碳化硅在減少薄壁球鐵件白口中的作用

碳能新材 石嘴山市碳能新材料科技有限公司 2023-09-05 08:50

1、薄壁球鐵件的定義：

    以往，通常將3~6mm的球墨鑄鐵件稱薄壁球墨鑄鐵。隨著技術發展，今天薄壁球墨鑄鐵的定義壁厚已減至2-3mm。由于壁薄，共晶凝固時冷卻速度極快，因此如何抑制白口織織的出現就成為薄壁球墨鑄鐵件要解決的首要問題。

2、生產薄壁球墨鑄鐵常遇到的問題有:

    鐵液充型不足、生成碳化物以及重皮、夾雜、冷隔表面缺陷。這些問題均與薄壁球墨鑄鐵凝固速度過快有關。隨壁厚減小，冷卻速度顯著提高。2~3mm厚度的鑄件冷卻速度比一般15mm 壁厚的鑄件要高出10~20倍。

3、薄壁球鐵件的凝固特點：

    在快速冷卻條件下，薄壁球墨鑄鐵的凝固表現如下特點:

①奧氏體枝晶發達。隨截面減小，凝固組織中形成大量奧氏體枝晶。

    3mm球墨鑄鐵除枝晶外，還生成包有石墨球的球團狀共晶晶粒當截面增至10mm，樹枝狀奧氏體減少。壁厚為14mm時，從邊緣到中心同時分布著球團狀共晶晶粒，呈現出典型的糊狀凝固。

②形成晶間碳化物。奧氏體枝晶與共晶晶粒析出后，其間的殘留液體在快速冷卻條件下容易形成晶間碳化物。

    室溫下，得到鐵素體 + 碳化物，或珠光體 + 碳化物或鐵素體 + 珠光體 + 碳化物組織。薄壁球墨鑄鐵的晶間碳化物，多呈長條方向束狀分布,與一般蜂窩狀萊氏體的形態不同。針狀晶間碳化物嚴重影響薄壁球墨鑄鐵的性能，因而，必須抑制碳化物產生。

4、減少或消除薄壁球墨鑄鐵碳化物的措施有：

①嚴格選擇純凈、少含促碳化物元素的爐料；

②控制熔化過熱溫度，減少鐵水不必要的長時間高溫保溫或者等待；

③提高C、Si質量分數(CE=4.5% ~ 4.7%)；

④球化前用SiC進行預處理、增加石墨形核核心；

⑤降低Mg殘= 0.03%~0.045%、選用低Mg的球化劑；

⑥提高孕育質量，必要時使用含稀土或者含鉍等強效孕育劑。

    其中增加石墨球數是消除薄壁球墨鑄鐵出現碳化物的最有效方法。隨球數增加早期凝固的體積分數加大，晶間的殘余液體減少，提前結束共晶凝固，從而防止碳化物產生。此外，石墨球數多可縮短碳原子擴散距離，加速固相轉化時Fe3C  C+3Fe 相變。

在薄壁球墨鑄鐵中，實現無碳化物的壁厚與石墨球數有緊密的依賴關系。為了防止白口，對球墨鑄鐵的某一冷卻速度，存在一個對應的臨界共晶團數，亦即臨界石墨球數，定義不產生碳化物的石墨球數為白口臨界球數。只有當石墨球數大于該臨界數時，才能避免出現白口?？梢钥吹?，當鑄件越薄、冷卻速度越大時，所需的臨界石墨球數越多。

    為消除碳化物，要求球墨鑄鐵的球數必須超過白口臨界球數的數值。兩者的關系的經驗表達式為N=0.58v2+19.07v+1.01

式中N-白口臨界石墨球數(個/mm);

v-冷卻速度 (C/s)。

5、增加薄壁球墨鑄鐵石墨球數的措施有:

⑴提高 C、Si含量。在保證不產生石墨漂浮和開花的情況下，碳當量盡量高CE=4.5% ~ 4.7%為宜。

⑵降低促碳化物形成元素的含量。如：Mn、Cr、V、Mo 等盡量低。

⑶使用碳化硅對鐵水進行預處理。預處理的目的是在球化處理前，通過加入預處理劑，將鐵液中的0、S 含量穩定地控制在較低水平，為球化反應提供良好條件，同時反應產物能夠形成穩定的形核核心，適當有效的預處理能夠增加10% ~25%的核心數量。

出鐵水時沖化0.1-0.2%、0.2-0.8毫米的SiC90碳化硅對鐵水進行預處理，可以起到脫氧、去氣、凈化鐵水，同時增加石墨形核核心的作用，能夠明顯增加石墨球數和球化等級。

⑷保證原鐵液必要的含S量。硫是干擾石墨球化的表面活性元素。鐵水中加入球化元素后大部分硫與球化元素化合而進入熔渣。剩余的硫化物有些能夠成為與石墨晶體有一定共格關系的物質，可作為石墨形核基質，促進石墨球形成。有試驗表明，w(S)=0.06%和 w(S)=0.025%的原鐵水分別用鎂處理成球墨鑄鐵后，前者的石墨球數為后者的兩倍。這樣的情況應該與硫化物增加石墨核心數目有關。各種硫化物是球墨核心的原始基底，過低的原S 量勢必減少 ReS、MgS 生成物，使球數減少。適宜的原鐵液 S 的質量分數為 0.02%~ 0.06%。

⑸加強孕育。鐵水加入球化劑后，共晶過冷量明顯增加，白口傾向大大增強，如果不進行孕育處理，將成為含有少量石墨球的麻口鑄鐵。進行孕育處理不僅能消除白口，降低組織對鑄件壁厚的敏感性，而且能增加石墨球數，提高球狀石墨的圓整度。除改善孕育方法 (盡可能縮短球化至澆注的時間) 外，添加高效的孕育元素是增多薄壁球墨鑄鐵石墨球數的重要途徑。添加稀土元素或微量鉍是十分有效的，這些方法和經驗已經生產實際驗證是有效的。

  向鐵液添加Ce、La、Pr、Nd可增加球墨核心數。其中獲得最多球數的元素是 Ce，依次排列為La、Pr、Nd。微量如w(Bi)= 0.003% ~0.01%可顯著增加薄壁球墨鑄鐵的石墨球數量。Bi沸點(1564℃)高、熔點(271℃)低，對鐵液的溶解度極小。Bi作為液相微粒分散于鐵液中，與鐵液形成新的界面，作為石墨析出的基底。由于Bi是強反球化元素，應避免過量加入。鑄造1~ 3mm薄壁球墨鑄鐵試驗數種高效孕育劑后，認定最有效的孕育劑是75SiFe+RE+Bi，而Ce、Bi的殘留量質量分數均為 0.006%.- 0.009%。

  提高孕育效果的措施有：選擇強效孕育劑。在以硅鐵為基的孕育劑中最好含少量的AL、Ce、Sr、Ba 等元素。保證球化后鐵液必要的含S量。過低的含 S 量不利于提高球數，對球化后含w(S)=0.005%的鐵液，用FeS進行后孕育使硫提到w(S)=0.012%，發現石墨形狀不受影響，但石墨球數卻由528個/mm增加到585個/mm。改善處理方法，盡量縮短孕育至凝固的時間，因為所有孕育劑的孕育效果都在剛加人瞬間為最大，之后立即發生衰退，不存在衰退的醞釀期。

  要努力減少鐵水白口傾向。盡可能使用低鎂低稀土的球化劑和球化線，減少過高殘余鎂、殘余稀土導致的鐵水白口傾向過大。具有強球化能力的鎂、鈰、鑭等元素有下列共同特點: 與氧有高的親和力，能強烈的脫硫去氧:在鐵中的溶解度低:凝固過程中有明顯的偏析傾向:與碳有一定的親和力。在所有的球化元素中，鎂的球化能力最強，獲得的石墨最圓整，故用純鎂生產的球墨鑄鐵的力學性能最好。球化元素如Mg、Ce、Y、Ca 應保持一個最佳的含量(如w(Mg)=0.04% - 0.08%; w(Ce)=0.07%~ 0.12%;w(Y)=0.15% ~ 0.2%)。含量過大時，易促使石墨發生畸變Mg的質量分數大于0.08%時形成 MgC2、Mg2C3化合物，石墨形態除球狀外，在靠近化合物旁邊伴有片狀、蟹狀石墨生成，此時的石墨球向開花狀發展。此外，由于Mg被消耗所以，w(Mg殘)>0.055%時，石墨球數減少。Ce、Y與Mg 類似，過量時也產生反球化作用。

  為了防止球化衰退而增加球化劑的加人量并不可取。過多殘余鎂量會增加熔渣生成量和促進滲碳體生成，并可能產生爆裂狀石墨。

  減少促碳化物合金元素的帶入；對鐵水進行預處理增加石墨核心；提高球化質量；減少殘余鎂、殘余稀土對鐵水白口傾向的影響；強化孕育處理、防止孕育衰退，是減少薄壁球鐵件產生白口缺陷的主要思路與措施。

參考文獻：

1、周繼揚，鑄鐵彩色金相學，P123-125；

2、陸文化、李隆盛等，鑄造合金及其熔煉，P72-73

3、郝石堅，現代鑄鐵學，P212-216

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