在我国，风资源蕴藏量巨大，已开发风能资源尚不到蕴藏量的5%，在当前技术水平下，仅“三北”地区的风能资源储量就超过40 亿kW；另外，为实现碳中和、碳达峰的目标，风能作为可再生清洁能源，将是未来几年内大力发展的新型能源。
QT400-18AL 属于高强度铸铁，有较高的强度和抗疲劳性能，有一定的塑韧性，并且具有良好的耐磨性和减震性，缺口敏感性较钢低，铸造工艺性好，因而在风电机组中得到了广泛应用，轮毂、主机架、轴承座、齿轮箱箱体等均采用球墨铸铁制造。风力发电机组的运行环境较为恶劣，长期在风载、冲击载荷、低温等工况下使用，需具备良好的低温性能，抗拉强度和屈服强度对低温不敏感，因此需重点关注其低温冲击韧度。
根据GL2010 规范的要求，应在最低设计温度下验证夏比冲击强度，风电机组的最低设计温度为-40 ℃，传统的QT400-18AL 仅适用于-30 ℃，因此有必要对其更低温度下的低温冲击韧度进行研究。
化学成分、冶炼工艺对QT400-18AL 的低温冲击韧度起着决定性的作用。通过控制其化学成分和冶炼工艺，成功开发出适合-40 ℃使用的QT400-18AL。
1 技术要求
在机组设计时，轮毂、轴承座、主机架等铸件选用QT400-18AL，铸件壁厚60～200 mm，采用70 mm附铸试块，提出的力学性能要求见表1，金相组织要求见表2。
表1 QT400-18AL70 mm附铸试块的力学性能要求
Tab.1 Mechanical property requirements of QT400-18AL 70 mm cast-on sample
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表2 QT400-18AL70 mm附铸试块的金相组织要求
Tab.2 Metallographic structure requirements of QT400-18AL 70 mm cast-on sample
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2 化学成分控制
球墨铸铁的化学成分对其力学性能起着至关重要的作用，优质的铁液是生产高质量球墨铸铁的基础。
碳当量：CE 值主要影响铁液的流动性，适当提高碳当量有助于提高铁液的流动性，在碳当量为4.4%～4.6%时铁液的流动性最好[1]，有利于浇注成型和补缩；CE 值过高，容易引起石墨漂浮，根据实际成产经验，CE 值控制在4.45%～4.55%。
碳：含碳量通过对基体中石墨球数、大小及圆整度的改变从而影响材料的力学性能[2]。随着C 的增加，石墨球数增加、尺寸增大，导致断裂过程塑形形变能的减小，表现为上限冲击功的降低；C 含量过低会使韧-脆转变温度向高温方向偏移，不利于低温韧性的提高 [3-4]。因此，C 含量宜控制在3.75%～3.95%。
硅：Si 含量对QT400-18AL 低温冲击韧性有重要影响，改善低温冲击韧度常通过改变其含量来实现。硅是石墨化元素，在合理范围内，随着硅含量的增加，QT400-18AL 的球化效果和石墨球数会增加，基体中铁素体含量增加，从而提高冲击韧度；当超过某一范围时，其韧性反而降低，硅含量宜控制在1.8%～2.3%。
锰：Mn 有严重的偏析倾向，会促进基体中碳化物的形成并降低奥氏体向珠光体转变的温度，促进珠光体的形成，对低温韧性十分不利。QT400-18AL基体组织主要为铁素体，需严格控制珠光体的含量，因此需Mn 含量宜小于0.2%。
磷：P 是伴随着金属炉料进入铁液中的有害元素，易产生偏析现象，形成多角状脆相磷共晶，分布在共晶团边界处，严重的偏析会急剧降低球墨铸铁的力学性能，且会成为裂纹萌生源。P 还会加剧球铁凝固时的缩松倾向，有明显的冷脆现象，造成铸件的冷裂，还会影响球墨铸铁韧-脆转变温度，磷每增加0.01%，脆性转变温度会上升4.0～4.5 ℃[5]，因此其含量宜低于0.04%。
硫：S 在铁液中有反石墨化的作用，也是有害元素。硫与球化元素（镁元素和稀土元素）的亲和力都很强，易消耗铁液中的球化元素，形成硫化物或氧硫化物，从而影响铁液的球化效果，还会与其它元素结合形成硫化物夹杂，使材料的强度值和冲击值大幅下降，因此硫宜控制在0.015%以下。
镁：Mg 是生产球墨铸铁必须的元素，起主要球化作用，稀土起辅助球化作用，并起到净化铁液、抗球化干扰元素的作用。其含量直接影响到石墨的形态，为得到球化率较高且圆整的石墨球，Mg 含量宜控制在0.045%～0.065%。
稀土：稀土的球化能力较Mg 略差，但可以脱氧去硫，抵消干扰元素的反球化作用。但是稀土含量高时，会引起球墨畸变[5]，因此，稀土的使用量不宜太高，需控制在0.004%～0.015%。
根据以上分析，确定QT400-18AL 铸件的化学成分如表3。
表3 QT400-18AL 化学成分 w（%）
Tab.3 Chemical composition of QT400-18AL
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3 熔炼工艺控制
为避免有害元素被炉料带入到铁液中，所选原材料应纯净，采用优质的生铁、废钢及部分回炉料进行熔化，需去除油漆、铁锈等。采用中频感应电炉冶炼，使用炉前光谱仪实时检测铁液气体含量、化学成分并及时进行调整；球化剂选择低稀土硅铁镁合金球化剂，采用冲入法球化，加入量为0.9%～1.1%。
铁液经过球化处理后，纯净度较高，氧化物、硫化物等形核核心较少，如果不进行孕育处理或孕育处理不良，则会导致石墨形核较少，力学性能不良。因此需合理控制孕育过程，孕育剂选择钡硅铁孕育剂，加入量为0.5%～0.6%，采取炉前孕育和瞬时孕育相结合的方式[6]。
严格控制铁液的出炉温度和浇注温度，出炉温度控制在1 450±10 ℃，浇注温度控制在1 350±10 ℃。
4 试验结果及分析
根据上述分析确定的化学成分和冶炼工艺，对QT400-18AL 进行浇注，并从附铸试块上取样进行化学成分和力学性能的测试。
化学成分测试结果如表4，对应的力学性能的测试结果如表5。
表4 QT400-18AL化学成分测试结果 w（%）
Tab.4 Measured chemical composition of QT400-18AL
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表5 QT400-18AL70 mm 附铸试块检测的力学性能
Tab.5 Tested mechanical properties of QT400-18AL 70 mm cast-on samples
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4 组试样的平均化学成分w (%) 为：3.913 C，2.003 Si，0.168 Mn，0.030 P，0.010 S，0.045 Mg，0.005 55 RE,4.52 CE，均在设定的化学成分范围内。
4 组试样的平均力学性能为：抗拉强度367 MPa，屈服强度234 MPa，伸长率25.6%，硬度133.8 HB，-40 ℃低温冲击功单个值均大于7 J，平均值11.4 J，均满足技术条件的要求。
从1～4#试块上取样进行金相组织分析，典型的金相组织如图1，石墨球数量较多，球化率≥90%，球径较小，为6 级，外形圆整，分布均匀，铁素体＞95%，无渗碳体和磷共晶，符合技术要求的规定。
图1 QT400-18AL70 mm 附铸试块的金相组织
Fig.1 Microstructure of QT400-18AL 70 mm cast-on sample
从以上试验数据可知，通过合理调整化学成分、严格控制熔炼工艺，可获得满足-40 ℃冲击韧度的QT400-18AL，其金相组织和力学性能均能满足技术要求。
5 结论
（1）低温型（-40 ℃）QT400-18AL 铸件的化学成分w(%）为：3.75～3.95 C，1.8～2.3 Si，≤0.2 Mn，≤0.04 P，≤0.015 S，0.045～0.065 Mg，0.004～0.015 RE。
（2）使用纯净的原材料，选择低稀土硅铁镁合金球化剂，使用冲入法球化，加入量为0.9%～1.1%；选择钡硅铁孕育剂，加入量为0.5%～0.6%，采取炉前孕育和瞬时孕育相结合的方式；严格控制铁液的出炉温度和浇注温度，出炉温度控制在1 450±10 ℃，浇注温度控制在1 350±10 ℃，可获得满足低温冲击韧度的QT400-18AL。
（3）与标准规定的QT400-18AL 使用温度（-30℃）相比，研制的QT400-18AL 的使用温度可降低10 ℃。
[1] 李荣德，姜柯.Si、Ni 元素对兆瓦级风电球铁件低温性能的影响[J].沈阳工业大学学报，2011,5(33):491-494.
[2] 刘刚.QT400-18 球墨铸铁组织与性能研究[D].成都：西南交通大学，2011.
[3] 王彦华，忽宝民.低温环境下提高球磨铸铁冲击韧度的方法[J].铸造技术，2013,8(34)：1070-1072.
[4] 张建振，吴晓涛.浅析硅固溶强化球墨铸铁及其应用前景[J].汽车工艺与材料，2014(3):58-60.
[5] 郭向南.风电球铁材料球磨形成的原理及工艺[J].中国铸造装备与技术，2014(1)：38-41.
[6] 王恩健.大型风力发电机组用铸件的铸造缺陷及其控制[J].铸造技术，2016,37(2):402-404.