專利名稱：3mw風電輪轂用低溫球鐵鑄件的制備方法及鑄造用添加劑、球化劑、孕育劑和瞬時孕育劑的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種3MW風電輪轂用低溫球鐵鑄件的制備方法及其鑄造用添加劑、球 化劑、孕育劑、瞬時孕育劑，屬于金屬鑄造領域。
背景技術：
風能作為一種清潔能源和綠色能源，在歐、美國家已經被廣泛應用，并且風力發電 技術也已經成熟。我國從04年開始大力發展風力發電技術，未來風電的主要發展方向是大 功率(3麗及以上機組)和海上風電。預計在2015年前將保持每年15%的增長速度。目前 大功率風電機組的制造存在如下問題1、低溫球鐵鑄造厚大斷面高韌部件，典型的是核乏燃料球鐵容器、大功率風電機 組和一些礦山設備等，此類鑄件工作條件十分惡劣，對鑄件的韌性和低溫性能要求極其嚴 格。隨著風電設備向大功率的方向發展，單件重量從最初的幾噸發展到如今的幾十噸，最大 斷面由最初的十幾毫米發展到如今的幾百毫米。此類鑄件除了要保證附鑄試塊的基本低溫 性能外，還必須保證鑄件本體的低溫性能和內部組織結構。例如3MW風力發電機的輪轂鑄 件，重量約16T，最大壁厚約300mm，對球鐵本體的低溫性能和內部組織結構要求很高。2、對于球墨鑄鐵件要求低溫沖擊韌性，國外一般采用EN1563標準，材料為要 求-20°C沖擊韌性的GJS-400-18U-LT和要求_40°C沖擊韌性的GJS-350-22U-LT。國內采 用GB1348-2009材料標準，材料為_20°C沖擊韌性的QT400-18AL和要求_40°C沖擊韌性的 QT350-22AL。鑄件本體試塊組織球化級別不低于GB/T9441規定的4級，但由于風電鑄件的 特殊性，要求本體套樣試塊組織球化級別不低于GB/T9441規定的3級，基體組織以鐵素體 為主，珠光體量不超過5%，滲碳體不超過1 % ；要求本體套樣試塊性能不低于附鑄試塊性能 要求的80%。3、為達到鑄件本體試塊的強度、低溫沖擊性能和組織要求，國外一般采用加鎳 (Ni) 0. 4 2 %生產此類低溫球鐵件，如丹麥和印度的廠商在生產大功率厚大斷面球鐵風 電鑄件時加入鎳(Ni)O. 4 2%。但目前鎳價昂貴，且資源緊缺。4、為提高低溫球鐵鑄件本體試塊的沖擊韌性和內部組織結構；國內一般采用熱處 理的方式，但對于3MW風電輪轂鑄件結構復雜、尺寸較大，熱處理時易變形、能耗大、生產周 期長、成本高。5、國外廠商大都采用加拿大生鐵和澳洲生鐵，其微量元素和有害元素均比國內生 鐵低很多，這在提高低溫球鐵鑄件性能和組織結構方面，具有先天優勢。6、還有一些廠商為提高鑄件本體組織的石墨球化率，提高鐵素體含量，采用強制 冷卻的方法，如在鑄型中通冷卻水或壓縮空氣，或利用激冷冷鐵。如國內某生產核乏燃料球 鐵容器企業在鑄型中通冷卻水，可以加快冷卻速度，提高本體組織的球化率和基體組織中 鐵素體含量。但3MW風電輪轂鑄件結構復雜，造型工藝復雜，因此不利于采用強制冷卻的方 法，而且強制冷卻的方法安全風險較大。由于鑄件結構較大，利用冷鐵進行激冷等方式的成本也較高。7、中國專利ZL200510022689. 9鑄態無Ni低溫球鐵鑄造大型高韌部件的方法，在 用于3MW風電輪轂時，發現在鑄件厚大斷面(200mm 300mm)區域的心部存在碎塊狀石墨， 球化率低于GB/T9441規定的3級，鑄件厚大斷面區域的本體套樣試塊性能達不到附鑄試塊 性能的80%。
發明內容
本發明提供一種;MW風電輪轂用低溫球鐵鑄件的制備方法，在不用熱處理、不添 加合金元素鎳(Ni)、利用國內生鐵、不采用強制冷卻方式的條件下，使鑄件本體套樣試塊性 能達到附鑄試塊性能的80%，且本體套樣試塊心部組織球化級別不低于GB/T9441規定的 3級，基體組織以鐵素體為主，珠光體量不超過5%，滲碳體不超過1 %，厚大斷面(200mm 300mm)區域心部無碎塊狀石墨存在。本發明還提供用于上述制備方法中的添加劑、球化劑、孕育劑和瞬時孕育劑。所述3麗風電輪轂用低溫球鐵鑄件的制備方法為，所述低溫球鐵的元素組成為 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和制備過程中由原料攜帶進去的微量雜質元素；這些微量雜質元素都在0. 01 % 以下，且雜質總量不超過0. 1%，所述低溫球鐵的制備方法包括以下步驟(1)熔煉；(2)球化和孕育球化劑組成為A型球化劑=Mg 5. 5-6. 5%, Si =44-48%, Ba 2-3%, Ca:l-1.4%，其余為 Fe ；B 型球化劑=Mg 6~7 %, Si =42-45%, RE (即稀土元素) 1.0-1.5%，其中RE中重稀土元素釔的質量百分含量彡50%，其余為Fe ；添加方式為 (65% 75% ) A型球化劑+ (25% 35% ) B型球化劑；球化劑加入總量為-1. 3%;球化 過程中進行隨流孕育，孕育劑組成為=Si :72-76%;Ca 1. 5-2. 5%;Ba :8-12%;Α1 <0. 15%； 其余為Fe ；孕育劑加入量為0. 4-0. 8% ；(3)在1300°C -1380°C將上述成分球鐵液體混合物澆注到鑄型中，澆注過程中采 用隨流瞬時孕育方式，瞬時孕育劑組成為=Si 68-75% ；Ca 0. 75-1. 25% ；Bi 1. 5-2. 5% ； Al < 0. 15% ；其余為Fe ；瞬時孕育劑加入量為0. 1-0. 25%。球化劑的添加方式為先將25% 35% B型球化劑放在下部，然后用0.
0.15%的球鐵屑覆蓋，然后在其上添加65% 75% A型球化劑，然后用IOmm 12mm厚的 鋼板覆蓋。球化的方式優選為沖入式球化。作為優選方案，球化劑組成為A型球化劑Mg 6. 0-6. 5 %, Si 45 %, Ba 2. 3-2. 6 %, Ca 1. 3-1. 4 %,其余為 Fe ;B 型球化劑:Mg 6. 5-7 %, Si 44 %, RE(Y)
1.4-1. 5%，其余為 Fe ；孕育劑組成為:Si 75% ；Ca 2. 5% ；Ba 8. 1% ；Al < 0. 15% ；其余 為 Fe ；瞬時孕育劑組成為=Si 69% ；Ca 1. 2% ；Bi 2. 4% ；Al < 0. 15% ；其余為 Fe。作為優選方案，將球化、孕育處理后的鐵水澆注到鑄型中，并采用空冷方式使其在 鑄型中緩慢冷卻到300 °C以下，從鑄型中清理出來。一種低溫球鐵鑄造用添加劑包括球化劑、孕育劑、瞬時孕育劑，所述球化劑組成 為=A 型球化劑=Mg 5. 5-6. 5%, Si =44-48%, Ba 2-3%, Ca :1_1. 4%，其余為 Fe ；B 型球 化劑Mg:6-7%，Si -.42-45%, RE :1. 0-1.5 %，其中RE中重稀土元素釔的質量百分含量彡50%，其余為Fe ;A型球化劑與B型球化劑的質量比為65 35 75 25 ；孕育劑組成 為=Si 72-76% ；Ca 1. 5-2. 5% ；Ba 8-12% ；Al < 0. 15% ；其余為 Fe ；瞬時孕育劑組成為 Si 68-75% ；Ca 0. 75-1. 25% ；Bi 1. 5-2. 5% ；Al < 0. 15% ；其余為 Fe。一種低溫球鐵鑄造用球化劑，其組成為A型球化劑Mg 5. 5-6. 5%,Si =44-48%, Ba 2-3%, Ca :1_1. 4%，其余為 Fe ；B 型球化劑Mg 6-7%, Si 42-45%, RE 1. 0-1. 5%，其 中RE中重稀土元素釔的質量百分含量> 50%，其余為Fe ；A型球化劑與B型球化劑的質量 比為 65 35 75 25。一種低溫球鐵鑄造用孕育劑，其組成為=Si 72-76% ；Ca 1. 5-2. 5% ；Ba 8-12% ； Al < 0. 15% ；其余為 Fe。一種低溫球鐵鑄造用瞬時孕育劑，其組成為=Si 68-75% ；Ca 0. 75-1. 25% ；Bi 1. 5-2. 5% ；Al < 0. 15% ；其余為 Fe。本發明通過控制成分和特定的球化處理、孕育處理工藝達到3MW風電輪轂厚大斷 面低溫球鐵鑄件本體鑄態材料的要求；添加球化劑、孕育劑，可以改善鑄件本體組織，提高 石墨球數和圓整度，提高鐵液球化衰退能力，使鑄態本體球化率達到85%以上，鐵素體含量 達90%以上，使鑄件本體試套樣塊性能達到附鑄試塊性能的80%。
圖1是實施例1所得3MW風電輪轂用低溫球鐵件最大壁厚處心部本體金相組織照 片(IOOx)。圖2是實施例2所得3MW風電輪轂用低溫球鐵件最大壁厚處心部本體金相組織照 片(IOOx)。
具體實施例方式以下實施例中，所有百分數均為質量百分比。實施例1 本公司生產的大連華銳3MW輪轂鑄件(GJS-400-18U-LT材料)無鎳低溫球鐵配方如下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和制備過程中由生鐵等原料攜帶進去的微量雜質元素，這些微量 雜質元素都在0. 01 %以下，且雜質總量不超過0. 1 %。制備步驟為1)熔煉采用中頻感應電爐進行熔煉，物料按生鐵(75% 80% )，回爐料 (10% 15% )，廢鋼(5% 10% ) —定的比例稱重后加入電爐中熔煉，熔煉溫度為 14800C -1550°C，待鐵液溫度達1420°C -1460°C后，用沖入法進行球化。采用國內生鐵為原 料，不添加鎳(Ni)等合金元素。2)、球化和孕育球化劑組分為A型球化劑=Mg -.6.2%, Si 45%, Ba -.2.3%, Ca :1· 3%，其余為 Fe ；B 型球化劑=Mg -.6.5%, Si 44%, RE(Y) :1· 5%，其中 RE(Y)中重稀 土元素釔(Y)的質量百分含量>50%，其余為Fe。球化劑加入總量為熔煉鐵水質量的
1.1% -1. 2%，添加方式為70% A型球化劑+30% B型球化劑；添加時先將30% B型球化 劑放在下部，然后用0. 的球鐵屑覆蓋，然后在其上添加70% A型球化劑，然后用IOmm厚的鋼板覆蓋。球化過程中進行隨流孕育，孕育劑組分為Si 75% ；Ca:2. 5% ；Ba 8. 1 % ；Al <0. 15% ；其余為Fe。孕育劑加入量為熔煉鐵水質量的0. 6-0. 8%。3)、澆注和瞬時孕育在1360°C _1380°C將球化、孕育處理后的混合物澆注到鑄型 中，澆注過程中采用隨流瞬時孕育方式，瞬時孕育劑組分為Si :69%;Ca:1.2%;Bi 2. 4% ； Al :< 0. 15%;其余為Fe ；瞬時孕育劑加入量為熔煉鐵水質量的0. 15-0. 25%。待混和鐵液 在鑄型中以空冷方式緩慢冷卻到300°C以下，將鑄件從鑄型中清理出來。生產檢驗表明該3MW風電輪轂低溫球鐵本體套樣試塊性能，其抗拉強度在350 375MPa，延伸率在10 16%，完全達到了 EN1563標準要求的GJS-400-18U-LT附鑄試塊性 能要求(要求抗拉強度彡370MPa，延伸率彡12% )的80%，鑄件厚大斷面處本體心部組織 如圖1所示，其石墨球化率達到85%以上，鐵素體含量達90%以上，厚大斷面區域心部無碎 塊狀石墨存在，現在該鑄件在大批量生產使用，利用該鑄件組裝的3MW海上風電機組，已經 在我國第一個國家海上風電示范工程_上海東海大橋10萬千瓦海上風電場并網發電。實施例2 本公司生產的某公司3麗輪轂鑄件(GJS-350-22U-LT材料)無鎳低溫球鐵配方如下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和制備過程中由生鐵等原料攜帶進去的微量雜質元素，這些微量 雜質元素都在0. 01 %以下，且雜質總量不超過0. 1 %。制備步驟為1)熔煉熔煉原料及其過程同實施例1。2)、球化和孕育球化劑組分為A型球化劑Mg:6. 3%，Si 45%, Ba -.2.6%, Ca:1.4%，其余為 Fe ；B 型球化劑=Mg 6. 8%, Si 44%, RE(Y) :1. 4%，其中 RE(Y)中重稀 土元素釔(Y)的質量百分含量>50%，其余為Fe。球化劑加入總量為熔煉鐵水質量的 1.0% -1. 05%，添加方式為65% A型球化劑+35% B型球化劑；添加時先將35% B型球化 劑放在下部，然后用0. 12%的球鐵屑覆蓋，然后在其上添加65% A型球化劑，然后用12mm 厚的鋼板覆蓋。球化過程中進行隨流孕育，孕育劑組分同實施例1，孕育劑加入量為熔煉鐵水質量 的 0. 45-0. 6%o3)、澆注和瞬時孕育在1330°C 1350°C將球化、孕育處理后的混合物澆注到鑄 型中。在澆注過程中采用隨流瞬時孕育方式，瞬時孕育劑組分同實施例1 ；瞬時孕育劑加入 量為熔煉鐵水質量的0. 1-0. 15%。待混和鐵液在鑄型中以空冷方式緩慢冷卻到300°C以 下，將鑄件從鑄型中清理出來。生產檢驗表明該3MW風電輪轂低溫球鐵本體套樣試塊性能，其抗拉強度在300 340MPa，延伸率在13 18%，完全達了 EN1563標準要求的GJS-350-22U-LT附鑄試塊性能 要求(要求抗拉強度彡320MPa，延伸率彡15% )的80%，鑄件厚大斷面處本體心部組織如 圖2所示，其石墨球化率達到85%以上，鐵素體含量達90%以上，厚大斷面區域心部也無碎 塊狀石墨存在，現在該鑄件也在大批量生產使用。
權利要求
一種3MW風電輪轂用低溫球鐵鑄件的制備方法，其特征在于，所述低溫球鐵的元素組成為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和制備過程中由原料攜帶進去的微量雜質元素；這些微量雜質元素都在0.01％以下，且雜質總量不超過0.1％，所述低溫球鐵的制備方法包括以下步驟(1)熔煉；(2)球化和孕育球化劑組成為A型球化劑Mg5.5 6.5％，Si44 48％，Ba2 3％，Ca1 1.4％，其余為Fe；B型球化劑Mg6 7％，Si42 45％，RE1.0 1.5％，其中RE中重稀土元素釔的質量百分含量≥50％，其余為Fe；添加方式為(65％～75％)A型球化劑+(25％～35％)B型球化劑；球化劑加入總量為1％ 1.3％；球化過程中進行隨流孕育，孕育劑組成為Si72 76％；Ca1.5 2.5％；Ba8 12％；Al＜0.15％；其余為Fe；孕育劑加入量為0.4 0.8％；(3)在1300℃ 1380℃將上述成分球鐵液體混合物澆注到鑄型中，澆注過程中采用隨流瞬時孕育方式，瞬時孕育劑組成為Si68 75％；Ca0.75 1.25％；Bi1.5 2.5％；Al＜0.15％；其余為Fe；瞬時孕育劑加入量為0.1 0.25％。
2.如權利要求1所述的3MW風電輪轂用低溫球鐵鑄件的制備方法，其特征在于，球化劑 的添加方式為先將25% 35% B型球化劑放在下部，然后用0. 0. 15%的球鐵屑覆 蓋，然后在其上添加65% 75% A型球化劑，然后用IOmm 12mm厚的鋼板覆蓋。
3.如權利要求1或2所述的3MW風電輪轂用低溫球鐵鑄件的制備方法，其特征在于，將 球化、孕育處理后的鐵水澆注到鑄型中，并采用空冷方式使其在鑄型中緩慢冷卻到300°C以 下，從鑄型中清理出來。
4.如權利要求1或2所述的3MW風電輪轂用低溫球鐵鑄件的制備方法，其特征在于，球 化劑組成為A 型球化劑=Mg 6. 0-6.5%, Si 45%, Ba 2. 3-2.6%, Ca 1. 3-1. 4%，其余為 Fe ；B 型球化劑=Mg 6. 5-7%, Si 44%, RE(Y) 1. 4-1. 5%，其余為 Fe ；孕育劑組成為=Si 75% ；Ca 2. 5% ；Ba 8. 1 % ;A1 < 0. 15% ；其余為 Fe ；瞬時孕育劑組成為=Si 69% ；Ca 1.2% ；Bi 2. 4% ；Al < 0. 15% ；其余為 Fe。
5.一種低溫球鐵鑄造用添加劑，其特征在于，包括球化劑、孕育劑、瞬時孕育劑，所述球 化劑組成為A 型球化劑=Mg 5. 5-6. 5%, Si =44-48%, Ba 2~3%, Ca 1-1. 4%，其余為 Fe ； B型球化劑Mg :6-7%,Si 42-45%,RE 1. 0-1. 5%，其中RE中重稀土元素釔的質量百分含 量彡50%，其余為Fe ;A型球化劑與B型球化劑的質量比為65 35 75 25 ；孕育劑組 成為=Si 72-76% ；Ca 1. 5-2. 5% ；Ba 8~12% ；Al < 0. 15% ；其余為 Fe ；瞬時孕育劑組成 為=Si 68-75% ；Ca 0. 75-1. 25% ；Bi 1. 5-2. 5% ；Al < 0. 15% ；其余為 Fe。
6.一種低溫球鐵鑄造用球化劑，其特征在于其組成為A型球化劑Mg 5. 5-6.5%, Si 44-48%, Ba 2-3%, Ca :1_1. 4%，，其余為 Fe ；B 型球化劑Mg 6-7%, Si 42-45%, RE 1. 0-1. 5%，其中RE中重稀土元素釔的質量百分含量彡50%，其余為Fe ；A型球化劑與B型 球化劑的質量比為65 35 75 25。
7.一種低溫球鐵鑄造用孕育劑，其特征在于其組成為Si 72-76% ；Ca 1.5-2. 5% ； Ba 8-12% ；Al < 0. 15% ；其余為 Fe。
8.一種低溫球鐵鑄造用瞬時孕育劑，其特征在于其組成為Si 68-75 % ；Ca 0. 75-1. 25% ；Bi 1. 5-2. 5% ；Al < 0. 15% ；其余為 Fe。
全文摘要
本發明涉及3MW風電輪轂用低溫球鐵鑄件的制備方法及添加劑、球化劑、孕育劑和瞬時孕育劑。所述低溫球鐵的元素組成為C3.6-3.9％；Si1.7-2.5％；Mn0.1-0.3％；P＜0.045％；S＜0.02％；Mg0.03-0.06％；剩余的是微量雜質元素，所述低溫球鐵的制備方法包括以下步驟(1)熔煉；(2)球化和孕育球化劑組成為A型球化劑Mg5.5-6.5％，Si44-48％，Ba2-3％，Ca1-1.4％，其余為Fe；B型球化劑Mg6-7％，Si42-45％，Re1.0-1.5％，其余為Fe；球化過程中隨流孕育，孕育劑組成為Si72-76％；Ca1.5-2.5％；Ba8-12％；Al＜0.15％；其余為Fe；(3)澆注，澆注過程中隨流瞬時孕育，瞬時孕育劑組成為Si68-75％；Ca0.75-1.25％；Bi1.5-2.5％；Al＜0.15％；其余為Fe。
文檔編號C22C33/08GK101906566SQ20101025027
公開日2010年12月8日 申請日期2010年8月11日 優先權日2010年8月11日
發明者俞建平, 華永犖, 唐軍, 王建宏, 陳柏林, 陳玉芳 申請人:江蘇吉鑫風能科技股份有限公司