一种耐低温耐腐蚀风电球墨铸铁件的制备方法

申请专利技术交底书一、发明创造名称：一种耐低温耐腐蚀风电球墨铸铁件的制备方法二、现有技术存在的问题：现有的风电球墨铸铁产品耐低温性能一般只能满足零下40度以下要求；风电产品常年在野外加之近些年酸雨的侵蚀，锈蚀较严重，风机的耐腐蚀性能较差，其使用寿命大大缩短。三、发明目的：解决了零下60度环境下风电球墨铸铁产品的冲击值不低于零下40环境下球墨铸铁风电产品的冲击值，使目前的风电球墨铸铁产品在超低温环境下的安全性能大幅提高，提高极恶劣低温环境下风电产品球墨铸铁风电产品的安全性；同时加入一定量的合金镍使风电球墨铸铁产品的耐腐蚀性能大幅提高，其使用寿命得到很大提高。四、发明内容：见以下文章的生产制备详细过程描述内容。一种耐低温耐腐蚀风电球墨铸铁的制备方法鲍玉龙;经喜东风力发电产业的快速发展,对低温冲击特性球墨铸铁的需求越来越大。根据目前增长趋势，到2020年，中国总装机容量可达1亿KW，可见风力发电行业方兴未艾。由于风力发电设备多建于海边和沙漠等多风低温地带，长期裸露空气中易受风雨腐蚀氧化，在要求球墨铸铁具有低温性能的同时，也应具有耐腐蚀性能，以提高风电产品的安全系数和使用寿命。我们制备的能够耐零下60度低温、同时就有耐腐蚀性能的球墨铸铁风电产品，大大超过了高寒地区风电球墨铸铁产品对于低温性能和耐腐蚀性能的要求。球墨铸铁的低温性能主要是通过控制原材料、冶炼球化工艺、孕育工艺、化学成分、热处理工艺等手段来实现；球墨铸铁的球铁耐腐蚀性主要是通过加入某些合金的方式来达到提高铸件的防锈、防腐蚀性能。1、化学成分分析由于在不同温度下铁素体基体球铁冲击韧性指标明显高于珠光体球铁，所以若想达到所要求的低温冲击韧性首先要保证基体为全铁素体，因此要适当提高铁素体形成元素（如C、Si、Ca、Ba及Bi）的含量；对于促进或细化珠光体元素（如Mn、Ti、Cu、Cr、Mo）要严格限制，而对于P、S两个元素的含量也应越低越好，一般S含量要求小于0.020%，P含量要求小于0.040%。而要想使铸件具有一定的防锈性能，就要加入一定的Ni，加入适当的镍不仅能够提高低温环境下铸件的强度和韧性，还使铸件具有一定的防腐蚀性能。1.1Mn、Cu、Si的含量对低温冲击韧性的影响及分析Mn对球铁冲击韧性和脆性转变温度都有特别不利的影响，w(Mn)含量每提高0.1%，脆性转变温度提高10-12℃1；Cu虽然是中性元素，增加珠光体体积分数的作用不明显，但随着w(Cu）量的增加，球铁脆性转变温度升高，冲击韧度下降；Si是强烈的促进石墨化元素，有利于增加铁素体体积分数，但w(Si）含量每提高0.1%，脆性转变温度就提高5.5-6.0℃2，因此低温冲击球铁中的w(Si）含量一般控制在1.7-2.1%最好。1.2P、S含量对低温冲击韧性的影响及分析P在铸铁中多以磷共晶形式存在，由于磷共晶熔点低，在铸铁凝固过程中一直保持液态，不断被共晶团排挤，最后在共晶团边界凝固，因此会急剧恶化球铁力学性能；P还能显著提高球铁的脆性转变温度，w(P）量每提高0.01%，球铁脆性转变温度提高4-5℃，当w(P）量超过0.16%时，脆性转变温度已在室温以上，冲击端口出现脆断2。实践表明，在铸铁中脱P是很难的，只有采购低w(P）量的原材料来降低球铁件的w(P)量。S是最主要的反球化元素，使用球化剂的目的之一就是降低w(S）量,所以在原材料和成品中w(S）量越低越好，w(P）的量最好低于0.040%，w(S）的量最好低于0.020%。1.3一定含量的Ni对球铁铸件的作用及分析由于低温冲击性球铁的铁素体含量要求大于95%，这样导致在低温环境下球铁的强度降低，在球铁中加入1-1.5%含量的Ni能大大提高铸件在低温环境下保持一定的强度和硬度，还能降低脆性转变温度，且在共晶团内分布均匀，不会因偏析而使共晶团边界脆化；同时对提高铸件的耐腐蚀性能也起到很好的作用，由于Ni在氧化性气氛中的热力学稳定性高，属于易钝化金属，溶于基体可降低基体与石墨的电位差，减小腐蚀电流，改善材料的耐蚀性，故加入适量的Ni有利于提高低温高韧性球铁的抗盐雾、酸雨腐蚀性能3。2、原材料选择2.1生铁的选择耐低温冲击球铁对原材料要求非常严格，生产中必须选用高纯生铁，Si、Mn、P、S的含量越低越好要求满足w(Si）1.0%，w(Mn）0.2%,，w(S）0.02%,w(P）0.04%,为控制干扰元素，需对生铁中微量元素总量（∑T）加以限制，我国目前一般规定：∑T≤0.1%，其中w(Ti）≤0.045%，本生产采用本溪Q10(一级）生铁完全满足上述要求。2.3废钢的选择选择成分稳定的低锰碳素钢，w(Mn）的含量最好低于0.30%，严格控制Cr、Mo、W、V等碳化物形成元素的含量，以免对材料的低温韧性产生影响，一般厚度5mm，必须无锈蚀、油漆油污。2.3球化剂的选择对于厚大断面的风电铸件，浇铸过程时间长，凝固慢，为防止球化衰退，必须加入适量球化效果好、抗衰退能力强的钇基重稀土球化剂（球化剂总用量的50%即可），并与GB4138-1993稀土镁合金FeSiMg8Re3复合使用，效果更佳，球化剂总加入量为处理铁液的1.5-1.8%。2.4孕育剂的选择为强化孕育效果，采用两次孕育过程，都选用无锡永新合金球铁厂生产的硅钡孕育剂，孕育剂的加入量为0.8-1.0%左右，其中包底一次孕育量为0.7-0.9%，二次孕育随流孕育量0.10-0.15%，其成分检见表2。表2球化剂孕育剂化学成分wB(%)材料MgRECaBaSiBi球化剂6-70.5-1.51.5-2.51.5-2.540-45-孕育剂---2-344-500.1-0.22.5Ni合金的选择选用Ni含量为99.9-99.99%的Ni板。2生产制备详细过程描述1）熔炼处理过程采用本溪Q10生铁（加入比例为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的的70%）及低锰碳素废钢（加入比例为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的30%）进行生产，采用增碳剂（加入比例占废钢总量的4%）增碳、镍板（加入比例为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的1-1.5%）等调整铁液成分。使用盖包法进行球化和孕育处理。铁水采用高温熔炼（1500-1550℃），低温（1350-1310℃）浇注；浇铸前将球化剂放在球化包的堤坝一侧，其上覆盖加入比例为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量0.8%的孕育剂，扒平后用废钢板压紧，浇铸时用特制漏斗随流加入比例为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的0.10-0.15%、粒度为0.2-1mm的孕育剂，控制原铁液及铸件的化学成分如表3所示范围：表3原铁液及铸件的化学成分wB(%)材料CSiMnPSNiMgRe原铁液3.7-3.90.7-1.10.20.0350.0201-1.5----铸件3.5-3.81.7-2.10.20.0350.0151-1.50.035-0.0550.01-0.022）球化处理按上述表中铁液化学成分要求熔炼铁液，达到要求后，将炉温升到1500-1550℃，静止2分钟后出炉，利用盖包球化法进行球化，球化剂总加入量为为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的1.6%。对于厚大断面（一般大于100毫米）的风电铸件，浇铸过程时间长，凝固慢，为防止球化衰退，必须加入适量球化效果好、抗衰退能力强的DY-5钇基重稀土球化剂（其用量为加入比例为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的0.8%），并与GB4138-1993稀土镁合金FeSiMg8Re3（其用量为加入比例为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的0.8%）复合使用，效果更佳。盖包球化法工艺稳定，保证球化效果，石墨体积减小，数量明显增多，分布均匀，并且更加圆整。同时还具有一下有点：①镁的吸收率高（大于50%）。②减少球化后铁液中的含硫量，减少铸件中偏析倾向和微量夹杂物的含量。③减少球化剂的用量，减少生产成本。要注意残余镁的含量，镁虽可以使墨圆整，球数增加，减缓球化衰退，但也会加大铸件收缩和脆性，因此w(Mg残）量应保证球化不产生衰退的前提下越低越好，根据笔者多年经验，w(Mg残）量控制在0.035-0.055%较为适宜。3）孕育处理采用两次孕育处理：一次孕育在包底将孕育剂（加入量为加入比例为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的0.8%）覆盖在球化剂表面，上面用钢板遮盖；二次孕育采用浇注过程中的随流孕育（孕育剂加入量为加入比例为Q10生铁和低锰碳素废钢总质量的0.1%）。孕育的实质是脱硫、脱氧，并形成异质晶核。采用两次孕育,第一次孕育采用3-8mm的含Ba与Ca孕育剂；浇铸过程中再用0.2-0.7mm的含Ba和Bi的孕育剂随流孕育，孕育量虽少，但效果极佳，既可改善断面中心部位的球化状况，又使得球径变小，球数增多，经过二次孕育，球墨数量能达到≥200个/mm2。随着石墨数量增加，低温冲击值也显著提高，当球墨数量≥250个/mm2时，退火态的-40℃低温冲击韧性值约为铸态的的3倍2。4）热处理过程耐低温冲击球铁件必须保证全铁素体基体，即珠光体体积分数需稳定控制在小于5%，才能达到低温冲击韧性的要求，所以必须通过热处理的方式来解决。退火态球铁基体全部为铁素体，随着石墨数量增多，石墨粒径减小，碳在共析转变时向熔体扩散的行经缩短，铁素体晶粒细小，韧性得到提高；同时石墨数量增多，石墨周围铁素体的碳含量低，塑性增强，基体硬度下降。另外，较高的石墨球数量能够减弱碳化物的形成趋势，在一定程度上也能够提高铁素体球铁低温冲击韧性，这也就是我们一直强调要增加球墨数量的重要原因之一。为了消除铸态组织中的少量或微量的渗碳体，必须进行高温、低温两个阶段石墨化退火。高温阶段全部奥氏体化、消除自由渗碳体，低温阶段由奥氏体转变为铁素体。石墨化退火过程为将试样升温至920-940℃，保温2-3小时，炉冷至730-750℃，保温2-3小时，然后炉冷至600℃出炉即可。退火工艺如图1所示：5）试验结果（1）试验结果化学分析结果如下：化学成分检测结果wB(%)编号编号项目CSMnPSiMgRENi13.550.0120.150.0262.050.0500.0151.4423.600.0130.160.0281.950.0450.0171.3533.500.0130.150.0282.080.0420.0161.40（.2）金相检验结果如图2、图3球化级别为2级，球化个数250个/mm2，热处理后基体组织珠光体5%。图2球化金相照片(100×)图3基体组织金相照片(100×)（3）机械性能结果如表依据金属材料室温拉伸试验方法GB/T228-2002，进行机械性能试验机械性能试验结果6）分析讨论若想生产出合格的耐低温耐腐蚀风电球铁件，首先要控制好原材料，一定要选择低硫、低磷的生铁，并且生铁和废钢中的微量元素含量一定要低；其次铁液中的C、Si、Mn、Mg、RE等元素的含量一定要控制在合适范围内，加入一定含量的镍合金，尽量降低其他元素的含量，选用适合的球化剂及孕育剂，辅以相应的球化孕育工艺；最后辅以适当的热处理手段保证铁素体体积分数。只要严格逐步地按工艺操作，生产出合格的耐低温耐腐蚀球铁风电产品是没有问题的。原材料主要成分含量编号项目项目抗拉强度N/mm2屈服强度N/mm2延伸率%硬度HBW-60℃冲击值(V型缺口）J/cm2结论123平均值13802782516412131312.3合格23902752416611131312.0合格33882652316813121212.3合格名称元素C%Si%S%P%Mn%Mg%Re%Ba%Ca%REONiQ10生铁4.380.850.0190.0350.07------回炉料3.582.580.0120.0270.21------废钢0.190.350.0140.0220.28------镍板------------99.99-99.999FeSiMg8Re3球化剂-44-48---7-81.3-3----DY-5钇基重稀土球化剂-43-48---71-22-33.2-4-高效硅钡孕育剂-45-48-----2-31.5-2--净化剂Ca30-35%CaO45-50%Al