兆瓦级风电高强高韧-30℃低温球墨铸铁件的制备方法
【专利摘要】本发明属于铸铁【技术领域】，具体涉及一种兆瓦级风电高强高韧-30℃低温球墨铸铁件的制备方法。本发明的方法不用热处理、不添加合金元素镍、利用国内生铁、不采用特定稀土球化剂的条件下，通过合理的成分控制，添加一种微量元素Sb，在相对较低的球化、孕育处理成本下，得到附铸试块既满足-30℃冲击韧性，又满足GJS-400-18U-LT拉伸性能，且铸件本体套样性能达到附铸试块性能的80％的兆瓦级风电铸件。本发明填补了国内无-30℃GJS-400-18U-LT材质的低温韧性的空白。
【专利说明】兆瓦级风电高强高韧-30°C低温球墨铸铁件的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于铸铁【技术领域】，具体涉及一种兆瓦级风电高强高韧低温(_30°C)球墨铸铁件的制备方法。
【背景技术】
[0002]从2006至今兆瓦级风机已成为国内风电市场的主流机型，而风电铸件多为厚大部件，已由原来的几吨增加到十几吨甚至几十吨，制造难度加大。风力发电机一般安装在海边或沙漠等多风地带，这些地方多属于高寒地区，且要求风机平稳运行工作20年，因此对铸件的低温性能和内部组织具有很高的要求。普通球墨铸铁的低温冲击韧性较低，在寒冷的环境中易发生脆性断裂，不适合风电配件。
[0003]铁素体基体球铁的特性是随着温度的下降，球铁的抗拉、屈服强度会逐步上升，但冲击功却急剧下降。对于球墨铸铁件要求低温冲击韧性，国内、国外一般采用GB1348-2009和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。随着近几年风电行业的发展，要求_20°C冲击韧性的GJS-400-18U-LT材质铸件，要在更低温度的风场使用-即要求材料_30°C低温冲击韧性，因此迫切需要开发一种既满足-30°C冲击韧 性，又满足GJS-400-18U-LT拉伸性能的材料。生产这样性能要求的低温大型球铁件存在很大的技术难度，国内尚无GJS-400-18U-LT的_30°C低温要求的球铁，而-30°C低温区占整个低温区一半以上，因此开发-30°C低温要求的球墨铸铁材料有一定的经济和实用价值。
[0004]现有技术中，为满足低温球铁冲击韧性和内部组织结构，国内一般采用热处理的方式。该方法的缺点是:风电铸件结构复杂、尺寸较大，热处理设备要求高，且热处理时易变形、能耗大、生产周期长、成本高。另外，加镍是最有效的提高冲击功的方式，而且还不降低抗拉强度。国内外均有厂家采用加Ni生产此类低温球铁件。但是，目前镍价昂贵，资源紧缺，加Ni使得总成本提高。
[0005]目前已有科研院所在实验室获得耐低温(_40°C)球墨铸铁，单铸试块抗拉强度不低于400MPa，伸长率不低于18%，-40°C下的标准V型缺口试样的冲击功不小于12J。但是，这些研究成果仅限于实验室产品。在实际生产应用时，铸件的重量都在I吨左右，壁厚在30mm左右，因此这些研究成果未能在重量超过5吨，壁厚超过60mm的铸件上获得成功。
[0006]中国发明专利CN200510022689.9，发明名称为“铸态无Ni低温球铁铸造大型高韧部件的方法”，该方法对3MW产品发现厚大断面存在碎块状石墨，不能满足力学要求。
[0007]中国发明专利CN201010250274.8，发明名称为“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”，该方法是达到_40°C低温冲击韧性的GJS-400-18U-LT材料，需特定的球化剂，该球化剂中稀土的成分、含量要求很严格，成本较高，所以并不适合要开发的兆瓦级风电高强高韧低温(_30°C)球墨铸铁件的生产。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种工艺操作简单、成本低廉的兆瓦级风电高强高韧低温(-30 0C )球铸铁件制备方法。
[0009]本发明的技术方案是提供一种风电用低温(_30°C)球铁铸件GJS-400-18U-LT材质的制备方法，在不用热处理、不添加合金元素镍(Ni)、利用国内生铁、不采用特定稀土球化剂的条件下，通过合理的成分控制，添加一种微量元素Sb，在相对较低的球化、孕育处理成本下，得到附铸试块(按标准70mm*70mm*170mm)既满足_30°C冲击韧性(单个> 7J，三个平均≥10J),又满足GJS-400-18U-LT拉伸性能(抗拉强度≥370MPa,屈服强度≥240MPa，延伸率> 12%)，且铸件本体套样性能能达到附铸试块性能的80%的兆瓦级风电铸件。
[0010]本发明通过控制成分和球化处理、二次孕育处理工艺制备满足低温(_30°C)要求的GJS-400-18U-LT材质。本发明适用于风电大型铸件，满足其_30°C的低温冲击性能要求。
[0011]本发明提供了一种兆瓦级风电高强高韧-30°C低温球墨铸铁件的制备方法，该方法以生铁为材料，球墨铸铁材料的元素组成=C: 3.7~3.90wt%, S1: 1.9~2.20wt%,Mn ( 0.20wt%, P ( 0.035wt%, S ≤ 0.020wt%, Sb:0.001-0.0030wt%,Mg:0.03~0.050wt%，其余为Fe和制备过程中产生的杂质；
[0012]所述的球墨铸铁材料的制备方法包括以下步骤:
[0013]A)熔炼:控制出铁水温度为1420~1460°C ；
[0014]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:Mg5-7wt%，Si40-50wt%，其余为铁；球化剂的加入量为1.(Tl.5wt% ;球化处理温度:1420~1460°C ；
[0015]C) 一次孕育:采用硅钙钡孕育剂，成分配方是:Si70-80wt%;Cal.5-2.5wt%，Ba8-12wt%，其余为铁；孕育剂加入量为0.4-1.0wt% ;在球化反应开始后加入；
[0016]D) 二次孕育:采用含铋孕育剂，成分配方是:Si65_75wt%，Bi0.5-2.5%，其余为铁；孕育剂加入量为0.10-0.15wt% ;在浇注时随流加入。
[0017]所述的球墨铸铁材料的制备方法还包括以下步骤:
[0018]E)造型:采用树脂砂工艺铸造，保证充足的吃砂量；
[0019]F)浇注:控制浇注温度在131(T138(TC，保证浇注速度平稳；
[0020]G)冷却:确保铸件在型内缓慢冷却，开箱温度控制在< 400°C，开箱后空冷。
[0021]本发明具有以下有益效果；
[0022]通过对本发明方法制备得到的产品测试，其本体抗拉强度在365~380MPa，延伸率在12~16%，_30°C冲击功平均值在IOJ以上，本体性能达到了 EN1563标准要求的GJS-400-18U-LT附铸试块性能的80%以上的要求，且石墨球化率达到90%以上，铁素体含量达90%以上；而且不需要特定的含稀土成分的球化剂，成本低廉，在MW级风电大型铸件中运用成功，填补了国内无_30°C GJS-400-18U-LT材质的低温韧性的空白。
【具体实施方式】
[0023]下面结合本发明的实施例对本发明的实施作详细说明，以下实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0024]实施例1:为新疆金风科技股份有限公司制作的球墨铸铁件一1.5MW定轴、轴套、轮毂、底座[0025]以生铁为材料，球墨铸铁材料的元素组成:C: 3.7-3.9wt%，S1: 1.9-2.2wt%,Mn ( 0.2wt%, P% ( 0.035wt%, S% ( 0.02wt%, Sb:0.0015-0.002wt% ;Mg 的残余含量
0.03-0.045wt%，剩余的是铁和制备过程中产生的杂质。
[0026]上述配方的球墨铸铁材料，首先熔炼，控制出铁水温度为1420~1460°C。之后球化处理，球化剂的配方是Mg5-7wt%，Si40-50wt%，其余为铁，球化剂的加入量1.(Tl.2wt%，球化处理温度为1420~1460°C。
[0027]球化反映开始后加入硅钙钡孕育剂，成分配方是:Si70_80wt%，Cal.5-2.5wt%，Ba8-12%，其余为铁，加入量为0.4-0.8wt% ;球化处理后，在1350 V至1380 V之间将所述铁液浇铸到铸型中，并在浇注过程中加入含铋孕育剂，成分配方是:Si65-75wt%，Bi0.5-2.5wt%，其余为铁；加入量为0.10-0.15wt%，在浇注时随铁水流加入。
[0028]浇注结束后在砂型中缓慢冷却到350-400°C从铸型中清出。所述冷却的速度最好是10-20 0C /分钟。
[0029]生产表明，采用本实施例方法制备得到的1.5MW定轴、轴套、轮毂、底座产品，性能稳定达到EN1563中GJS-400-18U-LT的强度要求及_30°C低温冲击韧性要求。铸件辅助试块性能:抗拉强度370-380MPa，屈服强度240_260MPa，延伸率13_17%，_30°C低温冲击韧性，单个大于8J，平均大于11J，且本体套样性能，抗拉强度大于310MPa，屈服强度大于210，延伸率大于10%。
[0030]实施例2:为新疆金风科技股份有限公司制作的球墨铸铁件一2.5MW轮毂、底座
[0031]球墨铸铁材料的元素组成:C:3.7-3.9wt%, S1: 1.9-2.lwt%, Mn ( 0.2wt%,P% ( 0.035wt%, S% ( 0.02wt%, Sb:0.001-0.002wt% ;球化剂的加入量为 1.0-1.3% ;球化反应开始后加入孕育剂，孕育剂的加入量为0.5-1.0wt% ;其它同实施例1。
[0032]通过本实施例方法制备得到的2.5丽轮毂、底座产品，性能稳定达到EN1563中GJS-400-18U-LT的强度要求及_30°C低温冲击韧性要求，且本体套样性能大于辅助试块要求的80%，适用于_30°C低温风场风电高强高韧铸件的性能要求。铸件辅助试块性能:抗拉强度370-380MPa，屈服强度240_260MPa，延伸率13_17%，_30°C低温冲击韧性，单个大于8J，平均大于llj。本体套样性能，抗拉强度大于310MPa,屈服强度大于210,延伸率大于10%。
[0033]实施例3:本发明制备方法和现有技术的比较
[0034]表1:本发明制备方法和现有技术的比较
[0035]
【权利要求】
1.一种兆瓦级风电高强高韧-30°C低温球墨铸铁件的制备方法，该方法以生铁为材料，其特征在于，球墨铸铁材料的元素组成:c: 3.7~3.90wt%, S1: 1.9~2.20wt%,Mn ( 0.20wt%, P ^ 0.035wt%, S ( 0.020wt%, Sb:0.001-0.0030wt%, Mg: 0.03~0.050wt%，其余为Fe和制备过程中产生的杂质； 所述的球墨铸铁材料的制备方法包括以下步骤: A)熔炼:控制出铁水温度为1420~1460°C； 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:Mg5-7wt%，Si40-50wt%，其余为铁；球化剂的加入量为1.(Tl.5wt% ;球化处理温度:1420~1460°C ； C)一次孕育:采用硅钙钡孕育剂，成分配方是:Si70-80wt% ；Cal.5-2.5wt%，Ba8-12wt%，其余为铁；孕育剂加入量为0.4-1.0wt% ;在球化反应开始后加入； D)二次孕育:采用含铋孕育剂，成分配方是:Si65-75wt%，Bi0.5-2.5%，其余为铁；孕育剂加入量为0.10-0.15wt% ;在浇注时随流加入。
2.根据权利要求1所述的一种兆瓦级风电高强高韧_30°C低温球墨铸铁件的制备方法，其特征在于，所述的球墨铸铁材料的制备方法还包括以下步骤: E)造型:采用树脂砂工艺铸造； F)浇注:控制浇注温度在1310-l380°C； G)冷却:确保铸件在型内缓慢冷却，开箱温度控制在≤400°C，开箱后空冷。
【文档编号】C22C37/10GK103898396SQ201210572877
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年12月26日 优先权日:2012年12月26日
【发明者】华永荦, 闫兴义, 万曙雄, 陈玉芳, 陈柏林 申请人:江苏吉鑫风能科技股份有限公司, 新疆金风科技股份有限公司