摘 要：1.5MW 風(fēng)力發(fā)電輪轂鑄件重達(dá) 12t 為大斷面球鐵，材質(zhì)要求 EN GJS400—18LT，要求對(duì)聯(lián)體試塊做-20℃低溫沖擊試驗(yàn)和對(duì)所有關(guān)鍵部位進(jìn)行 UT 探傷，工藝難度極大。主要技術(shù)指標(biāo)如下：σb=395MPa；σ0.2=220MPa；δ=19%；HB145；-20℃低溫沖擊值為：3 個(gè)試樣平均10.50J，最低 10J。球化率 90%，球徑大小 6 級(jí)，鐵素體含量 95%。UT 探傷結(jié)果未發(fā)現(xiàn) 3 級(jí)以上的鑄造缺陷，達(dá)到了DIN EN1563 材料標(biāo)準(zhǔn)的要求和客戶(hù)的驗(yàn)收條件。生產(chǎn)這樣高要求鑄件，關(guān)鍵技術(shù)在于化學(xué)成分的正確選擇；冷鐵的合理采用；球化劑、孕育劑及孕育方法的科學(xué)運(yùn)用。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電輪轂；大斷面球鐵；UT 探傷；低溫沖擊性能
   風(fēng)力發(fā)電利用自然界的可再生能源——風(fēng)能，成為當(dāng)今國(guó)際新能源發(fā)展的流行趨勢(shì)。近年來(lái)，各國(guó)的風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率超過(guò)了 20%，據(jù)預(yù)測(cè)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用將在未來(lái) 30 年內(nèi)都持續(xù)高增長(zhǎng)。大斷面高韌性球鐵在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中獲得廣泛的應(yīng)用，這些鑄件一般采用德國(guó)/歐洲（DIN/EN GJS400-18-LT）材料標(biāo)準(zhǔn)的高韌性球鐵（相當(dāng)于中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) QT400-18AL），鑄件質(zhì)量要求極為嚴(yán)格，目前中國(guó)有一汽錫柴、江陰吉鑫、寧波永祥、寧波日月、大連重工、秦川機(jī)床、陜柴重工、東方汽輪機(jī)、長(zhǎng)城須琦等少數(shù)的企業(yè)成功地開(kāi)發(fā)出此類(lèi)產(chǎn)品，市場(chǎng)處于緊缺狀態(tài)。因此開(kāi)發(fā)風(fēng)電鑄件產(chǎn)品系列具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。
1 風(fēng)力發(fā)電輪轂鑄件要求及生產(chǎn)難點(diǎn)
1.1 風(fēng)力發(fā)電輪轂鑄件的質(zhì)量要求及驗(yàn)收規(guī)范
（1）規(guī)范要求為 DIN/EN GJS400-18-LT 抗低溫沖擊鐵素體球墨鑄鐵，必須帶有 70 ㎜厚度的聯(lián)體試塊供顧客驗(yàn)證，力學(xué)性能要求為：σb＞370MPa、σ0.2＞220MPa、δ＞12%、HB140～180。-20℃低溫沖擊值為：3 個(gè)試樣平均 10J，最低 8J。球化率要求 85%以上；基體中鐵素體＞90%。
（2）風(fēng)力發(fā)電輪轂鑄件要進(jìn)行 100%關(guān)鍵尺寸檢驗(yàn)。
（3）外觀檢磁粉（MT)超聲波（UI)無(wú)損探傷檢驗(yàn)。要求組織致密，縮松等級(jí) 1～3 級(jí)。
1.2 風(fēng)力發(fā)電輪轂工藝技術(shù)的難點(diǎn)
    風(fēng)力發(fā)電輪轂鑄件斷面厚大，冷卻緩慢，金屬液體凝固時(shí)間長(zhǎng)，容易出現(xiàn)球化衰退，且鑄件 3 個(gè)法蘭端面根部的熱節(jié)處很容易產(chǎn)生縮孔、縮松。生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電輪轂球鐵的技術(shù)難點(diǎn)有：
（1）風(fēng)力發(fā)電輪轂鑄件要在 3 個(gè)法蘭端面進(jìn)行 UT 探傷，如何解決鑄件的內(nèi)部縮松；
（2）在厚大斷面保證獲得良好的球化率，避免球化衰退，在鑄態(tài)下獲得鐵素體 90%以上的基體組織；
（3）如何使材料有足夠的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和足夠的延伸率（＞12%）；
(4) 如何保證良好低溫（-20℃）沖擊韌性；
(5) 用最優(yōu)球化孕育處理及微合金化工藝。
2.鑄造工藝的控制原則
  風(fēng)力發(fā)電輪轂的工藝設(shè)計(jì)原則是采用通過(guò)施加冷鐵的方法使鑄件盡可能的獲得同時(shí)凝固，同時(shí)，借助球狀石墨膨脹獲得致密、健全的內(nèi)部組織。為獲得鐵素體基體開(kāi)箱溫度要控制 600℃以下。采取底注式、半封閉式澆注系統(tǒng)。該鑄件重量達(dá) 12t，鐵液總量達(dá) 14t，充型時(shí)間可近似于下式計(jì)算，即充型時(shí)間：T=1/2×S×G1/2=1/2×1.9×140001/2=112s。
3. 風(fēng)力發(fā)電輪轂化學(xué)成份的控制
3.1  風(fēng)力發(fā)電輪轂 C、Si、CE 的選擇
  由于球狀石墨對(duì)基體的削弱作用小，故球墨鑄鐵中石墨數(shù)量的多少，對(duì)力學(xué)性能的影響不顯著，當(dāng)含碳量在 3.3%～3.8%范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)力學(xué)性能無(wú)明顯影響。所以過(guò)程中確定碳硅含量時(shí)，主要考慮保證鑄造性能，將碳當(dāng)量選擇在共晶成分左右，即 4.3%～4.3%。具有共晶成分的鐵液的流動(dòng)性最好，形成集中縮孔的傾向大，鑄件組織的致密度高。
  硅在球墨鑄鐵中對(duì)性能的影響很大，主要表現(xiàn)在硅對(duì)基體的固溶強(qiáng)化作用同時(shí)，硅能細(xì)化石墨，提高石墨球圓整度。球鐵中硅含量的提高，很大程度上提高強(qiáng)度指標(biāo)，降低韌性。球墨鑄鐵經(jīng)過(guò)球化處理過(guò)的鐵液有較大的結(jié)晶過(guò)冷和形成白口傾向，硅能夠減少這種傾向。但是硅量控制過(guò)高，大斷面球鐵中促使碎塊狀石墨的生成，降低鑄件的低溫沖擊韌性，因此，為滿(mǎn)足風(fēng)電鑄件低溫沖擊性能要求，硅應(yīng)控制在 2.2%以下。碳當(dāng)量過(guò)高會(huì)引起石墨漂浮，石墨漂浮層的厚度會(huì)隨著碳當(dāng)量的增加而加厚。碳當(dāng)量太高是產(chǎn)生石墨漂浮的主要原因，但不是唯一的原因，鑄件大小，壁厚、澆注溫度也是一些重要因素，圖 1 是碳當(dāng)量、鑄件壁厚和石墨漂浮三者的關(guān)系。

    圖中表明碳當(dāng)量、鑄件壁厚和石墨漂浮三者的關(guān)系，鑄件壁薄，碳當(dāng)量可以選擇的高一些不會(huì)出現(xiàn)石墨飄浮，相反厚大鑄件的碳當(dāng)量應(yīng)當(dāng)選的低些?？傊籍?dāng)量上限以不出現(xiàn)石墨漂浮為原則，下限不出現(xiàn)滲碳體保證完全球化為準(zhǔn)，在這種前提下，應(yīng)盡可能提高碳當(dāng)量獲得致密的鑄件。
3.2 錳（Mn）
     錳具有嚴(yán)重的正偏析傾向，往往富集于共晶團(tuán)晶界處，促使形成晶間碳化物，顯著降低球墨鑄鐵的韌性。
對(duì)厚大斷面球鐵來(lái)說(shuō)，錳的偏析傾向更嚴(yán)重。同時(shí)錳含量的提高，基體中的珠光體含量提高，所以提高了強(qiáng)度指標(biāo)的同時(shí)，降低韌性。對(duì)高韌性球墨鑄鐵中錳含量控制應(yīng)更嚴(yán)格。因此，對(duì)于厚大鑄件錳的上限控制為Mn＜0.3%。
3.3 磷、硫
    磷在球墨鑄鐵中有嚴(yán)重的偏析傾向，易在晶界處形成磷共晶，嚴(yán)重降低球墨鑄鐵的韌性，磷增大球墨鑄鐵的縮松傾向。要求球墨鑄鐵有高的韌性時(shí)，應(yīng)降磷控制在 0.05%以下，甚至是 0.04%以下。
    球墨鑄鐵中硫與球化元素有很強(qiáng)的化合能力，生成硫化物和硫氧化物，不僅消耗球化劑，造成球化不穩(wěn)定，而且使夾雜物數(shù)量增多，球化衰退速度加快。采用生鐵電爐熔煉，硫可以控制低，通?？梢赃_(dá)到 0.02%以下；當(dāng)原鐵液含硫量大于 0.025%時(shí)，需要進(jìn)行爐內(nèi)脫硫。
3.4 鎂和稀土的含量
    鎂是主要的球化元素，稀土具有脫硫，中和反球化元素，對(duì) Mg 具有保護(hù)作用，提高鐵液的抗衰退能力。但是稀土元素是碳化物形成元素，因此在保證球化良好的情況下盡可能控制稀土的殘留量。RE 殘 0.01%～0.04%；Mg 殘 0.03%～0.06%。
4.生產(chǎn)過(guò)程控制方法
4.1  原材料的選擇
    風(fēng)電低溫球鐵的生產(chǎn)，選擇高純的原材料是非常必要的，原材料中 Si、 S、 Ti 含量要少M(fèi)n、P、（Si＜0.8%，Mn＜0.3%，S＜0.03%，P＜0.04，Ti＜0.04% ），對(duì) Cu、Cr、Mo 等一些合金元素要嚴(yán)格控制含量。由于很多微量元素對(duì)球化衰退最為敏感，如鎢、鈣、銻、錫、鈦、釩等。鈦對(duì)球化影響很大，是反球化元素，應(yīng)嚴(yán)格加以控制。
4.2 球化劑和球化處理
    生產(chǎn)厚大斷面球鐵件時(shí)，為了提高抗衰退能力，在球化劑中加入一定比例的重稀土，這樣既可以保證起球化作用的 Mg 的含量，同時(shí)也可以增加具有較高抗衰退能力的重稀土元素，如釔等。據(jù)有關(guān)資料表明，釔的球化能力僅次于鎂，但其抗衰退能力鎂強(qiáng)得多，且不回硫，釔可過(guò)量加入，高碳孕育良好時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)滲碳體。另外，釔與磷可形成高熔點(diǎn)夾雜物，使磷共晶減少并彌散，從而進(jìn)一步提高球鐵的延伸率。在球化處理時(shí)，為了提高鎂的吸收率，控制反應(yīng)速度及提高球化效果，采用特有的球化工藝。對(duì)球化處理的控制，主要是在反應(yīng)速度上進(jìn)行控制，控制球化反應(yīng)時(shí)間在 2min 左右。對(duì)此采用中低 Mg、Re 和釔基重稀土的復(fù)合球化劑，球化劑的加入量為 1.5%。
4.3 孕育劑和孕育處理
    孕育處理是風(fēng)電輪轂生產(chǎn)的關(guān)鍵，孕育效果決定了石墨球的直徑、石墨球數(shù)和石墨球的圓整度，為了保證孕育效果，孕育處理采用多級(jí)孕育處理。孕育處理越接近澆注，孕育效果越好。從孕育到澆注需要一定的時(shí)間，該時(shí)間越長(zhǎng)，孕育衰退就越嚴(yán)重。為了防止或減少孕育衰退，采取以下措施：（1）使用長(zhǎng)效孕育劑進(jìn)行包內(nèi)孕育，孕育劑加入量為 0.8%；（2）采用特效孕育劑進(jìn)行水口箱瞬時(shí)孕育，加入量為 0.2%。
4.4 澆注工藝控制
   澆注應(yīng)采用快澆，平穩(wěn)注入的原則。為了提高瞬時(shí)孕育的均勻性及防止熔渣進(jìn)入型腔，水口盆的總?cè)萘繎?yīng)與鑄件的毛重相當(dāng)，澆注時(shí)將孕育劑放入水口盆中，將鐵液一次全部注入水口，使鐵液與孕育劑充分混合，扒去表面浮渣，提出水口堵澆注。
5.力學(xué)性能檢驗(yàn)
  澆注后將附鑄試塊切下，做鑄態(tài)金相和理化分析，金相組織中球化級(jí)別達(dá)到 2 級(jí)以上，石墨大小 6 級(jí)以上，鐵素體含量＞90%，抗拉強(qiáng)度及-20℃低溫沖擊韌度檢驗(yàn)均能達(dá)到要求。

6 典型缺陷的形成防止措施
     風(fēng)電類(lèi)鑄件的主要缺陷有球化不良及球化衰退、縮孔（松） 、夾渣。球化不良表現(xiàn)為：集中分布的厚片狀石墨和少量球狀、團(tuán)狀石墨；有時(shí)還有水草狀石墨。隨著球化不良程度的加劇，集中分布的厚片狀石墨的數(shù)量逐漸增多、面積增大。球化衰退的特征是爐前球化良好，在鑄件上球化不好；或者同一包的鐵液，先澆注的鑄件球化良好，后澆注的鑄件球化不好。球化不良及球化衰退將使球墨鑄鐵的力學(xué)性能達(dá)不到鑄件牌號(hào)要求的指標(biāo)。
     縮孔（松）缺陷形成與鑄造工藝及澆注溫度有著明顯而直接的關(guān)系，合理的鑄造工藝及澆冒口一體化補(bǔ)縮，配合一定數(shù)量的外冷鐵，內(nèi)澆口短薄寬與分散引入，配合以合適的澆注溫度和澆注速度是防止縮孔的較為有效的技術(shù)措施。
     風(fēng)電底座的大平面、圓弧面及法蘭面最容易夾渣，風(fēng)電輪轂的底法蘭面也容易夾渣。
     生產(chǎn)中如果鑄態(tài)金相組織合格，力學(xué)性能中個(gè)別數(shù)據(jù)接近要求而不合格，尤其是低溫沖擊韌度，可以通過(guò)對(duì)鑄件及試樣同爐石墨化退火補(bǔ)救。
6.1 球化不良及球化衰退的主要影響因素
    (1)碳當(dāng)量高，原鐵液含硫高：對(duì)于厚壁鑄件，當(dāng)碳當(dāng)量超過(guò)共晶成分時(shí)就有可能產(chǎn)生開(kāi)花狀石墨。生產(chǎn)中大多采用高碳低硅的原則。硫是主要的反球化元素，當(dāng)鐵液中的含硫量太高時(shí)，硫與鎂和稀土生成硫化物，因其密度小而上浮到鐵液表面，而這些硫化物與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)生成硫，硫又回到鐵液，又重復(fù)上述過(guò)程，從而降低了鎂與稀土含量，降低球化效果。除了硫以外，消耗稀土和鎂的微量元素總量是球化合金選擇和加入量的主要依據(jù)，
    (2)球化元素殘余量低：稀土與鎂含量過(guò)低時(shí)，往往產(chǎn)生球化不良或球化衰退現(xiàn)象。
    (3)溫度：中頻爐生產(chǎn)球墨鑄鐵若出現(xiàn)鐵液溫度過(guò)高，鐵液氧化嚴(yán)重，中間合金與鐵液作用激烈，由于鎂與稀土易與氧化物產(chǎn)生還原反應(yīng)，球化元素?zé)龘p嚴(yán)重；使得鎂、稀土含量降低，同時(shí)高溫也將增加鎂的燒損和蒸發(fā)；鐵液溫度太低，球化劑不能熔化和被鐵液吸收，而上浮至鐵液表面燃燒或被氧化。
    (4)滯留時(shí)間：鐵液中鎂的含量是隨孕育處理后停留時(shí)間的增加而減少，其主要原因是因硫及鎂、稀土的氧化與蒸發(fā)造成的。
    球化衰退防止：球化衰退的原因一方面和 Mg、RE 元素有鐵液中逃逸減少有關(guān)，另一方面也和孕育作用不斷衰退有關(guān)，為了防止球化衰退，采取以下措施：（1）鐵液中應(yīng)保持有足夠的球化元素含量；（2）降低原鐵液的含硫量，并防止鐵液氧化；（3）縮短鐵液經(jīng)球化處理后的停留時(shí)間；（4）鐵液經(jīng)球化處理并扒渣后，為防止 Mg、RE 元素逃逸，可用覆蓋劑將鐵液表面覆蓋嚴(yán)，隔絕空氣以減少元素的逃逸。
6.2 防止風(fēng)電鑄件產(chǎn)生球化不良和球化衰退的技術(shù)措施
    (1)嚴(yán)格控制鐵液成分：鐵液的碳當(dāng)量控制在 4.3％以下；原鐵液中的含硫量必須小于 0.015%；
    (2)如果球化劑中球化元素含量不足，加入量不夠，根據(jù)生產(chǎn)條件經(jīng)過(guò)爐前取樣后計(jì)算出稀土、球化劑的加入量。嚴(yán)格掌握鐵液量，防止失控造成出鐵量過(guò)大使球化劑量相對(duì)減少，處理后的球鐵鐵液中稀土鎂的殘留量不應(yīng)過(guò)低，而且一定要使用 H/D 在 1.8 以上的球化包；
    (3)溫度控制，要控制出爐溫度，以防球化劑嚴(yán)重?zé)龘p；裝包質(zhì)量要保證，防止球化劑提前反應(yīng)；鐵液扒渣后應(yīng)用硅酸鋁覆蓋；
    (4)縮短鐵液的停滯時(shí)間，鐵液球化后應(yīng)及時(shí)澆注，從球化處理完畢到澆注結(jié)束時(shí)間不得超過(guò) 10min。
6.3 產(chǎn)生夾渣的影響因素
    (1) 型砂 若型腔表面粘附有多余的砂子或灰塵，它們可與金屬液中的氧化物合成熔渣，導(dǎo)致夾渣產(chǎn)生；砂型的緊實(shí)度低，型壁表面容易被金屬液侵蝕和形成低熔點(diǎn)的化合物，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生夾渣。
    (2)澆注系統(tǒng) 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)具有擋渣功能,使金屬液平穩(wěn)地充填鑄型,避免飛濺及紊流造成的夾渣。
    (3)化學(xué)成份 硅的氧化物是夾渣的主要組成部分，因此含硅量越低，鑄件夾渣越少，但是硅對(duì)鑄件的性能影響較大，如果硅含量越低，則鑄件的低溫沖擊性能越高，而鑄件的抗拉性能越差。硫嚴(yán)重消耗鎂的元素，鐵液中的硫化物是球鐵件形成夾渣缺陷的主要原因之一。硫化物的熔點(diǎn)比鐵液熔點(diǎn)低，在鐵液凝固過(guò)程中，硫化物將從鐵液中析出，增大了鐵液的粘度，使鐵液中的熔渣或金屬氧化物等不易上浮。而鐵液中硫含量太高時(shí)鑄件易產(chǎn)生夾渣，因此殘余鎂和稀土不應(yīng)太高。
    (4)澆注溫度 生產(chǎn)中澆注溫度太低是引起夾渣的主要原因之一。
6.4 防止風(fēng)電類(lèi)鑄件產(chǎn)生夾渣的技術(shù)措施
(1) 控制鑄型緊實(shí)度，合箱時(shí)應(yīng)吹凈鑄型中的砂子。
(2) 澆注系統(tǒng)要使鐵液流動(dòng)平穩(wěn)，并且設(shè)有集渣包和擋渣裝置(如濾渣網(wǎng)等)，避免直澆道沖砂。
(3) 嚴(yán)格控制鐵液成分：盡量降低鐵液中的含硫量，防止形成氧化鎂雜質(zhì)。
(4) 澆注溫度：過(guò)熱溫度必須達(dá)到 1500℃，適宜的靜置，以利于非金屬夾雜物的上浮、聚集。球化孕育處理完畢后扒干凈鐵液表面的渣子，鐵液表面放上覆蓋劑，防止鐵液氧化。選擇合適的澆注溫度。

7.常規(guī)生產(chǎn)中容易忽視的幾個(gè)問(wèn)題
(1)重視冒口補(bǔ)縮，忽視外冷鐵的激冷及內(nèi)澆口對(duì)鑄型的過(guò)熱；
(2)重視熔化，忽視冶煉；
(3)重視球化處理，忽視孕育處理，忽視球化處理后到澆注的時(shí)間控制；
(4)重視球化劑、孕育劑、增碳劑的計(jì)量，忽視原鐵液計(jì)量準(zhǔn)確；
(5)重視提高球化率，忽視細(xì)化石墨提高石墨球數(shù)；
(6)重視澆注溫度控制，忽視澆注時(shí)間及澆注速度控制，澆注最好以大流量低流速。

8.結(jié)論
  在鑄態(tài)下對(duì) 70 ㎜壁厚的附鑄試塊進(jìn)行檢驗(yàn)，獲得結(jié)果如下：基體組織基本為鐵素體，球化等級(jí)為Ⅱ級(jí)，球徑大小為 6 級(jí)；力學(xué)性能參數(shù)達(dá)到了 EN 1563 材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定得 EN GJS400-18LT 的材質(zhì)牌號(hào)要求；UT 探傷結(jié)果也符合 EN 12680-3-2003 的標(biāo)準(zhǔn)要求。性能參數(shù)：σb =395MPa、σ0.2=220MPa、δ=19%、HB145；-20℃低溫沖擊值為：3 個(gè)試樣平均 10.50J，最低 10J。
  對(duì)于電爐合成鑄鐵生產(chǎn)，由于不用生鐵原材料只是碳素廢鋼、晶體石墨增碳劑采購(gòu)，管理相對(duì)容易，增碳劑、球化劑、孕育劑選擇要求與電爐非合成球鐵生產(chǎn)相同，由于電爐的溫度化學(xué)成份容易控制，對(duì)于一般鑄造工廠(chǎng)，降低生產(chǎn)高韌性球鐵的技術(shù)難度，減少了球化不良的多種影響因素，提高了合格率，降低了生產(chǎn)綜合成本，提高了生產(chǎn)效益。