鑄鐵中碳化硅孕育預(yù)處理

1、 鑄 鐵 中 碳 化 硅 （預(yù)處理） （河南省中原軋輥責(zé)任有限公司）1、前言鐵液的化學(xué)成分相同，熔煉工藝不同，獲得鑄鐵的性能差異很大。鑄造工廠采取鐵液過(guò)熱、孕育處理、改變爐料配比、添加微量或合金元素等方法，提高鑄鐵的冶金質(zhì)量和鑄造性能，同時(shí)使力學(xué)性能和加工性能得到較大提高。感應(yīng)電爐熔煉鐵液，可以有效地控制鐵液溫度，精確的調(diào)整化學(xué)成分，元素?zé)龘p少，硫、磷含量低，對(duì)于生產(chǎn)球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和高強(qiáng)度灰鑄鐵非常有利。但是感應(yīng)電爐熔煉鐵液的形核率減少，白口傾向大，易于產(chǎn)生過(guò)冷石墨，雖然強(qiáng)度和硬度有所增加，但鑄鐵的冶金質(zhì)量并不高。上世紀(jì)八十年代，出國(guó)考察學(xué)習(xí)的我國(guó)工程師，看到國(guó)外鑄造廠電爐熔煉時(shí)加入黑色碎

2、玻璃狀物體，經(jīng)過(guò)詢問(wèn)得知這是碳化硅。國(guó)內(nèi)的日資鑄造企業(yè)也長(zhǎng)期大量使用碳化硅作添加劑。沖天爐或電爐熔煉鐵液，加入預(yù)處理劑SiC的優(yōu)點(diǎn)很多。碳化硅有磨料級(jí)和冶金級(jí)之分，前者純度高價(jià)格貴，后者價(jià)格低廉。加入熔爐內(nèi)的碳化硅轉(zhuǎn)化成鑄鐵的碳和硅，一是提高碳當(dāng)量；二是加強(qiáng)了鐵液的還原性，2大大減輕銹蝕爐料的不利作用。加入碳化硅可以防止碳化物析出，增加鐵素體量，使鑄鐵組織致密，顯著提高加工性能并使切削面光潔。增加球墨鑄鐵單位面積石墨球數(shù)，提高球化率。對(duì)于減少非金屬夾雜物和熔渣，消除縮松，消除皮下氣孔也有良好的作用。2、預(yù)處理的作用2.1 形核的原理在Fe-C共晶系中，灰鑄鐵在共晶凝固階段由于石墨的熔點(diǎn)高，是共

3、晶體的領(lǐng)先相，奧氏體借助石墨析出。以每個(gè)石墨核心為中心所形成的石墨+奧氏體兩相共生共長(zhǎng)的晶粒稱共晶團(tuán)。存在于鑄鐵熔液中的亞微觀石墨聚集體、未熔的石墨微粒、某些高熔點(diǎn)硫化物、氧化物、碳化物、氮化物顆粒等，都可能成為石墨的非均質(zhì)晶核。球墨鑄鐵的形核與灰鑄鐵形核沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，只是核心物質(zhì)中增加有鎂的氧化物和硫化物。                      鐵液中石墨的析出必須經(jīng)歷形核和生長(zhǎng)兩個(gè)過(guò)程。石墨的形核有均質(zhì)形核和非均質(zhì)形核兩種方式。均質(zhì)形核亦稱自生晶核

4、。鐵液中有大量起伏不定的，超過(guò)臨界晶核尺寸的，近程有序排列的碳原子集團(tuán)，可能成為均質(zhì)晶核。實(shí)驗(yàn)證明均質(zhì)晶核的過(guò)冷度很大，必須主要依靠非均質(zhì)晶核作為鐵液中石墨的生核劑。鑄鐵熔液中存在大量外來(lái)質(zhì)點(diǎn)，每1cm3鐵液中，僅氧化物質(zhì)點(diǎn)就有500萬(wàn)個(gè)。只有那些與石墨的晶格參數(shù)、位相存在一定關(guān)系的質(zhì)點(diǎn)，才能成為石墨形核基底。晶格匹配關(guān)系的特征參數(shù)稱平面失配度。當(dāng)然只有晶格平面失配度小，才能夠讓碳原子容易與石墨晶核匹配。如果晶核材料是碳原子，那么它們的失配度為零，這樣的成核條件最好。1            表1  &#

5、160;  晶格匹配失配度與形核能力的關(guān)系1                      Tab.1  Related to crystal lattice mismatch degree and nucleate ability 失配度（）           6%        612% 

6、;       12%形核能力        形核能力最強(qiáng)        有形核能力        形核能力微弱表2      一些物質(zhì)某晶面與石墨晶面的失配度3 Tab.2    Mismatch degree of a few crystal face and graphite crystal face         &#

7、160;         物質(zhì)        %        物質(zhì)        %        物質(zhì)        %        物質(zhì)        %        物質(zhì)     

8、60; %C        0        BaS        7.5        MnS        10.2        SrOSiO2        3.5        -Si3N4        43.9LaS 

9、;       1.5        CaS        8.3        MgS        12.5        CaOSiO2        7.5        CaOAl2O3SiO2        3.7BN 

10、60;     2.0        AlN        9.47        CaO        13.3        -Al2O3        11.4        SrOAl2O3SiO2        6.2CeS   

11、     2.9        CaC2        9.9        BaOSiO2        1.5        -SiO2        37.1        BaOAl2O3SiO2        7.1碳化硅在鐵液內(nèi)分解成碳和硅比鐵液本

12、身含有的碳和硅的內(nèi)能大，鐵液本身所含的Si溶于奧氏體中，球墨鑄鐵鐵液中的碳，部分在鐵液中形成石墨球，部分在奧氏體中尚未析出。因此碳化硅的加入，有很好的脫氧作用。            Si + O2 SiO2                                    

13、   MgO +SiO2 MgOSiO2                    （2）            2MgO +2SiO2 2MgO2SiO2                （3）   頑輝石成分MgOSiO2和鎂橄欖石成分2Mg

14、O2SiO2與石墨（001）失配度高不易作為石墨形核的基底。當(dāng)經(jīng)過(guò)含有Ca、Ba、Sr及Al與硅鐵的孕育合金鐵液處理后，得到：             MgOSiO2 + X XOSiO2 + Mg              （4）             4（2MgO2SiO2）+ 3X+ 6Al 3（XOAl2O32SiO2）+ 8M

15、g      （5）   式中 XCa、Ba、Sr。   反應(yīng)產(chǎn)物XOSiO2和XOAl2O3SiO可以在MgOSiO2及2MgO2SiO2基底上形成面晶，由于石墨與XOSiO2和XOAl2O3SiO2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學(xué)性能的作用。32.2 非平衡石墨的預(yù)孕育： 一般，通過(guò)孕育來(lái)擴(kuò)大非均質(zhì)形核范圍，鐵液中非均質(zhì)形核的作用：促進(jìn)共晶凝固階段C大量析出并形成石墨，促進(jìn)石墨化；減小鐵液過(guò)冷度，減少白口傾向；增加灰鑄鐵共晶團(tuán)數(shù)或增加球墨鑄鐵石墨球數(shù)。SiC是爐料熔煉過(guò)

16、程中加入的。碳化硅熔點(diǎn)2700，在鐵液中不熔化，只按下列反應(yīng)式融熔于鐵液。SiC+FeFeSi+C（非平衡石墨）         式中SiC里的Si與Fe結(jié)合，余下的C就是非平衡石墨，作為石墨析出的核心。非平衡石墨使鐵液中C不均勻分布，局部C元素過(guò)高，微區(qū)會(huì)出現(xiàn)“碳峰”。這種新生的石墨有很高的活性，它與碳的失配度為零，因此很容易吸收鐵液中的碳，孕育效果極其優(yōu)越。由此可以看出碳化硅就是這樣一種硅基生核劑。鑄鐵熔煉時(shí)加入碳化硅，對(duì)于灰鑄鐵，非平衡石墨的預(yù)孕育，大量生成共晶團(tuán)并提高生長(zhǎng)溫度（減小相對(duì)過(guò)冷度），有利于形成A型石墨；晶核數(shù)量增加

17、，使片狀石墨細(xì)小，提高石墨化程度減少白口傾向，從而提高力學(xué)性能。對(duì)于球墨鑄鐵，結(jié)晶核心增多使石墨球數(shù)增加，球化率得以提高。2.3 消除E型石墨過(guò)共晶灰鑄鐵，C型、F型初生石墨在液相形成，由于生長(zhǎng)過(guò)程不受奧氏體干擾，一般情況下，容易長(zhǎng)成大片狀且分枝少的C型石墨；薄壁鑄件快速冷卻時(shí)，石墨會(huì)分叉生長(zhǎng)成星狀的F型石墨。共晶凝固階段生長(zhǎng)的片狀石墨，在不同化學(xué)成分和不同過(guò)冷條件下，生成不同形態(tài)和不同分布的A、B、E、D型石墨。A型石墨在過(guò)冷度不大和成核能力較強(qiáng)的共晶團(tuán)內(nèi)生成，在鑄鐵中均勻分布。細(xì)片狀珠光體中，石墨長(zhǎng)度越小，抗拉強(qiáng)度越高，適用于機(jī)床及各種機(jī)械鑄件。D型石墨為點(diǎn)、片狀的枝晶間石墨，呈無(wú)方向性分

18、布。D型石墨鑄鐵鐵素體量高，力學(xué)性能受影響。但D型石墨鑄鐵奧氏體枝晶多，石墨短小卷曲，共晶團(tuán)呈球團(tuán)形，所以與相同基體A型石墨鑄鐵相比，往往具有較高的強(qiáng)度。E型石墨是一種比A型石墨短小的片狀石墨。與D型石墨一樣位于枝晶間，統(tǒng)稱為枝晶石墨。E墨容易在碳當(dāng)量低（亞共晶程度大）、奧氏體枝晶多而發(fā)達(dá)的鑄鐵中產(chǎn)生。這時(shí)，共晶團(tuán)與枝晶交叉生長(zhǎng)，由于枝晶間共晶鐵液數(shù)量較少，析出的共晶石墨只有沿著枝晶方向分布，具有明顯的方向性。形成E型石墨的過(guò)冷度大于A型石墨小于D型石墨，它的粗細(xì)、長(zhǎng)短處于A、D型石墨之間。E型石墨不屬于過(guò)冷石墨，經(jīng)常與D型石墨伴生。E型石墨的方向性枝晶間分布，使鑄鐵很容易在較小的外力作用下，

19、沿著石墨排列方向呈帶狀脆斷。所以出現(xiàn)E型石墨，用手可以掰斷小型鑄件的邊角，鑄件強(qiáng)度大大下降。隨著含碳量的增加，形成細(xì)小枝晶間石墨所必須的冷卻速度提高了，產(chǎn)生枝晶間石墨的可能性減少了。熔液高度過(guò)熱以及長(zhǎng)時(shí)間保溫會(huì)使過(guò)冷度增大，從而提高枝晶生長(zhǎng)速度，使枝晶變長(zhǎng)，方向性更明顯。用SiC對(duì)鐵液做預(yù)孕育處理時(shí)，同時(shí)減小初生奧氏體的過(guò)冷度，此時(shí)觀察到短的奧氏體枝晶。消除了E型石墨產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。2.4 提高鑄鐵質(zhì)量對(duì)于球墨鑄鐵，在球化劑加入量相同的情況下，用碳化硅進(jìn)行預(yù)處理，鎂的最終收得率較高。用碳化硅預(yù)處理的鐵液，如果保持鑄件殘留鎂量大致相同，球化劑的加入量可以減少10%，球墨鑄鐵的白口傾向得到緩解。碳

20、化硅在熔煉爐內(nèi)，除去（1）式反應(yīng)所示在鐵液中增碳、增硅以外，還進(jìn)行式（2）、（3）的脫氧反應(yīng)，如果加入的SiC靠近爐壁，生成的SiO2會(huì)在爐壁沉積增加爐壁厚度。在熔煉的高溫下，SiO2將發(fā)生式（4）的脫碳反應(yīng)，式（5）、（6）的渣化反應(yīng)。           3SiC + 2Fe2O3 = 3SiO2 +4Fe + 3C            （7）          

21、; C + FeO Fe + CO                      （8）（SiO2 ）+ 2C =  Si + 2CO（氣態(tài)）          （9）           SiO2 + FeO FeOSiO2 （渣）      

22、0;       （10）           Al2O3 + SiO2 Al2O3SiO2 （渣）            （11）   碳化硅的脫氧作用，使得脫氧產(chǎn)物在鐵液中有一系列冶金反應(yīng)，減輕銹蝕爐料中氧化物的有害影響，有效的凈化鐵液。2.5 碳化硅的使用方法冶金級(jí)的碳化硅，純凈度在88%-90%之間，在計(jì)算增碳與增硅時(shí)首先要扣除雜質(zhì)量。根據(jù)碳化硅的分子式，很容

23、易得出：增碳：     C = C/（C + Si）= 12 / (12 + 28) = 30%         （12）增硅：     Si= Si/（C + Si）= 28 / (12 + 28) = 70%          （13）碳化硅的加入量，通常只要加入鐵液量的0.8%-1.0%就可以了。碳化硅的加入方法是：電爐熔煉鐵液，在坩堝熔融1/3爐料時(shí)，加入到坩堝中部，盡量不要接觸爐壁，然后繼續(xù)加入爐料熔煉。沖天爐熔煉鐵液，可以將粒度1-5mm的碳化硅與適量水泥或其它粘接劑混合，加水制成團(tuán)塊狀，經(jīng)過(guò)烈