大型厚断面高性能球墨铸铁关键技术及产业化

大型厚断面高性能球墨铸铁件是大型装备的关键基础件，广泛应用于重型装备制造业。

与普通球墨铸铁件不同，大型厚断面球墨铸铁的铸造生产中存在两个亟待解决的行业难题：

一是因其冷却速度十分缓慢，共晶凝固时间长，产生的碎块状石墨组织； 二是因浇注金属液重量大，流动不平稳，产生氧化夹杂缺陷，使铸件的力学性能大幅降低。

特别是对于壁厚达200-500mm的大型球墨铸铁件，传统铸造技术根本无法生产性能达到技术指标要求的铸件。即使欧美少数发达国家可以生产壁厚达200-500mm的大型球墨铸铁件，但由于不能彻底消除心部的碎块状石墨组织，力学性能低，很难达到MT、UT检测标准和欧标EN1563-2011标准的力学性能指标要求，使大型厚断面球墨铸铁的应用受到极大的限制。

因此，研发消除大型厚断面球墨铸铁产生的碎块状石墨组织、缩松及氧化夹杂等缺陷的先进铸造技术，使铸件组织及力学性能达到高性能技术指标要求，满足重大装备制造业快速发展对其高性能需求，成为国际上亟待解决的行业难题。

主要科技内容：

1. 项目攻克的关键技术难点之一为研发确保大型球墨铸铁冷却过程安全可靠的水冷技术。大型厚断面球墨铸铁安全可靠的水冷技术的开发与应用是个国际难题。

2. 项目发明了由涂料层、树脂砂及钢管构成的传热热介质，增大冷却水的钢管与高温液态金属之间的热阻，确保冷却水被加热过程可控而不发生急剧汽化，使水冷技术能够安全地应用于大型厚断面球墨铸铁的生产，增大铸造过程的凝固冷却速度以消除碎块状石墨组织。

3. 同时消除热节以确保铸件组织致密，大幅提高力学性能。

4. 项目攻克的另一个技术难点在于如何实现大吨位铁液的快速、平稳充型，防止产生二次氧化夹杂、球化衰退和孕育衰退。

5. 开发适合大型球墨铸铁生产的半开放底注式浇注系统，实现30～90吨球化铁水能够在90～130秒时间内快速而又平稳充型。

6. 研究冷却速度对大型球墨铸铁球化质量的影响规律，开发能够较准确控制球墨铸铁中Sb元素加入量的合金化技术，以保证其作用稳定。

7. 结合水冷技术的应用，消除大型厚断面球墨铸铁产生碎块状石墨。

技术经济指标：

1. 大型厚断面球墨铸铁产品附铸试块（壁厚200～500mm）抗拉强度为437MPa、屈服强度为293MPa、延伸率为17.5%，已经超过产品附铸试块（壁厚60～200mm）的欧盟的EN1563-2011标准，技术指标处于国际领先水平。

2. 利用项目技术制造的世界上最大的4万吨重型航空单缸模锻液压机上的关键大型球墨铸铁件，解决了中国大飞机项目大型钛合金整体框、梁和大型涡轮盘等难变形精密模锻件的装备制造难题。

3. 利用项目成果生产的100万千瓦超超临界汽轮机组中压外缸大型墨铸铁件，达到600℃高温、32MPa气压的技术要求。

4. 利用项目成果生产的大型注塑机用油缸一体化模板大型墨铸铁件，达到21MPa工作油压要求，使中国大型精密注塑机制造技术跃居世界先进水平。

5. 项目成果已推广到矿山、机床及冶金等重型装备制造业的大型厚断面高性能球墨铸铁件的生产，推动了中国大型装备制造业的技术进步。

大型厚断面高性能球墨铸铁件是大型装备的关键基础件，广泛应用于重型装备制造业。与普通球墨铸铁件不同，大型厚断面球墨铸铁的铸造生产中存在两个亟待解决的行业难题：一是因其冷却速度十分缓慢，共晶凝固时间长产生的碎块状石墨组织、二是因浇注金属液重量大流动不平稳产生氧化夹杂缺陷，使铸件的力学性能大幅降低。特别是对于壁厚达200-500mm的大型球墨铸铁件，传统铸造技术根本无法生产性能达到技术指标要求的铸件。即使欧美少数发达国家可以生产壁厚达200-500mm的大型球墨铸铁件，但由于不能彻底消除心部的碎块状石墨组织，力学性能低，很难达到MT、UT检测标准和欧标EN1563-2011标准的力学性能指标要求，使大型厚断面球墨铸铁的应用受到极大的限制。因此，研发消除大型厚断面球墨铸铁产生的碎块状石墨组织、缩松及氧化夹杂等缺陷的先进铸造技术，使铸件组织及力学性能达到高性能技术指标要求，满足重大装备制造业快速发展对其高性能需求，成为国际上亟待解决的行业难题。主要科技内容：项目攻克的关键技术难点之一为研发确保大型球墨铸铁冷却过程安全可靠的水冷技术。大型厚断面球墨铸铁安全可靠的水冷技术的开发与应用是个国际难题。项目发明了由涂料层、树脂砂及钢管构成的传热热介质，增大冷却水的钢管与高温液态金属之间的热阻，确保冷却水被加热过程可控而不发生急剧汽化，使水冷技术能够安全地应用于大型厚断面球墨铸铁的生产，增大铸造过程的凝固冷却速度以消除碎块状石墨组织。同时消除热节以确保铸件组织致密，大幅提高力学性能。项目攻克的另一个技术难点在于如何实现大吨位铁液的快速、平稳充型，防止产生二次氧化夹杂、球化衰退和孕育衰退。开发适合大型球墨铸铁生产的半开放底注式浇注系统，实现30～90吨球化铁水能够在90～130秒时间内快速而又平稳充型。研究冷却速度对大型球墨铸铁球化质量的影响规律，开发能够较准确控制球墨铸铁中Sb元素加入量的合金化技术，以保证其作用稳定，结合水冷技术的应用，消除大型厚断面球墨铸铁产生碎块状石墨。技术经济指标：大型厚断面球墨铸铁产品附铸试块(壁厚200～500mm)抗拉强度为437MPa、屈服强度为293MPa、延伸率为17.5%，已经超过产品附铸试块(壁厚60～200mm)的欧盟的EN1563-2011标准，技术指标处于国际领先水平。利用项目技术制造的世界上最大的4万吨重型航空单缸模锻液压机上的关键大型球墨铸铁件，解决了中国大飞机项目大型钛合金整体框、梁和大型涡轮盘等难变形精密模锻件的装备制造难题。利用项目成果生产的100万千瓦超超临界汽轮机组中压外缸大型墨铸铁件，达到600℃高温、32MPa气压的技术要求。利用项目成果生产的大型注塑机用油缸一体化模板大型墨铸铁件，达到21MPa工作油压要求，使中国大型精密注塑机制造技术跃居世界先进水平。项目成果已推广到矿山、机床及冶金等重型装备制造业的大型厚断面高性能球墨铸铁件的生产，推动了中国大型装备制造业的技术进步。