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硅钼球铁高温力学性能 碳化硅功不可没 【摘要】主要对硅钼球墨铸铁熔炼过程进中添加碳化硅调试试验，优化冶金质量，达到提高材质高温力学性能的目的。 1. 概述 我公司是以生产排气歧管为主的铸造企业，排气歧管是内燃机中的重要部件，在高温下工作又难以强制冷却，工况条件极为严酷。 随着内燃机不断改进，排气温度逐步升高，排气歧管的材质由最初的灰铸铁，逐步向球墨铸铁、蠕墨铸铁、硅钼蠕墨铸铁、硅钼球墨铸铁、高镍奥氏体球墨铸铁、耐热钢演变。根据内燃机排气温度的不同，适配的排气歧管材质也不同。图1是硅钼铸铁六缸排气歧管。孤立热节多，补缩困难，缩松倾向大，球化率要求90%以上。要求满足780℃的工作要求。 各材质相应的工作温度见表1。 2.试验课题 我公司生产的某排气歧管为高硅钼材质，其理化要求指标见表2。 生产工艺为3t中频感应电炉熔炼，使用原材料为Q12生铁、低锰废钢、硅钼球墨铸铁回炉料、钼铁，球化剂FeSiMg6RE2，孕育剂FeSi75-B。所得铸件经检测化学成分、理化指标符合表2的要求，实测值见表3。 从表3可以看出，虽然铸件常温下理化检测高于指标值较多，但是780℃高温力学性能低于技术指标要求，而排气歧管的使用性能主要体现在高温环境下。 在发动机高负荷工作时，排气歧管受高温热膨胀而产生压应力的作用下产生塑性变形，而低负荷时因其温度降低导致局部形成较高的拉应力。这种热应力场的变化构成了热疲劳应力，当热疲劳应力达到一定值后，排气歧管就会失效。且在发动机运行过程中，排气歧管的固有频率与发动机振动的主频之间有共振效应时，将会急剧降低排气歧管寿命。 在产品结构、化学成分不可调整的基础上，要提高排气歧管的高温使用性能，需要在熔炼过程中进行工艺优化。 3.碳化硅应用 碳化硅是1891年美国人艾奇逊（Edward？G？Acheson）在电熔金刚石实验时偶然发现的，1987年后以CREE的研究成果建立碳化硅生产线，碳化硅开始应用于工业领域。起初，碳化硅主要用于磨料行业、耐火材料行业和冶金行业，铸造行业中应用很少。后来发现，在熔炼炉内加入少量碳化硅有很好的预孕育作用，对改善铸铁的冶金质量大有裨益。在国外用感应电炉的铸造厂就几乎没有不采用碳化硅的。 目前，我国铸造行业中，采用感应电炉作铸铁熔炼设备的铸造厂日益增多，但是，在熔炼过程中采用碳化硅的很少，能使之充分发挥作用的更少，且碳化硅主要应用于灰铸铁、铸钢方面，在硅钼球墨铸铁上应用目前还没有文献。 我公司在碳化硅的使用上，同样处于探索阶段。 （1）碳化硅的作用 有文献认为，碳化硅在炼钢中作为脱氧剂使用，其和原工艺相比各项理化性能更加稳定，脱氧效果好，使脱氧时间缩短，节约能源，提高炼钢效率，提高钢的质量，降低原辅材料消耗，减少环境污染，改善劳动条件，提高电炉的综合经济效益都具有重要价值。碳化硅在灰铸铁中应用，可以增加石墨核心，使片状石墨细小，提高石墨化程度减小白口倾向，从而提高力学性能。 碳化硅在硅钼球墨铸铁上应用，希望能增加石墨核心，增加共晶团数，提高石墨球数，减小铁液过冷度，通过SiC+FeO=Si+Fe+CO这个反应，用SiC来降低FeO和MnO在铁液中的含量，净化铁液，进而达到提高硅钼球墨铸铁高温力学性能的目的。 （2）碳化硅的规格及用量 目前，我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，其理化指标如表4所示。 碳化硅的加入量在0.8%～2.3%之间选择，过低则对冶金质量的作用不明显，过高则难溶于铁液中，剩余的碳化硅以微颗粒状随铁液带入铸件，量小时对强化基体有好处，量大时则影响基体强度。因此选择碳化硅加入量为0.8%～1.0%。 （3）碳化硅的使用 碳化硅的熔点为2700℃，在熔炼过程中是不熔解的，只能溶解在铁液中，其反应方程式为： SiC+Fe→FeSi+C（非平衡石墨） 式中，SiC中的Si与Fe结合，余下的C就是非平衡石墨，作为石墨析出的核心。非平衡石墨使铁液中C不均匀分布，局部C元素过高，微区为出现“碳峰”。这种新生的石墨有很高的活性，它与碳的失配度为零，因此很容易吸收铁液中的碳，促使结晶核心增多，石墨球数明显增多（见图2、图3），球化率提高。 图2 未用碳化硅，石墨球数272个 图3 用碳化硅，石墨球数502个 碳化硅的溶解时间随颗粒直径的增大而减小，溶解速度增加，但其溶解速度又随其在铁液中的浓度增加而降低。碳、硅含量对碳化硅的溶解速度的影响中，碳的作用要大于硅的作用。 碳化硅在铁液中的溶解，同时受铁液搅拌程度、加入时间影响，铁液搅拌程度越好，加入时间越早，碳化硅在铁液中溶解的扩散就越充分，改善冶金质量越明显。 碳化硅使用时在计算增碳与增硅时首先要去除杂质量，再根据碳化硅的分子式得出： 增碳 C=C/(C+Si)=12/(12+28)=30% 增硅 Si=Si/(C+Si)=28/(12+28)=70% 生产工艺除添加0.8%碳化硅外，其余不变。 先加入生铁起熔，待见铁液后加入部分废钢，降低铁液的碳含量后，再加入约1/2量的碳化硅，随即加料熔炼，待铁液熔炼至3/2时再加入剩余量的碳化硅，即防止因过早加入凝结于炉底难以溶解，缩短了碳化硅的溶解时间，又利用铁液的搅拌作用使碳化硅充分扩散。 4.效果对比 对调试铸件依据表2理化技术要求进行检测，结果见表5。 由表5与表3的对比结果可以看出，两者的化学成分和基体组织无明显差异；由于结晶核心的增多，石墨球数大幅度提高。常温力学性能差异不大；高温力学性能上使用碳化硅优于原工艺，在原工艺基础上增长了约20%，使铸件的高温力学性能明显提高，达到了预期的目的。 5.结语 （1）碳化硅在硅钼球墨铸铁熔炼过程中，增碳、增硅效果良好，经过球化、孕育处理后，铁液中的碳、硅含量不会出现异常变化。 （2）使不使用碳化硅硅钼球墨铸铁的基体组织变化不大，但石墨尺寸变小，数量增多。 （3）使用碳化硅对硅钼球墨铸铁的常温力学性能无明显影响。 （4）使用碳化硅可明显提高硅钼球墨铸铁的高温力学性能，特别是屈服强度提高幅度较大。对提高排气歧管在冷热交变下的高温疲劳性能大有益处。 来源：《金属加工（热加工）》 感应电炉的冶金过程与冲天炉熔炼有本质上的差别，用感应电炉来熔炼灰铸铁，其铁液与冲天炉相比过热度高，熔化保温时间长，极易引起脱碳。相同化学成分、相同铸型浇注成品的铸件，比冲天炉的强度硬度高，激冷白口倾向大，石墨长度较短，并且易产生D、E型石墨，铁液流动性较差，收缩增大，易引起各种铸造缺陷（气孔，冷隔，缩孔，缩松等）。我厂自2013年采用感应电炉生产铸件以来，生产前期依然采用与冲天炉相仿的熔炼工艺，前期所生产铸件由于铸件缩孔，缩松以及加工过程中料硬等原因而造成的铸件废品率达10%以上，2014年我厂对灰铸铁用预处理剂SiC进行预处理，添加碳化硅以后，石墨形态变粗变短，间距较大，增加共晶团数量，改善铸铁的强度和硬度，减少孕育后的铁水过冷度，改善铸件的加工性能。 一、生产条件 采用3t中频感应电炉熔炼，炉料配比稳定：生铁20%，废钢40%，回炉料40%，加入适量的增碳剂、硅铁、锰铁、SiC、FeS调整铁液化学成分，SiC的加入时间为炉内铁液熔化过半时加入，抗拉强度与硬度的获取均为Ф30mm的单铸抗拉试棒上，试棒为呋喃树脂砂造型。 二、试验结果及分析 1．对石墨形态的影响 如图1、图2所示，取样均为抗拉试棒心部取样。 图1化学成分为：wC＝3.18%，wSi＝1.85%，wMn＝0.83%，wP＝0.043%，wS＝0.078%，未加SiC对铁液进行预处理。石墨形态：片状石墨分布属A型，夹有少量C型石墨，石墨长度4~5级。 图2化学成分为：wC＝3.20%，wSi＝1.83%，wMn＝0.86%，wP＝0.043%，wS＝0.076%，加入0.8%的SiC对铁液进行预处理。石墨形态：片状石墨分布属A型，夹有少量C型石墨，石墨长度5~6级。 图1 图2 2．对铸铁抗拉强度的硬度的影响 以电炉熔炼HT250做生产试验，各炉次的配料相同以尽可能保证化学成分相同，铁液出炉温度为1515～1525℃,浇注温度为1380～1430℃，包底0.3%硅钡孕育剂进行孕育处理，检测的化学成分及相对应的强度和硬度见表1。试验结果表明，在相同的熔炼条件及相似的化学成分下，通过SiC进行预处理的铁液与不经过处理的铁液相比其力学性能与硬度都有不同程度的提高。 3．对铸铁加工性能的影响 如图3所示，该件为0L59011左罩盖是公司产品T165零件。材质HT200，重量45kg。该件的主要壁厚为8~10mm，在先期生产过程中我们主要通过高硅碳比的方法改善其加工性能。由于感应电炉感应电炉熔炼铸铁，过冷度大、白口倾向强，在碳当量相同的条件下，用感应电炉熔炼的铸铁与用冲天炉熔炼的相比，共晶转变时的过冷度大得多，在先期生产的铸件中在机加工过程中大多数铸件表现为铸件边缘处白口化，加工难度较高，只能对铸件进行退火处理才能满足机加工要求，我们通过提高碳当量及使用高硅碳比的方法均没有收到良好的效果。后来我们对铁水试行SiC预处理工艺并配合高硅碳比的方法进行工艺验证，首先确定该件的化学成分与原来保持一致为wC＝3.20%~3.30%，wSi＝2.20%~2.30%，wMn＝0.80%，wP≤0.50%，wS＝0.050%~0.10%，预处理剂SiC的加入量依旧保持在0.8%，我们对之后生产的两批次40件进行加工跟踪验证，均无边缘白口化的现象，且加工性能良好，彻底解除了该件机加工料硬的现象。 图3 三、结语 （1）在感应电炉熔炼灰铸铁的过程中用SiC对铁液进行预处理可以改善石墨形态及大小。 （2）在感应电炉熔炼灰铸铁的过程中用SiC对铁液进行预处理可以提高抗拉强度及硬度，在同条件下抗拉强度可以提高20~30MPa，硬度可以提高10~25HBW。 （3）在感应电炉熔炼灰铸铁的过程中用SiC对铁液进行预处理可以显著地提高切削性能，减小铸件白口倾向。 ☞ ☞来源：《金属加工（热加工）》 |
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