CN111809103A

CN111809103A - 大功率风电超高强高韧低温球墨铸铁的制备方法

Info

Publication number: CN111809103A
Application number: CN202010702169.7A
Authority: CN
Inventors: 陆建华; 闫兴义
Original assignee: CHANGZHOU JULING FOUNDRY CO LTD
Current assignee: CHANGZHOU JULING FOUNDRY CO LTD
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2020-10-23

Abstract

本发明涉及一种大功率风电超高强高韧低温球墨铸铁的制备方法，包括熔炼、球化处理、添加微量合金：NiMgSb、一次孕育、二次孕育、造型、浇注、冷却等工艺步骤。通过对本发明方法制备得到的产品测试，其本体解剖抗拉强度在510～530MPa，延伸率在12～16％，‑20℃冲击功平均值在3J以上，本体性能达到了特大型风电机组偏航刹车系统缸体、刚臂铸件的性能要求。

Description

大功率风电超高强高韧低温球墨铸铁的制备方法

技术领域：

本发明涉及铸铁技术领域，尤其涉及一种大功率风电超高强高韧低温球墨铸铁的制备方法。

背景技术：

从2015年我国风电累计并网容量已居全球第一，但优质风能资源逐步减少，随着发改委加速下调我国陆上风电电价，风电即将与火电同价，降低风电成本成为当务之急；特大功率风电机组因其功率大，单位安装成本低，风能资源利用率高，发电成本低，是风电行业摆脱政策依赖和资源限制，持续健康发展的关键。

随着风电机组功率越来越大，配套的偏航刹车系统用缸体、刚臂等关键零部件也越来越大，受力条件越来越苛刻；这些部件安装在100多米的高空，环境恶劣，承受巨大载荷，并要稳定可靠工作20年以上，其性能决定着风机的安全稳定和可靠性。特大功率风电偏航刹车系统用缸体、刚臂，在材料方面要求明显提高，尤其是以本体心部材料的组织和性能作为验收标准的高要求；产品100％超声波和磁粉探伤要达到标准等，使其生产制造技术已成为风电机组核心技术之一。

特大功率风电偏航刹车系统用缸体、刚臂，铸件主要壁厚在200mm以上，材料性能验收要求本体解剖取样，取样位置壁厚200mm，要求抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥320MPa，延伸率≥12％，-20℃低温冲击≥3J。超高强高韧球铁与国内、国外通常采用的GB1348-2009和EN1563标准相比，技术要求对比如下：

要满足特大功率风电偏航刹车系统用缸体、刚臂的材料性能要求，实现该产品的批量生产，就需要开发这种超高强高韧低温球铁，来满足特大型风电机组和风电大型化的发展需求，有明显的经济和实用价值。

现有技术中，中国发明专利CN201710216871，发明名称为“一种厚大断面QT500-14的轴类产品制造方法”，以及现有学术期刊上已公布的QT500-14材料，这些方法生产的大断面球墨铸铁满足抗拉500MPa，延伸率14％的硅固溶强化铁素体球铁，但该球铁均为高硅固溶强化铁素体组织，其低温冲击性能很差，夏比V型缺口-20℃冲击功完全达不到3J的要求。

中国发明专利CN201710589807，发明名称为“一种QT500-12球墨铸铁件的生产工艺”，该方法没有-20℃低温冲击的要求，并且应用在轮毂铸件上，铸件重量和壁厚与特大型风电偏航刹车系统用缸体、刚臂完全没有可比性，铸件重量增加和壁厚增大，会明显恶化材料组织，降低材料性能，尤其是本体解剖取样检测。

中国发明专利CN201410431973，发明名称为“QT500-7厚壁件质量和成分控制的方法”，该方法公布的是QT500-7的球墨铸铁，与超高强高韧球铁要求的本体大断面解剖取样满足QT500-12的要求，完全不同。

中国发明专利CN201910490257发明名称为“一种球墨铸件生产系统及制备工艺”，该方法公布的是QT500-10材料，并且没有本体解剖检测要求，也没有低温冲击要求，与超高强高韧球铁是不相同的材料。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种本体解剖性能要求高强度高延伸率，又要求低温冲击性能，用于特大型风电偏航刹车系统用缸体、刚臂球铁件的大功率风电超高强高韧低温球墨铸铁的制备方法。

本发明的技术方案是提供一种超高强高韧低温球铁铸件QT500-12(本体解剖)材质的制备方法，在不用热处理，利用国内生铁、废钢，采用低稀土镁球化剂，三明治法球化处理工艺的条件下，通过合理的成分控制，微量添加一种NiMgSb多元合金，在成本略有增加的条件下，稳定得到主要壁厚在200mm以上，本体解剖满足抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥320MPa，延伸率≥12％，夏比V型缺口-20℃冲击功≥3J，用于特大型风电机组偏航刹车系统的缸体、刚臂铸件。

本发明的NiMgSb为中间合金，采用这种材料和这种加入方式，与在炉内或包内单独加Ni和Sb相比，材料性能尤其是低温冲击性能明显提升，稳定性提高。以这种方式加入，石墨球数量和圆整度有明显提高，分析Ni和Sb不仅其到了合金化的作用，而且起到了结晶核心增强孕育的效果，对减少厚大断面心部石墨畸变，控制碎块状石墨的产生，有好的效果。

本发明通过控制成分，添加微量特殊合金和球化处理、二次孕育处理工艺，制备满足本体解剖要求的QT500-12材质大断面铸件。本发明适用于特大型风电铸件，满足其抗拉、冲击、延伸率及低温冲击性能要求。

本发明提供了一种大功率风电超高强高韧低温球墨铸铁的制备方法，该方法以废钢为主要原材料，该球墨铸铁材料的元素组成：C 3.60～3.90wt％，Si 2.00～2.30wt％，Mn≤0.20wt％，P≤0.035wt％，S≤0.015wt％，Sb 0.001～0.003wt％，Ni 0.2～0.5wt％，Mg0.03～0.05wt％，其余为Fe和制备过程中产生的杂质；

所述的大功率风电超高强高韧低温球墨铸铁的制备方法包括以下步骤：

A)熔炼：控制出铁水温度为1450～1500℃；

B)球化处理：选择常规稀土镁合金球化剂，其中球化剂的成分配方是：Mg 4～7wt％，Si 40～50wt％，RE 0.1～0.4wt％，其余为铁；球化剂加入量为0.8～1.3wt％；球化处理温度：1450～1500℃；

C)添加微量合金：NiMgSb，其中Mg 15～18wt％，加入量0.1～0.3wt％；

D)一次孕育：采用硅钙钡孕育剂，成分配方是：Si 70～80wt％；Ca 1.5～2.5wt％，Ba 8～12wt％，其余为铁；孕育剂加入量为0.3～0.8wt％；覆盖在球化剂上；

E)二次孕育：采用含稀土孕育剂，成分配方是：Si 65～75wt％，RE 0.5～2.0wt％，其余为铁；孕育剂加入量为0.10～0.15wt％；在浇注时随流加入；

所述的大功率风电超高强高韧低温球墨铸铁的制备方法还包括以下步骤：

F)造型：采用潮模砂工艺造型；

G)浇注：控制浇注温度在1350～1400℃，保证浇注速度平稳；

H)冷却：确保铸件在型内缓慢冷却，开箱温度控制在≤400℃，开箱后空冷。

本发明的二次孕育采用含稀土孕育剂，成分配方是：Si65～75wt％，RE0.5-2.0wt％，其余为铁；孕育剂加入量为0.10-0.15wt％；在浇注时随流加入。该稀土为以镧铈为主的混合稀土，该稀土的加入可以明显提高大断面心部石墨球的数量，对控制碎块状石墨，有好的效果。

本发明的有益效果是：通过对本发明方法制备得到的产品测试，其本体解剖抗拉强度在510～530MPa，延伸率在12～16％，-20℃冲击功平均值在3J以上，本体性能达到了特大型风电机组偏航刹车系统缸体、刚臂铸件的性能要求。

具体实施方式

下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例1：为某制动器(上海)有限公司制作的球墨铸铁件-单缸缸体。

以废钢为主要原材料，球墨铸铁材料的元素组成：C:3.68wt％，Si:2.05wt％，Mn:0.18wt％，P:0.026wt％，S:0.009wt％，Sb:0.003wt％，Ni：0.4wt％，Mg:0.041wt％，其余为Fe和制备过程中产生的杂质；

上述配方的球墨铸铁材料，首先熔炼，控制出铁水温度为1470℃。之后球化处理，其中球化剂的成分配方是：Mg4-7wt％，Si40-50wt％，RE0.1-0.4wt％，其余为铁；球化剂的加入量为0.9wt％；球化处理温度：1470℃；

将0.1％的NiMgSb合金加到球化剂上，然后再覆盖硅钙钡孕育剂，成分配方是：Si70-80wt％，Ca1.5-2.5wt％，Ba8-12wt％，其余为铁，加入量为0.4wt％；出铁水进行球化处理，球化处理后，在1350℃至1400℃之间将所述铁液浇铸到铸型中，并在浇注过程中加入含稀土孕育剂，成分配方是：Si65-75wt％，RE0.5-2.0wt％，其余为铁；加入量为0.12wt％，在浇注时随铁水流加入。

浇注结束后在砂型中缓慢冷却到350-400℃从铸型中取出。

生产表明，采用本实施方法制备得到的单缸缸体产品，本体解剖性能稳定达到产品技术要求。铸件本体解剖取样性能：抗拉强度516MPa，屈服强度327MPa，延伸率13.5％，-20℃低温冲击功3.4J。

实施例2：为某制动器(上海)有限公司制作的球墨铸铁件三缸缸体。

以废钢为主要原材料，球墨铸铁材料的元素组成：C:3.65wt％，Si:2.10wt％，Mn:0.16wt％，P:0.028wt％，S:0.008wt％，Sb:0.003wt％，Ni：0.4wt％，Mg:0.045wt％，其余为Fe和制备过程中产生的杂质；

上述配方的球墨铸铁材料，首先熔炼，控制出铁水温度为1465℃。之后球化处理，其中球化剂的成分配方是：Mg4-7wt％，Si40-50wt％，RE0.1-0.4wt％，其余为铁；球化剂的加入量为0.85wt％；球化处理温度：1465℃；

将0.1wt％的NiMgSb合金加到球化剂上；然后再覆盖硅钙钡孕育剂，成分配方是：Si70-80wt％，Ca1.5-2.5wt％，Ba8-12wt％，其余为铁，加入量为0.5wt％；出铁水进行球化处理，球化处理后，在1350℃至1400℃之间将所述铁液浇铸到铸型中，并在浇注过程中加入含稀土孕育剂，成分配方是：Si65-75wt％，RE0.5-2.0wt％，其余为铁；加入量为0.10wt％，在浇注时随铁水流加入。

浇注结束后在砂型中缓慢冷却到350-400℃从铸型中取出。

生产表明，采用本实施方法制备得到的三缸缸体产品，本体解剖性能稳定达到产品技术要求。铸件本体解剖取样性能：抗拉强度521MPa，屈服强度329MPa，延伸率14.2％，-20℃低温冲击功3.9J。

对比实施例：

采用300mm*300mm*300mm的模拟试块，控制最终铁水成分相同，一种加入NiMgSb合金，一种在电炉内加入Ni和Sb，对比最终材料的性能，所有试样的取样位置，均对应相同位置，取试块的心部。

以废钢为主要原材料，球墨铸铁材料的最终元素组成：

C：3.70wt％，Si：2.10wt％，Mn：0.15wt％，P：0.025wt％，S：0.01wt％，Sb：0.003wt％，Ni：0.4wt％，Mg：0.042wt％，其余为Fe和制备过程中产生的杂质；

上述配方的球墨铸铁材料，首先熔炼，控制出铁水温度为1455℃。之后球化处理，其中球化剂的成分配方是：Mg4-7wt％，Si40-50wt％，RE0.1-0.4wt％，其余为铁；

方案1：球化剂的加入量为1.15wt％，在球化剂上覆盖硅钙钡孕育剂，成分配方是：Si70-80wt％，Ca1.5-2.5wt％，Ba8-12wt％，其余为铁，加入量为0.5wt％；出铁水进行球化处理，球化处理后，在1350℃至1400℃之间将所述铁液浇铸到铸型中，并在浇注过程中加入含稀土孕育剂，成分配方是：Si65-75wt％，RE0.5-2.0wt％，其余为铁；加入量为0.12wt％，在浇注时随铁水流加入。

方案2：球化剂的加入量为0.9％wt，将0.1wt％的NiMgSb合金加到球化剂上，然后再覆盖硅钙钡孕育剂，成分配方是：Si70-80wt％，Ca1.5-2.5wt％，Ba8-12wt％，其余为铁，加入量为0.4wt％；出铁水进行球化处理，球化处理后，在1350℃至1400℃之间将所述铁液浇铸到铸型中，并在浇注过程中加入含稀土孕育剂，成分配方是：Si65-75wt％，RE0.5-2.0wt％，其余为铁；加入量为0.12wt％，在浇注时随铁水流加入。

浇注结束后在砂型中缓慢冷却到350-400℃从铸型中取出。

最终结果，铸件本体解剖取样性能：

方案1：抗拉强度:508MPa，屈服强度310MPa，延伸率10.1％，-20℃低温冲击功1.9J。

方案2：抗拉强度:526MPa，屈服强度323MPa，延伸率13.5％，-20℃低温冲击功3.6J。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种大功率风电超高强高韧低温球墨铸铁的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

A)熔炼：将废钢送入熔炼炉，控制铁水温度为1450～1500℃；

B)球化处理：选择稀土镁合金球化剂，球化剂的加入量为0.8～1.3wt％；球化处理温度为1450～1500℃；

C)球化剂上添加微量合金：NiMgSb，加入量0.1～0.3wt％，其中Mg含量为15～18wt％；

D)一次孕育：采用硅钙钡孕育剂，孕育剂加入量为0.3～0.8wt％，覆盖在球化剂上；

E)二次孕育：采用含稀土孕育剂，孕育剂加入量为0.10～0.15wt％，在浇注时随流加入；

F)造型：采用潮模砂工艺造型；

G)浇注：控制浇注温度在1350～1400℃，保证浇注速度平稳；

2.如权利要求1所述的大功率风电超高强高韧低温球墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤A中，所述废钢由如下元素组成：C 3.60～3.90wt％，Si 2.00～2.30wt％，Mn≤0.20wt％，P≤0.035wt％，S≤0.015wt％，Sb 0.001～0.003wt％，Ni 0.2～0.5wt％，Mg0.03～0.05wt％，其余为Fe和制备过程中产生的杂质。

3.如权利要求1所述的大功率风电超高强高韧低温球墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤B中，所述稀土镁合金球化剂由如下原料组成：Mg 4～7wt％，Si 40～50wt％，RE 0.1～0.4wt％，其余为铁。

4.如权利要求1所述的大功率风电超高强高韧低温球墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤D中，所述硅钙钡孕育剂由如下原料组成：Si 70～80wt％；Ca 1.5～2.5wt％，Ba 8～12wt％，其余为铁。

5.如权利要求1所述的大功率风电超高强高韧低温球墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤E中，所述含稀土孕育剂由如下原料组成：Si 65～75wt％，RE 0.5～2.0wt％，其余为铁。