球墨铸铁具有耐磨、减震、对缺口不敏感及铸造性能优异的特点，且生产成本较低，生产周期较短，是风电铸件的理想材料。当前，风电铸件的尺寸，随着风电机组不断大型化和重型化而增加，某些部位的断面厚度已超过200 mm。厚大断面铸件的凝固冷却速度缓慢，易造成球状石墨形状差、数量少，甚至产生碎块状石墨问题；基体组织也会形成严重的成分偏析，导致产生大量通过长时间热处理也难以消除的碳化物。并且，铸件晶粒粗大，较易产生黑斑及缩松等缺陷。
近年来，普遍采取的严格控制化学成分、改进铸造工艺、后热处理，特别是强制冷却等措施，对改善上述不良组织有较好效果。但是，仅依靠工艺及装备的改进来提高风电球墨铸铁件的质量，特别是在成本不上升的前提下，几乎是不可能的。
目前，国内风电铸件使用的球墨铸铁材料主要为QT400-18AL，其力学性能为：抗拉强度≥360 MPa、屈服强度≥220 MPa、断后伸长率≥12.5%，-30 ℃最小冲击吸收能量为：10 J（平均）和7 J（单个）。而国外应用的高强度球墨铸铁件材料为固溶强化铁素体材料EN-GJS-500-14和EN-GJS-600-10，力学性能比QT400-18AL要高很多。但是，这种材料对于低温冲击功未作要求，在风电领域应用存在风险。因此，研发一种风电铸件用高强高韧低温型球墨铸铁材料是有必要的。
笔者尝试通过合金化的方法来提高风电铸件用球墨铸铁件的强度与韧性，以减小铸件厚大部位尺寸，解决由于铸件厚大、冷却速度缓慢造成的铸件质量问题。
1、材料配方
球墨铸铁的合金化对其力学性能的提高有很大的帮助，但是，风电铸件对低温冲击功有要求。因此，添加的合金元素需要综合考虑。笔者主要是在QT400-18AL材料的基础上，添加了合金元素Ni、Nb、Zr三种元素，它们主要有以下优点：
（1）Ni可以降低球墨铸铁脆性转变温度，添加一定的量可以提高球墨铸铁的低温性能。
（2）Nb在冶金工业中广泛应用，增加Nb可以提高球墨铸铁的力学性能，且不影响其低温性能。
（3）增加少量Zr，可以起到脱氧、净化和细化晶粒的作用，有利于球墨铸铁的低温性能。
具体配方，如表1所示。
表1 材料配方（质量分数，%）
2、材料试制
2.1 材料制备
（1）将生铁、回炉料和废钢加入熔炉内炼为铁液。
（2）对铁液进行增碳处理，控制碳含量满足表1要求。
（3）对增碳后的铁液进行球化、孕育和合金化处理：按表1的质量百分比加入Nb和Ni；Zr通过硅锆孕育剂加入。
（4）用球化、孕育和合金化处理后的铁液进行浇注，得到风电铸件用高强高韧球墨铸铁材料。
2.2 试块试制
试块尺寸：300 mm×300 mm×300 mm，并附铸70 mm厚检测试块。浇注及开箱情况如图1和图2所示。
图1 浇注
图2 开箱
3、检测结果
3.1 力学性能
按《GB/T 228-2002金属材料 室温拉伸试验方法》进行检测，结果如表2所示。
表2 力学性能
3.2 金相组织
按《GB/T 9441-2021球墨铸铁金相检验》进行检测，结果如图3、图4和表3所示。
图3 球化组织
图4 铁素体组织
表3 金相组织
3.3 低温冲击功
按《GB/T 229-2020金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》进行检测， 结果如表4所示。
表4 低温冲击功
3.4 疲劳性能
按以下标准及参数进行检测：
（1）疲劳性能检测按《GB/T 3075-2021金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法》，数据处理按《GB/T 24176-2009金属材料 疲劳试验 数据统计方案与分析方法》。
（2）应力比：-1。
（3）循环寿命：1×107。
3.4.1 疲劳极限
采用升降法，应力台阶取10 MPa，测试15件试样，试验数据如表5所示，绘成的升降图如图5所示。根据升降法计算得到平均疲劳极限为196 MPa（50%失效概率）。
表5 升降法疲劳试验结果
图5 疲劳试验升降图
3.4.2 S-N曲线合成
根据表的试验结果，并结合升降法测得的疲劳极限，可拟合该球墨铸铁材料的交变拉伸-压缩疲劳S-N曲线（50%失效概率），如表6及图6所示。
表6 交变拉伸-压缩疲劳试验结果
图6 S-N曲线
4、材料应用
（1）由于Nb的熔点高于Fe，无法直接熔化。因此，该材料在熔炼时需要将铌铁敲碎至细块状，使其在铁液中更易熔化。
（2）相比风电用球墨铸铁材料QT400-18AL，该材料力学性能有很大提高，而且低温冲击功也能达到要求，可替代QT400-18AL。
（3）该材料应用于风电铸件，如：轮毂、底座、机架等，减重可达15%左右。
5、结论
（1）在风电铸件使用的球墨铸铁材料QT400-18AL中，加入合金元素Ni、Nb进行合金化，可大幅度提高其力学性能，且金相组织、低温冲击功也能满足《GB/T 25390-2010风力发电机组 球墨铸铁件》的要求。
（2）该材料的低温性能满足风电铸件的应用场景，可以替代QT400-18AL。而且可实现风电铸件轻量化设计，解决由于铸件厚大、冷却速度缓慢造成的铸件质量问题，并对运输、整机装配、整机载荷等带来有利影响。
