焦 凱，劉 海，張大衛(wèi)，王敏剛，彭 倩

（1.陜西柴油機(jī)重工有限公司 鑄造事業(yè)部，陜西咸陽 713105;2.華銳風(fēng)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(fā)并應(yīng)用的一種新材料，該材料主要牌號(hào)有QT500-14、QT600-10，具有優(yōu)良的抗拉強(qiáng)度、延伸率，較高的屈強(qiáng)比，可實(shí)現(xiàn)鑄件的薄壁化、輕量化等[1]，其應(yīng)用領(lǐng)域較為寬廣，由于兼具高抗拉強(qiáng)度和高延伸率，因而生產(chǎn)相比傳統(tǒng)工藝更為苛刻[2]。

我廠生產(chǎn)的厚大斷面主機(jī)架，應(yīng)用于風(fēng)電產(chǎn)品，對(duì)強(qiáng)度的要求比較高[3]，本文以Si 的固溶強(qiáng)化為機(jī)理生產(chǎn)出22t 符合客戶要求的QT500-14 主機(jī)架，其產(chǎn)品的毛坯圖如圖1 所示。固溶強(qiáng)化是因?yàn)槿苜|(zhì)原子的作用，使晶格發(fā)生畸變，位錯(cuò)在畸變的晶格間運(yùn)動(dòng)的阻力變大，導(dǎo)致滑移很難進(jìn)行，因而合金的強(qiáng)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(chǎn)成本。但Si 會(huì)破壞石墨的形狀，Si 含量的升高，還會(huì)造成伸長率的下降[4]，因此本文在厚大斷面QT500-14 風(fēng)電主機(jī)架的熔煉過程中，將對(duì)化學(xué)成分、澆注溫度等工藝進(jìn)行不斷改進(jìn)，以到達(dá)客戶要求。

1 產(chǎn)品要求

本廠生產(chǎn)的主機(jī)架重量22t，主要壁厚大于100mm，依據(jù)表1 歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN-GJS-500-14 和表2 客戶對(duì)力學(xué)性能的要求，進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研發(fā)。

表1 歐洲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)QT500-14 材質(zhì)力學(xué)性能的要求

表2 客戶對(duì)QT500-14 主機(jī)架力學(xué)性能的要求

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

表3 廠家對(duì)QT500-14 主機(jī)架金相組織的要求

2 熔煉工藝

2.1 原材料選擇

依據(jù)本廠生產(chǎn)球墨鑄鐵多年的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合鑄造的基本原理，為了達(dá)到預(yù)期的化學(xué)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(zhuǎn)變溫度不斷上升，便于鐵水發(fā)生穩(wěn)定系共晶轉(zhuǎn)變，能有效降低滲碳體的生成，在各種元素中，促進(jìn)石墨化的能力，僅比C 低，Si含量小于5%時(shí)，抗拉強(qiáng)度和硬度與Si 含量呈正相關(guān)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)選取中限或者上限，厚壁鑄件則需適當(dāng)降低Si 含量，依據(jù)QT500-14 材質(zhì)的特點(diǎn)結(jié)合本廠前期的經(jīng)驗(yàn)，最終Si 含量控制在3.15%～3.50%。

圖2 Si 含量與抗拉強(qiáng)度和伸長率的關(guān)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?jǐn)?shù)增加，石墨球數(shù)也相應(yīng)提高，而且隨著CE 的比例不斷提高，鐵水的流動(dòng)性也會(huì)相應(yīng)改善，能大幅提高產(chǎn)品的鑄造性能，降低鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷的可能性。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)CE 值在4.4%～4.6%時(shí)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(kuò)散遠(yuǎn)低于C 原子，導(dǎo)致共析轉(zhuǎn)變的過冷度升高加長轉(zhuǎn)變的孕育期，造成避免珠光體轉(zhuǎn)變的臨界冷速下降，抑制了鐵素體的形成，而且Mn 具有穩(wěn)定奧氏體的作用，能增加鑄鐵的過冷傾向，促進(jìn)碳化物的形成，在球墨鑄鐵中，應(yīng)盡量減少M(fèi)n 元素的含量。

P 在球墨鑄鐵中也屬于有害雜質(zhì)，P 是導(dǎo)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(gè)容易偏析的元素，當(dāng)P 含量達(dá)到0.05%時(shí)，可能形成磷共晶，會(huì)增加鑄件脆性，嚴(yán)重惡化產(chǎn)品的力學(xué)性能，例如在球墨鑄鐵中，P 含量由0.04%提高到0.2%，抗拉強(qiáng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)小于0.04%。

S 在球墨鑄鐵中屬于有害雜質(zhì)。在鑄造中與Mn、Mg、Re 等元素具有很強(qiáng)的親和力，容易形成MgS、ReS 等殘?jiān)?，阻礙石墨化，降低球化率，加快球化衰退以及形成夾渣等，導(dǎo)致力學(xué)性能下降，在球墨鑄鐵的實(shí)際生產(chǎn)中，S 含量≤0.025%。

厚大斷面QT500-14 風(fēng)電主機(jī)架屬于高硅固溶強(qiáng)化球墨鑄鐵，依據(jù)Si 含量與強(qiáng)度、硬度和伸長率的關(guān)系，項(xiàng)目人員數(shù)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(fēng)電主機(jī)架的具體化學(xué)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(chǎn)中采用沖入法，球化劑的加入量在1.0%～1.3%之間，牌號(hào)為QRMG5RE1，對(duì)于大型鑄件，鑄件凝固時(shí)間超出1h 的裝包，在球化包球化坑側(cè)最低部靠包壁側(cè)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(zhuǎn)變溫度，讓合金依照穩(wěn)定系進(jìn)行共晶轉(zhuǎn)變，避免白口的大量出現(xiàn)，在生產(chǎn)中選用的為鈣鋇系孕育劑，共分三次進(jìn)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(yīng)基本結(jié)束時(shí)，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(yàn)結(jié)果與分析

3.1 力學(xué)性能及宏觀形貌

本廠生產(chǎn)的厚大斷面QT500-14 主機(jī)架，其附鑄試樣的C、Si 成分和力學(xué)性能如表6 所示，每組試樣各取三根，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明：C 含量在一定范圍內(nèi)，隨著Si 含量的升高，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度不斷升高，延伸率不斷下降；Si 含量在3.40%～3.45%時(shí)，試樣的強(qiáng)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(xué)性能

采用S5 試樣的化學(xué)成分進(jìn)行生產(chǎn)，檢驗(yàn)人員對(duì)QT500-14 風(fēng)電主機(jī)架進(jìn)行驗(yàn)收時(shí)發(fā)現(xiàn)，鑄件陸續(xù)出現(xiàn)縮松、縮孔等缺陷，如圖3 所示。

圖3 鑄件的表面缺陷

進(jìn)一步分析表明，對(duì)于厚大斷面的鑄件，C 含量的降低，Si 含量的升高，會(huì)降低鐵水的流動(dòng)性，導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生，后續(xù)在S5 的基礎(chǔ)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(xué)性能如表8 所示，均符合EN-GJS-500-14 和客戶的規(guī)范要求。

表7 主要成分范圍 w/%

表8 優(yōu)化工藝后的C、Si 成分和力學(xué)性能

3.2 金相組織

隨機(jī)選取S1、S5、S6 試樣進(jìn)行組織觀察，如圖4、5、6 所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表9。三塊QT500-14 風(fēng)電主機(jī)架試樣的球化率均大于90%，球徑為6 級(jí)，鐵素體含量≥99%，均符合材質(zhì)要求，說明設(shè)計(jì)和優(yōu)化后的工藝，能生產(chǎn)出沒有鑄造缺陷的厚大斷面QT500-14 主機(jī)架。

表9 QT500-14 主機(jī)架附鑄試樣金相組織實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)論

（1）通過對(duì)化學(xué)成分、澆注溫度等工藝進(jìn)行改進(jìn)，本廠生產(chǎn)的厚大斷面QT500-14 風(fēng)電主機(jī)架的強(qiáng)度、硬度、延伸率等均滿足了EN-GJS-500-14 和客戶的規(guī)范要求。

（2）對(duì)于厚大斷面鑄件來說，QT500-14 主機(jī)架Si 含量的提高，會(huì)產(chǎn)生縮松等缺陷，生產(chǎn)中通過提高C 含量和澆注溫度來避免鑄造缺陷，結(jié)果表明C 含量在3.45%～3.50%、Si 含量在3.40%～3.45%的范圍內(nèi)，且澆注溫度為1375～1385℃，此時(shí)鑄件的綜合性能最好。