厚大斷面QT500-14 風電主機架熔煉工藝實踐及分析

焦 凱，劉 海，張大衛，王敏剛，彭 倩

（1.陜西柴油機重工有限公司 鑄造事業部，陜西咸陽 713105;2.華銳風電科技股份有限公司,北京 100086）

高硅固溶鐵素體球墨鑄鐵是近些年開發并應用的一種新材料，該材料主要牌號有QT500-14、QT600-10，具有優良的抗拉強度、延伸率，較高的屈強比，可實現鑄件的薄壁化、輕量化等[1]，其應用領域較為寬廣，由于兼具高抗拉強度和高延伸率，因而生產相比傳統工藝更為苛刻[2]。

我廠生產的厚大斷面主機架，應用于風電產品，對強度的要求比較高[3]，本文以Si 的固溶強化為機理生產出22t 符合客戶要求的QT500-14 主機架，其產品的毛坯圖如圖1 所示。固溶強化是因為溶質原子的作用，使晶格發生畸變，位錯在畸變的晶格間運動的阻力變大，導致滑移很難進行，因而合金的強度不斷增加，這正是高硅固溶鐵素體球墨鑄鐵的原理。

圖1 鑄件毛坯圖

球墨鑄鐵硬度的均勻性更好，從而具有良好的可加工性，能降低生產成本。但Si 會破壞石墨的形狀，Si 含量的升高，還會造成伸長率的下降[4]，因此本文在厚大斷面QT500-14 風電主機架的熔煉過程中，將對化學成分、澆注溫度等工藝進行不斷改進，以到達客戶要求。

1 產品要求

本廠生產的主機架重量22t，主要壁厚大于100mm，依據表1 歐洲標準EN-GJS-500-14 和表2 客戶對力學性能的要求，進行產品的設計與研發。

表1 歐洲標準對QT500-14 材質力學性能的要求

表2 客戶對QT500-14 主機架力學性能的要求

廠家對金相組織要求：球化率VI+V≥90%，球徑5～7 級，鐵素體≥95%，碳化物和晶間碳化物＜0.5%，如表3 所示，并且主機架不允許出現疏松、縮孔、縮松等缺陷。

表3 廠家對QT500-14 主機架金相組織的要求

2 熔煉工藝

2.1 原材料選擇

依據本廠生產球墨鑄鐵多年的經驗，結合鑄造的基本原理，為了達到預期的化學成分，爐料的配比范圍如表4 所示。

表4 爐料配比 w/%

2.2 主要元素配比

2.2.1 Si

Si 可以使共晶轉變溫度不斷上升，便于鐵水發生穩定系共晶轉變，能有效降低滲碳體的生成，在各種元素中，促進石墨化的能力，僅比C 低，Si含量小于5%時，抗拉強度和硬度與Si 含量呈正相關，但是斷后伸長率隨著硅含量的升高而下降，如圖2 所示。在較小薄鑄件中，Si 的質量分數應選取中限或者上限，厚壁鑄件則需適當降低Si 含量，依據QT500-14 材質的特點結合本廠前期的經驗，最終Si 含量控制在3.15%～3.50%。

圖2 Si 含量與抗拉強度和伸長率的關系

2.2.2 CE 和C

冷卻速度、溫度等工藝條件相同情況下，CE高的鐵水易于析出石墨，使石墨體積分數增加，石墨球數也相應提高，而且隨著CE 的比例不斷提高，鐵水的流動性也會相應改善，能大幅提高產品的鑄造性能，降低鑄件產生縮孔、縮松等缺陷的可能性。生產中發現CE 值在4.4%～4.6%時效果最好，故C 含量控制在3.4%～3.5%之間。

2.2.3 其他微量元素

Mn 原子的擴散遠低于C 原子，導致共析轉變的過冷度升高加長轉變的孕育期，造成避免珠光體轉變的臨界冷速下降，抑制了鐵素體的形成，而且Mn 具有穩定奧氏體的作用，能增加鑄鐵的過冷傾向，促進碳化物的形成，在球墨鑄鐵中，應盡量減少Mn 元素的含量。

P 在球墨鑄鐵中也屬于有害雜質，P 是導致鑄件開裂的主要原因之一，影響材料的韌性和致密性，在鑄鐵中P 是一個容易偏析的元素，當P 含量達到0.05%時，可能形成磷共晶，會增加鑄件脆性，嚴重惡化產品的力學性能，例如在球墨鑄鐵中，P 含量由0.04%提高到0.2%，抗拉強度由800MPa～850MPa，降低到650MPa～700MPa，伸長率由3.5%～4.5%下降到1.5%～2.0%[5]，所以P 的質量分數應小于0.04%。

S 在球墨鑄鐵中屬于有害雜質。在鑄造中與Mn、Mg、Re 等元素具有很強的親和力，容易形成MgS、ReS 等殘渣，阻礙石墨化，降低球化率，加快球化衰退以及形成夾渣等，導致力學性能下降，在球墨鑄鐵的實際生產中，S 含量≤0.025%。

厚大斷面QT500-14 風電主機架屬于高硅固溶強化球墨鑄鐵，依據Si 含量與強度、硬度和伸長率的關系，項目人員數次討論后，采用控制變量法，C 含量保持在3.40%～3.45%，依次提升Si 含量，且每次提升0.05%，該風電主機架的具體化學成分范圍如表5 所示。

表5 主要成分范圍 w/%

2.3 球化及孕育處理

2.3.1 球化處理

球化處理是鑄造過程中處理合金液體的一種工藝，通過加入球化元素，獲得較為良好且呈球狀的石墨，本廠生產中采用沖入法，球化劑的加入量在1.0%～1.3%之間，牌號為QRMG5RE1，對于大型鑄件，鑄件凝固時間超出1h 的裝包，在球化包球化坑側最低部靠包壁側裝0.005%～0.006%的純Sb，之后放入球化劑，球化溫度1440～1470℃。

2.3.2 孕育處理

孕育處理的目的是提升共晶轉變溫度，讓合金依照穩定系進行共晶轉變，避免白口的大量出現，在生產中選用的為鈣鋇系孕育劑，共分三次進行孕育，在包底加入0.2%的孕育劑，出爐約2/3 鐵水待球化反應基本結束時，沖入剩余1/3 鐵水并隨流沖入0.3%～0.4%孕育劑，在澆注期間，往漏斗加入約0.15%特定的孕育劑。

3 試驗結果與分析

3.1 力學性能及宏觀形貌

本廠生產的厚大斷面QT500-14 主機架，其附鑄試樣的C、Si 成分和力學性能如表6 所示，每組試樣各取三根，進行拉伸試驗，結果表明：C 含量在一定范圍內，隨著Si 含量的升高，抗拉強度、屈服強度、硬度不斷升高，延伸率不斷下降；Si 含量在3.40%～3.45%時，試樣的強度最高，且延伸率也符合廠家要求。

表6 附鑄試樣的C、Si 成分和力學性能

采用S5 試樣的化學成分進行生產，檢驗人員對QT500-14 風電主機架進行驗收時發現，鑄件陸續出現縮松、縮孔等缺陷，如圖3 所示。

圖3 鑄件的表面缺陷

進一步分析表明，對于厚大斷面的鑄件，C 含量的降低，Si 含量的升高，會降低鐵水的流動性，導致缺陷的產生，后續在S5 的基礎上，增加了C含量，如表7 所示，并將澆注溫度提升至1375～1385℃之間，其力學性能如表8 所示，均符合EN-GJS-500-14 和客戶的規范要求。

表7 主要成分范圍 w/%

表8 優化工藝后的C、Si 成分和力學性能

3.2 金相組織

隨機選取S1、S5、S6 試樣進行組織觀察，如圖4、5、6 所示，統計結果見表9。三塊QT500-14 風電主機架試樣的球化率均大于90%，球徑為6 級，鐵素體含量≥99%，均符合材質要求，說明設計和優化后的工藝，能生產出沒有鑄造缺陷的厚大斷面QT500-14 主機架。

表9 QT500-14 主機架附鑄試樣金相組織實驗結果

圖4 試樣S1 金相組織

圖5 試樣S5 金相組織

圖6 試樣S6 金相組織

4 結論

（1）通過對化學成分、澆注溫度等工藝進行改進，本廠生產的厚大斷面QT500-14 風電主機架的強度、硬度、延伸率等均滿足了EN-GJS-500-14 和客戶的規范要求。

（2）對于厚大斷面鑄件來說，QT500-14 主機架Si 含量的提高，會產生縮松等缺陷，生產中通過提高C 含量和澆注溫度來避免鑄造缺陷，結果表明C 含量在3.45%～3.50%、Si 含量在3.40%～3.45%的范圍內，且澆注溫度為1375～1385℃，此時鑄件的綜合性能最好。