風電電機端蓋消失模鑄造技術

風電的關鍵設備風力發電鑄件是高韌性的球墨鑄鐵件。風電設備在自然環境下服役，在-40℃低溫下工作時，容易產生脆性斷裂，維修成本大，所以電機端蓋、電機殼體、輪轂、底座等鑄件采用低溫高韌性球墨鑄鐵。球墨鑄鐵有較好的綜合性能，相對于鑄鋼件成型工藝性好，生產成本較低。風電設備球墨鑄造鐵件牌號一般為GB/T1348—2009球墨鑄鐵QT400-18AL，低溫沖擊值高于12J/cm2（-20℃），或歐洲標準EN-GJS-400-18U-LT。風電鑄件按國家標準驗收，鑄件端面加工后做超聲波探傷檢驗，不許有影響鑄造件強度的縮松、裂紋、砂眼等缺陷。風電設備球墨鑄造鐵件國內外多采用樹脂砂鑄造，目前尚未見到消失模鑄造風電設備球墨鑄造鐵件的報道。本文介紹低溫高韌性球墨鑄鐵電機端蓋的消失模鑄造生產過程。

1 端蓋鑄造工藝分析

1.1消失模鑄造工藝方案

端蓋是風力發電機上重要的球墨鑄鐵件，為QT400-18AL，前端蓋鑄件重216kg，后端蓋鑄件重226kg，輪廓尺寸為準1148mm×72mm，平均壁厚28mm，鑄件整體壁厚均勻。鑄件有尺寸公差，件重公差要求，表面粗糙度Ra50μm。

GB/T1348—2009球墨鑄鐵標準中QT400-18AL牌號力學性能見表1，低溫沖擊韌度按歐洲標準EN-400-18U-LT達到12J/cm2（-20℃）。球墨鑄鐵較高的沖擊韌度、伸長率，較低的脆—韌性轉變溫度，明顯高于普通球鐵生產技術。從金相組織上要求基體組織為鐵素體，球狀石墨圓整、細小、分布均勻，不能含有滲碳體和磷共晶。因此，應當從嚴格控制鑄件的化學成分，如原材料、球化劑，采用合理的球化工藝和孕育工藝，達到高的球化率和石墨球數。

端蓋3種鑄造工藝方案如圖1，壁厚部位用腰形壓邊冒口實現液態補縮。按球鐵生產工藝和鑄件形狀設計澆注系統[4]：①圓形端蓋用隨形橫澆道，多內澆道，鐵液快速平穩充滿鑄型，保證散熱筋輪廓清晰；②橫澆道、澆口杯有撇渣功能；③有較高的壓頭，保證筋輪廓清晰。

 由于立鑄階梯澆注工藝在裝箱過程很容易引起變形，對于這樣大的平盤件，操作工人很難控制，綜合分析認為弊大于利，沒有采用。綜合圖1（b）與（c）優缺點，通過計算機數值模擬，可以在生產之前預知鑄件充型凝固的整個過程，并可以預測鑄造缺陷的產生部位。便可根據預測結果采取相應工藝改進措施，避免在生產中產生鑄造缺陷，提高鑄件的內部質量，從而達到縮短鑄件試制周期、降低生產成本及提高材料利用率的最終目的。采用ProCAST軟件對風電電機端蓋鑄件進行了鑄造工藝數值模擬，根據凝固過程模擬結果對鑄造工藝進行了優化改進。下平面加工余量6mm，上平面加工余量6mm，綜合分析優化后工藝。

1.2消失模鑄造工藝

（1）前后端蓋泡沫模樣  前后端蓋泡沫模采用EPS板材加工而成，EPS板材的密度18kg/m3。澆冒系統選用同樣密度的EPS板材，端蓋及澆冒系統模樣按工藝尺寸切割打磨后，按工藝圖要求組合。為了保證筋輪廓清晰，在上箱設置大量的4mm×120mm×100mm排氣孔，否則筋有不被充滿的可能。

（2）端蓋泡沫模樣的涂料涂刷與烘干  采用專門研制的消失模鑄造專用石英粉特種復合水基涂料，成本特別低，嚴格的混制工藝適合較高的澆注溫度，鑄件冷卻后剝離性好。第一遍涂料波美度在1.6，烘干時間不低于12h，第二及第三遍徐料波美度在1.7～1.8，烘干時間不低于20h，兩遍涂料總厚度在1.2～1.5mm即可。整個徐料操作過程模型保持直立方式，轉動時受力點為直澆道及底部三角支撐架端點，烘干房溫度設置為50℃,濕度18％，烘干過程進行間斷性測量黃模模重，間隔時間不低于4h模重不變化即表示烘干，修補后放置時間不低于8h才可埋箱澆注。待澆注的模型應單獨放置，決不可與剛刷涂的模型放在1個烘干房，防止吸潮。浸涂前盡可能提前將干稠的涂料刷在比較窄小的散熱片中和拐角地方，或浸涂干燥后再補刷該處防止粘砂。在搬運中要檢查涂料的開裂和露白[1]。

（3）裝箱造型　烘干后的黃模在裝箱前一直存放于烘干房內不間斷的烘干，隨裝箱隨拿。底砂厚150mm,刮平后震動，砂箱底部放砂不可過多過高、否則將造成氣化不完善、抽氣力緩慢負壓不真實、輕則冷隔局部潰散，重則垮箱[2]。布袋放砂時不可速度過猛和局部堆積過多，否則將會沖擊力過大產生變型、震動時間不可過短否則將造成砂子松軟局部粘砂。澆口杯脖子要做硬化處理防止澆口杯下方漲粗和沖砂。放置黃模加砂至澆口杯位置后進行震動，覆蓋薄膜及覆蓋砂，對澆口杯進行處理，確保澆注過程砂子不進濺進入澆注系統[3]。

   鑄件化學成分相同的情況下，金相組織與共析階段的冷卻速度有關。鑄件在鑄型中的冷卻速度愈慢，基體組織中鐵素體含量愈高。當鑄件吃砂量越大，澆注溫度越高，砂型保溫性能越好，開箱時間越長，鑄件在型砂中冷卻速度就越慢，轉變的鐵素體組織越多。

二、 風電端蓋低溫高韌性球墨鑄鐵熔煉質量控制

2.1、原材料的控制

（1）生鐵　選擇本溪或林州的優質Q10、Q12專用球鐵生鐵是生產低溫球墨鑄鐵的必要條件，其中硅、錳、硫、磷含量要低，牌號越小越低，錳越低越好，一般要求Mn＜0.2％，P＜0.06，S＜0.02％。對球鐵沖擊值非常敏感的微量元素，如鎢、銻、釩等要嚴格控制。

（2）廢鋼　選用普通碳素鋼，無氧化皮，成分穩定。Mn含量要低，不大于0.3％。

（3）球化劑　鎂是球鐵的主要球化元素，鎂與鐵液中的氧、硫等元素化合，起到球化作用。鎂含量少了造成球化不良，多了容易形成石墨球畸形，氧化夾雜物（MgO）。稀土起輔助球化作用，RE殘過高時會惡化石墨形狀。選擇低鎂低稀土鐵素體型釔基稀土球化劑DQT，稀土和鎂的殘留量要控制在RE殘0.03％～0.04％，Mg殘0.04％～0.05％。

（4）孕育劑　采用鐵素體型球鐵專用長效孕育劑。兩次孕育處理后，石墨球細小、圓整、均布、球化等級高。用量比FeSi75減少30％～50％，石墨化能力提高3倍，相應地可減少FeSi75的加入量，降低鐵液的增硅量，因為球化劑和孕育劑增硅量可達到1.1％以上。

2.2、化學成分控制

（1）碳　據鑄件壁厚與造型方法，C含量控制在3.6％～3.9％，既有較好的石墨化能力，又不產生石墨粗大，漂浮現象。

（2）硅　Si是強烈促進石墨化的元素，同時降低低溫沖擊韌度。當Si含量大于2.4％時球墨鑄鐵-20℃沖擊值很難超過10J/cm2，一般將Si控制在2.2％～2.4％范圍。

（3）錳　Mn在鐵素體球鐵凝固過程中，容易在共晶邊界上產生偏析，形成碳化物，增加珠光體量，對韌性有不利影響。生產中盡量選擇低錳生鐵，錳含量不得大于0.2％，越低越好。

（4）磷　P在鑄鐵中溶解度較低，當P大于0.05％時，在球鐵凝固過程中二元磷共晶或三元磷共晶。磷共晶在晶界分布，質硬，惡化了力學性能，降低了低溫球鐵的沖擊韌度。生產中應盡量限制P。共晶團邊界形成的磷共晶容易成為珠光體的核心，從而促進晶界形成珠光體，降低球鐵的塑韌性，因而其含量也是越低越好。

（5）硫　硫與鎂、稀土親和力強，消耗球化劑，造成球化反應不穩定，形成外來夾雜物MgS、RES，控制在S＜0.025％。

（6）Ni　為了提高鑄件的低溫韌性，應添加適量的Ni，w(Ni)0.5％～1.0％。

根據分析，端蓋合理的化學成分w（％）為：3.65～3.9C，2.1～2.4Si，Mn＜0.2，S＜0.025，P＜0.04，0.03～0.04RE殘，0.04～0.05Mg殘。0.3～0.6Ni。

2.3熔煉工藝控制

采用中頻電爐熔煉可獲得優質的鐵液。只有鐵液化學成分穩定，提高石墨球數，獲得鐵素體基體組織，石墨球數達到120～180個/mm2，球化率大于92％以上，鑄件伸長率、低溫沖擊值才能穩定。

原材料配比。生鐵加入量70％左右，廢鋼加入量5％～8％，回爐料20％以上，硅鐵0.5％～0.8％，熔煉時采用石墨增碳。C熔點高，首先加入爐底，靠擴散溶解的方式進入鐵液，在鐵液中形成大量的[C]微晶，是共晶或共析石墨的外來形核基底，有利于細化晶粒，增加石墨球數。熔煉時為防止Mn過高，用FeSi75脫氧，如果脫氧不充分，鐵液會強烈翻騰，碳燒損變大；如果FeSi75用量過多會增加硅的含量。生鐵、廢鐵、回爐料要穩定。

原鐵液化學成分w（％）為：3.65～3.9C，1.1～1.3Si，Mn＜0.2，0.4～0.5Ni，S＜0.03％，P＜0.05％。

2.4球化處理與孕育處理

選用低鎂低稀土球化劑，成分為5％～7％Mg，1.5％～2.5％RE，MgO＜1.0％，組織致密均勻，化學成分穩定，粒度3～10mm。

球化處理采用堤壩沖入法，出鐵液溫度控制在1480～1500℃，球化劑加入量為出鐵液重的1.2％～1.45％。為了達到好的球化孕育效果，球化劑孕育劑要預先烘烤，在出鐵液前放入堤壩內，覆蓋一層鐵屑或珍珠巖。

孕育處理是低溫球墨鑄鐵生產的關鍵，孕育的效果決定了石墨球的直徑、石墨球的圓整度，因此孕育處理分兩次進行。①包內孕育：球化劑加入后，在其表面覆蓋3～6mm的硅鋇孕育劑，加入量為0.65％；②隨流孕育：采用Si-Ca-Ba-Bi孕育劑，粒度為0.2～0.8mm,加入量為0.25％。

2.5澆注工藝控制

澆注溫度控制在1400～1430℃，澆注溫度太低，或斷流會引起鑄件上面筋不清晰或充填不滿。澆注時應采取快速、平穩注入原則，注意及時擋渣操作。

三、 熱處理工藝

由于鑄件存在不均衡凝固，鑄態組織中可能會存在滲碳體和磷共晶，鐵素體晶界存在珠光體，為了保證鑄件基體中鐵素體含量達到95％以上，采用高溫鐵素體化退火工藝處理[5]。熱處理工藝為加熱到910～940℃保溫2～5h，使碳化物分解溶入奧氏體中，再冷卻到720～740℃保溫3～6h，然后隨爐冷卻到580℃之后可以空冷，鑄件室溫組織為石墨球+鐵素體?？梢韵蓟?，增加鐵素體含量，提高鑄件伸長率和沖擊韌度。

四、 生產結果

采用上述鑄造工藝生產的電機端蓋加工后尺寸和件重符合要求，加工端面100％超聲波探傷檢驗合格，沒有發現縮松、裂紋、砂眼等缺陷。QT400-10AL球鐵化學成分w（％）為：3.6C，2.3Si，0.15Mn，0.025S，0.04P，RE殘=0.034，Mg殘=0.038時，金相組織完全達到國家規定的標準，伸長率穩定在20％以上，低溫沖擊值高于12J/cm2（-20℃）。

五、 結束語

消失模鑄造電機端蓋低溫高韌度球墨鑄鐵件,選用采用EPS板材加工而成，EPS板材的密度18g/dm3,電機端蓋低溫高韌度球墨鑄鐵件表面質量好，沒有夾渣、加砂、冷隔、變形等缺陷,消失模電機端蓋類低溫高韌度球墨鑄鐵件時,原材料選用本溪或林州的優質Q10、Q12專用球鐵生鐵，嚴格控制硅、錳、硫、磷含量，合理的化學成分w(％)為：3.65～3.9C，2.1～2.4Si，Mn＜0.2，S＜0.025，P＜0.04，0.03～0.04RE殘，0.04～0.05Mg殘，0.3～0.6Ni，基體金相組織為全鐵素體，不能含有滲碳體和磷共晶，采用低鎂低稀土鐵素體球化劑，合理的球化工藝、孕育工藝，獲得高的球化率、細小分散的石墨球，有利于提高球墨鑄鐵的伸長率、低溫沖擊值，生產合格的鑄件。