硅对风电低温高韧性铸态球墨铸铁组织及性能的影响

【摘要】：低温高韧性球墨铸铁作为一种优良的工程材料，在风电设备中的一些关键零部件如轮毂、锥形支撑等方面应用广泛。风电设备恶劣的工况条件对材料的低温冲击韧性有严格要求。本课题通过控制低温高韧性球墨铸铁的硅含量，研究了硅对其组织和性能的影响。针对风力发电机组锥形支撑铸件的技术要求，分析了其铸造生产的工艺难点，通过控制Si含量等技术措施，满足了各项技术要求，实现了该类铸件的批量生产。 低温高韧性球墨铸铁铸态下的组织为铁素体+珠光体+球状石墨+极少量渗碳体。石墨大小等级为6-7级，球化等级为1-2级。试样中的硅含量越高，组织中的石墨球就越多，石墨球径越小，在基体中的分布更加均匀。铸态试样的铁素体量随硅量的增加而增加。当Si量为1.80%以下时，试样铸态组织中出现渗碳体，其含量为1%；含Si量分别为1.81%、2.02%和2.18%的试样组织中无渗碳体。 铸态试样的硬度、抗拉强度与组织中的珠光体含量及含Si量有关。含Si量为1.80%以下时试样铸态组织中珠光体量较多，且含有渗碳体，其硬度、抗拉强度较高，分别达到155HBW、420MPa；含硅量为1.81%、2.02%和2.18%试样的硬度、抗拉强度随硅量的增加逐渐升高。 在所研究含Si量的范围内，含硅量为1.59%试样的-40℃条件下的冲击吸收功较低；含硅量为1.81%、2.02%和2.18%试样-40℃条件下的冲击吸收功随着含Si量的增加变化不明显，-40℃冲击吸收功均在15J以上，低温冲击韧性较好。 通过对不同含硅量球墨铸铁的组织及性能的研究得出：含1.8%至2.2%Si试样的最终组织为全铁素体+细小、圆整的石墨球；试样具有良好的力学性能，其抗拉强度超过350MPa，伸长率超过22%；-40℃条件下冲击功超过15J；达到通用型风电球墨铸铁件的力学性能要求。 【关键词】：低温高韧性球墨铸铁 硅 显微组织 力学性能
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TG255
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-23
• 1.1 研究背景14-16
• 1.2 风电装备用球墨铸铁件的工况条件及特点16-17
• 1.2.1 风电装备用球墨铸铁的工况条件16
• 1.2.2 风电装备用球墨铸铁的特点16-17
• 1.3 风电装备用球墨铸铁的技术要求17-18
• 1.4 低温高韧性球墨铸铁的发展及应用18-19
• 1.5 球墨铸铁冲击韧性的研究现状19-21
• 1.5.1 组织对球墨铸铁冲击韧性的影响19-20
• 1.5.2 化学成分对球墨铸铁冲击韧性的影响20-21
• 1.6 本课题的研究背景、研究内容和研究目标21-23
• 1.6.1 研究背景21
• 1.6.2 研究内容21
• 1.6.3 研究目标21-23
• 第2章 试验方法及过程23-30
• 2.1 研究技术路线23
• 2.2 试样23-25
• 2.3 金相组织观察及分析25-26
• 2.4 力学性能测试26-30
• 2.4.1 抗拉强度与伸长率27
• 2.4.2 布氏硬度27-28
• 2.4.3 低温冲击性能检测28-30
• 第3章 硅对低温高韧性球墨铸铁组织与性能的影响30-49
• 3.1 化学成分设计及原材料的选择30-33
• 3.1.1 化学成分设计30-32
• 3.1.2 炉料的选择及配比32-33
• 3.2 试样制备工艺33-37
• 3.2.1 砂型制备33-34
• 3.2.2 熔炼34-35
• 3.2.3 球化处理及浇注35-37
• 3.3 化学成分分析结果37
• 3.4 组织分析37-41
• 3.4.1 硅对石墨球化的影响37-39
• 3.4.2 硅对基体组织的影响39-41
• 3.5 硅对低温高韧性球墨铸铁硬度的影响41
• 3.6 硅对低温高韧性球墨铸铁抗拉强度的影响41-44
• 3.7 硅对低温高韧性球墨铸铁低温冲击性能的影响44-45
• 3.8 硅对低温高韧性球墨铸铁韧脆转变温度的影响45-47
• 3.9 本章小结47-49
• 第4章 低温高韧性锥形支撑球墨铸铁件的生产实践49-62
• 4.1 风力发电机组锥形支撑的特点及技术要求49-50
• 4.1.1 材料49-50
• 4.1.2 其他要求50
• 4.2 锥形支撑的铸造工艺50-54
• 4.2.1 浇注位置50
• 4.2.2 分型面50-51
• 4.2.3 浇注系统51-53
• 4.2.4 冒口53
• 4.2.5 冷铁53-54
• 4.3 主要工艺参数54-55
• 4.3.1 铸件线收缩率54
• 4.3.2 机械加工余量54
• 4.3.3 铸造尺寸公差54
• 4.3.4 其他技术措施54
• 4.3.5 随型保温54-55
• 4.4 铸造工艺 CAE 模拟55-57
• 4.4.1 锥形支撑铸造工艺三维立体模型的建立55
• 4.4.2 锥形支撑铸造工艺三维立体模型的建立55-57
• 4.5 熔炼浇注57-58
• 4.5.1 熔炼方案和化学成分57
• 4.5.2 原材料选择57
• 4.5.3 球化处理及浇注57-58
• 4.6 锥形支撑的生产58
• 4.7 锥形支撑的质量检测58-60
• 4.7.1 理化性能的确认58-59
• 4.7.2 无损检测59-60
• 4.8 本章小结60-62
• 结论62-63
• 参考文献63-66
• 致谢66

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