风电机组用球墨铸铁性能不达标原因分析

张仲勇，李金梅，赵江涛，史 伟，谈 军

(1.兰州兰石集团有限公司，甘肃 兰州 730314； 2.兰州兰石检测技术有限公司，甘肃 兰州 730314)

现代风力发电技术日趋成熟，风力发电机组正不断向大型化发展，风能发电设备由于其工作时会受到大载荷的作用，所以其各组成部件基本都以铸件为主。风能发电设备所需铸件不仅重量比较大，而且其厚度也较大，最厚的部分达到200 mm，属于厚大断面铸件。风能发电机组的工作环境是比较特殊的(在沙漠、山区及海上)，要求风电轮毂要有很强的抗风沙、耐低温、防盐雾的性能。同时，风能发电机组维修极其困难，并且代价很高，故对其轮毂的内在质量、力学性能要求比一般厚大球铁件更严格，此外还要求铸件耐疲劳强度高，保证10～20年安全运行不维修[1-3]。

球墨铸铁具有较高的强度(最高抗拉强度可达1400 MPa)和较好的韧性(伸长率可高达24%)，与钢材比较，其铸造性能好，生产工艺及设备简单，成本仅为铸钢或锻钢件的1/3～1/2，故其广泛应用在风电机组用大型铸件上，其中作为风电轮毂材质的球墨铸铁牌号多为QT400-18LT和QT350-22LT[4-6]。某厂在生产一批次QT400-18LT时发现力学性能不合格，为探究不合格原因做如下分析。

1 工艺方法

1.1 冶炼工艺

采用0.5 T中频感应电炉熔炼铁液，呋喃冷硬树脂砂造型，主要炉料为低碳、低锰废钢和回炉料，表1是未加入球化剂、孕育剂之前原铁液化学成分。

表1 原铁液化学成分分析结果(质量分数%)

1.2 球化处理

熔炼铁液，将炉温升到1500～1600 ℃，静止几分钟后出炉，利用盖包球化法进行球化，球化剂(风电专用球化剂)总加入量为生铁和低锰碳素废钢总质量的1.6%，并与GB 4138—1993标准中稀土镁合金FeSiMg8Re3复合使用。

1.3 孕育处理

采用两次孕育处理：一次孕育在包底将孕育剂(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。

1.4 热处理

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 h，炉冷至730～750 ℃，保温2～3 h，然后炉冷至600 ℃出炉即可。 退火工艺如图1所示。

2 理化检验

2.1 化学成分检验

铸造风电用球铁的浇注试块从不同位置取样，不同试样化学成分分析结果见表2。

图1 热处理工艺图Fig.1 The diagram of heat treatment process

试样编号CSiMnPSNiCrCuAlQT-13.222.140.250.0350.0110.010.030.010.01QT-23.302.220.250.0330.0110.010.030.010.01QT-33.332.190.250.0390.0120.010.030.010.01QT-43.302.170.250.0370.0120.010.030.010.01QT-53.092.190.250.0370.0130.010.030.010.01

2.2 金相检验结果

风电用球铁的显微组织分析结果见表3，主要对球铁的球化率、石墨大小、铁素体数量、磷共晶数量和碳化物数量进行评级。结果可见：该批次球铁的球化级别4.0～5.0，不满足风电用球铁的要求，其石墨形态及大小，铁素体含量见图2。

2.3 力学性能检验结果

风电用球铁的力学性能见表4，其抗拉强度均不满足标准要求。

3 试验结果分析

风能发电设备的铸件选用球墨铸铁作为其材质，主要是因为球墨铸铁与传统的灰铸铁相比，其金相组织的最大差别在于石墨形状的改善。球墨铸铁中的石墨呈圆球形，避免了灰铸铁中尖锐石墨的存在，因此使石墨对金属基体的切口作用大为减小，基本消除了因石墨而引起的应力集中现象，使得金属基体的强度利用率达到70%～90%，使金属基体的性能得到了很大程度的发挥[7-9]，该批次风电用球铁的力学性能中抗拉强度低于标准要求值，初步分析认为C元素略低，导致石墨数量较少。显微组织上石墨的球化级别不达标，即石墨的圆整度不够，对其力学性能有影响，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。退火态球铁可确保基体全部或大部分为铁素体，且增多石墨数量，保证其石墨粒径减小，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。

表3 风电用QT400-18LT显微组织分析结果

(a) QT-1；(b) QT-2；(c) QT-3；(d) QT-4；(e) QT-5图2 不同试样的铁素体基体和石墨形态Fig.2 The morphology of ferrite matrix and graphite for different samples

表4 风电用QT400-18LT力学性能分析结果

4 结论

该批次风电用球铁的抗拉强度低于标准要求值，显微组织上石墨的球化级别不达标，即石墨的圆整度不够，初步分析认为C元素含量略低，导致基体强度、硬度下降，石墨数量较少，使得其力学性能下降。