铸铁中碳化硅的孕育和预处理
不锈钢网http://www.31bxg.com 2019-07-17 16:56:11 百铸网
1、前言铁液的化学成分相同,熔炼工艺不同,获得铸铁的性能差异很大。铸造工厂采取铁液过热、孕育处理、改变炉料配比、添加微量或合金元素等方法,提高铸铁的冶金质量和铸造性能,同时使力学性能和加工性能得到较大提高。感应电炉熔炼铁液,可以有效地控制铁液温度,精确的调整化学成分,元素烧损少,硫、磷含量低,对于生产球墨铸铁、蠕墨铸铁和高强度灰铸铁非常有利。但是感应电炉熔炼铁液的形核率减少,白口倾向大,易于产生过冷石墨,虽然强度和硬度有所增加,但铸铁的冶金质量并不高。上世纪八十年代,出国考察学习的我国工程师,看到国外铸造厂电炉熔炼时加入黑色碎玻璃状物体,经过询问得知这是碳化硅。国内的日资铸造企业也长期大量使用碳化硅作添加剂。冲天炉或电炉熔炼铁液,加入预处理剂SiC的优点很多。碳化硅有磨料级和冶金级之分,前者纯度高价格贵,后者价格低廉。加入熔炉内的碳化硅转化成铸铁的碳和硅,一是提高碳当量;二是加强了铁液的还原性,[2]大大减轻锈蚀炉料的不利作用。加入碳化硅可以防止碳化物析出,增加铁素体量,使铸铁组织致密,显著提高加工性能并使切削面光洁。增加球墨铸铁单位面积石墨球数,提高球化率。对于减少非金属夹杂物和熔渣,消除缩松,消除皮下气孔也有良好的作用。
    2、预处理的作用2.1 形核的原理在Fe-C共晶系中,灰铸铁在共晶凝固阶段由于石墨的熔点高,是共晶体的领先相,奥氏体借助石墨析出。以每个石墨核心为中心所形成的石墨+奥氏体两相共生共长的晶粒称共晶团。存在于铸铁熔液中的亚微观石墨聚集体、未熔的石墨微粒、某些高熔点硫化物、氧化物、碳化物、氮化物颗粒等,都可能成为石墨的非均质晶核。球墨铸铁的形核与灰铸铁形核没有本质区别,只是核心物质中增加有镁的氧化物和硫化物。          
    铁液中石墨的析出必须经历形核和生长两个过程。石墨的形核有均质形核和非均质形核两种方式。均质形核亦称自生晶核。铁液中有大量起伏不定的,超过临界晶核尺寸的,近程有序排列的碳原子集团,可能成为均质晶核。实验证明均质晶核的过冷度很大,必须主要依靠非均质晶核作为铁液中石墨的生核剂。铸铁熔液中存在大量外来质点,每1cm3铁液中,仅氧化物质点就有500万个。只有那些与石墨的晶格参数、位相存在一定关系的质点,才能成为石墨形核基底。晶格匹配关系的特征参数称平面失配度。当然只有晶格平面失配度小,才能够让碳原子容易与石墨晶核匹配。如果晶核材料是碳原子,那么它们的失配度为零,这样的成核条件最好。
 
 [1]碳化硅在铁液内分解成碳和硅比铁液本身含有的碳和硅的内能大,铁液本身所含的Si溶于奥氏体中,球墨铸铁铁液中的碳,部分在铁液中形成石墨球,部分在奥氏体中尚未析出。因此碳化硅的加入,有很好的脱氧作用。              (1)Si + O2 → SiO2
 
                (2) MgO +SiO2 →MgO∙SiO2
 
                (3) 2MgO +2SiO2→ 2MgO∙2SiO2 
    顽辉石成分MgO∙SiO2和镁橄榄石成分2MgO∙2SiO2与石墨(001)失配度高不易作为石墨形核的基底。当经过含有Ca、Ba、Sr及Al与硅铁的孕育合金铁液处理后,得到:
            (4) MgO∙SiO2 + X → XO∙SiO2 + Mg   
 
 4(2MgO∙2SiO2)+ 3X+ 6Al → 3(XO∙Al2O3∙2SiO2)+ 8Mg     
 
式中 X——Ca、Ba、Sr。
 
   反应产物XO∙SiO2和XO∙Al2O3∙SiO可以在MgO∙SiO2及2MgO∙2SiO2基底上形成面晶,由于石墨与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学性能的作用。[3]
2.2 非平衡石墨的预孕育: 
    一般,通过孕育来扩大非均质形核范围,铁液中非均质形核的作用:①促进共晶凝固阶段C大量析出并形成石墨,促进石墨化;②减小铁液过冷度,减少白口倾向;③增加灰铸铁共晶团数或增加球墨铸铁石墨球数。
    SiC是炉料熔炼过程中加入的。碳化硅熔点2700℃,在铁液中不熔化,只按下列反应式融熔于铁液。
SiC+Fe→FeSi+C(非平衡石墨)         (6)式中SiC里的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,微区会出现“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,孕育效果极其优越。由此可以看出碳化硅就是这样一种硅基生核剂。[1]
    铸铁熔炼时加入碳化硅,对于灰铸铁,非平衡石墨的预孕育,大量生成共晶团并提高生长温度(减小相对过冷度),有利于形成A型石墨;晶核数量增加,使片状石墨细小,提高石墨化程度减少白口倾向,从而提高力学性能。对于球墨铸铁,结晶核心增多使石墨球数增加,球化率得以提高。
    2.3 消除E型石墨过共晶灰铸铁,C型、F型初生石墨在液相形成,由于生长过程不受奥氏体干扰,一般情况下,容易长成大片状且分枝少的C型石墨;薄壁铸件快速冷却时,石墨会分叉生长成星状的F型石墨。[4] 
    共晶凝固阶段生长的片状石墨,在不同化学成分和不同过冷条件下,生成不同形态和不同分布的A、B、E、D型石墨。
    A型石墨在过冷度不大和成核能力较强的共晶团内生成,在铸铁中均匀分布。细片状珠光体中,石墨长度越小,抗拉强度越高,适用于机床及各种机械铸件。
    D型石墨为点、片状的枝晶间石墨,呈无方向性分布。D型石墨铸铁铁素体量高,力学性能受影响。但D型石墨铸铁奥氏体枝晶多,石墨短小卷曲,共晶团呈球团形,所以与相同基体A型石墨铸铁相比,往往具有较高的强度。
    E型石墨是一种比A型石墨短小的片状石墨。与D型石墨一样位于枝晶间,统称为枝晶石墨。E墨容易在碳当量低(亚共晶程度大)、奥氏体枝晶多而发达的铸铁中产生。这时,共晶团与枝晶交叉生长,由于枝晶间共晶铁液数量较少,析出的共晶石墨只有沿着枝晶方向分布,具有明显的方向性。形成E型石墨的过冷度大于A型石墨小于D型石墨,它的粗细、长短处于A、D型石墨之间。E型石墨不属于过冷石墨,经常与D型石墨伴生。E型石墨的方向性枝晶间分布,使铸铁很容易在较小的外力作用下,沿着石墨排列方向呈带状脆断。所以出现E型石墨,用手可以掰断小型铸件的边角,铸件强度大大下降。随着含碳量的增加,形成细小枝晶间石墨所必须的冷却速度提高了,产生枝晶间石墨的可能性减少了。熔液高度过热以及长时间保温会使过冷度增大,从而提高枝晶生长速度,使枝晶变长,方向性更明显。用SiC对铁液做预孕育处理时,同时减小初生奥氏体的过冷度,此时观察到短的奥氏体枝晶。消除了E型石墨产生的结构基础。[1]
2.4 提高铸铁
质量
    对于球墨铸铁,在球化剂加入量相同的情况下,用碳化硅进行预处理,镁的最终收得率较高。用碳化硅预处理的铁液,如果保持铸件残留镁量大致相同,球化剂的加入量可以减少10%,球墨铸铁的白口倾向得到缓解。[2]
    碳化硅在熔炼炉内,除去(1)式反应所示在铁液中增碳、增硅以外,还进行式(2)、(3)的脱氧反应,如果加入的SiC靠近炉壁,生成的SiO2会在炉壁沉积增加炉壁厚度。在熔炼的高温下,SiO2将发生式(4)的脱碳反应,式(5)、(6)的渣化反应。
(7)   3SiC + 2Fe2O3 = 3SiO2 +4Fe +3C            
 
(8)C + FeO → Fe + CO ↑                   
 
(9)(SiO2 )+ 2C =  [Si] + 2CO(气态)         
 
(10)SiO2 + FeO → FeO▪SiO2 (渣)             
(11)Al2O3 + SiO2 → Al2O3▪SiO2 (渣)      
   碳化硅的脱氧作用,使得脱氧产物在铁液中有一系列冶金反应,减轻锈蚀炉料中氧化物的有害影响,有效的净化铁液。
   2.5 碳化硅的使用方法冶金级的碳化硅,纯净度在88%-90%之间,在计算增碳与增硅时首先要扣除杂质量。根据碳化硅的分子式,很容易得出:增碳:(12) C= C/(C + Si)= 12 / (12 + 28) = 30% 增硅:(13)Si= Si/(C + Si)= 28 / (12 + 28) = 70% 碳化硅的加入量,通常只要加入铁液量的0.8%-1.0%就可以了。碳化硅的加入方法是:电炉熔炼铁液,在坩埚熔融1/3炉料时,加入到坩埚中部,尽量不要接触炉壁,然后继续加入炉料熔炼。冲天炉熔炼铁液,可以将粒度1-5mm的碳化硅与适量水泥或其它粘接剂混合,加水制成团块状,经过烈日晒干后即可按批料比例下炉使用。
    3、结束语近20年来,无论是载重汽车还是商务或家用小汽车,减轻整车重量始终是汽车研发的发展趋势。在金融危机的市场颓势中,中国北方公司逆势而上,重型载重汽车出口北美,正是基于重载汽车轻量化的结果。薄壁灰铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁件,厚壁的球墨铸铁件以及奥贝球墨铸铁件的应用,对铸铁冶金质量提出更高的要求。碳化硅的孕育预处理对改善铸铁的冶金质量有良好的作用。铸造专家李传栻撰文指出:预处理剂加入铁液后,可以观察到两种作用:一是碳当量提高;二是铁液的冶金条件改变,加强了还原性。1978年,英国的B.C.Godsell曾发表其对球墨铸铁进行预处理的研究结果,此后,对预处理工艺的试验研究一直没有间断,现在这项工艺已比较成熟。对于灰铸铁,碳化硅孕育预处理可以降低过冷度减少白口倾向;增加石墨核心,促进形成A型石墨,减少或防止产生B型、E型和D型石墨,增加共晶团数,得到细小的片状石墨;对于球墨铸铁,碳化硅孕育预处理则促进增加铸铁的石墨球数,提高球化率,改善石墨球的圆整度。碳化硅的使用可以加强对氧化铁的脱氧还原作用,使铸铁组织致密从而增加切削面的光洁,使用碳化硅可以延长炉壁寿命,不会增加铁液的铝、硫含量。
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