鑄鐵件性能差異原因及碳化硅是如何提升鑄件質(zhì)量的？
發(fā)布日期：2024-04-02
1、前言鐵液的化學(xué)成分相同，熔煉工藝不同，獲得鑄鐵的性能差異很大。鑄造工廠采取鐵液過熱、孕育處理、改變爐料配比、添加微量或合金元素等方法，提高鑄鐵的冶金質(zhì)量和鑄造性能，同時(shí)使力學(xué)性能和加工性能得到較大提高。感應(yīng)電爐熔煉鐵液，可以控制鐵液溫度，調(diào)整化學(xué)成分，元素?zé)龘p少，硫、磷含量低，對(duì)于生產(chǎn)球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和高強(qiáng)度灰鑄鐵非常有利。但是感應(yīng)電爐熔煉鐵液的形核率減少，白口傾向大，易于產(chǎn)生過冷石墨，雖然強(qiáng)度和硬度有所增加，但鑄鐵的冶金質(zhì)量并不高。上世紀(jì)八十年代，出國(guó)考察學(xué)習(xí)的我國(guó)工程師，看到國(guó)外鑄造廠電爐熔煉時(shí)加入黑色碎玻璃狀物體，經(jīng)過詢問得知這是碳化硅。國(guó)內(nèi)的日資鑄造企業(yè)也長(zhǎng)期大量使用碳化硅作添加劑。沖天爐或電爐熔煉鐵液，加入預(yù)處理劑SiC的優(yōu)點(diǎn)很多。碳化硅有磨料級(jí)和冶金級(jí)之分，前者純度高價(jià)格貴，后者價(jià)格低廉。加入熔爐內(nèi)的碳化硅轉(zhuǎn)化成鑄鐵的碳和硅，一是提高碳當(dāng)量；二是加強(qiáng)了鐵液的還原性，[2]大大減輕銹蝕爐料的不利作用。加入碳化硅可以防止碳化物析出，增加鐵素體量，使鑄鐵組織致密，顯著提高加工性能并使切削面光潔。增加球墨鑄鐵單位面積石墨球數(shù)，提高球化率。對(duì)于減少非金屬夾雜物和熔渣，縮松，皮下氣孔也有良好的作用。
2、預(yù)處理的作用2.1 形核的原理在Fe-C共晶系中，灰鑄鐵在共晶凝固階段由于石墨的熔點(diǎn)高，是共晶體的相，奧氏體借助石墨析出。以每個(gè)石墨核心為中心所形成的石墨+奧氏體兩相共生共長(zhǎng)的晶粒稱共晶團(tuán)。存在于鑄鐵熔液中的亞微觀石墨聚集體、未熔的石墨微粒、某些高熔點(diǎn)硫化物、氧化物、碳化物、氮化物顆粒等，都可能成為石墨的非均質(zhì)晶核。球墨鑄鐵的形核與灰鑄鐵形核沒有本質(zhì)區(qū)別，只是核心物質(zhì)中增加有鎂的氧化物和硫化物。
鐵液中石墨的析出經(jīng)歷形核和生長(zhǎng)兩個(gè)過程。石墨的形核有均質(zhì)形核和非均質(zhì)形核兩種方式。均質(zhì)形核亦稱自生晶核。鐵液中有大量起伏不定的，超過臨界晶核尺寸的，近程有序排列的碳原子集團(tuán)，可能成為均質(zhì)晶核。實(shí)驗(yàn)證明均質(zhì)晶核的過冷度很大，主要依靠非均質(zhì)晶核作為鐵液中石墨的生核劑。鑄鐵熔液中存在大量外來質(zhì)點(diǎn)，每1cm3鐵液中，僅氧化物質(zhì)點(diǎn)就有500萬個(gè)。只有那些與石墨的晶格參數(shù)、位相存在關(guān)系的質(zhì)點(diǎn)，才能成為石墨形核基底。晶格匹配關(guān)系的特征參數(shù)稱平面失配度。當(dāng)然只有晶格平面失配度小，才能夠讓碳原子容易與石墨晶核匹配。如果晶核材料是碳原子，那么它們的失配度為零，這樣的成核條件。[1]
碳化硅在鐵液內(nèi)分解成碳和硅比鐵液本身含有的碳和硅的內(nèi)能大，鐵液本身所含的Si溶于奧氏體中，球墨鑄鐵鐵液中的碳，部分在鐵液中形成石墨球，部分在奧氏體中尚未析出。因此碳化硅的加入，有很好的脫氧作用。
Si + O2 → SiO2 （1）
MgO +SiO2 →MgO?SiO2 （2）
2MgO +2SiO2→ 2MgO?2SiO2 （3）
頑輝石成分MgO?SiO2和鎂橄欖石成分2MgO?2SiO2與石墨（001）失配度高不易作為石墨形核的基底。當(dāng)經(jīng)過含有Ca、Ba、Sr及Al與硅鐵的孕育合金鐵液處理后，得到：
MgO?SiO2 + X → XO?SiO2 + Mg （4）
4（2MgO?2SiO2）+ 3X+ 6Al → 3（XO?Al2O3?2SiO2）+ 8Mg （5）
式中 X——Ca、Ba、Sr。
反應(yīng)產(chǎn)物XO?SiO2和XO?Al2O3?SiO可以在MgO?SiO2及2MgO?2SiO2基底上形成面晶，由于石墨與XO?SiO2和XO?Al2O3?SiO2失配度低，利于石墨形核，有很好的石墨化作用。能很好的加工性能和提高力學(xué)性能的作用。[3]
2.2 非平衡石墨的預(yù)孕育：
一般，通過孕育來擴(kuò)大非均質(zhì)形核范圍，鐵液中非均質(zhì)形核的作用：①共晶凝固階段C大量析出并形成石墨，石墨化；②減小鐵液過冷度，減少白口傾向；③增加灰鑄鐵共晶團(tuán)數(shù)或增加球墨鑄鐵石墨球數(shù)。
SiC是爐料熔煉過程中加入的。碳化硅熔點(diǎn)2700℃，在鐵液中不熔化，只按下列反應(yīng)式融熔于鐵液。
SiC+Fe→FeSi+C（非平衡石墨） （6）式中SiC里的Si與Fe結(jié)合，余下的C就是非平衡石墨，作為石墨析出的核心。非平衡石墨使鐵液中C不均勻分布，局部C元素過高，微區(qū)會(huì)出現(xiàn)“碳峰”。這種新生的石墨有很高的活性，它與碳的失配度為零，因此很容易吸收鐵液中的碳，孕育效果極其優(yōu)越。由此可以看出碳化硅就是這樣一種硅基生核劑。[1]
鑄鐵熔煉時(shí)加入碳化硅，對(duì)于灰鑄鐵，非平衡石墨的預(yù)孕育，大量生成共晶團(tuán)并提高生長(zhǎng)溫度（減小相對(duì)過冷度），有利于形成A型石墨；晶核數(shù)量增加，使片狀石墨細(xì)小，提高石墨化程度減少白口傾向，從而提高力學(xué)性能。對(duì)于球墨鑄鐵，結(jié)晶核心增多使石墨球數(shù)增加，球化率得以提高。
2.3 E型石墨過共晶灰鑄鐵，C型、F型初生石墨在液相形成，由于生長(zhǎng)過程不受奧氏體干擾，一般情況下，容易長(zhǎng)成大片狀且分枝少的C型石墨；薄壁鑄件快速冷卻時(shí)，石墨會(huì)分叉生長(zhǎng)成星狀的F型石墨。[4]
共晶凝固階段生長(zhǎng)的片狀石墨，在不同化學(xué)成分和不同過冷條件下，生成不同形態(tài)和不同分布的A、B、E、D型石墨。
A型石墨在過冷度不大和成核能力較強(qiáng)的共晶團(tuán)內(nèi)生成，在鑄鐵中均勻分布。細(xì)片狀珠光體中，石墨長(zhǎng)度越小，抗拉強(qiáng)度越高，適用于機(jī)床及各種機(jī)械鑄件。
D型石墨為點(diǎn)、片狀的枝晶間石墨，呈無方向性分布。D型石墨鑄鐵鐵素體量高，力學(xué)性能受影響。但D型石墨鑄鐵奧氏體枝晶多，石墨短小卷曲，共晶團(tuán)呈球團(tuán)形，所以與相同基體A型石墨鑄鐵相比，往往具有較高的強(qiáng)度。
E型石墨是一種比A型石墨短小的片狀石墨。與D型石墨一樣位于枝晶間，統(tǒng)稱為枝晶石墨。E墨容易在碳當(dāng)量低（亞共晶程度大）、奧氏體枝晶多而發(fā)達(dá)的鑄鐵中產(chǎn)生。這時(shí)，共晶團(tuán)與枝晶交叉生長(zhǎng)，由于枝晶間共晶鐵液數(shù)量較少，析出的共晶石墨只有沿著枝晶方向分布，具有明顯的方向性。形成E型石墨的過冷度大于A型石墨小于D型石墨，它的粗細(xì)、長(zhǎng)短處于A、D型石墨之間。E型石墨不屬于過冷石墨，經(jīng)常與D型石墨伴生。E型石墨的方向性枝晶間分布，使鑄鐵很容易在較小的外力作用下，沿著石墨排列方向呈帶狀脆斷。所以出現(xiàn)E型石墨，用手可以掰斷小型鑄件的邊角，鑄件強(qiáng)度大大下降。隨著含碳量的增加，形成細(xì)小枝晶間石墨所的冷卻速度提高了，產(chǎn)生枝晶間石墨的可能性減少了。熔液高度過熱以及長(zhǎng)時(shí)間保溫會(huì)使過冷度增大，從而提高枝晶生長(zhǎng)速度，使枝晶變長(zhǎng)，方向性更明顯。用SiC對(duì)鐵液做預(yù)孕育處理時(shí)，同時(shí)減小初生奧氏體的過冷度，此時(shí)觀察到短的奧氏體枝晶。了E型石墨產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。[1]
2.4 提高鑄鐵質(zhì)量
對(duì)于球墨鑄鐵，在球化劑加入量相同的情況下，用碳化硅進(jìn)行預(yù)處理，鎂的收得率較高。用碳化硅預(yù)處理的鐵液，如果保持鑄件殘留鎂量大致相同，球化劑的加入量可以減少10%，球墨鑄鐵的白口傾向得到。[2]
碳化硅在熔煉爐內(nèi)，除去（1）式反應(yīng)所示在鐵液中增碳、增硅以外，還進(jìn)行式（2）、（3）的脫氧反應(yīng)，如果加入的SiC靠近爐壁，生成的SiO2會(huì)在爐壁沉積增加爐壁厚度。在熔煉的高溫下，SiO2將發(fā)生式（4）的脫碳反應(yīng)，式（5）、（6）的渣化反應(yīng)。
�。�7） 3SiC + 2Fe2O3 = 3SiO2 +4Fe +3C
�。�8）C + FeO → Fe + CO ↑
�。�9）（SiO2 ）+ 2C = [Si] + 2CO（氣態(tài)）
�。�10）SiO2 + FeO → FeO?SiO2 （渣）
�。�11）Al2O3 + SiO2 → Al2O3?SiO2 （渣）
碳化硅的脫氧作用，使得脫氧產(chǎn)物在鐵液中有一系列冶金反應(yīng)，減輕銹蝕爐料中氧化物的有害影響，凈化鐵液。
2.5 碳化硅的使用方法冶金級(jí)的碳化硅，純凈度在88%-90%之間，在計(jì)算增碳與增硅時(shí)要扣除雜質(zhì)量。根據(jù)碳化硅的分子式，很容易得出：增碳： C= C/（C + Si）= 12 / (12 + 28) = 30% （12）增硅： Si= Si/（C + Si）= 28 / (12 + 28) = 70% （13）碳化硅的加入量，通常只要加入鐵液量的0.8%-1.0%就可以了。碳化硅的加入方法是：電爐熔煉鐵液，在坩堝熔融1/3爐料時(shí)，加入到坩堝中部，盡量不要接觸爐壁，然后繼續(xù)加入爐料熔煉。沖天爐熔煉鐵液，可以將粒度1-5mm的碳化硅與適量水泥或其它粘接劑混合，加水制成團(tuán)塊狀，經(jīng)過烈日曬干后即可按批料比例下爐使用。
3、結(jié)束語(yǔ)近20年來，無論是載重汽車還是商務(wù)或家用小汽車，減輕整車重量始終是汽車研發(fā)的發(fā)展趨勢(shì)。在金融危機(jī)的市場(chǎng)頹勢(shì)中，中國(guó)北方公司逆勢(shì)而上，重型載重汽車出口北美，正是基于重載汽車輕量化的結(jié)果。薄壁灰鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵件，厚壁的球墨鑄鐵件以及奧貝球墨鑄鐵件的應(yīng)用，對(duì)鑄鐵冶金質(zhì)量提出更高的要求。碳化硅的孕育預(yù)處理對(duì)鑄鐵的冶金質(zhì)量有良好的作用。鑄造專家李傳栻撰文指出：預(yù)處理劑加入鐵液后，可以觀察到兩種作用：一是碳當(dāng)量提高；二是鐵液的冶金條件改變，加強(qiáng)了還原性。1978年，英國(guó)的B.C.Godsell曾發(fā)表其對(duì)球墨鑄鐵進(jìn)行預(yù)處理的研究結(jié)果，此后，對(duì)預(yù)處理工藝的試驗(yàn)研究一直沒有間斷，現(xiàn)在這項(xiàng)工藝已比較成熟。對(duì)于灰鑄鐵，碳化硅孕育預(yù)處理可以降低過冷度減少白口傾向；增加石墨核心，形成A型石墨，減少或防止產(chǎn)生B型、E型和D型石墨，增加共晶團(tuán)數(shù)，得到細(xì)小的片狀石墨；對(duì)于球墨鑄鐵，碳化硅孕育預(yù)處理則增加鑄鐵的石墨球數(shù)，提高球化率，石墨球的圓整度。碳化硅的使用可以加強(qiáng)對(duì)氧化鐵的脫氧還原作用，使鑄鐵組織致密從而增加切削面的光潔，使用碳化硅可以延長(zhǎng)爐壁壽命，不會(huì)增加鐵液的鋁、硫含量。
鑄鐵件性能差異原因及碳化硅是如何提升鑄件質(zhì)量的？
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