专利名称：3mw风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法及铸造用添加剂、球化剂、孕育剂和瞬时孕育剂的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种3MW风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法及其铸造用添加剂、球 化剂、孕育剂、瞬时孕育剂，属于金属铸造领域。
背景技术：
风能作为一种清洁能源和绿色能源，在欧、美国家已经被广泛应用，并且风力发电 技术也已经成熟。我国从04年开始大力发展风力发电技术，未来风电的主要发展方向是大 功率(3丽及以上机组)和海上风电。预计在2015年前将保持每年15%的增长速度。目前 大功率风电机组的制造存在如下问题1、低温球铁铸造厚大断面高韧部件，典型的是核乏燃料球铁容器、大功率风电机 组和一些矿山设备等，此类铸件工作条件十分恶劣，对铸件的韧性和低温性能要求极其严 格。随着风电设备向大功率的方向发展，单件重量从最初的几吨发展到如今的几十吨，最大 断面由最初的十几毫米发展到如今的几百毫米。此类铸件除了要保证附铸试块的基本低温 性能外，还必须保证铸件本体的低温性能和内部组织结构。例如3MW风力发电机的轮毂铸 件，重量约16T，最大壁厚约300mm，对球铁本体的低温性能和内部组织结构要求很高。2、对于球墨铸铁件要求低温冲击韧性，国外一般采用EN1563标准，材料为要 求-20°C冲击韧性的GJS-400-18U-LT和要求_40°C冲击韧性的GJS-350-22U-LT。国内采 用GB1348-2009材料标准，材料为_20°C冲击韧性的QT400-18AL和要求_40°C冲击韧性的 QT350-22AL。铸件本体试块组织球化级别不低于GB/T9441规定的4级，但由于风电铸件的 特殊性，要求本体套样试块组织球化级别不低于GB/T9441规定的3级，基体组织以铁素体 为主，珠光体量不超过5%，渗碳体不超过1 % ；要求本体套样试块性能不低于附铸试块性能 要求的80%。3、为达到铸件本体试块的强度、低温冲击性能和组织要求，国外一般采用加镍 (Ni) 0. 4 2 %生产此类低温球铁件，如丹麦和印度的厂商在生产大功率厚大断面球铁风 电铸件时加入镍(Ni)O. 4 2%。但目前镍价昂贵，且资源紧缺。4、为提高低温球铁铸件本体试块的冲击韧性和内部组织结构；国内一般采用热处 理的方式，但对于3MW风电轮毂铸件结构复杂、尺寸较大，热处理时易变形、能耗大、生产周 期长、成本高。5、国外厂商大都采用加拿大生铁和澳洲生铁，其微量元素和有害元素均比国内生 铁低很多，这在提高低温球铁铸件性能和组织结构方面，具有先天优势。6、还有一些厂商为提高铸件本体组织的石墨球化率，提高铁素体含量，采用强制 冷却的方法，如在铸型中通冷却水或压缩空气，或利用激冷冷铁。如国内某生产核乏燃料球 铁容器企业在铸型中通冷却水，可以加快冷却速度，提高本体组织的球化率和基体组织中 铁素体含量。但3MW风电轮毂铸件结构复杂，造型工艺复杂，因此不利于采用强制冷却的方 法，而且强制冷却的方法安全风险较大。由于铸件结构较大，利用冷铁进行激冷等方式的成本也较高。7、中国专利ZL200510022689. 9铸态无Ni低温球铁铸造大型高韧部件的方法，在 用于3MW风电轮毂时，发现在铸件厚大断面(200mm 300mm)区域的心部存在碎块状石墨， 球化率低于GB/T9441规定的3级，铸件厚大断面区域的本体套样试块性能达不到附铸试块 性能的80%。
发明内容
本发明提供一种;MW风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法，在不用热处理、不添 加合金元素镍(Ni)、利用国内生铁、不采用强制冷却方式的条件下，使铸件本体套样试块性 能达到附铸试块性能的80%，且本体套样试块心部组织球化级别不低于GB/T9441规定的 3级，基体组织以铁素体为主，珠光体量不超过5%，渗碳体不超过1 %，厚大断面(200mm 300mm)区域心部无碎块状石墨存在。本发明还提供用于上述制备方法中的添加剂、球化剂、孕育剂和瞬时孕育剂。所述3丽风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法为，所述低温球铁的元素组成为 C 3. 6-3. 9%;Si 1. 7-2. 5%;Μη :0· 1-0. 3%;Ρ < 0. 045%;S < 0. 02%;Mg :0· 03-0. 06%;剩 余的是Fe和制备过程中由原料携带进去的微量杂质元素；这些微量杂质元素都在0. 01 % 以下，且杂质总量不超过0. 1%，所述低温球铁的制备方法包括以下步骤(1)熔炼；(2)球化和孕育球化剂组成为A型球化剂=Mg 5. 5-6. 5%, Si =44-48%, Ba 2-3%, Ca:l-1.4%，其余为 Fe ；B 型球化剂=Mg 6~7 %, Si =42-45%, RE (即稀土元素) 1.0-1.5%，其中RE中重稀土元素钇的质量百分含量彡50%，其余为Fe ；添加方式为 (65% 75% ) A型球化剂+ (25% 35% ) B型球化剂；球化剂加入总量为-1. 3%;球化 过程中进行随流孕育，孕育剂组成为=Si :72-76%;Ca 1. 5-2. 5%;Ba :8-12%;Α1 <0. 15%； 其余为Fe ；孕育剂加入量为0. 4-0. 8% ；(3)在1300°C -1380°C将上述成分球铁液体混合物浇注到铸型中，浇注过程中采 用随流瞬时孕育方式，瞬时孕育剂组成为=Si 68-75% ；Ca 0. 75-1. 25% ；Bi 1. 5-2. 5% ； Al < 0. 15% ；其余为Fe ；瞬时孕育剂加入量为0. 1-0. 25%。球化剂的添加方式为先将25% 35% B型球化剂放在下部，然后用0.
0.15%的球铁屑覆盖，然后在其上添加65% 75% A型球化剂，然后用IOmm 12mm厚的 钢板覆盖。球化的方式优选为冲入式球化。作为优选方案，球化剂组成为A型球化剂Mg 6. 0-6. 5 %, Si 45 %, Ba 2. 3-2. 6 %, Ca 1. 3-1. 4 %,其余为 Fe ;B 型球化剂:Mg 6. 5-7 %, Si 44 %, RE(Y)
1.4-1. 5%，其余为 Fe ；孕育剂组成为:Si 75% ；Ca 2. 5% ；Ba 8. 1% ；Al < 0. 15% ；其余 为 Fe ；瞬时孕育剂组成为=Si 69% ；Ca 1. 2% ；Bi 2. 4% ；Al < 0. 15% ；其余为 Fe。作为优选方案，将球化、孕育处理后的铁水浇注到铸型中，并采用空冷方式使其在 铸型中缓慢冷却到300 °C以下，从铸型中清理出来。一种低温球铁铸造用添加剂包括球化剂、孕育剂、瞬时孕育剂，所述球化剂组成 为=A 型球化剂=Mg 5. 5-6. 5%, Si =44-48%, Ba 2-3%, Ca :1_1. 4%，其余为 Fe ；B 型球 化剂Mg:6-7%，Si -.42-45%, RE :1. 0-1.5 %，其中RE中重稀土元素钇的质量百分含量彡50%，其余为Fe ;A型球化剂与B型球化剂的质量比为65 35 75 25 ；孕育剂组成 为=Si 72-76% ；Ca 1. 5-2. 5% ；Ba 8-12% ；Al < 0. 15% ；其余为 Fe ；瞬时孕育剂组成为 Si 68-75% ；Ca 0. 75-1. 25% ；Bi 1. 5-2. 5% ；Al < 0. 15% ；其余为 Fe。一种低温球铁铸造用球化剂，其组成为A型球化剂Mg 5. 5-6. 5%,Si =44-48%, Ba 2-3%, Ca :1_1. 4%，其余为 Fe ；B 型球化剂Mg 6-7%, Si 42-45%, RE 1. 0-1. 5%，其 中RE中重稀土元素钇的质量百分含量> 50%，其余为Fe ；A型球化剂与B型球化剂的质量 比为 65 35 75 25。一种低温球铁铸造用孕育剂，其组成为=Si 72-76% ；Ca 1. 5-2. 5% ；Ba 8-12% ； Al < 0. 15% ；其余为 Fe。一种低温球铁铸造用瞬时孕育剂，其组成为=Si 68-75% ；Ca 0. 75-1. 25% ；Bi 1. 5-2. 5% ；Al < 0. 15% ；其余为 Fe。本发明通过控制成分和特定的球化处理、孕育处理工艺达到3MW风电轮毂厚大断 面低温球铁铸件本体铸态材料的要求；添加球化剂、孕育剂，可以改善铸件本体组织，提高 石墨球数和圆整度，提高铁液球化衰退能力，使铸态本体球化率达到85%以上，铁素体含量 达90%以上，使铸件本体试套样块性能达到附铸试块性能的80%。
图1是实施例1所得3MW风电轮毂用低温球铁件最大壁厚处心部本体金相组织照 片(IOOx)。图2是实施例2所得3MW风电轮毂用低温球铁件最大壁厚处心部本体金相组织照 片(IOOx)。
具体实施例方式以下实施例中，所有百分数均为质量百分比。实施例1 本公司生产的大连华锐3MW轮毂铸件(GJS-400-18U-LT材料)无镍低温球铁配方如下C 3. 75-3. 9 % ；Si 2. 0-2. 5 % ； Mn 0. 2-0. 3% ；P < 0. 045% ；S < 0. 02% ；Mg
0.03-0. 06%;剩余的是Fe和制备过程中由生铁等原料携带进去的微量杂质元素，这些微量 杂质元素都在0. 01 %以下，且杂质总量不超过0. 1 %。制备步骤为1)熔炼采用中频感应电炉进行熔炼，物料按生铁(75% 80% )，回炉料 (10% 15% )，废钢(5% 10% ) —定的比例称重后加入电炉中熔炼，熔炼温度为 14800C -1550°C，待铁液温度达1420°C -1460°C后，用冲入法进行球化。采用国内生铁为原 料，不添加镍(Ni)等合金元素。2)、球化和孕育球化剂组分为A型球化剂=Mg -.6.2%, Si 45%, Ba -.2.3%, Ca :1· 3%，其余为 Fe ；B 型球化剂=Mg -.6.5%, Si 44%, RE(Y) :1· 5%，其中 RE(Y)中重稀 土元素钇(Y)的质量百分含量>50%，其余为Fe。球化剂加入总量为熔炼铁水质量的
1.1% -1. 2%，添加方式为70% A型球化剂+30% B型球化剂；添加时先将30% B型球化 剂放在下部，然后用0. 的球铁屑覆盖，然后在其上添加70% A型球化剂，然后用IOmm厚的钢板覆盖。球化过程中进行随流孕育，孕育剂组分为Si 75% ；Ca:2. 5% ；Ba 8. 1 % ；Al <0. 15% ；其余为Fe。孕育剂加入量为熔炼铁水质量的0. 6-0. 8%。3)、浇注和瞬时孕育在1360°C _1380°C将球化、孕育处理后的混合物浇注到铸型 中，浇注过程中采用随流瞬时孕育方式，瞬时孕育剂组分为Si :69%;Ca:1.2%;Bi 2. 4% ； Al :< 0. 15%;其余为Fe ；瞬时孕育剂加入量为熔炼铁水质量的0. 15-0. 25%。待混和铁液 在铸型中以空冷方式缓慢冷却到300°C以下，将铸件从铸型中清理出来。生产检验表明该3MW风电轮毂低温球铁本体套样试块性能，其抗拉强度在350 375MPa，延伸率在10 16%，完全达到了 EN1563标准要求的GJS-400-18U-LT附铸试块性 能要求(要求抗拉强度彡370MPa，延伸率彡12% )的80%，铸件厚大断面处本体心部组织 如图1所示，其石墨球化率达到85%以上，铁素体含量达90%以上，厚大断面区域心部无碎 块状石墨存在，现在该铸件在大批量生产使用，利用该铸件组装的3MW海上风电机组，已经 在我国第一个国家海上风电示范工程_上海东海大桥10万千瓦海上风电场并网发电。实施例2 本公司生产的某公司3丽轮毂铸件(GJS-350-22U-LT材料)无镍低温球铁配方如下C 3. 6-3. 8% ；Si 1. 7-2. 1% ；Mn 0. 15-0. 22% ；P < 0. 045% ；S < 0. 02% ；Mg 0. 03-0. 06%;剩余的是Fe和制备过程中由生铁等原料携带进去的微量杂质元素，这些微量 杂质元素都在0. 01 %以下，且杂质总量不超过0. 1 %。制备步骤为1)熔炼熔炼原料及其过程同实施例1。2)、球化和孕育球化剂组分为A型球化剂Mg:6. 3%，Si 45%, Ba -.2.6%, Ca:1.4%，其余为 Fe ；B 型球化剂=Mg 6. 8%, Si 44%, RE(Y) :1. 4%，其中 RE(Y)中重稀 土元素钇(Y)的质量百分含量>50%，其余为Fe。球化剂加入总量为熔炼铁水质量的 1.0% -1. 05%，添加方式为65% A型球化剂+35% B型球化剂；添加时先将35% B型球化 剂放在下部，然后用0. 12%的球铁屑覆盖，然后在其上添加65% A型球化剂，然后用12mm 厚的钢板覆盖。球化过程中进行随流孕育，孕育剂组分同实施例1，孕育剂加入量为熔炼铁水质量 的 0. 45-0. 6%o3)、浇注和瞬时孕育在1330°C 1350°C将球化、孕育处理后的混合物浇注到铸 型中。在浇注过程中采用随流瞬时孕育方式，瞬时孕育剂组分同实施例1 ；瞬时孕育剂加入 量为熔炼铁水质量的0. 1-0. 15%。待混和铁液在铸型中以空冷方式缓慢冷却到300°C以 下，将铸件从铸型中清理出来。生产检验表明该3MW风电轮毂低温球铁本体套样试块性能，其抗拉强度在300 340MPa，延伸率在13 18%，完全达了 EN1563标准要求的GJS-350-22U-LT附铸试块性能 要求(要求抗拉强度彡320MPa，延伸率彡15% )的80%，铸件厚大断面处本体心部组织如 图2所示，其石墨球化率达到85%以上，铁素体含量达90%以上，厚大断面区域心部也无碎 块状石墨存在，现在该铸件也在大批量生产使用。
权利要求
一种3MW风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法，其特征在于，所述低温球铁的元素组成为C3.6 3.9％；Si1.7 2.5％；Mn0.1 0.3％；P＜0.045％；S＜0.02％；Mg0.03 0.06％；剩余的是Fe和制备过程中由原料携带进去的微量杂质元素；这些微量杂质元素都在0.01％以下，且杂质总量不超过0.1％，所述低温球铁的制备方法包括以下步骤(1)熔炼；(2)球化和孕育球化剂组成为A型球化剂Mg5.5 6.5％，Si44 48％，Ba2 3％，Ca1 1.4％，其余为Fe；B型球化剂Mg6 7％，Si42 45％，RE1.0 1.5％，其中RE中重稀土元素钇的质量百分含量≥50％，其余为Fe；添加方式为(65％～75％)A型球化剂+(25％～35％)B型球化剂；球化剂加入总量为1％ 1.3％；球化过程中进行随流孕育，孕育剂组成为Si72 76％；Ca1.5 2.5％；Ba8 12％；Al＜0.15％；其余为Fe；孕育剂加入量为0.4 0.8％；(3)在1300℃ 1380℃将上述成分球铁液体混合物浇注到铸型中，浇注过程中采用随流瞬时孕育方式，瞬时孕育剂组成为Si68 75％；Ca0.75 1.25％；Bi1.5 2.5％；Al＜0.15％；其余为Fe；瞬时孕育剂加入量为0.1 0.25％。
2.如权利要求1所述的3MW风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法，其特征在于，球化剂 的添加方式为先将25% 35% B型球化剂放在下部，然后用0. 0. 15%的球铁屑覆 盖，然后在其上添加65% 75% A型球化剂，然后用IOmm 12mm厚的钢板覆盖。
3.如权利要求1或2所述的3MW风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法，其特征在于，将 球化、孕育处理后的铁水浇注到铸型中，并采用空冷方式使其在铸型中缓慢冷却到300°C以 下，从铸型中清理出来。
4.如权利要求1或2所述的3MW风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法，其特征在于，球 化剂组成为A 型球化剂=Mg 6. 0-6.5%, Si 45%, Ba 2. 3-2.6%, Ca 1. 3-1. 4%，其余为 Fe ；B 型球化剂=Mg 6. 5-7%, Si 44%, RE(Y) 1. 4-1. 5%，其余为 Fe ；孕育剂组成为=Si 75% ；Ca 2. 5% ；Ba 8. 1 % ;A1 < 0. 15% ；其余为 Fe ；瞬时孕育剂组成为=Si 69% ；Ca 1.2% ；Bi 2. 4% ；Al < 0. 15% ；其余为 Fe。
5.一种低温球铁铸造用添加剂，其特征在于，包括球化剂、孕育剂、瞬时孕育剂，所述球 化剂组成为A 型球化剂=Mg 5. 5-6. 5%, Si =44-48%, Ba 2~3%, Ca 1-1. 4%，其余为 Fe ； B型球化剂Mg :6-7%,Si 42-45%,RE 1. 0-1. 5%，其中RE中重稀土元素钇的质量百分含 量彡50%，其余为Fe ;A型球化剂与B型球化剂的质量比为65 35 75 25 ；孕育剂组 成为=Si 72-76% ；Ca 1. 5-2. 5% ；Ba 8~12% ；Al < 0. 15% ；其余为 Fe ；瞬时孕育剂组成 为=Si 68-75% ；Ca 0. 75-1. 25% ；Bi 1. 5-2. 5% ；Al < 0. 15% ；其余为 Fe。
6.一种低温球铁铸造用球化剂，其特征在于其组成为A型球化剂Mg 5. 5-6.5%, Si 44-48%, Ba 2-3%, Ca :1_1. 4%，，其余为 Fe ；B 型球化剂Mg 6-7%, Si 42-45%, RE 1. 0-1. 5%，其中RE中重稀土元素钇的质量百分含量彡50%，其余为Fe ；A型球化剂与B型 球化剂的质量比为65 35 75 25。
7.一种低温球铁铸造用孕育剂，其特征在于其组成为Si 72-76% ；Ca 1.5-2. 5% ； Ba 8-12% ；Al < 0. 15% ；其余为 Fe。
8.一种低温球铁铸造用瞬时孕育剂，其特征在于其组成为Si 68-75 % ；Ca 0. 75-1. 25% ；Bi 1. 5-2. 5% ；Al < 0. 15% ；其余为 Fe。
全文摘要
本发明涉及3MW风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法及添加剂、球化剂、孕育剂和瞬时孕育剂。所述低温球铁的元素组成为C3.6-3.9％；Si1.7-2.5％；Mn0.1-0.3％；P＜0.045％；S＜0.02％；Mg0.03-0.06％；剩余的是微量杂质元素，所述低温球铁的制备方法包括以下步骤(1)熔炼；(2)球化和孕育球化剂组成为A型球化剂Mg5.5-6.5％，Si44-48％，Ba2-3％，Ca1-1.4％，其余为Fe；B型球化剂Mg6-7％，Si42-45％，Re1.0-1.5％，其余为Fe；球化过程中随流孕育，孕育剂组成为Si72-76％；Ca1.5-2.5％；Ba8-12％；Al＜0.15％；其余为Fe；(3)浇注，浇注过程中随流瞬时孕育，瞬时孕育剂组成为Si68-75％；Ca0.75-1.25％；Bi1.5-2.5％；Al＜0.15％；其余为Fe。
文档编号C22C33/08GK101906566SQ20101025027
公开日2010年12月8日 申请日期2010年8月11日 优先权日2010年8月11日
发明者俞建平, 华永荦, 唐军, 王建宏, 陈柏林, 陈玉芳 申请人:江苏吉鑫风能科技股份有限公司