碳化硅在球墨鑄鐵熔煉中預處理作用

張太慧，周林波，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上得到廣泛的利用。近年來，碳化硅作為鐵液預處理劑在鑄造生產中開始得到應用，它是一種價格低廉的預處理劑，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合的非金屬碳化物，化學式為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處理的作用

碳化硅在球墨鑄鐵熔煉后期爐內加入，碳化硅在1200℃以上開始潰散，熔化成熔融狀態，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：

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

式（4）中，MeO為Fe、Mn、Mg等金屬氧化物，與SiO2形成復合氧化物，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生如下反應：

通過以上反應，碳化硅起到了脫氧而凈化鐵液的作用[2]。

2.2 碳化硅爐內預孕育，促進球狀石墨形成，細化球狀石墨

1）在凝固過程中，由碳化硅產生的硅溶于奧氏體中，產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晶核。

2）彌散性碳化硅微粒在鐵液中起到非均質晶核作用。

3）部分晶格匹配適配度較低的復合金屬氧化物也可成為球狀石墨的非均質形核。

碳化硅孕育預處理是在球化處理前在爐內進行的，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

為正確應用碳化硅，我們在慈溪匯麗機電股份有限公司日常生產的6個軌道交通高端球墨鑄鐵產品上進行了三次試驗。試驗產品的基礎數據見表1。

表1 試驗產品基礎數據

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 試驗結果

4.1 化學成分和力學性能試驗數據

三次試驗的化學成分和力學性能均符合要求，見表4。

表4 試驗化學成分及力學性能

三次試驗和原工藝力學性能均符合要求，且力學性能相近。

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，說明此加入量預處理效果最佳。

圖1 石墨形態

石墨等級提高、石墨球數增多，有利于鑄件利用石墨化膨脹，獲得致密的內在質量，減少鑄件出現縮松類缺陷的傾向。

5 結束語

1）碳化硅試驗的產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。球狀石墨明顯細化，石墨大小從6級提升為7級，這有利于提高產品的內部質量（減少內部缺陷）。

2）采用爐內碳化硅預處理，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，爐內不用加硅鐵，減少增碳劑加入量。

3）當采用爐內碳化硅預處理后，球化處理時可取消高鋇預處理劑對鐵液預處理，適度減少包內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。