风电用厚断面铁素体基球墨铸铁的组织控制与性能研究

【摘要】：大断面铁素体球墨铸铁由于厚大部位冷却速度慢,凝固时间长,常出现石墨球数量少、球化不良、珠光体数量偏高等不良组织,严重影响球铁铸件的拉伸性能和低温韧性,限制了大型风电用球铁的发展。本研究主要针对低温高韧性球铁铸件,采用不同模数的大型实验铸件,通过探究二次孕育工艺、球化工艺、预处理工艺和Sb含量对实验铸件的组织性能影响,在保证足够的强度下,显著的提高了铸件的塑性和低温韧性。大断面球墨铸铁厚大部位存在组织性能不均匀性,实验铸件凝固时间最长的几何中心处组织和拉伸性能较好,低温韧性较差；中心面上存在一圈靠近边缘的环形区域,该区域的石墨球数量最少、尺寸最大,珠光体数量最多,拉伸性能和低温韧性最差,将其命名为“薄弱区”,应将该位置与中心位置的组织性能协同作为衡量工艺优劣的判据。二次孕育剂的孕育效果和抗衰退能力都会显著影响铸件的组织和性能,而微量添加元素对其孕育效果和抗衰退能力影响很大。Bi元素作为添加元素会显著改善孕育剂的孕育效果,但含Bi孕育剂的抗衰退能力较差,且0.002%的Bi就会导致模数为5cm的铸件薄弱区出现碎块状石墨：含微量S/O的二次孕育剂的抗衰退能力优异,采用0.2wt%的该孕育剂孕育的铸件中心处石墨球密集且圆整度高,薄弱区除个别粗大石墨球外,形态较好。轻稀土球化剂的稀土含量和Ce/La配比对铸件的组织性能影响很大,RE%=0.5%的纯镧系球化剂的球化效果较差,铸件厚大部位的石墨球数量少、形态差,铸件的低温韧性较差；稀土总量不变,Ce/La=2的铈镧混合球化剂的球化效果有所改善,但铸件薄弱区的珠光体量超标,铸件的塑性和低温韧性很差；将稀土总量提高到1%后,球化剂的球化效果显著改善,铸件厚大断面上石墨最多,珠光体数量最少,铸件的综合力学性能最好。预处理工艺可以显著改善大断面铁素体球墨铸铁件的组织性能。在原料熔化前采用0.2wt%的新型预处理剂对铁液进行预处理,与未预处理的铸件相比,360mm×360mm×360mm铸件薄弱区的石墨球数量提高了14%,珠光体量由5.8%降低到1.6%,延伸率从9.4%提高到12%,-20℃冲击值由7.4J提高到10.2J,-40℃冲击也提高了26%。微量元素Sb在抑制碎块状石墨的同时可以改善石墨球形态,提高铸件的综合力学性能,但Sb过量会导致铸件薄弱区珠光体量超标,影响其塑韧性。Sb的合适加入量与铸件的模数息息相关,当铸件模数小于或等于4cm时,50ppm的Sb加入量获得的综合力学性能最佳；而当铸件模数在4cm以上时,1OOppm的Sb加入量获得的拉伸性能和低温冲击韧性更加优异。改进工艺后,对于240mmx240mmx240mm铸件,中心处的拉伸强度为378.6MPa,延伸率达到了21.7%,-30℃、-40℃的低温冲击值分别为13.07J和9.4J；薄弱区的拉伸强度为369.8MPa,延伸率达到了16.3%,-30℃、-40℃的低温冲击值分别为11.1J和8.0J；对于36Ommx360mmx360mm铸件,中心处的拉伸强度为376.1MPa,延伸率达到了20.2%,-30℃、-40℃的低温冲击值分别为12.89J和9.09J；薄弱区的拉伸强度为364.2MPa,延伸率达到了14.3%,-30℃、-40℃的低温冲击值分别为9.09J和7.23J。 【关键词】：大断面球墨铸铁 组织控制 薄弱区 球化 二次孕育 预处理
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG255
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-32
• 1.1 大断面球墨铸铁12-19
• 1.1.1 球墨铸铁的产生与发展12-14
• 1.1.2 大断面球墨铸铁的特征14-18
• 1.1.3 球墨铸铁的模数18-19
• 1.2 大断面球墨铸铁的制备工艺19-26
• 1.2.1 主要化学成分19-20
• 1.2.2 球化工艺20-23
• 1.2.3 孕育工艺23-26
• 1.2.4 微量元素26
• 1.3 大断面球墨铸铁的研究现状26-29
• 1.3.1 常存元素的调整26-27
• 1.3.2 微合金化27-28
• 1.3.3 改善熔炼及浇注工艺28
• 1.3.4 铁水预处理28-29
• 1.4 本课题的研究意义及主要内容29-32
• 第二章 实验材料和方法32-40
• 2.1 实验方案32-33
• 2.2 实验设备及材料33-35
• 2.2.1 实验设备33-34
• 2.2.2 实验材料34-35
• 2.3 实验方法35-40
• 2.3.1 实验制备方法35
• 2.3.2 实验分析方法35-40
• 第三章 风电用厚断面铁素体基球墨铸铁的组织和性能特征40-54
• 3.1 实验方案40
• 3.2 大断面铁素体球墨铸铁的组织特征40-43
• 3.3 铸件中心面上的性能分布特征43-47
• 3.3.1 拉伸性能分布特征43-46
• 3.3.2 低温冲击韧性的分布特征46-47
• 3.4 分析与讨论47-53
• 3.5 本章小结53-54
• 第四章 二次孕育和球化工艺对大断面铁素体球墨铸铁组织和性能的影响54-73
• 4.1 不同孕育工艺对大断面铁素体球墨铸铁组织的影响54-60
• 4.1.1 实验方案54-55
• 4.1.2 二次孕育时采用不同孕育剂孕育后铁液形核能力的衰退特征55-56
• 4.1.3 二次孕育时采用不同孕育剂对实验铸件组织的影响56-57
• 4.1.4 分析与讨论57-60
• 4.2 不同球化工艺对大断西铁素体球墨铸铁组织和性能的影响60-71
• 4.2.1 实验方案60-61
• 4.2.2 不同稀土配比的球化剂球化处理对实验铸件组织的影响61-64
• 4.2.3 不同稀士配比的球化剂球化处理对实验铸件性能的影响64-69
• 4.2.4 分析与讨论69-71
• 4.3 本章小结71-73
• 第五章 预处理工艺和微量元素Sb对大断面铁素体球墨铸铁组织和性能的影响73-93
• 5.1 预处理工艺对大断面铁素体球墨铸铁组织和性能的影响73-80
• 5.1.1 实验方案73-74
• 5.1.2 炉料熔炼前添加预处理剂对实验铸件组织的影响74-76
• 5.1.3 炉料熔炼前添加预处理剂对实验铸件性能的影响76-78
• 5.1.4 分析与讨论78-80
• 5.2 不同Sb含量的微合金化对大断面铁素体球墨铸铁组织和性能的影响80-91
• 5.2.1 实验方案80
• 5.2.2 微量Sb元素对实验铸件组织的影响80-86
• 5.2.3 微量Sb元素对实验铸件性能的影响86-89
• 5.2.4 分析与讨论89-91
• 5.3 本章小结91-93
• 第六章 全文结论93-95
• 参考文献95-100
• 攻读硕士学位期间取得的主要成果100-101
• 致谢101

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