一种风电用高强韧铸态球墨铸铁及其制备方法 |
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| 申请号 | CN202311246174.1 | 申请日 | 2023-09-26 | 公开(公告)号 | CN117265373A | 公开(公告)日 | 2023-12-22 |
| 申请人 | 内蒙古赛思普科技有限公司; | 发明人 | 张雄伟; 张勇; 白新社; 朱陈瑾杭; 李纯林; 任俊; 王志斌; 朱景川; 顾诗雨; 薛景腾; 曲囡; | ||||
| 摘要 | 一种高强韧的球墨 铸 铁 ，所述球墨 铸铁 的 质量 百分比含量为：C:3.50‑3.70％，Si：3.50‑3.70％，Mn：0.25‑0.30％，Mg：0.01‑0.02％，RE:0‑0.04％，Ni：0‑0.004％，其余为Fe和其他不可避免的杂质元素。本 发明 的高强韧铸态球墨铸铁的强度比工程常用的 风 电用球墨铸铁高出20％，并且具备良好的塑性和一定的低温冲击功，具备大规模工业化应用的潜 力 。本发明的高强韧铸态球墨铸铁通过成分配比达到所需性能，同时通过球化、孕育工艺后进行浇注，无需 热处理 ，节约时间和 能源 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高强韧的球墨铸铁，其特征在于，所述球墨铸铁的质量百分比含量为：C:3.50‑ |
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| 说明书全文 | 一种风电用高强韧铸态球墨铸铁及其制备方法技术领域背景技术[0002] 在国内日益严重的能源供需矛盾和电力需求的推动下，风电行业快速发展，球墨铸铁因其优越的耐磨、减震特性和良好的综合力学性能在风电行业中应用广泛，如风电机组轮毂、底座、齿轮箱壳体、行星架系列铸件。由于风电铸件工作环境的特殊性和轻量化的要求，使得风电用球墨铸铁在具备良好的综合力学性能如高高强度高硬度和良好的塑性的同时，还要具备一定的低温抗冲击能力，使得风电铸件可以在高空低温环境正常服役。同时为了满足风电铸件长寿命的需求，还要求风电用球墨铸铁具备良好的疲劳性能。这使得风电用球墨铸铁件在成分、组织控制上都更复杂和独特。传统方法中，为了提高球墨铸铁的机械性能，往往采用添加合金元素或热处理的方式，但添加的合金元素往往价格昂贵，会大大提高生产成本；而通过热处理改善组织则要耗费大量的时间和能源。因此，为了满足风电铸件轻量化高强韧的要求，亟需研发一种兼具强度和韧性的新型球墨铸铁。发明内容 [0003] 本发明所要解决的技术问题是提供了一种高强韧的球墨铸铁及其制备方法，在兼具高强度与高塑性的前提下，给出具备一定抗冲击性能的球墨铸铁，所述新型球墨铸铁无需进过其他热处理，在铸态下即可实现优异性能，可以更好的进入工业化应用。 [0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下： [0005] 一种高强韧的球墨铸铁，所述球墨铸铁的质量百分比含量为：C:3.50‑3.70％，S i：3.50‑3.70％，Mn：0.25‑0.30％，Mg：0.01‑0.02％，RE:0‑0.04％，N i：0‑0.004％，其余为Fe和其他不可避免的杂质元素。 [0006] 进一步地，所述球墨铸铁的质量百分比含量为：C:3.55‑3.68％，Si： [0007] 3.55‑3.65％，Mn：0.26‑0.28％，Mg：0.012‑0.018％，RE:0.01‑0.03％，Ni：0.001‑0.003％，其余为Fe和其他不可避免的杂质元素。 [0008] 进一步地，所述球墨铸铁的质量百分比含量为：C:3.62％，Si：3.60％，Mn：0.27％，Mg：0.014％，RE:0.02％，N i：0.002％，其余为Fe和其他不可避免的杂质元素。 [0010] 进一步地，所述高强韧的球墨铸铁的组织特征为：石墨球的平均尺寸为18.21μm，2 密度为280个/mm，铁素体晶粒平均尺寸为30.86μm。 [0011] 进一步地，所所述高强韧的球墨铸铁的力学性能为：布氏硬度194.4‑198.4HB，抗拉强度达到495‑503MPa，屈服强度达到405‑410MPa，断后延伸率达到10‑11.0％，室温冲击功4.9J，‑40℃冲击功达到5.0J。 [0012] 进一步地，所述高强韧的球墨铸铁的力学性能为：布氏硬度196.4HB，抗拉强度达到499MPa，屈服强度达到407MPa，断后延伸率达到10.0％，室温冲击功4.9J，‑40℃冲击功达到5.0J。 [0013] 进一步地，提供一种上述高强韧的球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤，熔炼，球化和孕育，浇注；其中熔炼采用中频感应炉熔炼,熔炼时先加入高纯生铁、废钢和增碳剂，逐渐提高输出功率，待原料完全熔化后，依次加入硅铁和锰；球化和孕育包括采用堤坝冲入法，出铁液温度控制在1480‑1500℃，稀土镁硅铁合金球化剂加入量为出铁液重的1.2‑1.5％，球化剂粒度3‑25mm，采用包内孕育法，高钙钡孕育剂加入量为出铁液重的1.2‑ 1.5％，粒度3‑8mm；浇注包括浇注温度控制在1400‑1430℃，快速、平稳连续注入已经预热的模具内。 [0014] 更进一步地，所述稀土镁硅铁合金球化剂为MgA l S i CaRE，其中，S i含量为45％，粒径3‑25mm；高钙钡孕育剂为Al S i CaBa，粒径3‑8mm；增碳剂含碳量90％，粒径1‑5μm。 [0015] 更进一步地，所述各原料的质量百分比为：废钢0.5‑2％、增碳剂0.03‑0.08％、硅铁2‑3％、锰0.15‑0.4％、球化剂1.2‑1.5％、孕育剂1.2‑1.5％，其余为高纯生铁。 [0016] 本发明的优点及效果：本发明的高强韧铸态球墨铸铁的强度比工程常用的风电用球墨铸铁高出20％，并且具备良好的塑性和一定的低温冲击功，具备大规模工业化应用的潜力。本发明的高强韧铸态球墨铸铁通过成分配比达到所需性能，同时通过球化、孕育工艺后进行浇注，无需热处理，节约时间和能源。附图说明 [0017] 图1为本发明的实施例1所述球墨铸铁金相组织‑球墨铸铁石墨相。 [0018] 图2为为本发明的实施例1所述球墨铸铁金相组织‑球墨铸铁基体组织。 具体实施方式[0019] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0020] 以下结合具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的解释和说明。 [0021] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种新型高强韧的球墨铸铁及其制备方法，在兼具高强度与高塑性的前提下，给出具备一定抗冲击性能的新型球墨铸铁，所述新型球墨铸铁无需进过其他热处理，在铸态下即可实现优异性能，可以更好的进入工业化应用。 [0022] 所述高强韧的球墨铸铁的化学成分及质量百分比含量为：C:3.50‑3.70％，S i：3.50‑3.70％，Mn：0.25‑0.30％，Mg：0.01‑0.02％，RE:0‑0.04％，N i：0‑0.004％，其余为Fe和其他不可避免的杂质元素。 [0023] 其中，碳含量的增加可以增加铁素体含量，使硬度降低，改善加工性，并提高韧性；对于石墨相而言，碳元素含量的增加一方面可以促进石墨化，减少渗碳体的产生，从而降低白口倾向，另一方面可以促进镁元素的吸收，改善球化，从而提高球墨铸铁的韧性。但是碳元素含量过高会引起石墨漂浮降低球墨铸铁的力学性能。 [0024] 硅含量的增加可以明显地促进石墨化，以孕育剂的形式添加。对于基体而言，硅含量的增加一方面可以增加铁素体含量减少渗碳体、珠光体和磷共晶，进而降低球墨铸铁的强度和硬度，提高塑性和韧性；另一方面，硅元素的添加可以固溶强化铁素体基体，从而提高球墨铸铁的强度和硬度。 [0025] 锰元素强烈增加渗碳体稳定性，增加白口倾向，可以固溶强化提高基体的强度和硬度，并提高淬透性，但同时具有强烈的偏析作用，会使球墨铸铁的韧性和塑性大大降低，并且降低脆韧转变温度。因此需要控制锰元素的含量。 [0026] 镍元素可以降低共析转变温度，稳定和细化珠光体并且在铁液中无限固溶，强化铁素体基体，提高球墨铸铁的强度；同时，镍元素可以促进石墨化，提高球墨铸铁韧性，并降低其脆韧转变温度。 [0027] 采用60kW中频感应炉熔炼,最高使用温度为1700℃。熔炼前将废钢、高纯生铁等原料切成小块，并进行除锈和烘干，以缩短熔炼时间和控制铁液成分。熔炼时注意加料顺序,先加入高纯生铁、废钢和增碳剂，逐渐提高输出功率，待原料完全熔化后，依次加入硅铁和锰。浇注温度控制在1400‑1430℃，快速、平稳连续注入已经预热的模具内。 [0028] 采用堤坝冲入法，出铁液温度控制在1480‑1500℃，稀土镁硅铁合金球化剂加入量为出铁液重的1.3％，球化剂粒度3‑25mm。采用包内孕育法，高钙钡孕育剂加入量为出铁液重的1.3％，粒度3‑8mm。制备获得所述新型高强韧的球墨铸铁。 [0029] 石墨球的平均尺寸为15.21‑18.21μm，密度为270‑290个/mm2，石墨球较为细小并且石墨球数量较多，有效地提高了球墨铸铁的韧性和塑性，铁素体晶粒平均尺寸为29.86‑31.86μm，在提高强度的同时可以提高球墨铸铁的塑性。 [0030] 实施例1 [0031] 本实施例为新型高强韧球墨铸铁，所述新型高强韧的球墨铸铁的化学成分及质量百分比含量为：C:3.62％，S i：3.60％，Mn：0.27％，Mg：0.014％，RE:0.02％，N i：0.002％。 [0032] 采用60kW中频感应炉熔炼,最高使用温度为1700℃。熔炼前将废钢、高纯生铁等原料切成小块，并进行除锈和烘干，以缩短熔炼时间和控制铁液成分。熔炼时注意加料顺序,先加入高纯生铁、废钢和增碳剂，逐渐提高输出功率，待原料完全熔化后，依次加入硅铁和锰。在浇注前采用堤坝冲入法，出铁液温度控制在1480‑1500℃，加入稀土镁硅铁合金球化剂，球化剂粒度3‑25mm。采用包内孕育法，加入高钙钡孕育剂，粒度3‑8mm。浇注，浇注温度控制在1400‑1430℃，快速、平稳连续注入已经预热的模具内。制备获得高强韧的球墨铸铁。 [0033] 其中废钢主要成分如表1。 [0034] 表1 [0035]C Si Mn P S Fe ≤0.22 ≤0.4 ≤1.4 ≤0.03 ≤0.035 余量 [0036] 高纯生铁成分如表2。 [0037] 表2 [0038] 质量分数/％ C Si Mn Ce Mg Ni Fe高纯高纯生铁 4.12 0.47 0.031 ＜0.0001 0.008 0.009 余量 [0039] 硅铁成分为表3。 [0040] 表3 [0041] 成分/％ Si Al S Ca C P Fe硅铁 72.2 1.20 0.003 0.65 0.03 0.008 余量 [0042] 稀土镁硅铁合金球化剂MgAl S i CaRE，其中，S i含量为45％，粒径3‑25mm。 [0043] 高钙钡孕育剂Al S i CaBa，粒径3‑8mm。 [0044] 增碳剂含碳量90％，粒径1‑5μm。预先测定废钢和高纯生铁中的碳含量，以确定所需的增碳剂量。当高纯生铁和废钢开始熔化，加入增碳剂。加入增碳剂后，为确保其均匀分布，适当搅拌。 [0045] 对所述高强韧的球墨铸铁进行组织表征。使用线切割得到尺寸为10×10×8mm金相试样，依次利用#240、#400、#600的砂纸打磨去除试样表面的线切割痕迹和上一道划痕，磨样过程中控制力度使试样保持受力均匀，并且随着砂纸目数的增加，逐渐减少磨样的力度和时间。磨至表面基本无划痕后，利用抛光机进行抛光处理，抛光剂的规格为W2.5，抛光至在光学显微镜下无明显划痕后进行腐蚀处理，腐蚀液为5％的硝酸酒精溶液，腐蚀时间为30s，腐蚀后进行超声清洗并用吹风机吹干，保证所要观察的试样表面无污痕和水渍。使用金相显微镜观察显微组织，得到晶粒大小、石墨的数量、尺寸和分布等。所述球墨铸铁的金相组织如图1和图2所示。 [0046] 所述高强韧的球墨铸铁的组织特征为：石墨球的平均尺寸为18.21μm，密度为2802 个/mm，石墨球较为细小并且石墨球数量较多，有效地提高了球墨铸铁的韧性和塑性，铁素体晶粒平均尺寸为30.86μm，在提高强度的同时可以提高球墨铸铁的塑性。 [0047] 按照GB/T1348‑2009《球墨铸铁件》在铸件上取样，标距处直径d＝5±0.1mm，标距长度L0＝25mm，平行段长度为Le＝30mm，M12标准螺纹。按照GB/T228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》使用I nstron5500R型电子万能试验机进行拉伸测试，拉伸速度为1mm/min。测试3个试样，试验结果取其平均值。 [0048] 按照GB/T1348‑2009《球墨铸铁件》在铸件上取样，设置10×10×55mm的V型缺口冲击试样。按照GB/T229‑2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》使用上海三思纵横生产的PTM2302‑D1摆锤冲击试验机进行冲击测试，测试温度‑40℃，测试3个试样，试验结果取其平均值。 [0049] 根据国标GB/T231.1‑2018《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》对试样进行布氏硬度试验测试，采用HBS‑3000A型触摸屏数显布氏硬度计，钢球直径2.5mm，负荷187.5kgf，保荷时间12s。试样取不同的位置打5个点，去掉极值后取其平均值作为试验结果。 [0050] 所述新型高强韧的球墨铸铁的力学性能为：布氏硬度196.4HB，抗拉强度达到499MPa，屈服强度达到407MPa，断后延伸率达到10.0％，室温冲击功4.9J，‑40℃冲击功达到 5.0J。 [0051] 实施例2 [0052] 相同制备工艺下，所述新型高强韧的球墨铸铁的化学成分及质量百分比含量为：C:3.55％，S i：3.65％，Mn：0.26％，Mg：0.015％，RE:0.03％，N i：0.002％。所述新型高强韧的球墨铸铁的力学性能为：布氏硬度189.1HB，抗拉强度达到514MPa，屈服强度达到387MPa，断后延伸率达到10.0％，‑40℃冲击功达到4.7J。 [0053] 实施例3 [0054] 相同制备工艺下，所述新型高强韧的球墨铸铁的化学成分及质量百分比含量为：C:3.59％，S i：3.58％，Mn：0.29％，Mg：0.016％，RE:0.03％，N i：0.001％。所述新型高强韧的球墨铸铁的力学性能为：布氏硬度188.7HB，抗拉强度达到536MPa，屈服强度达到395MPa，断后延伸率达到13.8％，‑40℃冲击功达到4.9J。 |
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