CN111041339A

CN111041339A - 一种高疲劳性能的高硅铁素体球墨铸铁材料及其制备方法

Info

Publication number: CN111041339A
Application number: CN201911232663.5A
Authority: CN
Inventors: 王美喜; 占进; 余帆; 汪莹; 史学涌; 王卫国
Original assignee: Jiangsu Jixin Wind Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Jixin Wind Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2020-04-21
Anticipated expiration: 2039-12-05
Also published as: CN111041339B

Abstract

本发明涉及一种高疲劳性能的高硅铁素体球墨铸铁件及其制备方法，通过在熔炼过程中添加适量的合金Sb，抑制了碎块状石墨的产生，改善了心部球化状况，增加石墨球颗数，从而提高铸态性能；合金Ni的加入，改善了金属的韧性，并细化晶粒；通过控制随流孕育剂的加入量为0.2‑0.3%，可提高石墨球数量，从而提高铸件的力学性能和疲劳性能；在微量元素的种类及含量得到控制的前提下，通过变量控制实验，创造性的发现了，当C、Si、Ni的含量处于控制范围（C：3.4～3.6wt%；Si：3.5～3.9wt%；Ni：0.3‑0.8%）内时，铸件能够实现在±287.5MPa应力条件下，疲劳循环次数超过60万次的优良抗疲劳性能，所述疲劳循环次数最高甚至可达89.4万次。

Description

一种高疲劳性能的高硅铁素体球墨铸铁材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属铸造领域，具体涉及一种高疲劳性能的高硅铁素体球墨铸铁材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着风电行业的快速发展，风电球墨铸铁配件需求快速增加，风电用的球墨铸铁得到快速发展，球墨铸铁由于低成本及高强韧性，得到国内外广泛的应用。但是与普通球墨铸铁相比，风电行业对铸件的质量和性能要求更高，这是由于风电铸件的断面较大，壁厚不均匀且结构复杂，风电机组工作环境恶劣，维修困难，因此对风电铸件的质量和使用性能要求较高。为满足国内外风电产业的持续发展及风力发电装备的要求，研究性能优良又适用于风电铸件的新材料具有实际生产意义，也是十分必要的。

疲劳作为工程词汇用以表达材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。日内瓦国际标准化组织将金属疲劳描述为“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳”,由于工程中绝大多数机械在动载荷作用下工作，因此疲劳破坏问题普遍存在于各种机械之中。它的危险性表现在,引起疲劳失效的循环载荷峰值往往远小于根据静态断裂分析估算出来的安全载荷,并且在达到疲劳寿命时无明显征兆,结构会突然断裂失效。据统计在设备的断裂事故中,约80％属于疲劳断裂,机械结构失效的突然性给工程应用带来很大的威胁,疲劳问题研究至今仍是机械强度研究的重点内容之一。近年来,随着机械设备向高速大型化发展,机械零构件的服役条件也越来越恶劣,使得重大疲劳失效事故层出不穷。

国内外利用新型高硅铁素体球墨铸铁生产风电配件企业很少，并且都处于保密状态。同时，将疲劳性能应用在风电配件上更是少之又少。新材料的熔炼工艺、铸造工艺没有经验可借鉴，其生产技术难度较大。面对国内外形势及企业现状，企业自主研发新材料用于生产风电配件具有实际意义和一定的经济价值。

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高硅铁素体球墨铸铁有QT500-10；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-500-14和EN-GJS-600-10。具体性能指标见下表

目前，对于球墨铸铁件的主要评价标准主要包括抗拉强度、屈服强度、伸长率、有缺口冲击值、无缺口冲击值等力学参数及石墨球形态、尺寸、数量；铁素体/奥氏体/贝氏体含量等组织参数；而对于球墨铸铁件的抗疲劳性能并无相关应用和标准，针对球墨铸铁件抗疲劳性能而展开的研究也鲜见报道。

发明内容

为解决现有技术中的上述问题，本发明提供一种高疲劳性能的高硅铁素体球墨铸铁材料及其制备方法。

为评价球墨铸铁件的抗疲劳性能，本发明结合工件的实际应用场景，选择±287.5MPa高应力条件下，球墨铸铁件的疲劳循环次数作为评价参照。

具体的，本发明提供一种高疲劳性能的高硅铁素体球墨铸铁件，所述高硅铁素体球墨铸铁件的基体组织为95％以上的铁素体，其具有大于60mm的壁厚，且满足：抗拉强度Rm≥450MPa，屈服强度Rp0.2≥350MPa，伸长率A≥10％；±287.5MPa的高应力条件下的疲劳循环次数≥60万次。

所述高疲劳性能的高硅铁素体球墨铸铁件的元素组成如下(按浇注铁水重量百分比计)：C：3.4～3.6wt％；Si：3.5～3.9wt％；Mn≤0.25wt％；P≤0.035wt％；S≤0.012wt％；Mg：0.04～0.07wt％；Re≤0.035wt％；Sb：≤0.01wt％；Ni：0.3～0.8％；其余为Fe及制备过程中带入杂质。

本发明还提供一种制备满足上述性能要求的高疲劳性能的高硅铁素体球墨铸铁件的方法，步骤如下：

(1)炉料配比：为了达到预定的化学成分，按生铁70～90wt％、废钢10～30wt％配比炉料。其中，生铁选用高纯生铁(Mn≤0.15wt％、P≤0.035wt％、S≤0.03wt％、有害合金元素≤0.025wt％)，废钢选用优质碳素废钢片(C≤0.15wt％、Si≤0.4wt％、Mn≤0.40wt％、P≤0.03wt％、S≤0.03wt％、Cr≤0.08wt％)。

(2)球化剂选择：选用低稀土硅铁镁合金球化剂，其主要化学成分为5～6wt％Mg、0.15～0.30wt％RE、44～48wt％Si；加入量为浇铸铁液质量的0.9～1.2wt％。

(3)孕育剂选择：整个球化孕育过程中，涉及到多次孕育，包括浇包底部的覆盖剂，铁液倒入浇包过程中的一次孕育，以及浇注过程中的随流孕育。覆盖剂和一次孕育剂为低硅含钡孕育剂，主要化学成分为45～50wt％Si、1.8～2.2wt％Ba、0.4～0.6wt％Ca，加入量(按浇铸铁液质量计)分别为覆盖剂0.4～0.8wt％，一次孕育剂0.2～0.6wt％。随流孕育剂采用硫氧孕育剂，主要化学成分为70～76wt％Si、0.75～1.25wt％Ca，加入量(按浇铸铁液质量计)为0.20～0.30wt％。

(4)合金：配置Sb合金和Ni合金，其中按照浇铸铁液质量计，Sb的加入量为0.003～0.005wt％；Ni的加入量为0.3～0.8wt％。

(5)过程工艺：将炉料按步骤(1)的配比，在电炉中熔炼；预先在浇包底部放置球化剂、覆盖剂及合金Sb；温度控制为1500～1510℃时，将电炉中铁液倒入铁水包内(预先放置合金Ni)，并进行2-3分钟的铁水静置，再将静置后的铁水倒入浇包，同时加入一次孕育剂，铁液发生球化和一次孕育反应，孕育时间控制在5-8分钟以内；随后，当浇包内铁液温度达到1340～1370℃时，开始浇入铸型，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。

相比于现有技术，本发明至少能够取得如下有益效果：合金Sb的加入，抑制了碎块状石墨的产生，改善了心部球化状况，增加石墨球颗数，从而提高铸态性能；合金Ni的加入，改善了金属的韧性，并细化晶粒；本发明还发现，通过控制随流孕育剂的加入量为浇铸铁水质量的0.2～0.3wt％，可以显著的提高石墨球数量，从而提高铸件的力学性能和疲劳性能；并且在微量元素的种类及含量得到控制的前提下，通过变量控制实验，创造性的发现了，当C、Si、Ni的含量处于控制范围(C：3.4～3.6wt％；Si：3.5～3.9wt％；Ni：0.3～0.8％)内时，铸件能够实现在±287.5MPa高应力条件下，疲劳循环次数超过60万次的优良抗疲劳性能，所述疲劳循环次数最高甚至可达89.4万次。

附图说明

图1为附铸试块1的铸态和基体金相图；

图2为附铸试块2的铸态和基体金相图；

图3为附铸试块3的铸态和基体金相图；

图4为附铸试块4的铸态和基体金相图；

图5为附铸试块5的铸态和基体金相图；

具体实施方式

提供一种某3MW风机挡块高硅铁素体球磨铸铁件的制备方法，所述风机挡块铸件的壁厚为95～200(mm)，且其包括尺寸为70×70×250mm的附铸试块，以用于检测铸件的各项性能；所述风机挡块铸件按照如下步骤制造：

(1)按生铁70～90wt％、废钢10～30wt％配比炉料。其中，生铁选用高纯生铁(Mn≤0.15wt％、P≤0.035wt％、S≤0.03wt％、有害合金元素≤0.025wt％)，废钢选用优质碳素废钢片(C≤0.15wt％、Si≤0.4wt％、Mn≤0.40wt％、P≤0.03wt％、S≤0.03wt％、Cr≤0.08wt％)。

(2)选用低稀土硅铁镁合金球化剂，其主要化学成分为5～6wt％Mg、0.15～0.30wt％RE、44～48wt％Si；加入量为浇铸铁液质量的0.9～1.2wt％。

(3)孕育剂包括浇包底部的覆盖剂，铁液倒入浇包过程中加入的一次孕育剂，以及浇注过程中加入的随流孕育。覆盖剂和一次孕育剂均为低硅含钡孕育剂，主要化学成分为45～50wt％Si、1.8～2.2wt％Ba、0.4～0.6wt％Ca，加入量(按浇铸铁液质量计)分别为覆盖剂0.4～0.8wt％，一次孕育剂0.2～0.6wt％。随流孕育剂采用硫氧孕育剂，主要化学成分为70～76wt％Si、0.75～1.25wt％Ca，加入量(按浇铸铁液质量计)为0.20～0.30wt％。

(4)配置Sb合金和Ni合金，其中按照浇铸铁液质量计，Sb的加入量0.003～0.005wt％；Ni的加入量为0.3～0.8wt％。

(5)过程工艺：将炉料按步骤(1)中的配比，在电炉中熔炼；预先在浇包底部放置球化剂、覆盖剂及合金Sb；温度控制为1500～1510℃时，将电炉中铁液倒入铁水包内(预先放置合金Ni)，并进行2-3分钟的铁水静置，再将静置后的铁水倒入浇包，同时加入一次孕育剂，铁液发生球化和一次孕育反应，孕育时间控制在5-8分钟以内；随后，当浇包内铁液温度达到1340～1370℃时，开始浇入铸型，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。

在微量元素的含量得到控制的前提下(Mn≤0.25wt％；P≤0.035wt％；S≤0.012wt％；Mg：0.04～0.07wt％；Re≤0.035wt％；Sb：≤0.01wt％)；按浇注铁液质量百分比计，以：C：3.4～3.6wt％；Si：3.5～3.9wt％；Ni：0.3～0.8％；为控制范围，在该控制范围内调整C、Si、Ni的含量，并分别按照上述风机挡块铸件的制备方法，得到附铸试块1-3作为实施例；另外在该控制范围之外，调整C、Si、Ni的含量，并按照上述风机挡块铸件的制备方法，得到附铸试块4-5以用作对比例。

其中，附铸试块1-5的元素组成如下表：

附铸试块	C	Si	Mn	P	S	Mg	Sb	Ni
									1	3.4	3.85	0.076	0.018	0.007	0.039	0.0062	0.32
2	3.5	3.70	0.081	0.019	0.006	0.041	0.0065	0.51
									3	3.6	3.55	0.075	0.018	0.007	0.040	0.0063	0.76
4	3.3	3.95	0.080	0.017	0.006	0.039	0.0065	0.25
									5	3.7	3.45	0.078	0.019	0.007	0.041	0.0060	1.00

对附铸试块1-5进行力学性能、疲劳性能检测，结果如下：

附铸试块1-5的力学性能：

附铸试块	抗拉强度Rm/MPa	屈服强度Rp0.2/MPa	伸长率/％
				1	573	455	17.8
2	566	446	18.4
				3	556	438	18.1
4	561	439	17.6
				5	538	418	18.2

附铸试块1-5的疲劳性能：

疲劳性能的试验方法：

疲劳试验依据GB/T3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》的要求进行测试。试验在MTS370-250kN疲劳试验机上进行，在室温空气中采用载荷控制模式进行疲劳试验，最大疲劳应力为287.5MPa，应力比R＝-1。当试样断裂或循环寿命Nf达到10⁷cycles时停止试验，记录断裂位置。

试验参数：

试验温度：25-28℃

最大疲劳应力：287.5MPa，应力比：R＝-1。

疲劳试验结果如下：

结果分析

从附铸试块1-5的力学性能测试数据看；虽然C、Si、Ni含量在控制范围之外的附铸试块4的力学性能与C、Si、Ni含量在控制范围之内的附铸试块3相差不大，但对比图3-4可以发现，附铸试块3相比于附铸试块4具有更高的石墨球密度，统计结果为：附铸试块3的石墨球密度为410个/mm²，附铸试块4的石墨球密度仅为240个/mm²，差异明显；而力学性能测试表现更差的附铸试块5的石墨球密度仅为196个/mm²。

相比较而言，C、Si、Ni含量均在控制范围之内的附铸试块1-3，无论是从力学性能、组织形态还是抗疲劳性能角度而言均明显优于C、Si、Ni含量在控制范围之外的附铸试块4-5；这种差异在石墨球密度和高应力条件下的疲劳循环次数方面更为显著。因此，当C、Si、Ni不在控制范围内，并调整随流孕育剂加入量时，铸件的拉伸性能和疲劳性能无法同时满足。

Claims

1.一种高疲劳性能高硅铁素体球墨铸铁件，其特征在于：所述高硅铁素体球墨铸铁件的基体组织为95%以上的铁素体，其具有大于60mm的壁厚，且满足：抗拉强度Rm≥450MPa，屈服强度Rp0.2≥350MPa，伸长率A≥10%；在±287.5MPa的高应力条件下的疲劳循环次数≥60万次；所述高疲劳性能的高硅铁素体球墨铸铁件的元素组成如下（按浇注铁水重量百分比计）：C：3.4～3.6wt%；Si：3.5～3.9wt%；Mn≤0.25wt%；P≤0.035wt%；S≤0.012wt%；Mg：0.04～0.07wt%；Re≤0.035wt%；Sb：≤0.01wt%；Ni：0.3-0.8%；其余为Fe及制备过程中带入杂质。

2.一种制备如权利要求1所述的高疲劳性能高硅铁素体球墨铸铁件的方法，步骤如下：

(1) 炉料配比：为了达到预定的化学成分，按生铁70～90wt%、废钢10～30wt%配比炉料；其中，生铁选用高纯生铁（Mn≤0.15wt%、P≤0.035wt%、S≤0.03wt%、有害合金元素≤0.025wt%），废钢选用优质碳素废钢片（C≤0.15wt%、Si≤0.4wt%、Mn≤0.40wt%、P≤0.03wt%、S≤0.03wt%、Cr≤0.08wt%）；

(2) 球化剂选择：选用低稀土硅铁镁合金球化剂，其主要化学成分为5～6wt%Mg、0.15～0.30wt%RE、44～48wt%Si；加入量为浇铸铁液质量的0.9～1.2wt%；

(3) 孕育剂选择：整个球化孕育过程中，涉及到多次孕育，包括浇包底部的覆盖剂，铁液倒入浇包过程中的一次孕育，以及浇注过程中的随流孕育；覆盖剂和一次孕育剂为低硅含钡孕育剂，主要化学成分为45～50wt%Si、1.8～2.2wt%Ba、0.4～0.6wt%Ca，加入量（按浇铸铁液质量计）分别为覆盖剂0.4～0.8wt%，一次孕育剂0.2～0.6wt%；随流孕育剂采用硫氧孕育剂，主要化学成分为70～76wt%Si、0.75～1.25wt%Ca，加入量（按浇铸铁液质量计）为0.20～0.30wt%；

(4) 合金：配置Sb合金和Ni合金，其中按照浇铸铁液质量计，Sb的加入量为0.003～0.005wt%；Ni的加入量为0.3～0.8wt%；

(5) 过程工艺：将炉料按步骤（1）的配比，在电炉中熔炼；预先在浇包底部放置球化剂、覆盖剂及合金Sb；温度控制为1500～1510℃时，将电炉中铁液倒入铁水包内（预先放置合金Ni），并进行2-3分钟的铁水静置，再将静置后的铁水倒入浇包，同时加入一次孕育剂，铁液发生球化和一次孕育反应，孕育时间控制在5-8分钟以内；随后，当浇包内铁液温度达到1340～1370℃时，开始浇入铸型，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。