摘 要：2MW 風力發電輪轂鑄件重達 16t，最大壁厚超過 200mm，屬于厚大斷面球鐵，易于 發生石墨畸變、石墨球數減少及形成縮孔縮松等缺陷，材質要求 EN-GJS-400-18U-LT，要求對 聯體試塊做-40℃低溫沖擊試驗和對所有關鍵部位進行 UT 探傷，工藝難度大。主要技術指標： σb395MPa；σ0.2 220MPa；δ19%；HB145；-40℃低溫沖擊值為：3 個試樣平均 10.50J，最低 10J。球化率 90%，球徑大小 6 級，鐵素體含量 95%。UT 探傷結果未發現 3 級以上的鑄造缺 陷，達到了 DIN EN1563 材料標準的要求和客戶的驗收條件。高要求鑄件生產關鍵在于化學成 分的正確選擇；低鎂重稀土球化劑及配伍孕育劑及孕育方法的科學運用。 關鍵詞：風力發電輪轂；大斷面球墨鑄鐵；低鎂重稀土球化劑及配伍孕育劑；UT 探傷；低溫 沖擊性能 Abstract：2MW wind turbine wheel casting weight up to 16t, the maximum wall thickness of more than 200mm, belongs to the thick nodular iron with large section, prone to graphite distortion, graphite ball number reduction and the formation of shrinkage cavity shrinkage defects, material requirements EN-GJS-400-18U-LT, required to do -40℃ low temperature impact test on the test block and UT flaw detection on all key parts, The craft is extremely difficult. Main technical indicators: σb 395MPa; σ0.2220MPa. The delta 19%; HB145; The low-temperature impact value of -40℃ was 10.50J on average and 10J on the lowest. The spheroidization rate is 90%, the ball diameter is grade 6, and the ferrite content is 95%. UT inspection results showed no casting defects above grade 3, meeting the requirements of DIN EN1563 material standards and customer acceptance conditions. The key of high demand casting production lies in the correct selection of chemical composition; Scientific application of low magnesium heavy rare earth spheroidizing agent and inoculating agent and inoculating method. Key words:Hub of Wind Turbine Wheel;Large Section Ductile Iron；Low Magnesium Heavy Rare Earth Spheroidizing Agent and Compatibility Inoculant;UT Inspection;Low Temperature Impact Property 12 

風力發電利用自然界的可再生能源——風能，成為當今國際 新能源發展的流行趨勢。近年來，各國的風力發電市場的年增長 率超過了 20%，據預測風力發電技術的應用將在未來 30 年內都 持續高增長。大斷面高韌性球鐵在風力發電設備中獲得廣泛的應 用，風力發電機組主軸是用來連接風輪與齒輪箱，支持旋轉的機 械零件，一般安裝在幾十米甚至上百米高空，工作溫度可低至 -20~-40℃，且工作時風速變化大。通常要求 20 年不更換，如發 生意外失效，則更換費用和相關損失巨大。風電主軸對材料性能 要求極高，必須滿足高疲勞強度和低脆性斷裂敏感性要求，這些 鑄件一般采用德國/歐洲（DIN/EN GJS400-18-LT）材料標準的高 韌性球鐵（相當于 GB/T 1348 的 QT400-18AL），鑄件質量要求 極為嚴格，目前中國有寧波日月、一汽錫柴、江陰吉鑫、大連重 工、安徽涌成、秦川機床、陜柴重工、東方汽輪機、長城須琦等 企業開發出此類產品。 

在生產中大部分鑄件如輪轂、齒輪箱體等由于斷面過厚，冷 卻速度緩慢，因而凝固時間過長，在鑄件厚壁中心或熱節處容易造成石墨畸變、球數減少、組織粗大、石 墨飄浮、化學成分偏析和晶間碳化物等問題，從而影響抗拉強度、延伸率、低溫沖擊韌性等力學性能，尤 其是抗拉強度的不穩定。齒輪箱體內部的小鑄件，由于冷卻速度相對較快，鑄件的鐵素體量不穩定，從而 影響延伸率、低溫沖擊韌性等指標的不穩定，經過十幾年努力風電鑄件的生產工藝技術已經比較成熟，本 文就低鎂重稀土球化劑及配伍孕育劑在 2MW 風力發電輪轂鑄造上應用，重點闡述鑄造各個環節，如化學成 分、生鐵與廢鋼、過熱處理、球化劑自身特性、澆注填充、檢測等方面質量控制。 風電鑄件材質要求具有很高鐵素體基體的球墨鑄鐵，有良好的抗拉強度和伸長率；同時要求在-20℃至 -40℃的夏氏 V 型缺口的沖擊韌度平均值大于等于 10J。需要全面控制化學成分、顯微組織、力學性能等。

風電球墨鑄鐵件與常規球墨鑄鐵件技術要求比較見表 1，如輪轂等大型件均要在開螺紋孔時從本體取出試樣 檢驗，若球裝石墨不符合規定，制備的大型件即視為不良品。鑄件內部組織致密，鑄件 100%部位進行無損 探傷，達到歐洲標準 EN-12680 中 2～3 級的要求。由于球鐵生產中球化元素 Mg 和 RE 等易氧化而產生夾渣， 夾渣在鑄件中將成為裂紋源而引起斷裂失效，因此輪轂等大型件須滿足表面磁粉探傷的 EN-1369 的 3 級要 求。 表 1.風電球墨鑄鐵件與常規球墨鑄鐵件技術要求比較 技術要求 常規球鐵件 風電球鐵件 抗拉強度及伸長率 要求 要求高 低溫沖擊值 不要求 Akv-20℃，Akv-40℃≥10J 球化率 ≥70% ≥90% 石墨球尺寸 達到 5 級 達到 5 級及以上 珠光體量 要求 要求＜5%-10% 鐵素體量 要求 要求≥90% 試塊 單鑄試樣 25mm 附鑄試塊 70mm 超聲波探傷 不要求 EN12680 中 2-3 級 磁粉探傷 不要求 EN1369 要求 為獲得良好的力學性能，使輪轂等大型件材質的綜合性能滿足-20℃至-40℃使用環境的要求，成分配 置一般都加入 0.5%～2%Ni，如 VESTAS 公司的船舶等大型件原生產廠 WINDCAST，在 EN-GJS-400-180-LT 牌 號的輪轂中加入不低于 0.5%Ni；對要求-40℃時的低溫沖擊值的 EN-GJS-350-220-LT 牌號的球鐵，Ni 的加 入量高達 2%。如印度 SUZLON 公司生產 EN-GJS-350-220-LT 牌號的輪轂和底座時，Ni 加入量達 2%。 風電機組用輪轂等-20℃低溫韌性球鐵大型件，在不加鎳的條件下材料性能達到歐洲標準 EN-1563 中的 EN-GJS-400-180-LT 要求。

風電機組用輪轂等-40℃低溫韌性球鐵大型件，在不加鎳的條件下材料性能可達 到歐洲 EN-1563 標準中的 EN-GJS-350-220-LT 要求。 通過合理熔煉工藝，使用低成本的國內生鐵，穩定地生產低溫高韌性的 MW 級風機用大型件。應用先進 鑄造綜合技術（包括高效球化和孕育技術、冷鐵無冒口新技術等）實現產品高成品率和高的工藝出品率。

1.合理確定風電鑄件的碳當量和碳、硅成分與化學成分 化學成分是獲得良好的球墨鑄鐵組織狀態和高韌性能的基本條件，其選擇既要有利于石墨的球化和獲 得滿意基體，以達到所要求的性能，又要使鑄鐵有較好的鑄造性能。其中碳硅量是最重要的因素。3 含碳量高，則析出的石墨數量多，石墨球數多，球徑尺寸小，圓整度增加；同時可減小縮松面積，使 鑄件致密。但含碳量過高，會造成嚴懲的石墨漂浮或石墨粗大、石墨聚集，影響球鐵的力學性能。 硅是促進石墨化元素，可提高球墨鑄鐵的抗拉強度、屈股強度和硬度，同時使塑性指標降低；由于硅 升高球墨墨鑄鐵的脆性轉變 TK，增加含硅量會使沖擊韌度明顯下降。當硅的質量分數超過 3%，沖擊韌性將 急劇降低。 因此，風電低溫球鐵鑄件生產中采用高碳低硅的原則，硅量控制在 1.7%～2.3%間，碳量控制在 3.6%～ 3.9%間，視鑄件壁厚的大小進行調節。 風電鑄件最終化學成分控制在：C3.4%～3.7%，Si1.9%～2.3%，Mn≤0.3%，S≤0.015%，P≤0.045%， Mg0.04%～0.06%，RE≤0.018%，CE 大件取下限，小件取上限，主要是調整含 C 量，Si 含量基本不變化，生 產初期為了提高低溫沖擊韌性，將含 Si 量的控制在 2.0%以下，甚至 1.6%～1.8%的低限，結果低溫沖擊韌 性非常好，普遍達到 17、18、19J，抗拉強度卻維持勉強合格且不穩定，Si 在 1.9%～2.3%間，低于 1.9% 時低溫沖擊韌性非常好但抗拉強度卻不穩定；高于 2.3%時則低溫沖擊韌性不穩定。其它元素無論大件還是 小件基本不變，Ni 元素在生產風電鑄件的初期，多數企業都加入約 0.3%～0.5%的比例，主要為促進低 Si 量 而帶來的石墨化能力不足和增加鑄件的抗拉強度，實踐發現 Ni 元素低于 0.5%時基本不起作用，只有大于 0.5%時才能起到固熔強化鐵素體的作用，考慮到 Ni 的價格，降低生產成本就不加。

如果生產 EN-FJS-350-22U-LT 材質時就必須使含 Si 量控制在 1.9%以下，同時要加入 Ni 元素。低硅加鎳與適度高 硅量相比，前一種方式的鑄件質量更穩定，低溫沖擊韌性與抗拉強度的相互關系更協調。 2 風電鑄件的優化配料及熔煉工藝 風電鑄態低溫高韌性球鐵除采用高碳低硅的原則以外，嚴格限制錳、磷及硫的含量，因此對熔煉技術 和原材料提出了更高的要求。生產風電鑄件應選擇優質的生鐵，主要體現在： ①生鐵最好是共晶成分的，避免過共晶的成分，否則生鐵內部就會出現過共晶的粗大石墨，這樣會影 響鑄件石墨形態； ②P 含量要小于 0.045%，以避免凝固時產生磷共晶； ③就是微量反球化干擾元素的控制，在鑄件中有些元素能破壞和阻礙石墨球化，這些元素即所謂的球 化干擾元素，干擾元素分為兩類，一是消耗球化元素型干擾元素，它們與鎂、稀土生成 MgS、ＭgO、MgSe、 RE2O3、RE2S3、RE2Te3 等，使球化元素降低從而破壞了球狀石墨形成；另一類是晶間偏析型干擾元素，包括 錫、銻、砷、銅、鈦、鋁等在共晶結晶時，這些元素富集在晶界，促進使碳在共晶后期形成畸形的枝晶狀 石墨 ，球化干擾元素原子量越大，其干擾作用越強，現在許多研究都已找到了干擾元素在鑄鐵中的臨界含 量，當這些元素含量小于臨界含量時，并不能形成畸變石墨。

依據球化指數回歸公式：

SB=4.4Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Bi+1.6Al<0.6，國內生鐵本溪和林 州生鐵、純凈河北龍鳳山生鐵、山西建邦生鐵等生鐵純凈，SB 值低，適合生產風電鑄件球鐵。 使用廢鋼應選擇純凈低錳的碳素鋼，如 A3 鋼、P08 鋼等角鋼、工字鋼等，且不得有鐵銹、油漆、油圬 以及焊縫等，鐵銹主要是 FeO，在球化反應時會消耗 Mg 元素影響球化率；油漆尤其是橘黃色顏色，是由 含 Pb 約 64%和 Cr 約 16.1%的顏料配置而成；焊縫金屬一般含有 O、H、S、P、Sn、Pb 等有害雜質，這 些干擾雜質元素，尤其是 Pb 會進入鐵液之中，直接會是石墨形態變異。某合資公司僅僅把廢鋼進行了挑 選，除去那些有鐵銹、油漆、油圬以及焊縫等的，并進行了鐵液過熱處理，用同樣工藝、成分等比較，可 以看出石墨形態明顯差異。 原材料控制：使用的國產生鐵采用 Q10 標準，常規元素符合公司要求，微量有害元素總量控制在 0.06% 以下，經嚴格生產驗證后方允許批量使用；廢鋼要求選用優質碳素鋼、錳量、鉻量要符合公司要求。 

配料是 70%～80%生鐵+10%～15%廢鋼+10%～15%回爐料，球化劑 1.3%～1.6%，爐前孕育劑 0.6%～0.8%， 瞬時孕育劑 0.15%～0.20%，特別提出加 0.5%～1.2%的 SiC，分別加在爐內和包內，一方面 SiC 與 Fe 反 應置換出來的單質 C 起促進石墨核心質點等作用，另一方面單質 C 與鐵液中的硅氧化物反應生成 CO 等氣 體上浮，帶走內部的爐渣等夾渣物，起凈化鐵液作用。 通過熔煉過程中的工藝優化，對不同性能、不同質量、不同壁厚鑄件的原鐵液成分進行有效控制，確 保低的 Mg 和 RE 的殘留量，以及不同生鐵的配料優化，提高了風電球鐵鑄件的性能合格率。 風電鑄件鐵液的處理溫度 從球化反應角度來講處理溫度愈低愈好，針對于重量在 8～10t，壁厚在 60～200mm 的輪轂，最佳的球化處理溫度在 1450～1460℃，這樣的溫度一方面使 Mg 元素有最大的吸收率， 另一方面使鐵液在澆注時有良好的充型能力，一般推薦澆注溫度在 1340～1360℃之間比較合適，河南某生 產齒輪箱小風電鑄件的企業，因采用消失模造型工藝考慮到消失模生產的特殊性，采取的球化處理溫度在 1500～1510℃，因而選擇的球化劑、孕育劑的成分與粒度也和生產輪轂所選用有所差異，生產的鑄件力學 性能中抗拉強度特別高，延伸率就相對于樹脂砂造型低一些、低溫沖擊韌性能一直很好并且很穩定。在生4 產中依據鑄件的壁厚狀況、不均勻程度，熔煉設備與造型澆注的距離等因素，采取最佳的球化處理溫度， 從而保證優良而穩定的球化率和石墨數量。 

3.采用高效的球化及孕育工藝, 風電鑄件用低鎂重稀土球化劑與配伍孕育劑 2MW 級及以上低溫球鐵風電軸類和輪轂、底座類零件，壁厚 50～200mm，重量達 16～50t，由于冷卻速 度慢，凝固時間長，易產生球化衰退、孕育衰退，導致石墨球直徑大、數量少，容易出現開花狀、碎塊狀 石墨等異常石墨和石墨漂浮，嚴重影響鑄件的力學性能。為使厚大斷面鑄件在鑄態滿足客戶對鑄件本體厚 大部位心部的組織及性能的嚴格要求，解決厚大斷面鑄件心部的組織和性能惡化，選用低鎂低稀土重稀土 鎂合金球化劑，用沖入法進行球化處理，能夠控制殘余鎂和稀土含量，減少夾渣、疏松及白口傾向。孕育 處理則應用含鋇硫氧復合孕育劑，采用多次孕育具有衰退慢、效率高、用量少的特點，能夠獲得圓整、細 小的石墨球。

目前生產風電鑄件使用的球化劑和孕育劑基本特點是高鎂、低稀土，壁厚 60～200 ㎜規格的 大噸位鑄件的一般是釔基重稀土低鎂專用球化劑配伍孕育劑：

① 釔基重稀土低鎂專用球化劑特點是低鎂重稀土低鈣適度的鋇，這種釔基重稀土低鎂專用球化劑一方 面延緩球化衰退，另一方面促進異質形核。球化劑中酌情添加 Bi、C 等微量元素，有促進晶核、增加石墨 數量、改善石墨圓整度等作用。 ② 爐前孕育劑主要含有 Ba、Ca 等元素，一方面高效地形核，另一方面形核后的保持長時間的穩定性， 使晶核質點不聚集、不粘合，從而保證較高的石墨數量，是抗衰退的長效孕育劑。 ③ 澆注隨流含有硫氧復合孕育劑，主要是表面活性低熔點元素的應用，其中應用于風力發電鑄件時配 入適微量的 Bi 元素，即改善斷面中心部位的球化狀況，使得球徑小，球數多，并能提高鐵素體含量，提高 鑄態性能。 低鎂重稀土球化劑的成份ω為：5.8%～6.2%Mg、1.4%～1.6%RE(Y)、44%～46%Si、2.6%～2.8%Ca、1.8%～ 2.2%Ba,使 Mg、RE、Ca 等元素的氧化物最小，尤其是 MgO 要低，控制 MgO/Mg 比值≤0.1，抗球化衰退時間 更長，更重要的是反應后爐渣更易于扒掉。球化劑生產使用蓋板、水冷組合模具、石墨復合 SiC 涂料等設 施，球化劑自身密度大、致密無疏松、無氣孔、無夾渣物等，從而使實際使用中吸收率穩定，長期穩定球 化效果。合金的粒度 5～30 ㎜粒度分布，那種粒度最合適這與處理包的大小、處理的溫度有很大關系，一般小 包小粒度，大包大粒度，處理溫度高時粒度應小些，其原則就是粒度的分布使其緊實后堆積密度最大，從 而使起爆延緩，較小的粒度在反應過程中上浮的速度相對緩慢，從而提高 Mg 元素的吸收率減少加入量。 合金的形狀應是多面體形，最佳是球狀。 球化處理包的深徑比及合金的填充與覆蓋。 使用深徑比在 1.6～1.8 的處理包，不僅球化劑加入量會相應減少，而且操作安全，球化成功率好， 綜合鑄件成品率高而穩定。蓋包球化處理一方面減少鎂在反應過程中的閃光與煙霧以及大氣對流過程帶來 的鎂燒損，使鎂的吸收率提高 10%～20%，從而減少合金的加入量，大大改善了現場操作的安全性，更重要 的是整個生產成本降低，質量穩定性提高。

合金的填充與覆蓋注意 4 個方面：

①填充后應進行緊實，使合金之間的空隙或縫隙最小，堆積密度最大； ②必須有覆蓋物，主要目的是延緩起爆、預處理等，大致有各種孕育劑、FeSi75、SiC、冰晶石、預處 理劑、鐵屑、鋼屑、鋼板、石墨粒、珍珠巖等覆蓋的要有重量； ③現場操作操作注意一定要覆蓋嚴實，不要有縫隙，充分體現既覆又蓋的目的； ④覆蓋后的體積最好和處理包凹槽相吻合；覆蓋物的比重應大于球化劑的比重，這樣才能起到覆蓋的 作用，覆蓋物熔點應大于球化劑的熔點，才能起到延緩爆發的作用，比較好有鐵屑、鋼屑等。 低鎂重稀土球化劑配伍新型孕育劑成分，見表 2。進行三次孕育，三次孕育劑總量為 0.65%。 表 2.孕育劑含元素的成分（質量百分比，%） 化學元素 Si Ba Ce Al C S O 含量% 70～72 1.75～2.25 1.5～2.0 0.75～1.25 0.80～1.20 適量 適量 4 冷鐵與無冒口鑄造技術 呋喃樹脂砂造型，底注、開放式澆注系統，并設置過濾網，厚大部位設置冷鐵縮短鑄件凝固時間， 由于 MW 級風電機組的工作負荷重，工作環境惡劣，因此，輪轂、底座、軸承座、梁等低溫球鐵件既要 求有較高的強度及低溫韌性的性能，又要求有很高的內在質量：UT（超聲波探傷）須滿足 EN12680-3 標準 的 2～3 級要求，MT（表面磁粉探傷）須滿足 EN1369 標準的 3 級要求。 生產此類球鐵件通常采用大冒口、多冷鐵、快速澆注的工藝。

利用球鐵在凝固過程中會析出石墨，產 生石墨膨脹的特性，采取有效措施將單位時間內的收縮與膨脹的關系按比例變成收縮與補縮的關系，從而 獲得致密的基體組織。在鑄件設置澆口箱，開設了 2 個澆口，一邊將鐵液傾倒到澆口箱，一邊將粒度為 1～3mm 瞬時孕育劑 YLOS 通過特制的漏斗隨流加入，加入量 0.15%～0.25%，依據傾倒的時間控制瞬時孕育劑的加入速度，傾倒 結束后，攪拌、扒渣、測溫、在溫度為 1320℃～1360℃時迅速澆注，結束保溫 96h 即鑄件溫度約 500℃ 以下開箱其它鑄件的現場球化與孕育處理基本類同，只是球化劑和孕育劑的成分、粒度以及加入量因鑄件 壁厚、重量、現場布局、造型工藝等條件有所差異而略微變化。小件的瞬時孕育則采用漏斗計量加入。 保溫時間大部分在 48～96h 之間，因鑄件大小不同而異，理論上在共析轉變溫度以下就可開箱，考慮 到消除鑄件內應力等因素，開箱溫度在 300℃左右合適。 6.總 結（1）選用球化指數 SB 小于 0.6%，Ti 元素小于 0.04%的生鐵和純凈度高低錳碳素廢鋼，注意廢鋼的 選擇不能有焊縫、油漆、鐵銹等，回爐料最好是同類材質的成分，鐵液中雜質越少越好，尤其是反球化干 擾元素（如 Pb、As、Ti 等），熔煉時必須進行鐵液過熱處理； （2）鐵液成分 C 3.4%～3.7%，Si 2.0%～2.3%，Mn≤0.3%，S≤0.015%，P≤0.045%，Mg 殘 0.04%～0.06%， RE 殘≤0.018%，低 CE、低 Mn、S、P 以及盡可能低的 Cr、Mo、Ti、Sn、V 等正偏析元素； （3）球化孕育處理：選用低鎂重稀土的球化劑及配伍新型孕育劑，1450℃～1460℃球化孕育處理、三 次孕育；現場管理嚴格按工藝執行操作，精準計量，各個環節記錄詳細。 （4）使用低鎂重稀土球化劑及配伍孕育劑，在滿足生產要求情況下價格經濟，對風電鑄件企業保證質 量，提高效益的有著重要意義。

作者簡介： 張山河，蒲城毅力金屬鑄造材料有限公司副總 

李 信，蒲城毅力金屬鑄造材料有限公司副總 

鄧宏運，鑄造工程師雜志社總編，鑄造高級工程師。 5