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鑄鐵件性能差異原因及碳化硅是如何提升鑄件質量的?


2020-05-13來源:暫無數據

1、前言鐵液的化學成分相同,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,提高鑄鐵的冶金質量和鑄造性能,同時使力學性能和加工性能得到較大提高。感應電爐熔煉鐵液,可以有效地控制鐵液溫度,精確的調整化學成分,元素燒損少,硫、磷含量低,對于生產球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和高強度灰鑄鐵非常有利。但是感應電爐熔煉鐵液的形核率減少,白口傾向大,易于產生過冷石墨,雖然強度和硬度有所增加,但鑄鐵的冶金質量并不高。上世紀八十年代,出國考察學習的我國工程師,看到國外鑄造廠電爐熔煉時加入黑色碎玻璃狀物體,經過詢問得知這是碳化硅。國內的日資鑄造企業也長期大量使用碳化硅作添加劑。沖天爐或電爐熔煉鐵液,加入預處理劑SiC的優點很多。碳化硅有磨料級和冶金級之分,前者純度高價格貴,后者價格低廉。加入熔爐內的碳化硅轉化成鑄鐵的碳和硅,一是提高碳當量;二是加強了鐵液的還原性,[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,提高球化率。對于減少非金屬夾雜物和熔渣,消除縮松,消除皮下氣孔也有良好的作用。
2
、預處理的作用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高,是共晶體的領先相,奧氏體借助石墨析出。以每個石墨核心為中心所形成的石墨+奧氏體兩相共生共長的晶粒稱共晶團。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晶核。球墨鑄鐵的形核與灰鑄鐵形核沒有本質區別,只是核心物質中增加有鎂的氧化物和硫化物。                     
鐵液中石墨的析出必須經歷形核和生長兩個過程。石墨的形核有均質形核和非均質形核兩種方式。均質形核亦稱自生晶核。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,可能成為均質晶核。實驗證明均質晶核的過冷度很大,必須主要依靠非均質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點,每1cm3鐵液中,僅氧化物質點就有500萬個。只有那些與石墨的晶格參數、位相存在一定關系的質點,才能成為石墨形核基底。晶格匹配關系的特征參數稱平面失配度。當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,這樣的成核條件最好。[1]
          
碳化硅在鐵液內分解成碳和硅比鐵液本身含有的碳和硅的內能大,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。當經過含有Ca、Ba、SrAl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 → 3XO?Al2O3?2SiO2)+ 8Mg     5
   
式中 X——Ca、Ba、Sr。
   
反應產物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。能很好的改善加工性能和提高力學性能的作用。[3]
2.2 
非平衡石墨的預孕育: 
一般,通過孕育來擴大非均質形核范圍,鐵液中非均質形核的作用:①促進共晶凝固階段C大量析出并形成石墨,促進石墨化;②減小鐵液過冷度,減少白口傾向;③增加灰鑄鐵共晶團數或增加球墨鑄鐵石墨球數。
SiC
是爐料熔煉過程中加入的。碳化硅熔點2700℃,在鐵液中不熔化,只按下列反應式融熔于鐵液。
SiC+Fe→FeSi+C
(非平衡石墨)         6)式中SiC里的SiFe結合,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,微區會出現碳峰。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]
鑄鐵熔煉時加入碳化硅,對于灰鑄鐵,非平衡石墨的預孕育,大量生成共晶團并提高生長溫度(減小相對過冷度),有利于形成A型石墨;晶核數量增加,使片狀石墨細小,提高石墨化程度減少白口傾向,從而提高力學性能。對于球墨鑄鐵,結晶核心增多使石墨球數增加,球化率得以提高。
2.3 
消除E型石墨過共晶灰鑄鐵,C型、F型初生石墨在液相形成,由于生長過程不受奧氏體干擾,一般情況下,容易長成大片狀且分枝少的C型石墨;薄壁鑄件快速冷卻時,石墨會分叉生長成星狀的F型石墨。[4] 
共晶凝固階段生長的片狀石墨,在不同化學成分和不同過冷條件下,生成不同形態和不同分布的A、B、E、D型石墨。
A
型石墨在過冷度不大和成核能力較強的共晶團內生成,在鑄鐵中均勻分布。細片狀珠光體中,石墨長度越小,抗拉強度越高,適用于機床及各種機械鑄件。
D
型石墨為點、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,共晶團呈球團形,所以與相同基體A型石墨鑄鐵相比,往往具有較高的強度。
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,統稱為枝晶石墨。E墨容易在碳當量低(亞共晶程度大)、奧氏體枝晶多而發達的鑄鐵中產生。這時,共晶團與枝晶交叉生長,由于枝晶間共晶鐵液數量較少,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、長短處于A、D型石墨之間。E型石墨不屬于過冷石墨,經常與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E型石墨,用手可以掰斷小型鑄件的邊角,鑄件強度大大下降。隨著含碳量的增加,形成細小枝晶間石墨所必須的冷卻速度提高了,產生枝晶間石墨的可能性減少了。熔液高度過熱以及長時間保溫會使過冷度增大,從而提高枝晶生長速度,使枝晶變長,方向性更明顯。用SiC對鐵液做預孕育處理時,同時減小初生奧氏體的過冷度,此時觀察到短的奧氏體枝晶。消除了E型石墨產生的結構基礎。[1]
2.4 
提高鑄鐵質量
    
對于球墨鑄鐵,在球化劑加入量相同的情況下,用碳化硅進行預處理,鎂的最終收得率較高。用碳化硅預處理的鐵液,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緩解。[2]
碳化硅在熔煉爐內,除去(1)式反應所示在鐵液中增碳、增硅以外,還進行式(2)、(3)的脫氧反應,如果加入的SiC靠近爐壁,生成的SiO2會在爐壁沉積增加爐壁厚度。在熔煉的高溫下,SiO2將發生式(4)的脫碳反應,式(5)、(6)的渣化反應。
7   3SiC + 2Fe2O3 = 3SiO2 +4Fe +3C            


8C + FeO → Fe + CO ↑                   
9SiO2 + 2C =  [Si] + 2CO(氣態)         
10SiO2 + FeO → FeO?SiO2 (渣)             
11Al2O3 + SiO2 → Al2O3?SiO2 (渣)           
   碳化硅的脫氧作用,使得脫氧產物在鐵液中有一系列冶金反應,減輕銹蝕爐料中氧化物的有害影響,有效的凈化鐵液。
2.5 
碳化硅的使用方法冶金級的碳化硅,純凈度在88%-90%之間,在計算增碳與增硅時首先要扣除雜質量。根據碳化硅的分子式,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,加入到坩堝中部,盡量不要接觸爐壁,然后繼續加入爐料熔煉。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,加水制成團塊狀,經過烈日曬干后即可按批料比例下爐使用。
3
、結束語近20年來,無論是載重汽車還是商務或家用小汽車,減輕整車重量始終是汽車研發的發展趨勢。在金融危機的市場頹勢中,中國北方公司逆勢而上,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用,對鑄鐵冶金質量提出更高的要求。碳化硅的孕育預處理對改善鑄鐵的冶金質量有良好的作用。鑄造專家李傳栻撰文指出:預處理劑加入鐵液后,可以觀察到兩種作用:一是碳當量提高;二是鐵液的冶金條件改變,加強了還原性。1978年,英國的B.C.Godsell曾發表其對球墨鑄鐵進行預處理的研究結果,此后,對預處理工藝的試驗研究一直沒有間斷,現在這項工藝已比較成熟。對于灰鑄鐵,碳化硅孕育預處理可以降低過冷度減少白口傾向;增加石墨核心,促進形成A型石墨,減少或防止產生B型、E型和D型石墨,增加共晶團數,得到細小的片狀石墨;對于球墨鑄鐵,碳化硅孕育預處理則促進增加鑄鐵的石墨球數,提高球化率,改善石墨球的圓整度。碳化硅的使用可以加強對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爐壁壽命,不會增加鐵液的鋁、硫含量。


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