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      硅钼球铁高温力学性能影响因素——碳化硅

      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。

               

                               
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                                                    图1 六缸排气歧管

　　 各材质相应的工作温度见表1。

               

                               
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       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。

               

                               
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       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。

               

                               
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       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。

              

                               
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　　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。

               

                               
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                            图2 未用碳化硅，石墨球数272个

               

                               
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                              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。

               

                               
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       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。