耐低温球铁生产工艺浅析

耐低温球铁生产工艺浅析

刘盼

风电铸造工厂的技术关键是严格控制各种原材料质量，如金属炉料（生铁废钢回炉料）合金（硅铁球化剂孕育剂）造型材料（原砂树脂固化剂涂料等）；铸造工艺要求设计合理的浇注系统，凝固过程模拟，合理的球化孕育工艺必要的型内冷却时间等；铸造装备要保证拥有大型熔炼设备，造型及砂处理设备，清理设备，必要的分析检测设备等。

风电铸件的材质欧洲标准为EN-GJS-400-18LT 国家标准为QT400-18A,在实际生产中,大部分铸件如叶轮毅、齿轮箱体等由于断面过厚,冷却速度缓慢,因而凝固时间过长,在铸件厚壁中心或热节处容易造成石墨畸变、球数减少、组织粗大、石墨飘浮、化学成分偏析和晶间碳化物等问题,从而影响抗拉强度、屈服点、延伸率、低温冲击韧性等力学性能。

注：控制难点是低温冲击性能，EN-GJS-350-22LT球墨铸铁-40℃的冲击吸收功A KV要求达到12 J，单个试样最低值应>9J; EN-GJS-400-18LT球墨铸铁-20℃的冲击吸收功A KV要求达到12J, 单个试样最低值应>9J.要使球墨铸铁达到上述性能，必须进行以下两个方面的研究:

(1)化学成分的确定化学成分决定了球墨铸铁的基体组织和铁素体中合金元素的固溶量, 不同的基体组织及其固溶度决定了不同的力学性能, 常见的球墨铸铁

基体组织为铁素体.珠光体和奥氏体奥氏体具有良好

的塑性和韧性，特别是低温冲击韧度。但奥氏体球墨铸铁需要加入大量的合金元素，制造成本高，珠光体球墨铸铁具有高的强度和良好的塑性和韧性，但其无法达到EN-GJS-350-22LT和EN-GJS-400-18LT球墨铸铁的塑性和韧性要求。铁素体基体本身具有优良的塑性和韧性，但铁素体球墨铸铁由于有其他元素的存在使铁素体基体得到固溶强化，所以铁素体基体球墨铸铁的塑性和韧性取决于铁素体基体中合金元素的固溶量，因此有必要对球墨铸铁的化学成分进行系统研究，确保得到稳定的强度和塑性以及低温冲击韧度要求全部合格。

(2)热处理工艺的确定球墨铸铁的铸态组织一般为铁素体和珠光体的混合组织。但因为珠光体组织强度高，塑性及韧性差，所以在低温球墨铸铁中要尽量消除珠光体组织，除在成分设计上尽可能减少促进珠光体形成的元素，还需对球墨铸铁进行高温退火热处理，以最大限度地减少珠光体的存在。

一．风电铸件用生铁与废钢

设计化学成分的原则是高碳、中硅、低锰、低磷和低硫,在力学性能达到的情况下,尽量不加入其它合金,炉料中带来的合金元素(在这里应看作杂质)总量越低越好。选用球化指数SB 小于0.6% ,Ti元素小

于0.04% 的生铁和纯净度高的低锰碳素废钢,注意废钢的选择不能有焊缝、油漆、铁锈等,回炉料最好是同类材质的成分,铁液中杂质越少越好,尤其是反球化干扰元素如Pb、As 、Ti等,熔炼时必须进行铁液过热处理。炉料中首选低磷、低硫、低锰的Q10 或Q12 生铁,废钢为优质A3或槽钢、工字钢等。

正常配料为:生铁Q10 (C 4. 2 ,Si 0. 94) 58 % ,废钢(C 0. 25 ,Si 0. 4) 22 % ,回炉料(C 3. 5 ,Si 2. 1) 20 % ,当温度达到 1 450～1 460 ℃时,炉前用快速分析仪测定CE、C和Si ,并根据实测情况加以调整。出炉温度≥1 480～1 510 ℃;球化处理:稀土球化剂,用量1. 5 %;一次孕育处理为75Si2Fe 0. 5 %～0. 6 % ,在孕育剂上盖干净铁屑、覆盖剂和铁板,适当紧实。

生产风电铸件应选择优质的生铁,主要体现在①生铁最好是共晶成分的,避免过共晶的成分,否则生铁内部就会出现过共晶的粗大石墨,这样会影响铸件石墨形态②P含量要小于0.046% ,以避免凝固时产生磷共晶③微量反球化干扰元素的控制,在铸件中

有些元素能破坏和阻碍石墨球化,这些元素即所谓的球化干扰元素,干扰元素分为两类,一是消耗球化元素型干扰元素,它们与镁、稀土生成MgS,MgO,MgSe 等,使球化元素降低,从而破坏了球状石墨形成另一类是晶间偏析型干扰元素,包括锡、锑、砷、铜、钛、铝等在共晶结晶时,这些元素富集在晶界,促进使碳在共晶后期形成畸形的枝晶状石墨,球化干扰元素原子量越大,其干扰作用越强,现在许多研究都已找到了干扰元素在铸铁中的临界含量,当这些元素含量小于临界含量时,并不能形成畸变石墨。

二．耐低温球铁的化学成分与配料

目前风电铸件的最终化学成分大致控制在C3.4%-3.7%,Si1.9%-2.3%,Mn<=0.3%,S<=0.015%,

P<=0.045%,Mg残0.04%--0.06%,RE残<=0.018%,低CE，低Mn低S低P，以及尽可能低的Cr.Mo.Ti.Sn.V 等正偏析元素。其它元素如Ni 基本不加,在CE 方面,大件取下限,小件取上限,主要是调整含 C 量,Si含量基本不变化,特别值得一提的是含SI 量的控制,生产初期,为了提高低温冲击韧性,将含Si 量控制在 2.0% 以下,甚至 1.6%一 1.8%的低限,结果低温冲击韧性非常好,普遍达到17、18 、19J ,但抗拉强度却维持勉强合格且不稳定,有时还

不合格,非常矛盾的抗拉强度与低温冲击韧性一直困绕着技术人员,经过不断地摸索,一次次的调整、实验,反反复复的验证,最终确定合理的最佳含Si 量在 1.9%一 2.3% 之间,低于 1.9% 时低温冲击韧性非常好,但抗拉强度却不稳定; 高于 2.3% 时,则低温冲击韧性不稳定。其它元素无论大件还是小件基本不变,Ni元素在生产风电铸件的初期,多数企业都加人约0.3%一0.5%的比例,主要为促进低Si 量而带来的石墨化能力不足和增加铸件的抗拉强度,后来在实践中发现,如果NI 元素低于0.5% 时,基本不起作用,只有大于0.5% 时,才能起到固溶强化铁素体的作用,考虑到Ni 的价格,降低生产成本,所以就取消不加。但如果生产EN-GJS-350-22LT材质时,就必须使含Si 量控制在1.9% 以下,同时要加入Ni 元素。低硅加镍与适度高硅量相比,前一种方式的铸件质量更稳定,低温冲击韧性与抗拉强度的相互关系更协调。

大致配料是（60% -80% 生铁）+ （15%-25% 废钢）+（15% -20% 回炉料）,球化剂 1.4%-1.7% ,炉前孕育剂0.6%-0.9% ,瞬时孕育剂0.15%-0.25% ,特别提出加1.0%-1.5%的SiC ,分别加在炉内和包内,一方面SiC与Fe 反应置换出来的单质C 起促进石