本發(fā)明屬于鑄鐵材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超厚大低溫球墨鑄鐵及其制備方法。

背景技術(shù)：

2006年后，我國風(fēng)電裝機呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，2015年，中國風(fēng)電裝機量再創(chuàng)新高。全國(除臺灣地區(qū)外)新增安裝風(fēng)電機組16740臺，新增裝機容量30753MW，同比增長32.6％；累計安裝風(fēng)電機組92981臺，累計裝機容量145362MW，同比增長26.8％。2015年，我國新增風(fēng)電裝機中，2MW風(fēng)電機組裝機市場份額首次超過1.5MW機組，占全國新增裝機容量的50％，1.5MW機組和2MW機組仍占市場主導(dǎo)地位，市場份額達到84％。與2014年相比，1.5MW機組市場份額下降了12個百分點，而2MW機組所占市場份額上升了9個百分點。2.1MW至2.5MW機組市場份額達到12％，其中主要是以2.5MW為主。2.6MW至3MW機組市場份額達到2％，其他機組裝機占比在1％以下。截至2015年底，在所有吊裝的海上風(fēng)電機組中，單機容量為4MW機組最多，累計裝機容量達到352MW，占海上裝機容量的34.69％，其次是2.5MW機組，裝機容量占18.48％，3MW裝機容量占比為17.74％，其余不同功率風(fēng)電機組裝機容量占比均不到10％。我國目前單機容量最大的是6MW機組，除了原有聯(lián)合動力和明陽風(fēng)電的產(chǎn)品，金風(fēng)科技在2015年新增吊裝一臺6MW機組。

可以看出無論是陸上還是海裝，隨著風(fēng)機機型的發(fā)展，使得其球墨鑄鐵零部件的重量和壁厚也在不斷的增加。從以前的主要機型1MW到2.5MW之間逐步過渡到3MW到6MW；球墨鑄鐵關(guān)鍵零部件重量從5t～25t、主要壁厚從60mm～200mm之間增加到25t和200mm以上(7MW產(chǎn)品的壁厚已達到500mm，單件重量達到90多噸)。

厚大斷面球墨鑄鐵鑄件(一般指壁厚不小于100mm)由于冷卻速度緩慢，往往在厚壁中心或熱節(jié)處出現(xiàn)變態(tài)石墨，石墨球數(shù)減少，組織粗大，易出現(xiàn)晶間碳化物和石墨漂浮等現(xiàn)象，導(dǎo)致力學(xué)性能下降。而且隨著壁厚的進一步增加，力學(xué)性能則進一步惡化，與此相應(yīng)，疲勞強度也要下降，嚴重影響到鑄件的安全使用。

風(fēng)電設(shè)備上使用的球墨鑄鐵工作條件惡劣，對材料的性能要求比普通球墨鑄鐵的要高，在寒冷條件下使用時，必須同時滿足低溫沖擊性能、靜態(tài)抗拉強度和伸長率最小值要求。近幾年隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，我國對風(fēng)電球墨鑄鐵的研究越來越重視，但對適用于風(fēng)電用的超厚大(壁厚＞200mm)低溫球墨鑄鐵研究較少，而現(xiàn)有球墨鑄鐵國外標準EN1563∶2011和國內(nèi)標準GB/T 1348—2009中關(guān)于壁厚＞200mm部分還是空白并沒有相關(guān)規(guī)定。因此針對大型風(fēng)電配件的生產(chǎn)需要以及現(xiàn)有的發(fā)展趨勢，超厚大球墨鑄鐵材料的研發(fā)具有實際意義和具有良好市場前景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，針對現(xiàn)有技術(shù)中滿足國內(nèi)外標準的超厚大低溫球墨鑄鐵短缺的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種超厚大(壁厚≥200mm)低溫球墨鑄鐵及其制備方法。

本發(fā)明的超厚大低溫球墨鑄鐵的組成為：碳當量:4.2～4.4wt％，Si:1.9～2.1wt％，Mn:≤0.15wt％，P:≤0.025wt％，S:0.006～0.012wt％，Mg:0.030～0.045wt％，Sb:0.003～0.005wt％，V:0.02-0.03wt％，其余為Fe和制備過程中帶入的雜質(zhì)。其中wt％表示質(zhì)量百分數(shù)，下同。

為滿足大型風(fēng)電鑄件的性能需求，對超厚大低溫球墨鑄鐵的化學(xué)成分配比進行綜合考慮。

其中，碳當量(CE)對球墨鑄鐵的流動性影響很大，提高碳當量可以提高球墨鑄鐵的流動性，在碳當量為4.6％～4.8wt％時，流動性最好，有利于澆注成形、補縮，但另一方面由于壁厚超厚大，凝固時間比較長，更需要警惕石墨畸變、石墨漂浮等問題的出現(xiàn)，而碳當量越高越會加劇這種情況，故對厚壁件碳當量不能太高；對縮孔、縮松的影響則是碳當量在4.2wt％左右時，縮孔體積最大。碳當量在4.8wt％時縮松傾向最小，大于或小于此數(shù)值，縮松傾向均增加。為此將碳當量控制在4.2～4.8wt％之間時，則可以縮孔小、縮松少，可以獲得健全鑄件。綜述以上幾方面考慮將碳當量控制在4.2％～4.4wt％。

在低溫鐵素體球墨鑄鐵中，Si是固溶強化鐵素體，加Si可以提高抗拉強度與屈服強度；但Si又提高球墨鑄鐵的脆性轉(zhuǎn)變溫度，每提高0.1％Si，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高5.5～6.0℃，故過高會影響伸長率和沖擊。綜合考慮Si控制在1.9％～2.1wt％。

Mn可以顯著增加球墨鑄鐵中珠光體含量，且容易在共晶團邊界上產(chǎn)生偏析，導(dǎo)致力學(xué)性能惡化，故Mn量要低，控制在≤0.15％。

P隨金屬爐料進入球墨鑄鐵，它不影響球化，但P是有害元素，它溶解在鐵液中，很容易偏析產(chǎn)生磷共晶，隨著鑄件壁厚的增加，其偏析越嚴重。由于磷共晶熔點低，最終會分布在共晶團邊界處，會急劇惡化鑄鐵力學(xué)性能。另外磷使脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，每增加磷0.01％，則球墨鑄鐵的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高4.0～4.5℃，故P應(yīng)越低越好。P含量控制在≤0.025％。

S在球墨鑄鐵中既有害又不可缺少，因此要盡可能控制在一個合理范圍內(nèi)，為保證良好的球化率及較多的石墨球數(shù)，將S控制在0.006％～0.012％。

Mg是生產(chǎn)球墨鑄鐵所必須的元素，其含量直接影響石墨形態(tài)，由于厚大件凝固時間長，鎂損耗較多，導(dǎo)致球化衰退，容易出現(xiàn)畸變石墨，從而影響到石墨形態(tài)，為得到較為圓整的石墨球，Mg含量控制在0.030％～0.045％。

在厚大斷面球墨鑄鐵中加入微量元素銻(Sb)可以防止石墨畸變，增加石墨球數(shù)，明顯提高力學(xué)性能。但是銻增加晶間析出物，當銻超過0.01％時，在共晶團邊界析出富銻相，致使抗拉強度和斷后伸長率下降，并且隨著銻量的增加，沖擊韌度會顯著降低。故必須嚴格控制加入量，將銻控制在0.003％～0.005％。

V在鑄鐵中的存在狀態(tài)主要有三種：①固溶于α-Fe中；②析出相；③塊狀化合物。研究表明，V含量大于0.1％時就可以出現(xiàn)明顯的塊狀化合物。隨V含量的增加，塊狀物的大小及形狀均改變。由骨頭棒形、三角形、四方形逐漸成Y形、不規(guī)則的多邊形和花樣形，數(shù)量增多，尺寸也隨之增大。冷卻速度主要影響塊狀物的尺寸，隨冷卻速度減小塊狀物尺寸增大，數(shù)量增多。所以，對于V的加入量必須<0.1％，將V控制在0.02％～0.03％。

通過對上述化學(xué)成分的控制，使得該超厚大低溫球墨鑄鐵(鑄件)可滿足：

(1)附鑄試塊金相組織：基體為鐵素體，鐵素體≥90％，滲碳體+磷共晶≤1％，球化率2級以上、石墨球大小5-8級；

(2)力學(xué)性能：滿足DIN EN 1563標準中EN-GJS-400-18-LT要求：抗拉強度Rm≥360MPa，屈服強度Rp0.2≥220MPa，伸長率A≥12％；

(3)沖擊功：滿足DIN EN 1563標準中低溫-20℃(Akv)要求：三個試樣單個值≥7J，平均值≥10J；

(4)鑄件本體套樣金相：基體為鐵素體，鐵素體≥90％，球化率3級以上。

所述的超厚大低溫球墨鑄鐵的制備方法中，材料包括：

熔煉材料，包括生鐵50～70wt％、回爐料20～30wt％和廢鋼10～20wt％；

球化劑，包括稀土硅鐵鎂合金球化劑和釔球化劑，稀土鎂合金球化劑的成分配方是：Mg:4～6wt％，Re:0.2～0.3wt％，Si:40～45wt％，其余為鐵；釔球化劑的成分配方是：Mg:4～6wt％，Re:0.4～0.6wt％，Si:40～45wt％，Y:0.5％～0.7％，其余為鐵；

預(yù)處理劑，成分配方是：Si:60～67wt％，Ba:7～14wt％，Ca:0.4～2.0wt％，Al:0.5～1.7wt％，其余為鐵；

特制包內(nèi)孕育劑，成分配方是：Si:46～50wt％，Ca:0.4～0.6wt％，Ba:1.8～2.2wt％，Al：0.4～1.0wt％，其余為鐵；

硅鈣鋇孕育劑，成分配方是：Si:70～75wt％，Ca:1～2wt％，Ba:2～3wt％，其余為鐵；

含鉍隨流孕育劑，成分配方是：Si:68-75wt％，Ca:≤2.0wt％，Al:≤1.5wt％，Bi:0.5-2.5wt％，企業(yè)為鐵；

所述的超厚大低溫球墨鑄鐵的制備包括步驟：

A)熔煉

將熔煉材料熔化，控制鐵水出爐溫度為1420～1460℃；

B)球化處理

將重量比為7:3的稀土鎂合金球化劑和釔球化劑預(yù)埋入澆包之內(nèi)并適度緊實，采用沖入法進行球化處理，在出鐵量三分之二時開始球化反應(yīng)；稀土鎂合金球化劑和釔球化劑的加入總量為步驟A所得鐵水總量的0.9～1.1wt％；球化處理溫度為1420～1460℃。

C)孕育

孕育包括包內(nèi)孕育、預(yù)處理、一次孕育和隨流孕育，包內(nèi)孕育為沖入鐵水前在步驟B預(yù)埋的稀土鎂合金球化劑和釔球化劑上面覆蓋特制包內(nèi)孕育劑，特制包內(nèi)孕育劑的加入量為步驟A所得鐵水總量的0.2％～0.3wt％；預(yù)處理為在裝球化劑凹坑的對面加入步驟A所得鐵水總量0.2％～0.3wt％的預(yù)處理劑；一次孕育為在球化反應(yīng)開始時(即出鐵量三分之二時)加入步驟A所得鐵水總量的0.2％～0.3wt％的硅鈣鋇孕育劑；隨流孕育為在后續(xù)澆注時隨流加入步驟A所得鐵水總量0.15～0.20wt％的含鉍隨流孕育劑；

D)微量合金元素的加入

隨流孕育時，將微量合金元素Sb和V與硅鈣鋇孕育劑混合均勻后在澆注時隨流加入鐵水；其中Sb的加入量為步驟A所得鐵水總量的0.003～0.005wt％；V的加入量為步驟A所得鐵水總量的0.02～0.03wt％；

E)澆注，將經(jīng)過球化和一次孕育后的鐵水澆注到鑄型中，冷卻后得到鑄件。

較佳的，所述的生鐵為高純生鐵，其中C:≥4.0wt％，Mn:≤0.10wt％，P:≤0.025wt％，S:≤0.015wt％，反球化有害合金元素總和≤0.08wt％。

較佳的，所述的廢鋼為薄片類碳素廢鋼，其中C:≤0.15wt％，Mn:≤0.40wt％，P:≤0.03wt％，S:≤0.03wt％。

較佳的，步驟E澆注時，控制澆注溫度在1330～1350℃，控制鐵水進鐵速度≤0.5m/s，保證澆注速度平穩(wěn)；冷卻時，確保鑄件在鑄型內(nèi)緩慢冷卻，開箱溫度控制在≤300℃，開箱后空冷，得到超厚大低溫球墨鑄鐵。

較佳的，步驟E冷卻時，還可以采取放置冷鐵、砂箱加強散熱。

較佳的，步驟E中的鑄型在造型時，可采用呋喃樹脂砂工藝鑄造，并保證充足的吃砂量和型砂強度；吃砂量一般控制在200～300mm，兼顧最小吃砂量的同時，保證良好的散熱條件；型砂的抗拉強度一般控制在2.4MPa以上，以便于充分利用石墨的自膨脹，減少縮松缺陷。

另外，所述制備方法可采用MAGMA、Any casting模擬軟件進行鑄造工藝設(shè)計，提高工藝設(shè)計的效率、縮短試制周期、節(jié)約資源降低試制成本。并根據(jù)大斷面的特性，設(shè)計合理的鑄件開箱溫度和保溫時間，防止因開箱過早造成鑄件開裂等報廢，以及影響鑄件加工尺寸精度。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的超厚大低溫球墨鑄鐵，心部組織良好，無碎塊狀石墨等異形石墨出現(xiàn)。金相組織：基體為鐵素體組織，鐵素體≥90％，滲碳體+磷共晶≤1％，球化率2級以上、石墨球大小5-8級；在力學(xué)性能方面可滿足DIN EN 1563標準中EN-GJS-400-18-LT要求：抗拉強度Rm≥360MPa，屈服強度Rp0.2≥220MPa，伸長率A≥12％。沖擊功方面：滿足DIN EN 1563標準中低溫-20℃(Akv)要求：三個試樣單個值≥7J，平均值≥10J。鑄件本體套樣金相：基體為鐵素體，鐵素體≥90％，球化率3級以上。

綜上可滿足風(fēng)電鑄件大功率發(fā)展對材料的要求。

由于鑄態(tài)狀態(tài)下可以滿足風(fēng)電件性能要求，節(jié)省了熱處理費用，縮短了生產(chǎn)周期，通過本發(fā)明的超厚大低溫球墨鑄鐵的制備方法，可批量生產(chǎn)風(fēng)電大功率設(shè)備關(guān)鍵零部件。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明。應(yīng)理解，以下實施例僅用于說明本發(fā)明而非用于限定本發(fā)明的范圍。

實施例1～3

(1)制備材料

熔煉材料，包括生鐵60wt％、回爐料25wt％和廢鋼15wt％。生鐵選擇高純生鐵，其中C:≥4.0wt％，Mn:≤0.10wt％，P:≤0.025wt％，S:≤0.015wt％，反球化有害合金元素總和≤0.08wt％。廢鋼選擇薄片類碳素廢鋼，其中C:≤0.15wt％，Mn:≤0.40wt％，P:≤0.03wt％，S:≤0.03wt％。

球化劑，包括新型的稀土硅鐵鎂合金球化劑和釔球化劑，稀土鎂合金球化劑的成分配方是：Mg:4～6wt％，Re:0.2～0.3wt％，Si:40～45wt％，其余為鐵；釔球化劑的成分配方是：Mg:4～6wt％，Re:0.4～0.6wt％，Si:40～45wt％，Y:0.5％～0.7％，其余為鐵。

預(yù)處理劑，成分配方是：Si:60～67wt％，Ba:7～14wt％，Ca:0.4～2.0wt％，Al:0.5～1.7wt％，其余為鐵。

特制包內(nèi)孕育劑，成分配方是：Si:46～50wt％，Ca:0.4～0.6wt％，Ba:1.8～2.2wt％，Al：0.4～1.0wt％，其余為鐵；

硅鈣鋇孕育劑，成分配方是：Si:70～75wt％，Ca:1～2wt％，Ba:2～3wt％，其余為鐵；

含鉍隨流孕育劑，成分配方是：Si:68-75wt％，Ca:≤2.0wt％，Al:≤1.5wt％，Bi:0.5-2.5wt％，企業(yè)為鐵；

(2)制備步驟

A)熔煉

將生鐵、回爐料和廢鋼一起熔化，控制鐵水出爐溫度為1420～1460℃；

B)球化處理

將重量比為7:3的稀土鎂合金球化劑和釔球化劑預(yù)埋入澆包之內(nèi)并適度緊實，采用沖入法進行球化處理，在出鐵量三分之二時開始球化反應(yīng)；稀土鎂合金球化劑和釔球化劑的加入總量為步驟A所得鐵水總量的1.0wt％；球化處理溫度為1420～1460℃。

C)孕育

孕育包括包內(nèi)孕育、預(yù)處理、一次孕育和隨流孕育，包內(nèi)孕育為沖入鐵水前在步驟B預(yù)埋的稀土鎂合金球化劑和釔球化劑上面覆蓋特制包內(nèi)孕育劑，特制包內(nèi)孕育劑的加入量為步驟A所得鐵水總量的0.3wt％；預(yù)處理為在裝球化劑凹坑的對面加入步驟A所得鐵水總量0.3wt％的預(yù)處理劑；一次孕育為在球化反應(yīng)開始時(即出鐵量三分之二時)加入步驟A所得鐵水總量的0.3wt％的硅鈣鋇孕育劑；隨流孕育為在后續(xù)澆注時隨流加入步驟A所得鐵水總量0.20wt％的含鉍隨流孕育劑；

D)微量合金元素的加入

隨流孕育時，將微量合金元素Sb和V與硅鈣鋇孕育劑混合均勻后在澆注時隨流加入鐵水；其中Sb的加入量為步驟A所得鐵水總量的0.004wt％；V的加入量為步驟A所得鐵水總量的0.03wt％；

E)澆注

將經(jīng)過球化和一次孕育后的鐵水澆注到鑄型中，控制澆注溫度在1330～1350℃，控制鐵水進鐵速度≤0.5m/s，保證澆注速度平穩(wěn)；澆注完成后冷卻時放置冷鐵、砂箱加強散熱，確保鑄件在型內(nèi)緩慢冷卻，開箱溫度控制在≤300℃，開箱后空冷，得到超厚大低溫球墨鑄鐵。

實施例1～3的步驟E中用的鑄型分別為用于鑄造Φ800×800mm圓柱形鑄件、7MW風(fēng)電機組的輪轂、7MW風(fēng)電機組的主機架的鑄型，上述鑄型采用呋喃樹脂砂工藝鑄造，并保證充足的吃砂量和型砂強度；吃砂量控制在200～300mm，兼顧最小吃砂量的同時，保證良好的散熱條件；型砂的抗拉強度控制在2.4MPa以上，以便于充分利用石墨的自膨脹，減少縮松缺陷。

實施例1～3制備得到的鑄件的元素分析結(jié)果如表1所示。

表1實施1～3鑄件的化學(xué)成分

注：表1中均為質(zhì)量百分數(shù)，余量的Fe和制備過程中帶入的雜質(zhì)未錄入。

實施例1～3制備得到的鑄件本體套樣金相：基體為鐵素體，鐵素體≥90％，球化率3級以上。力學(xué)性能檢測結(jié)果包括附鑄試塊(290×290×290mm)和本體套樣的抗拉強度(Rm)屈服強度(Rp0.2)、伸長率A以及低溫-20℃沖擊功(Akv)如表2所示。

表2實施1～3鑄件的力學(xué)性能

由表2可知，本發(fā)明的超厚大低溫球墨鑄鐵在力學(xué)性能方面可滿足DIN EN 1563標準中EN-GJS-400-18U-LT要求：抗拉強度Rm≥360MPa，屈服強度Rp0.2≥220MPa，伸長率A≥12％。沖擊功方面：滿足DIN EN 1563標準中低溫-20℃(Akv)要求：三個試樣單個值≥7J，平均值≥10J?？蓾M足風(fēng)電鑄件大功率發(fā)展對材料的要求。而且制備過程由于鑄態(tài)狀態(tài)下可以滿足風(fēng)電件性能要求，節(jié)省了熱處理費用，縮短了生產(chǎn)周期，通過本發(fā)明的超厚大低溫球墨鑄鐵的制備方法，可批量生產(chǎn)風(fēng)電大功率設(shè)備關(guān)鍵零部件。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。