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焦 凯，刘 海，张大卫，王敏刚，彭 倩
（1.陕西柴油机重工有限公司 铸造事业部，陕西咸阳 713105;2.华锐风电科技股份有限公司,北京 100086）
高硅固溶铁素体球墨铸铁是近些年开发并应用的一种新材料，该材料主要牌号有QT500-14、QT600-10，具有优良的抗拉强度、延伸率，较高的屈强比，可实现铸件的薄壁化、轻量化等[1]，其应用领域较为宽广，由于兼具高抗拉强度和高延伸率，因而生产相比传统工艺更为苛刻[2]。
我厂生产的厚大断面主机架，应用于风电产品，对强度的要求比较高[3]，本文以Si 的固溶强化为机理生产出22t 符合客户要求的QT500-14 主机架，其产品的毛坯图如图1 所示。固溶强化是因为溶质原子的作用，使晶格发生畸变，位错在畸变的晶格间运动的阻力变大，导致滑移很难进行，因而合金的强度不断增加，这正是高硅固溶铁素体球墨铸铁的原理。
图1 铸件毛坯图
球墨铸铁硬度的均匀性更好，从而具有良好的可加工性，能降低生产成本。但Si 会破坏石墨的形状，Si 含量的升高，还会造成伸长率的下降[4]，因此本文在厚大断面QT500-14 风电主机架的熔炼过程中，将对化学成分、浇注温度等工艺进行不断改进，以到达客户要求。
本厂生产的主机架重量22t，主要壁厚大于100mm，依据表1 欧洲标准EN-GJS-500-14 和表2 客户对力学性能的要求，进行产品的设计与研发。
表1 欧洲标准对QT500-14 材质力学性能的要求
表2 客户对QT500-14 主机架力学性能的要求
厂家对金相组织要求：球化率VI+V≥90%，球径5～7 级，铁素体≥95%，碳化物和晶间碳化物＜0.5%，如表3 所示，并且主机架不允许出现疏松、缩孔、缩松等缺陷。
表3 厂家对QT500-14 主机架金相组织的要求
2.1 原材料选择
依据本厂生产球墨铸铁多年的经验，结合铸造的基本原理，为了达到预期的化学成分，炉料的配比范围如表4 所示。
表4 炉料配比 w/%
2.2 主要元素配比
2.2.1 Si
Si 可以使共晶转变温度不断上升，便于铁水发生稳定系共晶转变，能有效降低渗碳体的生成，在各种元素中，促进石墨化的能力，仅比C 低，Si含量小于5%时，抗拉强度和硬度与Si 含量呈正相关，但是断后伸长率随着硅含量的升高而下降，如图2 所示。在较小薄铸件中，Si 的质量分数应选取中限或者上限，厚壁铸件则需适当降低Si 含量，依据QT500-14 材质的特点结合本厂前期的经验，最终Si 含量控制在3.15%～3.50%。
图2 Si 含量与抗拉强度和伸长率的关系
2.2.2 CE 和C
冷却速度、温度等工艺条件相同情况下，CE高的铁水易于析出石墨，使石墨体积分数增加，石墨球数也相应提高，而且随着CE 的比例不断提高，铁水的流动性也会相应改善，能大幅提高产品的铸造性能，降低铸件产生缩孔、缩松等缺陷的可能性。生产中发现CE 值在4.4%～4.6%时效果最好，故C 含量控制在3.4%～3.5%之间。
2.2.3 其他微量元素
Mn 原子的扩散远低于C 原子，导致共析转变的过冷度升高加长转变的孕育期，造成避免珠光体转变的临界冷速下降，抑制了铁素体的形成，而且Mn 具有稳定奥氏体的作用，能增加铸铁的过冷倾向，促进碳化物的形成，在球墨铸铁中，应尽量减少Mn 元素的含量。
P 在球墨铸铁中也属于有害杂质，P 是导致铸件开裂的主要原因之一，影响材料的韧性和致密性，在铸铁中P 是一个容易偏析的元素，当P 含量达到0.05%时，可能形成磷共晶，会增加铸件脆性，严重恶化产品的力学性能，例如在球墨铸铁中，P 含量由0.04%提高到0.2%，抗拉强度由800MPa～850MPa，降低到650MPa～700MPa，伸长率由3.5%～4.5%下降到1.5%～2.0%[5]，所以P 的质量分数应小于0.04%。
S 在球墨铸铁中属于有害杂质。在铸造中与Mn、Mg、Re 等元素具有很强的亲和力，容易形成MgS、ReS 等残渣，阻碍石墨化，降低球化率，加快球化衰退以及形成夹渣等，导致力学性能下降，在球墨铸铁的实际生产中，S 含量≤0.025%。
厚大断面QT500-14 风电主机架属于高硅固溶强化球墨铸铁，依据Si 含量与强度、硬度和伸长率的关系，项目人员数次讨论后，采用控制变量法，C 含量保持在3.40%～3.45%，依次提升Si 含量，且每次提升0.05%，该风电主机架的具体化学成分范围如表5 所示。
表5 主要成分范围 w/%
2.3 球化及孕育处理
2.3.1 球化处理
球化处理是铸造过程中处理合金液体的一种工艺，通过加入球化元素，获得较为良好且呈球状的石墨，本厂生产中采用冲入法，球化剂的加入量在1.0%～1.3%之间，牌号为QRMG5RE1，对于大型铸件，铸件凝固时间超出1h 的装包，在球化包球化坑侧最低部靠包壁侧装0.005%～0.006%的纯Sb，之后放入球化剂，球化温度1440～1470℃。
2.3.2 孕育处理
孕育处理的目的是提升共晶转变温度，让合金依照稳定系进行共晶转变，避免白口的大量出现，在生产中选用的为钙钡系孕育剂，共分三次进行孕育，在包底加入0.2%的孕育剂，出炉约2/3 铁水待球化反应基本结束时，冲入剩余1/3 铁水并随流冲入0.3%～0.4%孕育剂，在浇注期间，往漏斗加入约0.15%特定的孕育剂。
3.1 力学性能及宏观形貌
本厂生产的厚大断面QT500-14 主机架，其附铸试样的C、Si 成分和力学性能如表6 所示，每组试样各取三根，进行拉伸试验，结果表明：C 含量在一定范围内，随着Si 含量的升高，抗拉强度、屈服强度、硬度不断升高，延伸率不断下降；
Si 含量在3.40%～3.45%时，试样的强度最高，且延伸率也符合厂家要求。
表6 附铸试样的C、Si 成分和力学性能
采用S5 试样的化学成分进行生产，检验人员对QT500-14 风电主机架进行验收时发现，铸件陆续出现缩松、缩孔等缺陷，如图3 所示。
图3 铸件的表面缺陷
进一步分析表明，对于厚大断面的铸件，C 含量的降低，Si 含量的升高，会降低铁水的流动性，导致缺陷的产生，后续在S5 的基础上，增加了C含量，如表7 所示，并将浇注温度提升至1375～1385℃之间，其力学性能如表8 所示，均符合EN-GJS-500-14 和客户的规范要求。
表7 主要成分范围 w/%
表8 优化工艺后的C、Si 成分和力学性能
3.2 金相组织
随机选取S1、S5、S6 试样进行组织观察，如图4、5、6 所示，统计结果见表9。三块QT500-14 风电主机架试样的球化率均大于90%，球径为6 级，铁素体含量≥99%，均符合材质要求，说明设计和优化后的工艺，能生产出没有铸造缺陷的厚大断面QT500-14 主机架。
表9 QT500-14 主机架附铸试样金相组织实验结果
图4 试样S1 金相组织
图5 试样S5 金相组织
图6 试样S6 金相组织
（1）通过对化学成分、浇注温度等工艺进行改进，本厂生产的厚大断面QT500-14 风电主机架的强度、硬度、延伸率等均满足了EN-GJS-500-14 和客户的规范要求。
（2）对于厚大断面铸件来说，QT500-14 主机架Si 含量的提高，会产生缩松等缺陷，生产中通过提高C 含量和浇注温度来避免铸造缺陷，结果表明C 含量在3.45%～3.50%、Si 含量在3.40%～3.45%的范围内，且浇注温度为1375～1385℃，此时铸件的综合性能最好。
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