高效风电用球墨铸铁的组织控制与性能研究

发布时间：2020-03-30 03:50

【摘要】：随着风电机组不断大型化,风机用底座、轮毂等球墨铸铁部件壁厚持续增加,高效风电用球铁件某些部位的厚度达到了300~500mm;由于厚大断面冷却速度慢、凝固时间长,厚大部位的孕育衰退较为严重,从而影响这些部位的组织和性能。同时,海上风电机组用球墨铸铁件,在盐雾环境中点蚀倾向很大,形成点蚀后也会严重影响部件的使用寿命。本文针对高效风电用球墨铸铁件,通过研究浇铸温度、冷却条件和热处理工艺等对大断面球墨铸铁组织与性能的影响,获得了制备高强度、高韧性大断面球铁的最佳工艺;研究了不同组织的球墨铸铁在氯离子环境中的耐蚀性,得出海上风电用球铁部件的腐蚀规律,并揭示其腐蚀机理。研究了浇铸温度对高效风电用球铁组织与性能的影响,研究表明,随着浇注温度的下降,薄弱区性能显著提升。1380℃时,球墨铸铁薄弱区的球化级别为3级,石墨球大小级别为5级,珠光体含量15%以上,且含有大量的球化元素偏析所致的夹杂;平均抗拉强度为333.3MPa,断后伸长率为15.9%,-20℃平均低温冲击韧度为7.8J。而浇注温度为1320℃时,该位置球化级别为1级,石墨球大小级别为7级,提高了2个等级,珠光体含量降低到10%以内,夹杂明显被消除,仅薄弱区含有极少量夹杂;平均抗拉强度为356.4MPa,提高了7.0%,伸长率为24.0%,提高了51.0%,-20℃平均低温冲击韧度为9.1J,提高了16.0%。研究了冷却条件对高效风电用球铁组织与性能的影响,结果显示,铸型内外表面加厚度为1/3左右铸件壁厚的冷铁后,进一步优化了球墨铸铁的组织和性能。铸件表面附近的球化等级达到了最高级别1级,石墨球大小级别达到了最细小的8级,铁素体含量高于98.0%,极大改善了球铁的组织。加冷铁后,球铁试块表面抗拉强度达到了407.0MPa,未加冷铁时仅为373.0MPa,提高了9.1%;各部分的伸长率均有所提高,越靠近铸件表面,伸长率提高越显著,加冷铁时试块表面伸长率为26.0%,未加冷铁时仅为11.4%,提高了128.1%;各部分-20℃低温冲击韧度均有了较大提高,心部组织的平均低温冲击韧度改善作用最显著,无冷铁冷却方案心部的平均冲击韧度为6.3J,有冷铁冷却方案心部的平均冲击韧度为15.0J,提高了137.0%。研究了石墨化退火工艺对高效风电用球墨铸铁组织与性能的影响。试验表明,经过低温石墨化退火后,珠光体减少,球化率和球化等级明显提高;高温一阶段退火后,球铁含有大量的珠光体,球化率与球化等级较低,而两阶段石墨化退火后,球铁的组织以铁素体为主,珠光体较少,球化率和球化等级较高。综合主要力学参数评价,低温石墨化退火最佳工艺是740℃×6h,得到的球墨铸铁平均抗拉强度为364.9MPa,退火前为340.6MPa,提高了7.1%,-20℃平均冲击韧性最高13.3J,退火前仅为8.3J,提高了59.7%;高温石墨化最佳工艺是920℃×2h+740℃×5h,得到的球墨铸铁平均抗拉强度为379.0MPa,提高了11.3%,-20℃平均低温韧性为12.0J,提高了44.1%。研究了球墨铸铁在Cl~-环境中的腐蚀规律。分析得出,当基体组织相同,石墨球径越大耐蚀性越好;当石墨球大小等级,球化率相似时,球铁组织中铁素体含量越多,则耐蚀性越好,随着珠光体含量的增加,其耐海水腐蚀性减弱;而随着残余奥氏体含量增多,其耐蚀性有所增强。石墨球与基体分界处的基体组织腐蚀最为严重,逐渐向周围扩展;石墨球分布不均匀时,石墨球聚集处为最易发生腐蚀的区域。
【图文】：

背景的风能资源比较丰沛，充分利用可以部分弥补能源供应的缺口。未来发 5~10MW 高效风力发电机组，尤其受到关注的两个方面是风力发上化。而风电机组中的关键性部件大多是球墨铸铁材料，如轮毂、承座等构件。由于轮毂、底座、轴承座等构件的断面持续增大，在铸量散发不均匀而导致铸件内部的组织和性能发生变化，，使产品的质量的组织缺陷有石墨球数量减少、球体粗大、石墨球畸变率高等[1]。风劣，常年在高达几十米至一百多米的高空运行，有的铸件要求能够境下服役 20 年[2]。因此风电设备上使用的球墨铸铁不同于普通铸铁度和低温韧性。与普通球墨铸铁件相比，风电用球墨铸铁件的成分控化孕育处理工艺等方面都具有其独特性与复杂性[3]。如图 1-1 为一些件。a b

图 1-2 2002~2016 我国球墨铸铁件产量增长情况用球墨铸铁的组织与性能特征铸铁组织的形成形核与生长形核分为均匀形核和异质形核[6]。石墨从铁液中形核可以长大成石墨生长的其中一种模式，球状晶的生长理论是石墨成球机制的球状生长必须符合以下条件：量辐射对称的小角度分叉大量的小角度分叉，石墨晶体必须存在大量的空位，因为空位产长方向[8]。从晶体学角度来说, 石墨基面的开裂及其扇状非晶体错位的基础[9]。强烈的过冷可使晶格空位增多。具有规则分叉特性
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG255;TM315

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本文编号：2606988