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 起促进石墨核心质点等作用,另一方面单质C 与铁液中的硅氧化物反应生成CO 等气体上浮,带走内部的炉渣等夹渣物,起净化铁液作用。

在配料计算方面,使用office软件中的excel 程序,结合各类元素的实际吸收率编辑公式计算,快捷准确,为整个配料减少误差,保持产品质量的稳定性。

三．耐低温球铁液的过热处理各种炉料按一定的比例进行熔炼,有一个主要工艺就是过热处理,其目的就是消除炉料的遗传性,关于铁液的遗传性主要表现在①炉料结构信息的保留，如C 原子种类、颗粒粗细以及不均匀性等。

如果废钢,白口铸铁多时,则白口倾向增大,是因为FeC 分子被保留下来作为核心的缘故,同样,如果生铁中含有粗大石墨的生铁,未彻底熔化的C 原子集团会促使粗大石墨的析出,无形中增大了孕育效果的困难,致使石墨数量大大减少,最终影响铸件力学性能②成分遗传效应：炉料中的Pb 、TI 、Sn 、Sb、As等微量元素以及Ni.Cu.Cr.Mo.V…等合金元素会发生各种遗传效应,如强碳化物形成元素促使铸件收缩、裂纹、白口倾向增大，微量表面活性元素会产生特殊形状的石墨,如水草型,蝌蚪型等; 气体元素H、N容易形成气孔等。

③物理特征的保存：如粘度、表面张力、凝固时的白口、收缩、气孔、裂纹倾向等都可能存在遗传。

炉料中的这些金属结构组织及成分信息的遗传因子或载体遗传下来形成弥散质点成为潜在的结晶核心,这些核心与石墨结晶的核心质点有着很大的差异,势必造成石墨形态的变异,降低球化率,减少石墨数量。

过热处理实际操作一般选择1500一1520 ℃,保温时间一般在5min左右,从而使铁液的熔体结构发生明显变化,微观均匀性明显提高。

四．耐低温球铁用球化剂、孕育剂的合理选择目前生产风电铸件使用的球化剂和孕育剂基本特点是高镁、低稀土,用在壁厚60-200mm规格的大吨位铸件的一般是钇基重稀土,而用在壁厚30 -60mm 规格的小吨位铸件的则是轻稀土。

依据大量生产实际反馈的信息, 球化剂的成分中Mg、RE、Ca 的范围应在0.5% 的偏差,Si的范围应在2% 的偏差,同时还应注重Mg 、RE 、Ca等元素与Si 元素比例关系,使Mg、RE 、Ca等元素的氧化物最小,尤其是MgO 要低,实际可以控制MgO/Mg 比值<=0.1 ,还有就是Ba 元素的应用,大量的生产验证,含Ba 的球化剂比不含Ba 的球化剂反应更平稳,抗球化衰退时间更长,更重要的是反应后炉渣更易于扒掉。

球化剂生产企业尽可能使用盖板、组合模具、石墨涂料、SiC涂料等设施,使球化剂自身密度大、致密无疏松、无气孔、无夹渣物等,从而使实际使用中吸收率稳定,长期稳定球化效果。

合金的粒度从各个生产企业的情况来看,大致有5-25mm 、5 -30mm等粒度分布,哪种粒度最合适这与处理包的大小、处理的温度有很大关系,一般小包小粒度,大包大粒度,处理温度高时,粒度应小些,其原则就是粒度的分布使其紧实后堆积密度最大,从而使起爆延缓,较小的粒度在反应过程中上浮的速度相对缓慢,从而提高Mg 元素的吸收率,减少加人量。

合金的形状应是多面体形,最佳是球状,主要使合金难于熔化,破碎工艺是机械式的,各种形状都有,压力成型的椭圆球状、立体圆柱的球化剂就是此目的。

五．耐低温球铁液的处理温度从球化反应角度来讲,处理温度愈低愈好,但针对于重量在8-10t ,壁厚在60 -200mm的叶片轮毂来说,最佳的球化处理温度在1450 -1460 ℃,这样的温度一方面使Mg 元素有最大的吸收率,另一方面使铁液在浇注时有良好的充型能力,一般推荐浇注温度在1340 -1360 ℃之间比较合适,在某生产齿轮箱小风电铸件的企业,因采用消失模造型工艺,考虑到消失模生产的特殊性,采取的球化处理温度在1500 - 1510℃,因而选择的球化剂、孕育剂的成分与粒度也和生产叶片轮毂所选用的有所差异,生产的铸件力学性能中抗拉强度特别高,而延伸率就相对于树脂砂造型低一些、但低温冲击韧性能一直很好并且很稳定。

在实际生产中,依据铸件的壁厚状况、不均匀程度,熔炼设备与造型浇注的距离等等因素,采取最佳的球化处理温度,从而保证优良而稳定的球化率和石墨数量。