冷鐵對QT500-14 試塊理化性能的影響

趙偉龍，毛成榮

（1.寧波日星鑄業有限公司，浙江 寧波 315702；2.日月重工股份有限公司，浙江 寧波 315113）

0 引言

風電鑄件的材質常采用球墨鑄鐵，但由于大斷面球墨鑄鐵由于厚大部位冷卻速度慢，出現石墨球化不良、珠光體數量偏高等不良組織[1-3]，通常通過增加冷鐵的方式解決此類問題，而選擇冷鐵的種類基本都是根據以前的生產經驗。早在2020年，東風精密鑄造有限公司對熔模鑄造中選用的鑄鐵冷鐵、不銹鋼冷鐵、石墨冷鐵和復合涂層冷鐵的使用工藝做了詳細說明[4]，但風電鑄件通常采用樹脂砂造型，由于原材料價格等原因一般采用鑄鐵冷鐵和石墨冷鐵（少用鑄鋼冷鐵）。本文把冷鐵類型作為唯一變量，研究QT500 材質試塊不同冷鐵工藝與理化性能的關系。

1 試驗材料與方法

本試驗的研究主體為250 mm×250 mm×250 mm 試塊[5]，生產工藝為一箱兩件。對比試驗組為無冷鐵工藝，試驗組1 為石墨冷鐵工藝，試驗組2 為鑄鐵冷鐵工藝。試驗組1 與試驗組2 僅冷鐵種類不同，數量同為22 塊，大小同為長方體100 mm×100 mm×80 mm，（100 mm×100 mm 為工作面），擺放位置如圖1 所示。試驗對象采用一箱兩件（每種方案制作2 個試驗試塊），通過取平均值的方式消除誤差對試驗的影響，同時澆注系統內包含鐵水過濾裝置（陶瓷蜂窩過濾器），避免渣對性能產生不良影響而導致試驗失真。出鐵溫度設置為1470 ℃，爆鎂時間50 s，起吊溫度設置為1400 ℃，球化后靜止時間設置為（300±30）s，澆注溫度均在（1350±5）℃，澆注時間均控制在（29±2）s 之間。鑄件化學成分見表1。

表1 鑄件化學成分表w/%

圖1 冷鐵工藝圖示

試塊經開箱、清理、拋丸后按照圖2 試塊切割方案進行切割，切割要求：250 mm×250 mm×250 mm 試塊找到上箱中心線，畫出中心線兩側30 mm 線，標記為A-1 #、A-2 #兩層，每層找到中心線，中心線右側畫30 mm 抗拉線，緊接著畫15 mm 沖擊線；左側畫30 mm 抗拉線，接著是15 mm 沖擊線，上箱去掉30 mm,下箱去掉40 mm；試棒從左側到右側依次是抗拉A-1-1 #；沖擊A-1-2 #；抗拉A-1-3 #，沖擊A-1-4 #；其他層依次類推。附鑄試塊120 mm×250 mm×100 mm的尺寸，保留中間30 mm×180 mm×100 mm 的部分，居中切割2 根抗拉和2 根沖擊試樣，編號抗拉A1 #（上）、沖擊A2 #（上）、抗拉A3 #、沖擊A4#；其他部分切割扔掉；無冷鐵250 試塊1 #，總計抗拉試棒6 根，沖擊試棒6 根。得到試驗所需試塊，后對其理化性能進行檢測。

圖2 試塊切割方案

2 試驗結果及討論

通過對以上試塊檢測得到以下數據（數據為兩組平行試塊的平均值），其中使用A 代表無冷鐵對照組、B 代表石墨冷鐵試驗組、C 代表鑄鐵冷鐵試驗組。

通過對表2 進行分析，得知以下信息：

（1）附鑄試塊編號為X1（X 代表A、B、C）與編號為X3 抗拉強度、屈服強度、延伸率和硬度近乎一致。

（2）本體試塊編號為X-1（2）-1 的抗拉強度、屈服強度、延伸率和硬度大于等于編號為X-1（2）-3 的試驗數據。

（3）本體試塊編號為X-1-1（3）與編號為X-2-1（3）抗拉強度、屈服強度、延伸率和硬度近乎一致。

（4）附鑄試塊編號為C1、C3 的抗拉強度、屈服強度、延伸率、硬度均高于A1、A3，近似于B1、B3。

（5）附鑄試塊編號為C-1（2）-1（3）的抗拉強度、屈服強度、延伸率和硬度高于B-1（2）-1（3）。

通過對表3 進行分析，得知以下信息：

表3 理化性能數據統計表-低溫沖擊

（1）附鑄試塊編號為C2、C4 的沖擊功大于B2、B4 大于A2、A4。

（2）本體試塊編號為X-1（2）-2（X 代表A、B、C）的低溫沖擊功大于編號為X-1（2）-4 的試驗數據。

（3）本體試塊編號為C-1（2）-2（4）的低溫沖擊功高于B-1（2）-2（4）高于A-1（2）-2（4）的試驗數據。

通過對表4 進行分析，得知以下信息：

表4 理化性能數據統計表-金相

（1）附鑄試塊編號為X1 的金相與X3 相似（X代表A、B、C），AY、BY、CY 的金相結果相似（Y 代表1、3），如圖3、4、5 所示。

圖3 附鑄試塊A1 金相圖

圖4 附鑄試塊B1 金相圖

圖5 附鑄試塊C1 金相圖

（2）本體試塊編號為X-1（2）-1 的金相與X-1（2）-3 的試驗數據（X 代表A、B、C）相似。

（3）本體試塊編號為C 的金相整體優于B，B整體優于A。

通過分析，附鑄試塊與冷鐵的最小距離僅有40 mm，附鑄試塊受到冷鐵的影響，導致試塊石墨球等級高。石墨冷鐵的影響力最大，其次是鑄鐵冷鐵，最后是無冷鐵（作為內冷鐵時，即冷鐵與試塊件間有型砂）。

以圖2 試塊切割方案為例：試樣A-1-1 位于250 試塊上方，距上表面30 mm，而A-1-3 距下表面95 mm，接近芯部熱結區域。試樣A-1-1 冷卻速度優于A-1-3，導致晶粒大小方面試樣A-1-1小于A-1-3，性能優，石墨球優，見圖6、7；而A-1-X 與A-2-X 距250 試塊左右兩側表面距離均為95 mm，熱結區域相似，故晶粒大小相近，性能相當。

圖6 A-1-3 金相圖（腐蝕）

圖7 A-1-1 金相圖（腐蝕）

通過對比我司生產的國外3.X 型號風力發電機底座腳板面本體套料數據對比，發現此200 厚度腳板面相關數據與250 無冷鐵試塊（對照組）數據非常相近。即可用250 無冷鐵試塊數據精準反應210 厚度風力發電機底座腳板處的本體套料數據。為今后產品性能試驗奠定了基礎。

3 結論

（1）在QT500 高硅材質試塊中，冷鐵對試塊具有明顯的激冷作用。250 試塊本體受冷鐵影響，試塊相關性能如下：鑄鐵冷鐵＞石墨冷鐵＞無冷鐵。

（2）試塊硬度未因冷鐵的使用發生明顯變化。

（3）附鑄試塊鑄鐵冷鐵和石墨冷鐵的影響相近（作為內冷鐵使用時）。