。
发明内容
因此，针对现有技术中大功率风电铸件不能同时符合QT400-18AL(EN-GJS-400-18-LT)材料的拉伸性能要求和QT350-22AL(EN-GJS-350-22-LT)材料的低温冲击性能要求，本发明的第一目的在于提供一种球墨铸铁材料，所述球墨铸铁材料可用于制备抗拉强度≥370MPa，屈服强度≥220MPa，延伸率≥12％同时满足QT350-22AL(EN-GJS-350-22-LT)材料的低温冲击性能要求的大功率风电铸件。
本发明的球墨铸铁材料，以重量百分含量计，其包括：3.70～3.90％的C，1.90～2.10％的Si，≤0.15％的Mn，≤0.030％的P，≤0.015％的S，0.0030～0.0040％的Sb，0.030～0.045％的Mg以及余量的Fe和制备过程中产生的杂质。
较佳的，所述球墨铸铁材料包括：3.75～3.80％的C，1.95～2.0％的Si，≤0.12％的Mn，≤0.025％的P，0.008～0.015％的S，0.0035～0.0040％的Sb，0.032～0.040％的Mg以及余量的Fe和制备过程中产生的杂质。
所述球墨铸铁材料可以国内高纯生铁为基础，通过直读光谱仪来控制各元素配比并添加微量元素Sb，熔融并通过球化处理和孕育处理可制备得到抗拉强度≥370MPa，屈服强度≥220MPa，延伸率≥12％的同时满足QT350-22AL(EN-GJS-350-22-LT)材料的低温冲击性能要求的大功率风电铸件。
本发明的第二目的在于提供一种球墨铸铁组合物，其包括所述的球墨铸铁材料、稀土镁合金球化剂、碳化硅预处理剂和孕育剂。
较佳的，以重量百分含量计，所述稀土镁合金球化剂包括5～7％的Mg、40～50％的Si、0.4％～0.6％的Re(稀土元素)以及余量的Fe，所述稀土镁合金球化剂和所述球墨铸铁材料的重量比为0.9～1.1：100。
较佳的，所述碳化硅预处理剂的主要成分SiC≥98.50％，粒度为3-1mm，所述碳化硅预处理剂和所述球墨铸铁材料的重量比为0.2～0.4：100。
较佳的，所述孕育剂包括一次孕育剂和二次孕育剂；以重量百分含量计，
所述一次孕育剂包括70～80％的Si、1.5～2.5％的Ca、2～3％的Ba以及余量的Fe，所述一次孕育剂和所述球墨铸铁材料的重量比为0.2～0.4：100；
所述二次孕育剂包括65～75％的Si、0.5～2.5％的Bi以及余量的Fe，所述二次孕育剂和所述球墨铸铁材料的重量比为0.15～0.20：100。
以所述球墨铸铁组合物为原料，通过球化处理及孕育处理等工艺制备的大功率风电铸件可同时符合抗拉强度≥370MPa，屈服强度≥220MPa，延伸率≥12％的力学性能要求和QT350-22AL(EN-GJS-350-22-LT)材料的低温冲击性能要求。
本发明的第三目的在于提供一种风电铸件的制备方法，其包括以下步骤：
A)熔炼：将权利要求1或2所述的球墨铸铁材料进行熔炼，控制出铁水温度为1420～1460℃；
B)球化处理和预处理：向球化包内加入铁水重量0.9～1.1％的稀土镁合金球化剂，然后加入铁水重量0.2～0.4％的碳化硅预处理剂，冲入铁水；以重量百分含量计，所述稀土镁合金球化剂包括：5～7％的Mg，40～50％的Si，0.4％～0.6％的Re以及余量的Fe；所述碳化硅预处理剂主要成分SiC≥98.50％，粒度3-1mm；
C)一次孕育：冲入铁水2/3时随流加入一次孕育剂；
D)二次孕育和浇铸：将球化和一次孕育后的铁水浇注到铸型中，浇注时随流加入二次孕育剂；
E)冷却：浇注完成后缓慢冷却。
较佳的，以重量百分含量计，所述一次孕育剂包括70～80％的Si、1.5～2.5％的Ca、2～3％的Ba以及余量的Fe，所述一次孕育剂加入量为铁水重量的0.2～0.4％；所述二次孕育剂包括65～75％的Si、0.5～2.5％的Bi以及余量的Fe，所述二次孕育剂加入量为铁水重量的0.15～0.20％。
较佳的，球化处理温度为1420～1460℃，浇注温度为1340～1360℃。
较佳的，步骤E中，冷却速度为10～20℃/分钟，温度降至300℃及以下后，开箱空冷。
本发明的有益效果：
本发明中，所述球墨铸铁材料以国内高纯生铁为基础、控制各元素配比并添加微量元素Sb，配合所述稀土镁合金球化剂和所述孕育剂的球化和孕育处理，制得的球铸铁件为“双合格材质”，可同时符合标准QT400-18AL(EN-GJS-400-18-LT)的拉伸性能要求(抗拉强度≥360MPa，屈服强度≥220MPa，延伸率≥12％)和QT350-22AL(EN-GJS-350-22-LT)的低温冲击性能要求(-40℃低温冲击韧度单个≥7J，三个平均≥10J)，适用于大功率风电铸件。
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 5.0MW轮毂的制备
制备原料
球墨铸铁材料的元素组成：C：3.78wt％，Si：1.98wt％，Mn：0.09wt％，P：0.020wt％，S：0.010wt％，Sb：0.0040wt％，Mg：0.035wt％，剩余的是铁和制备过程中产生的杂质(wt％指重量百分比，下同)。
稀土镁球化剂配方：Mg：6.0wt％，Si：45wt％，Re：0.5wt％，其余为铁。
预处理剂配方：SiC≥98.50％，粒度3-1mm。
一次孕育剂配方：Si：75wt％，Ca：1.8wt％，Ba：2.5wt％，其余为铁。
二次孕育剂配方：Si：70wt％，Bi：1.5wt％，其余为铁。
制备步骤
A)以高纯生铁为原料进行熔炼，通过直读光谱仪来控制不足元素的添加，以达到上述球墨铸铁材料的元素组成，控制出铁水温度为1420～1460℃；
B)球化处理和预处理：向球化包内加入铁水重量0.9～1.1％的稀土镁合金球化剂，然后加入铁水重量0.2～0.4％的预处理剂，冲入铁水，控制球化处理温度为1420～1460℃；
C)一次孕育：冲入铁水2/3时随流加入铁水重量0.2～0.4％的一次孕育剂；
D)二次孕育和浇铸：将球化和一次孕育后的铁水浇注到5.0MW轮毂铸型中，浇注时随流加入铁水重量0.15～0.20％的二次孕育剂；控制浇注温度为1340～1360℃；
E)冷却：浇注完成后缓慢冷却，冷却速度为10～20℃/分钟，温度降至300℃及以下后，从铸型中清出，空冷得到5.0MW轮毂产品。
实施例2 5.0MW底座的制备
制备原料
球墨铸铁材料的元素组成：C：3.80wt％，Si：2.0wt％，Mn：0.10wt％，P：0.021wt％，S：0.010wt％，Sb：0.0040wt％，Mg：0.033wt％。
稀土镁球化剂配方：Mg：6.0wt％，Si：45wt％，Re：0.5wt％，其余为铁。
预处理剂配方：SiC≥98.50％，粒度3-1mm。
一次孕育剂配方：Si：75wt％，Ca：1.8wt％，Ba：2.5wt％，其余为铁。
二次孕育剂配方：Si：70wt％，Bi：1.5wt％，其余为铁。
制备步骤同实施例1，铸型改为5.0MW底座铸型。
实施例3 5.0MW轴承座的制备
制备原料
球墨铸铁材料的元素组成：C：3.75wt％，Si：2.0wt％，Mn：0.08wt％，P：0.023wt％，S：0.0090wt％，Sb：0.0040wt％，Mg：0.032wt％。
稀土镁球化剂配方：Mg：6.0wt％，Si：45wt％，Re：0.5wt％，其余为铁。
预处理剂配方：SiC≥98.50％，粒度3-1mm。
一次孕育剂配方：Si：75wt％，Ca：1.8wt％，Ba：2.5wt％，其余为铁。
二次孕育剂配方：Si：70wt％，Bi：1.5wt％，其余为铁。
制备步骤同实施例1，铸型改为5.0MW轴承座铸型。
实施例1～3的铸件壁厚为150～200mm，采用GB/T 1348(2009)对实施例1～3的铸件附铸试块进行检测，检测结果如表1所示。
表1铸件附铸试块性能测试
由表1可知，实施例1～3的铸件附铸试块性能：抗拉强度374～378MPa，屈服强度245～250MPa，延伸率22.1～23.1％，-40℃低温冲击韧性，单个大于11J，平均大于12J。可同时符合标准QT400-18AL(EN-GJS-400-18-LT)的拉伸性能要求(抗拉强度≥360MPa，屈服强度≥220MPa，延伸率≥12％)和QT350-22AL(EN-GJS-350-22-LT)的低温冲击性能要求(-40℃低温冲击韧度单个≥7J，三个平均≥10J)。
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 (9)

1.一种球墨铸铁组合物，其特征在于，其包括球墨铸铁材料、稀土镁合金球化剂、碳化硅预处理剂和孕育剂；以重量百分含量计，所述球墨铸铁材料包括：3.70～3.90％的C，1.90～2.10％的Si，≤0.15％的Mn，≤0.030％的P，≤0.015％的S，0.0040％的Sb，0.030～0.045％的Mg以及余量的Fe和制备过程中产生的杂质；所述稀土镁合金球化剂包括5～7％的Mg、40～50％的Si、0.4％～0.6％的Re以及余量的Fe，所述稀土镁合金球化剂和所述球墨铸铁材料的重量比为0.9～1.1：100；所述碳化硅预处理剂和所述球墨铸铁材料的重量比为0.2～0.4：100。
2.如权利要求1所述的球墨铸铁组合物，其特征在于，所述球墨铸铁材料包括：3.75～3.80％的C，1.95～2.0％的Si，≤0.12％的Mn，≤0.025％的P，0.008～0.015％的S，0.0040％的Sb，0.032～0.040％的Mg以及余量的Fe和制备过程中产生的杂质。
3.如权利要求1所述的球墨铸铁组合物，其特征在于，以重量百分含量计，所述碳化硅预处理剂的主要成分SiC≥98.50％，粒度为3-1mm。
4.如权利要求1所述的球墨铸铁组合物，其特征在于，所述孕育剂包括一次孕育剂和二次孕育剂；以重量百分含量计，
所述一次孕育剂包括70～80％的Si、1.5～2.5％的Ca、2～3％的Ba以及余量的Fe，所述一次孕育剂和所述球墨铸铁材料的重量比为0.2～0.4：100；
所述二次孕育剂包括65～75％的Si、0.5～2.5％的Bi以及余量的Fe，所述二次孕育剂和所述球墨铸铁材料的重量比为0.15～0.20：100。
5.一种由权利要求1～4任一项所述的球墨铸铁组合物制备的风电铸件。
6.一种风电铸件的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
A)熔炼：将权利要求1所述的球墨铸铁材料进行熔炼，控制出铁水温度为1420～1460℃；
B)球化处理和预处理：向球化包内加入铁水重量0.9～1.1％的稀土镁合金球化剂，然后加入铁水重量0.2～0.4％的碳化硅预处理剂，冲入铁水；以重量百分含量计，所述稀土镁合金球化剂包括：5～7％的Mg，40～50％的Si，0.4％～0.6％的Re以及余量的Fe；所述碳化硅预处理剂主要成分SiC≥98.50％，粒度3-1mm；
C)一次孕育：冲入铁水2/3时随流加入一次孕育剂；
D)二次孕育和浇铸：将球化和一次孕育后的铁水浇注到铸型中，浇注时随流加入二次孕育剂；
E)冷却：浇注完成后缓慢冷却。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，以重量百分含量计，所述一次孕育剂包括70～80％的Si、1.5～2.5％的Ca、2～3％的Ba以及余量的Fe，所述一次孕育剂加入量为铁水重量的0.2～0.4％；所述二次孕育剂包括65～75％的Si、0.5～2.5％的Bi以及余量的Fe，所述二次孕育剂加入量为铁水重量的0.15～0.20％。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，球化处理温度为1420～1460℃，浇注温度为1340～1360℃。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤E中，冷却速度为10～20℃/分钟，温度降至300℃及以下后，开箱空冷。
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