TA的每日心情 | 奋斗
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签到天数: 697 天 连续签到: 13 天 [LV.9]以坛为家II
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发表于 2013-5-13 17:20:15
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本帖最后由 晨曦2008 于 2013-5-14 22:48 编辑 & w# m0 b% s2 f' {; C v
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回复 10# 孤独寒松
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铸铁的SiC孕育预处理4 _) b @8 e6 P$ U. C/ y) _
（南京铸造学会，江苏南京，210002）-
: |, X5 |3 j+ J) l# L, Y; `, J摘要： 感应电炉熔炼的铁液白口倾向大，这时铸铁的强度和硬度会增加，但是电炉铁液的形核率减少很多。电炉中加入预处理剂SiC，灰铸铁可以促进A型石墨形成；球墨铸铁则促进球状石墨形成；用于处理蠕墨铸铁也有很好的效果。SiC是质优价廉的硅源、碳源，冲天炉中应用可以改善使用锈蚀炉料的负面影响。
( d" P" u# H( w2 T; y关键词：SiC、孕育、预处理, y0 R5 Q7 Q r
1、前言
9 |' d% k, \8 g B2 k& I/ \7 ~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。" @* w1 Y+ ?: \0 x
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。: p/ f, b( `! s
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。" z5 _; _3 ^, [* C/ T! p
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。
) n- I; x/ ?" F! _2、预处理的作用
) `8 ]& P" o! ~1 t4 ], ]2.1 形核的原理
8 y. C/ p1 n. D! s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。
" L9 X3 n T" z. \; l$ ?/ f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] 表1 晶格匹配失配度与形核能力的关系[1]
% O, i u9 P; ~, u. z 失配度（δ） ＜6% 6～12% ＞12%
0 l4 c9 K6 p1 h) ~; O! b- ^6 y形核能力 形核能力最强 有形核能力 形核能力7 m7 \7 H) \# d1 a
表2 一些物质某晶面与石墨晶面的失配度[3]
" }& \4 A5 }, l: @) e; X0 l物质 δ% 物质 δ% 物质 δ% 物质 δ% 物质 δ%
, U. i$ E. ]* Y d- ~5 JC 0 BaS 7.5 MnS 10.2 SrO∙SiO2 3.5 β-Si3N4 43.9
. T9 v8 S) Y1 M4 S) Y4 KLaS 1.5 CaS 8.3 MgS 12.5 CaO∙SiO2 7.5 CaO∙Al2O3∙SiO2 I3 I- M9 p3 Z# z3 B! y7 r5 n
BN 2.0 AlN 9.47 CaO 13.3 α-Al2O3 11.4 SrO∙Al2O3∙SiO2 `% }* B/ M% i( p" c& Y
CeS 2.9 CaC2 9.9 BaO∙SiO2 1.5 β-SiO2 37.1 BaO∙Al2O3∙SiO2
+ h( y2 v, Y p1 y! s' B 7.1锻造,铸造,轧钢,炼钢,焊接,热处理,
8 S( g+ V1 W/ z! K/ F! g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。
3 N/ t3 z/ H7 X' D, P) T5 S @ Si + O2 → SiO2 （1）
/ O r$ z; r6 p2 H# b3 O& _ MgO +SiO2 →MgO∙SiO2 （2）
& a: o3 @) f5 n* o( `& ]# P 2MgO +2SiO2→ 2MgO∙2SiO2 （3/ P) L/ j! A5 w& n5 ~9 J5 W, h
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
: K+ I4 l9 N6 ~, @$ q& A% m MgO∙SiO2 + X → XO∙SiO2 + Mg （4- c- h7 q' X" i, f
4（2MgO∙2SiO2）+ 3X+ 6Al → 3（XO∙Al2O3∙2SiO2）+ 8Mg （52 y4 ~& \" ~, o/ }9 H8 Q, r
式中 X——Ca、Ba、Sr。- L, J3 w6 M6 f# L% Z1 a
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\: z* }# _: j3 w+ f2 f5 h
2.2 非平衡石墨的预孕育： ! B$ t3 @% e4 w8 k5 K
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\
( ?0 T+ U3 m* g6 K7 H/ i4 i0 ^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。
: i [$ @ {: q m7 v# b# DSiC+Fe→FeSi+C（非平衡石墨） （6）$ N1 Q: w/ M$ j+ A7 L/ m; u
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。
: {# Z: H% V; T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]# L& z" Y) t" p6 S/ ~0 @5 t- M$ `+ Y
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。
0 u( I1 c6 A: Z! Q2.3 消除E型石墨( i7 w, k0 W" M" g# s4 E$ ?7 E# R
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]
$ F- h; Y; o. H) t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。
9 C4 g1 l4 s; n8 iA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。+ q# v1 Y' A1 U8 e0 H- {
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。6 V5 g2 p3 H/ F7 x
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。
8 z2 H3 F2 F; C4 ?+ `5 n0 q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' ?) H4 Q j# o3 t/ F; X: t
2.4 提高铸铁质量致力于为锻造、铸造、轧钢行业人员提供网上在线技术交流的温馨家园，以锻造、铸造、炼钢对于球墨铸铁，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
& U4 u4 u" Z3 Q" i9 f) M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。
$ j8 ]1 z& e/ H4 p4 w9 T$ p 3SiC + 2Fe2O3 = 3SiO2 +4Fe + 3C （7）
: S, m! g: A* ], |; v, _ C + FeO → Fe + CO ↑ （8）
; u1 s0 y; | V& F8 C& V（SiO2 ）+ 2C = [Si] + 2CO（气态） （9）
6 H+ S _, e- V; e2 K: y/ A- g5 G SiO2 + FeO → FeO▪SiO2 （渣） （10）! @) [2 y5 y, B# ]" e* V* V
Al2O3 + SiO2 → Al2O3▪SiO2 （渣） （11）
3 e( ]- o$ J/ Y' P 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
* b9 b- E2 S3 R, Q2.5 碳化硅的使用方法
5 Z2 U% J/ @/ M# T# G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& x3 U6 l6 G& q3 X' J g
增碳： C = C/（C + Si）= 12 / (12 + 28) = 30% （12）% d8 d- @# o" I/ Y4 Y
增硅： Si= Si/（C + Si）= 28 / (12 + 28) = 70% （13）' I0 m- c) h) m) L& B/ C* t4 C7 r
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：
1 Q3 f- \5 K |. ~; r# c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。
2 u% f0 t7 u( ]2 h. \$ J) _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
; t3 C$ M7 d6 t3、结束语-2 Q5 n( Z' m. s6 E" r: a
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。
' p1 F2 W2 ^& C. f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。研究结果表明：对于灰铸铁，以SiC含量为85%～90%的冶金碳化硅效果最好；对于球墨铸铁则以SiC含量为97%～98%的结晶碳化硅效果最好。[2]( G6 A' ^/ i2 T
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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发表于 2013-4-11 22:36:05
