鑄鐵件性能差異原因及碳化硅是如何提升鑄件質量的？

發布日期：2023-12-12

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，可以控制鐵液溫度，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，縮松，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，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。[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、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Si與Fe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 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。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。[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
　　（8）C + FeO → Fe + CO ↑
　　（9）（SiO2 ）+ 2C = [Si] + 2CO（氣態）
　　（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，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，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增加鑄鐵的石墨球數，提高球化率，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。