冷铁对QT500-14 试块理化性能的影响

赵伟龙，毛成荣

（1.宁波日星铸业有限公司，浙江 宁波 315702；2.日月重工股份有限公司，浙江 宁波 315113）

0 引言

风电铸件的材质常采用球墨铸铁，但由于大断面球墨铸铁由于厚大部位冷却速度慢，出现石墨球化不良、珠光体数量偏高等不良组织[1-3]，通常通过增加冷铁的方式解决此类问题，而选择冷铁的种类基本都是根据以前的生产经验。早在2020年，东风精密铸造有限公司对熔模铸造中选用的铸铁冷铁、不锈钢冷铁、石墨冷铁和复合涂层冷铁的使用工艺做了详细说明[4]，但风电铸件通常采用树脂砂造型，由于原材料价格等原因一般采用铸铁冷铁和石墨冷铁（少用铸钢冷铁）。本文把冷铁类型作为唯一变量，研究QT500 材质试块不同冷铁工艺与理化性能的关系。

1 试验材料与方法

本试验的研究主体为250 mm×250 mm×250 mm 试块[5]，生产工艺为一箱两件。对比试验组为无冷铁工艺，试验组1 为石墨冷铁工艺，试验组2 为铸铁冷铁工艺。试验组1 与试验组2 仅冷铁种类不同，数量同为22 块，大小同为长方体100 mm×100 mm×80 mm，（100 mm×100 mm 为工作面），摆放位置如图1 所示。试验对象采用一箱两件（每种方案制作2 个试验试块），通过取平均值的方式消除误差对试验的影响，同时浇注系统内包含铁水过滤装置（陶瓷蜂窝过滤器），避免渣对性能产生不良影响而导致试验失真。出铁温度设置为1470 ℃，爆镁时间50 s，起吊温度设置为1400 ℃，球化后静止时间设置为（300±30）s，浇注温度均在（1350±5）℃，浇注时间均控制在（29±2）s 之间。铸件化学成分见表1。

表1 铸件化学成分表w/%

图1 冷铁工艺图示

试块经开箱、清理、抛丸后按照图2 试块切割方案进行切割，切割要求：250 mm×250 mm×250 mm 试块找到上箱中心线，画出中心线两侧30 mm 线，标记为A-1 #、A-2 #两层，每层找到中心线，中心线右侧画30 mm 抗拉线，紧接着画15 mm 冲击线；左侧画30 mm 抗拉线，接着是15 mm 冲击线，上箱去掉30 mm,下箱去掉40 mm；试棒从左侧到右侧依次是抗拉A-1-1 #；冲击A-1-2 #；抗拉A-1-3 #，冲击A-1-4 #；其他层依次类推。附铸试块120 mm×250 mm×100 mm的尺寸，保留中间30 mm×180 mm×100 mm 的部分，居中切割2 根抗拉和2 根冲击试样，编号抗拉A1 #（上）、冲击A2 #（上）、抗拉A3 #、冲击A4#；其他部分切割扔掉；无冷铁250 试块1 #，总计抗拉试棒6 根，冲击试棒6 根。得到试验所需试块，后对其理化性能进行检测。

图2 试块切割方案

2 试验结果及讨论

通过对以上试块检测得到以下数据（数据为两组平行试块的平均值），其中使用A 代表无冷铁对照组、B 代表石墨冷铁试验组、C 代表铸铁冷铁试验组。

通过对表2 进行分析，得知以下信息：

（1）附铸试块编号为X1（X 代表A、B、C）与编号为X3 抗拉强度、屈服强度、延伸率和硬度近乎一致。

（2）本体试块编号为X-1（2）-1 的抗拉强度、屈服强度、延伸率和硬度大于等于编号为X-1（2）-3 的试验数据。

（3）本体试块编号为X-1-1（3）与编号为X-2-1（3）抗拉强度、屈服强度、延伸率和硬度近乎一致。

（4）附铸试块编号为C1、C3 的抗拉强度、屈服强度、延伸率、硬度均高于A1、A3，近似于B1、B3。

（5）附铸试块编号为C-1（2）-1（3）的抗拉强度、屈服强度、延伸率和硬度高于B-1（2）-1（3）。

通过对表3 进行分析，得知以下信息：

表3 理化性能数据统计表-低温冲击

（1）附铸试块编号为C2、C4 的冲击功大于B2、B4 大于A2、A4。

（2）本体试块编号为X-1（2）-2（X 代表A、B、C）的低温冲击功大于编号为X-1（2）-4 的试验数据。

（3）本体试块编号为C-1（2）-2（4）的低温冲击功高于B-1（2）-2（4）高于A-1（2）-2（4）的试验数据。

通过对表4 进行分析，得知以下信息：

表4 理化性能数据统计表-金相

（1）附铸试块编号为X1 的金相与X3 相似（X代表A、B、C），AY、BY、CY 的金相结果相似（Y 代表1、3），如图3、4、5 所示。

图3 附铸试块A1 金相图

图4 附铸试块B1 金相图

图5 附铸试块C1 金相图

（2）本体试块编号为X-1（2）-1 的金相与X-1（2）-3 的试验数据（X 代表A、B、C）相似。

（3）本体试块编号为C 的金相整体优于B，B整体优于A。

通过分析，附铸试块与冷铁的最小距离仅有40 mm，附铸试块受到冷铁的影响，导致试块石墨球等级高。石墨冷铁的影响力最大，其次是铸铁冷铁，最后是无冷铁（作为内冷铁时，即冷铁与试块件间有型砂）。

以图2 试块切割方案为例：试样A-1-1 位于250 试块上方，距上表面30 mm，而A-1-3 距下表面95 mm，接近芯部热结区域。试样A-1-1 冷却速度优于A-1-3，导致晶粒大小方面试样A-1-1小于A-1-3，性能优，石墨球优，见图6、7；而A-1-X 与A-2-X 距250 试块左右两侧表面距离均为95 mm，热结区域相似，故晶粒大小相近，性能相当。

图6 A-1-3 金相图（腐蚀）

图7 A-1-1 金相图（腐蚀）

通过对比我司生产的国外3.X 型号风力发电机底座脚板面本体套料数据对比，发现此200 厚度脚板面相关数据与250 无冷铁试块（对照组）数据非常相近。即可用250 无冷铁试块数据精准反应210 厚度风力发电机底座脚板处的本体套料数据。为今后产品性能试验奠定了基础。

3 结论

（1）在QT500 高硅材质试块中，冷铁对试块具有明显的激冷作用。250 试块本体受冷铁影响，试块相关性能如下：铸铁冷铁＞石墨冷铁＞无冷铁。

（2）试块硬度未因冷铁的使用发生明显变化。

（3）附铸试块铸铁冷铁和石墨冷铁的影响相近（作为内冷铁使用时）。