CN108277425A

CN108277425A - 一种高硅固溶球墨铸铁及其制备方法

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Publication number: CN108277425A
Application number: CN201810200681.4A
Authority: CN
Inventors: 陈玉芳; 王美喜; 史学涌; 余帆; 刘杰
Original assignee: Jiangsu Jixin Wind Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Jixin Wind Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2018-03-12
Filing date: 2018-03-12
Publication date: 2018-07-13

Abstract

本发明公开了一种高硅固溶球墨铸铁，其元素组成为：C：3.4～3.6wt％；Si：3.6～4.0wt％；Mn≤0.25wt％；P≤0.035wt％；S：0.006～0.012wt％；Mg：0.03～0.07wt％；Re≤0.35wt％；Sb：0.001～0.01wt％；其余为Fe及制备过程中带入的杂质；力学性能方面，所述高硅固溶球墨铸铁的70×70×150mm附铸试块的抗拉强度Rm≥530MPa，屈服强度Rp0.2≥400MPa，伸长率A≥12.5％，‑20℃无缺口冲击功三个单个值≥5J，平均值≥7J。本发明还公开了制备该高硅固溶球墨铸铁的方法。本发明的高硅固溶球墨铸铁中，除对常规五大元素碳、硅、锰、磷、硫含量进行了优化，特别是调整Si量，也对微量元素加以限制；保证铸件具有较高的抗拉强度同时又能具有较高屈服强度和延伸率并满足‑20℃冲击要求。

Description

一种高硅固溶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，特别涉及一种高硅固溶球墨铸铁及其制备方法。

背景技术

风电设备用球墨铸铁工作条件恶劣，对材料性能要求比普通球墨铸铁的要高。随着风电行业的快速发展，世界上对风电球墨铸铁的研究越来越重视，尤其西方发达国家对风电用球墨铸铁新材料有一定的研究，制定了相关行业标准，但我国还没有系统的相关标准。这在一定程度上制约了我国球墨铸铁新材料的应用，因此对球墨铸铁新材料的研究具有一定的实际意义。

当前，风电主机朝着超大功率化发展，风机功率的增加，势必导致风电铸件外形尺寸、铸件重量和铸件壁厚的增加，甚至有些铸件的壁厚已达到500mm(7MW风电主机)以上。对于球墨铸铁，壁厚增加将使得铸件冷却速度变慢、凝固时间延长，导致球化衰退，发生石墨畸变，从而导致铸件性能下降。另外，风力主机多安装在风力资源丰富的海边、山口或草原上，工作温度常低至-20℃甚至-40℃及以下，且工作时风速变化大，风机受到的冲击力大，工作环境极其恶劣，因此要求这些部件具有优良的综合性能，至少要满足20年的以上不更换的使用期。基于此，超大型风电铸件用球铁新材料的开发，成为风电产业持续发展的关键技术。

目前，国家标准《GB/T1348-2009球墨铸铁件》中，以附铸试块检测性能的球墨铸铁600牌号，仅有QT600-3A；欧美标准《DIN EN 1563-2012铸造球墨铸铁》中，以附铸试块检测性能的有EN-GJS-600-3和EN-GJS-600-10。QT600-3A为铁素体-珠光体球墨铸铁，具有高强度的同时其延伸率非常低，且过高的珠光体含量导致加工性能差；EN-GJS-600-10为固溶强化铁素体球墨铸铁，是一种新型球墨铸铁材料，铸件壁厚超过60mm时，标准中无明确规定。具体性能指标见表1。

表1

已知技术文献中，申请号CN201410374923，公开号CN104120332的国内专利“高强度高韧性球墨铸铁600-10及其生产工艺”中，Si量范围为2.5～2.7％，且未涉及到铸件壁厚大于60(mm)及铸态下铸件性能情况。申请号CN201310731458，公开号CN103710612的国内专利“一种铸态铁素体基球墨铸铁QT600-10的生产方法”，文中铸件性能为单铸试块性能，未提及铸件壁厚超过60mm以及附铸试块的性能。申请号CN201310245169，公开号CN103290300的国内专利“厚大断面铁素体球墨铸铁的铸造方法”，文中用于厚大断面材料的Si控制在1.9～2.3％，抗拉强度在400MPa以下，用于低强度厚大铸件。

发明内容

因此，为了适应超厚大端面风电铸件(壁厚>60mm)的生产需求，使获得的铸件有高的抗拉强度的同时又有较高的屈服强度和伸长率，且满足低温(-20℃)使用要求，本发明的目的在于提供一种高硅固溶球墨铸铁，该高硅固溶球墨铸铁可满足新材料EN-GJS-600-10的强度要求，同时满足低温(-20℃)使用要求。

本发明的高硅固溶球墨铸铁的元素组成为：C：3.4～3.6wt％；Si：3.6～4.0wt％；Mn≤0.25wt％；P≤0.035wt％；S：0.006～0.012wt％；Mg：0.03～0.07wt％；Re≤0.35wt％；Sb：0.001～0.01wt％；其余为Fe及制备过程中带入的杂质；其中wt％表示质量百分数，下同。力学性能方面，所述高硅固溶球墨铸铁的70×70×150mm附铸试块的抗拉强度Rm≥530MPa，屈服强度Rp0.2≥400MPa，伸长率A≥12.5％，-20℃无缺口冲击功三个单个值≥5J，平均值≥7J。

优选的，Sb含量为0.002～0.005wt％。

本发明的目的还在于提供一种制备所述的高硅固溶球墨铸铁的方法，其特征在于，

(a)材料包括：

炉料：生铁30～50wt％、回炉料30～50wt％、废钢10～20wt％。优选的，生铁选用球墨铸铁用生铁，生铁中Si≤1.0wt％、Mn≤0.20wt％、P≤0.035wt％、S≤0.035wt％、有害合金元素≤0.025wt％。优选的，废钢选用薄片类碳素废钢，废钢中C≤0.20wt％、Si≤0.5wt％、Mn≤0.5wt％、P≤0.035wt％、S≤0.035wt％、Cr≤0.10wt％。优选的，回炉料为铁素体球墨铸铁回炉料。

球化剂：选用稀土硅镁球化剂，主要化学成分包括4.5～6.5wt％Mg、0.10～0.35wt％RE、40～50wt％Si以及余量的铁；按浇注铁水重量百分比计，球化剂用量为0.9～1.3wt％。

孕育剂：包括覆盖剂、一次孕育剂和随流孕育剂，覆盖剂和一次孕育剂选用低硅钙钡孕育剂，主要成分包括40～55wt％Si、1.3～2.5wt％Ba、0.3～0.7wt％Ca以及余量的铁；随流孕育剂选用硫氧孕育剂，主要成分包括65～80wt％Si、0.5～1.5wt％Ca以及余量的铁；按浇注铁水重量百分比计，覆盖剂用量为0.4～0.8wt％，一次孕育剂用量为0.2～0.6wt％；随流孕育剂用量为0.10～0.20wt％。

合金Sb：按浇注铁水重量百分比计，合金Sb使用量为0.001～0.01wt％，优选0.002～0.005wt％。

(b)制备过程如下：

将炉料置于电炉中熔炼，调整炉料控制铁水元素组成；预先在浇包底部放置球化剂、覆盖剂及合金Sb；将电炉中铁水倒入浇包，同时加入一次孕育剂，铁水发生球化和一次孕育反应；随后，将浇包中铁水浇入铸型，浇注过程中加入随流孕育剂；浇注结束后，在砂型中缓慢冷却至400℃以下，从铸型中清出铸件。

较佳的，制备过程中，电炉中铁水倒入浇包时温度为1400～1450℃。

较佳的，制备过程中，浇包中铁水浇入铸型时温度为1340～1370℃。

本发明为满足较高强度、更高功率的风力发电机的铸件的性能需求，对高硅固溶球墨铸铁的化学成分配比以及制备工艺进行综合考虑。关键点在于：

(1)化学成分控制：本发明对常规五大元素碳、硅、锰、磷、硫含量进行优化，特别是调整Si量，Si是固容强化元素，过高会影响伸长率和冲击，过低则不能满足强度要求，综合考虑Si控制在3.6％～4.0wt％。同时限制微量元素，制定出了适用于风电球墨铸铁件新材料的成分规范。另外在熔炼过程中加入适当合金Sb，合金Sb能抑制碎块状石墨产生，改善心部球化状况，增加石墨球颗数，从而提高铸件铸态性能。

(2)制备工艺：合适的球化剂、孕育剂成分，优化球化、孕育工艺，既能满足风电铸件球墨铸铁材料EN-GJS-600-10的技术要求，又能保证铸件生产及性能的稳定性。制定适用于风电铸件新材料的球化剂、孕育剂的成分及处理工艺，得到的铸件金相组织良好，无碎块状、钉状等异形石墨出现，综合力学性能良好。本发明还根据新材料的特性，设计合理的铸件开箱温度和保温时间，防止因应力过大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：

本发明的高硅固溶球墨铸铁制备过程中，一方面，除对常规五大元素碳、硅、锰、磷、硫含量进行了优化，特别是调整Si量，也对微量元素加以限制；另一方面选择合适的球化剂和孕育剂成分、优化球化处理工艺和孕育工艺等，不仅使得制备的铸件能满足EN-GJS-600-10球墨铸铁风电铸件新材料的性能要求，也能避免产生缩孔、缩松等缺陷，保证铸件生产的稳定性、产品性能的一致性。

通过本发明制定的球化剂、孕育剂的成分及处理工艺，采用固溶强化原理生产出的铸件金相组织良好，无碎块状石墨及钉状石墨等其他的异形石墨出现，石墨球圆整，石墨球数多，综合力学性能良好。该铸件硬度分布均匀，有较好的切削加工性能，延长了刀具寿命，降低机械加工成本。而且在具有较高的抗拉强度同时又能具有较高屈服强度和延伸率并满足-20℃冲击要求，满足风电铸件大功率发展对材料的要求，得益于其力学性能的提高可以相应减小壁厚，从而减轻铸件重量，节约生产成本。

另外，由于此材质的铁水Si含量高，可以适当放宽化学成分中稳定珠光体元素和碳化物形成元素的含量，从而可提高废钢用量，降低生产成本。

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

实施例1～3以风电铸件3.2MW底座为实例浇注，所用材料以及制备过程如下。

(a)材料

炉料：生铁30～50wt％、回炉料30～50wt％、废钢10～20wt％；其中，其中，生铁选用球墨铸铁用生铁(Si≤1.0wt％、Mn≤0.20wt％、P≤0.035wt％、S≤0.035wt％、有害合金元素≤0.025wt％)，废钢选用薄片类碳素废钢(C≤0.20wt％、Si≤0.5wt％、Mn≤0.5wt％、P≤0.035wt％、S≤0.035wt％、Cr≤0.10wt％)，回炉料指铁素体球墨铸铁回炉料。

(b)制备过程

将炉料置于电炉中熔炼，调整炉料控制铁水元素组成；预先在浇包底部放置球化剂、覆盖剂及合金Sb；温度控制为1400～1450℃时，将电炉中铁水倒入浇包，同时加入一次孕育剂，铁水发生球化和一次孕育反应；随后，当浇包铁水温度达到1340～1370℃时，浇入铸型，浇注过程中加入随流孕育剂；浇注结束后，在砂型中缓慢冷却至400℃以下，从铸型中清出铸件。

实施例1～3风电铸件3.2MW底座的壁厚为70～200mm，检测其附铸试块(70×70×150mm)力学性能与化学成分。关键元素百分含量如表2所示，其附铸试块的力学性能的检测结果如表3所示。

表2实施例1～3的关键元素百分含量

	C	Si	Mn	P	S	Mg	Sb
								实例1	3.4	4.0	0.17	0.032	0.006	0.037	0.0031
实例2	3.5	3.8	0.20	0.022	0.007	0.038	0.0048
								实例3	3.6	3.6	0.18	0.030	0.007	0.041	0.0026

表3实施例1～3附铸试块力学性能

对比例1～2

参照实施例1～3的制备过程浇注某风电铸件3.2MW底座，关键元素百分含量如表4所示，其附铸试块的力学性能的检测结果如表5所示。

表4对比例1～2的关键元素百分含量

	C	Si	Mn	P	S	Mg	Sb
								对比例1	3.2	4.2	0.13	0.020	0.007	0.036	0.0061
对比例2	3.8	3.4	0.16	0.021	0.007	0.037	0.0058

表5对比例1～2附铸试块力学性能

由表2和表3可知，实施例1～3的Si含量为3.6～4.0，风电铸件3.2MW底座的附铸试块的力学性能更加优异，具有较高的抗拉强度(Rm≥530MPa)、屈服强度(Rp0.2≥400MPa)和伸长率(A≥17％)，同时冲击功方面：低温-20℃(Akv)下，三个试样单个值≥9J，平均值≥11J，铸件性能力学性能和低温冲击都达标。而表2和表4表明，当Si含量偏高时，对比例1的附铸试块强度符合要求，但是-20℃冲击功(Ak)偏低，平均值＜7J，材料不能符合要求；当Si含量偏低时，对比例1的附铸试块的-20℃冲击功(Ak)平均值大于9J，但抗拉强度较低，小于530MPa，材料同样不符合要求。

本发明具有以下优点：

(1)本发明高硅固溶球墨铸铁不仅具有更高的抗拉强度、屈服强度和延伸率，而且具有优异的低温(-20℃)冲击性能，满足大功率风电铸件发展对材料的要求，相应使铸件减薄减重，节约生产成本。

(2)本发明高硅固溶球墨铸铁为硅固溶强化全铁素体基体，铸件硬度分布均匀，有较好的切削加工性能，可延长刀具寿命，降低机械加工成本。

(3)材料中Si含量高，成分中稳定珠光体及碳化物形成的元素含量可适当放宽，继而提高废钢用量，降低生产成本。

本发明新材料EN-GJS-600-10球墨铸铁开发成功，能使风电设备关键零部件的批量生产成为可能。

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

1.一种高硅固溶球墨铸铁，其特征在于，其元素组成为：C：3.4～3.6wt％；Si：3.6～4.0wt％；Mn≤0.25wt％；P≤0.035wt％；S：0.006～0.012wt％；Mg：0.03～0.07wt％；Re≤0.35wt％；Sb：0.001～0.01wt％；其余为Fe及制备过程中带入的杂质；力学性能方面，所述高硅固溶球墨铸铁的70×70×150mm附铸试块的抗拉强度Rm≥530MPa，屈服强度Rp0.2≥400MPa，伸长率A≥12.5％，-20℃无缺口冲击功三个单个值≥5J，平均值≥7J。

2.如权利要求1所述的高硅固溶球墨铸铁，其特征在于，Sb含量为0.002～0.005wt％。

3.一种制备权利要求1或2所述的高硅固溶球墨铸铁的方法，其特征在于，

(a)材料包括：

炉料：生铁30～50wt％、回炉料30～50wt％、废钢10～20％；

球化剂：选用稀土硅镁球化剂，主要化学成分包括4.5～6.5wt％Mg、0.10～0.35wt％RE、40～50wt％Si以及余量的铁；按浇注铁水重量百分比计，球化剂用量为0.9～1.3wt％；

孕育剂：包括覆盖剂、一次孕育剂和随流孕育剂，覆盖剂和一次孕育剂选用低硅钙钡孕育剂，主要成分包括40～55wt％Si、1.3～2.5wt％Ba、0.3～0.7wt％Ca以及余量的铁；随流孕育剂选用硫氧孕育剂，主要成分包括65～80wt％Si、0.5～1.5wt％Ca以及余量的铁；按浇注铁水重量百分比计，覆盖剂用量为0.4～0.8wt％，一次孕育剂用量为0.2～0.6wt％；随流孕育剂用量为0.10～0.20wt％；

合金Sb：按浇注铁水重量百分比计，合金Sb使用量为0.001～0.01wt％；

(b)制备过程如下：

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，生铁选用球铁用铸造生铁，生铁中Si≤1.0wt％、Mn≤0.20wt％、P≤0.035wt％、S≤0.035wt％、有害合金元素≤0.025wt％。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，废钢选用薄片类碳素废钢，废钢中C≤0.20wt％、Si≤0.5wt％、Mn≤0.5wt％、P≤0.035wt％、S≤0.035wt％、Cr≤0.10wt％。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，回炉料为铁素体球墨铸铁回炉料。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，制备过程中，电炉中铁水倒入浇包时温度为1400～1450℃。

8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，制备过程中，浇包中铁水浇入铸型时温度为1340～1370℃。