提高風電輪轂鑄造機械性能的研究

楊 棟 尹黨育

陜西柴油機重工有限公司 陜西 咸陽 713105

概述

該輪轂鑄件材料要求是高韌性球墨鑄鐵件,毛重10t左右,壁厚100 mm-200mm,機械性能要求高,必須滿足兩種材料牌號:QT350-22AL的低溫沖擊及QT400-18AL的抗拉強度,且這兩者為相互矛盾的關系。其次鑄件壁厚較厚,厚大部位冷卻速度緩慢,對既要保證低溫沖擊,又要保證抗拉強度的機械性能提出了更高的技術難題。

1 輪轂鑄件技術文件機械性能要求見表1

表1 輪轂技術文件要求的機械性能

結合表1、表2、表3的要求可以看出,該輪轂鑄件的機械性能要求,均超出球墨鑄鐵件GB/T1348-2009中的要求,這給我們實際生產操作過程中帶來了不小的難度。

2 首批次鑄件熔煉工藝

2.1 按照鑄件技術要求并結合以往經驗,熔煉生產工藝如下:原鐵水化學成分:C:3.75%-3.85%,Si:0.85%-0.95%,Mn:0.16-0.24%,P≤0.03%,S≤0.024%,Ti≤0.04%,Cr、Cu、Ni、Mo均不大于0.04%。

2.2 球化孕育:采用沖入法進行球化,球化劑加入量1.31%；采用覆蓋、隨流沖入二次孕育,孕育劑加入量0.72%。

2.3 原材料配比:生鐵65%,回爐料25%,廢鋼10%。

2.4 熔煉設備:采用10t中頻感應和5t電爐進行同時熔煉。

3 首批次試制結果分析

在首批次試制生產階段,抗拉強度及-40℃低溫沖擊不符合技術要求。對-40℃低溫沖擊不符合要求的鑄件進行石墨化退火后,經過試驗,-40℃低溫沖擊數據滿足技術要求。但多增加了一道熱處理生產工序,降低了生產效率、增加了生產成本。因此,必須保證在鑄態生產條件下獲得機械性能合格的鑄件。通過表2各項機械性能數據,并對主要影響因素進行分析,總結出各項參數的最佳控制范圍。

3.1 Si元素分析 Si元素對低溫沖擊、抗拉強度都有很大影響。提高其加入量,使抗拉強度變高,但會降低-40℃低溫沖擊值；降低其加入量,使-40℃低溫沖擊值提高,但會降低抗拉強度。根據檢測實際數據得出,終Si含量≥2.0%時,-40℃沖擊值低于10J；終Si含量＜1.95%時,抗拉強度低于370MPa。為此合適的終Si含量應控制在1.95%-2.0%之間。

3.2 Mn元素分析 根據檢測實際數據得出,Mn元素從0.14%提高至0.24%,抗拉強度未見增加,-40℃低溫沖擊值卻明顯降低,因此Mn元素對-40℃低溫沖擊數據有很大影響,降低Mn元素加入量明顯會提高低溫沖擊。

3.3 基體組織分析 根據檢測實際數據得出,隨著基體珠光體P 含量增加,抗拉強度也會增加、低溫沖擊值下降。當珠光體P含量＞5%時,低溫沖擊值迅速降低。因此,珠光體P含量必須控制在5%以下。

4 熔煉工藝優化

4.1 Si元素最佳范圍 因為Si元素對抗拉強度、低溫沖擊都有很大影響,終Si元素最佳含量應控制在1.95%-2.0%之間,波動范圍越小越好,所以原鐵水Si元素最佳含量應控制在0.75%-0.85%之間,同時配合孕育加入量的變化。

4.2 Mn元素分析 結合以上內容分析得出,Mn元素對低溫沖擊是具有破壞性影響,因此將其含量由0.14%-0.24%降至0.1%-0.15%。

4.3 增加瞬時孕育 在準備澆注前,將0.2%粒度為0.2-0.7mm 的孕育劑放入澆口杯中,增強孕育效果,促進石墨化,減少珠光體P含量。

4.4 原材料 由于原材料中有許多不利于低溫沖擊的微量元素,所以在生產中要選用雜質含量少的原材料進行使用,來保證鐵液純凈度。為了使機械性能達到技術要求,應使用低Si、低Mn高純生鐵,回爐料使用同牌號回爐料,加入的廢鋼也用高級優質碳鋼。

5 優化熔煉工藝效果驗證

按照優化后的熔煉工藝小批量投產了10件,機械性能在鑄態下完全滿足技術要求。最后又連續批產輪轂100 件,鑄態機械性能合格率達到94%。

6 結論

通過對熔煉生產工藝分析和優化,風電輪轂鑄造機械性能得到全面改善,各項機械性能都符合圖紙要求。