碳化硅在球墨鑄鐵熔煉中預(yù)處理作用

張?zhí)郏芰植?，孫新明，李丹

1.慈溪匯麗機電股份有限公司 浙江慈溪 315300

2.齊齊哈爾重型鑄造有限責(zé)任公司 黑龍江齊齊哈爾 161005

1 序言

碳化硅通常作為磨料等在工業(yè)上得到廣泛的利用。近年來，碳化硅作為鐵液預(yù)處理劑在鑄造生產(chǎn)中開始得到應(yīng)用，它是一種價格低廉的預(yù)處理劑，鑄造使用的碳化硅純度一般在90%左右。

碳化硅是由硅與碳元素以共價鍵結(jié)合的非金屬碳化物，化學(xué)式為SiC，外形為晶體顆粒狀，其密度為3.2g/cm3[1]。

2 碳化硅在球墨鑄鐵熔煉中孕育預(yù)處理的作用

碳化硅在球墨鑄鐵熔煉后期爐內(nèi)加入，碳化硅在1200℃以上開始潰散，熔化成熔融狀態(tài)，在高溫（1400℃以上）時分解出的碳和硅以原子形式擴散在鐵液中：

2.1 碳化硅的脫氧，凈化鐵液

部分碳和硅與鐵液中的氧起下列反應(yīng)：

反應(yīng)式（2）形成的CO2氣體從鐵液中逸出。反應(yīng)式（3）的一部分SiO2被吸附于爐襯壁上，另一部分SiO2與Fe、Mn、Mg等金屬氧化物發(fā)生如下反應(yīng)：

式（4）中，MeO為Fe、Mn、Mg等金屬氧化物，與SiO2形成復(fù)合氧化物，易在鐵液中上浮被清除。

部分碳化硅（SiC）在鐵液中與鐵液中的金屬氧化物發(fā)生如下反應(yīng)：

通過以上反應(yīng)，碳化硅起到了脫氧而凈化鐵液的作用[2]。

2.2 碳化硅爐內(nèi)預(yù)孕育，促進球狀石墨形成，細化球狀石墨

1）在凝固過程中，由碳化硅產(chǎn)生的硅溶于奧氏體中，產(chǎn)生的碳一部分熔于奧氏體中，另一部分因成分和能量起伏，形成的碳原子團超過臨界晶核尺寸時，在鐵液中直接成為球狀石墨的碳質(zhì)晶核。

2）彌散性碳化硅微粒在鐵液中起到非均質(zhì)晶核作用。

3）部分晶格匹配適配度較低的復(fù)合金屬氧化物也可成為球狀石墨的非均質(zhì)形核。

碳化硅孕育預(yù)處理是在球化處理前在爐內(nèi)進行的，這樣可以更加有效地進一步提高球化率，細化球狀石墨。

3 試驗方法和過程

為正確應(yīng)用碳化硅，我們在慈溪匯麗機電股份有限公司日常生產(chǎn)的6個軌道交通高端球墨鑄鐵產(chǎn)品上進行了三次試驗。試驗產(chǎn)品的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗產(chǎn)品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.1 熔煉

我們使用的是1.5T電爐，熔煉鐵液1.8t，三次試驗碳化硅依次加入量為1.0%、1.2%和1.3%，并相應(yīng)減少增碳劑的加入（見表2）， 同時與原熔煉工藝進行對比。

表2 試驗熔煉配料表

加料次序：廢鋼→增碳劑→廢鋼→碳化硅→廢鋼→回爐料。碳化硅在熔煉中期加入。

3.2 孕育處理和球化處理

在熔煉過程中，孕育劑和球化劑加入量見表3。

表3 球化劑、孕育劑加入量 （%）

4 試驗結(jié)果

4.1 化學(xué)成分和力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)

三次試驗的化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合要求，見表4。

表4 試驗化學(xué)成分及力學(xué)性能

三次試驗和原工藝力學(xué)性能均符合要求，且力學(xué)性能相近。

4.2 金相組織

原工藝和三次試驗的金相組織如圖1所示。檢驗結(jié)果：原工藝球化級別2級，石墨大小6級；第一次試驗球化級別2級，石墨大小6級；第二次試驗球化級別2級，石墨大小6~7級；第三次試驗球化級別2級，石墨大小7級。

從產(chǎn)品的金相組織可以看出，隨著碳化硅加入量的增加，球化率沒有明顯變化（球化級別均為2級），但石墨大小等級逐步提高，單位面積石墨球數(shù)增加，在碳化硅加入量為1.3%時石墨大小等級達到7級，說明此加入量預(yù)處理效果最佳。

圖1 石墨形態(tài)

石墨等級提高、石墨球數(shù)增多，有利于鑄件利用石墨化膨脹，獲得致密的內(nèi)在質(zhì)量，減少鑄件出現(xiàn)縮松類缺陷的傾向。

5 結(jié)束語

1）碳化硅試驗的產(chǎn)品理化性能符合要求。金相組織在加入量1.3%時達到最佳狀態(tài)。球狀石墨明顯細化，石墨大小從6級提升為7級，這有利于提高產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量（減少內(nèi)部缺陷）。

2）采用爐內(nèi)碳化硅預(yù)處理，碳化硅的吸收率在95%左右，并可取代硅鐵和部分增碳劑使用，爐內(nèi)不用加硅鐵，減少增碳劑加入量。

3）當(dāng)采用爐內(nèi)碳化硅預(yù)處理后，球化處理時可取消高鋇預(yù)處理劑對鐵液預(yù)處理，適度減少包內(nèi)球化劑和孕育劑的用量，從而使熔煉的綜合成本有所降低。另外，還可減少球化處理時的鐵液溫度損失（損失20℃左右，這點對澆注溫度要求高的鑄件尤為重要）。

4）碳化硅的使用操作簡單，操作方法與使用增碳劑相同。