碳化硅在减少薄壁球铁件白口中的作用

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、薄壁球铁件的定义：

    以往，通常将3~6mm的球墨铸铁件称薄壁球墨铸铁。随着技术发展，今天薄壁球墨铸铁的定义壁厚已减至2-3mm。由于壁薄，共晶凝固时冷却速度极快，因此如何抑制白口织织的出现就成为薄壁球墨铸铁件要解决的首要问题。

2、生产薄壁球墨铸铁常遇到的问题有:

    铁液充型不足、生成碳化物以及重皮、夹杂、冷隔表面缺陷。这些问题均与薄壁球墨铸铁凝固速度过快有关。随壁厚减小，冷却速度显著提高。2~3mm厚度的铸件冷却速度比一般15mm 壁厚的铸件要高出10~20倍。

3、薄壁球铁件的凝固特点：

    在快速冷却条件下，薄壁球墨铸铁的凝固表现如下特点:

①奥氏体枝晶发达。随截面减小，凝固组织中形成大量奥氏体枝晶。

    3mm球墨铸铁除枝晶外，还生成包有石墨球的球团状共晶晶粒当截面增至10mm，树枝状奥氏体减少。壁厚为14mm时，从边缘到中心同时分布着球团状共晶晶粒，呈现出典型的糊状凝固。

②形成晶间碳化物。奥氏体枝晶与共晶晶粒析出后，其间的残留液体在快速冷却条件下容易形成晶间碳化物。

    室温下，得到铁素体 + 碳化物，或珠光体 + 碳化物或铁素体 + 珠光体 + 碳化物组织。薄壁球墨铸铁的晶间碳化物，多呈长条方向束状分布,与一般蜂窝状莱氏体的形态不同。针状晶间碳化物严重影响薄壁球墨铸铁的性能，因而，必须抑制碳化物产生。

4、减少或消除薄壁球墨铸铁碳化物的措施有：

①严格选择纯净、少含促碳化物元素的炉料；

②控制熔化过热温度，减少铁水不必要的长时间高温保温或者等待；

③提高C、Si质量分数(CE=4.5% ~ 4.7%)；

④球化前用SiC进行预处理、增加石墨形核核心；

⑤降低Mg残= 0.03%~0.045%、选用低Mg的球化剂；

⑥提高孕育质量，必要时使用含稀土或者含铋等强效孕育剂。

    其中增加石墨球数是消除薄壁球墨铸铁出现碳化物的最有效方法。随球数增加早期凝固的体积分数加大，晶间的残余液体减少，提前结束共晶凝固，从而防止碳化物产生。此外，石墨球数多可缩短碳原子扩散距离，加速固相转化时Fe3C  C+3Fe 相变。

在薄壁球墨铸铁中，实现无碳化物的壁厚与石墨球数有紧密的依赖关系。为了防止白口，对球墨铸铁的某一冷却速度，存在一个对应的临界共晶团数，亦即临界石墨球数，定义不产生碳化物的石墨球数为白口临界球数。只有当石墨球数大于该临界数时，才能避免出现白口。可以看到，当铸件越薄、冷却速度越大时，所需的临界石墨球数越多。

    为消除碳化物，要求球墨铸铁的球数必须超过白口临界球数的数值。两者的关系的经验表达式为N=0.58v²+19.07v+1.01

式中N-白口临界石墨球数(个/mm);

v-冷却速度 (C/s)。

5、增加薄壁球墨铸铁石墨球数的措施有:

⑴提高 C、Si含量。在保证不产生石墨漂浮和开花的情况下，碳当量尽量高CE=4.5% ~ 4.7%为宜。

⑵降低促碳化物形成元素的含量。如：Mn、Cr、V、Mo 等尽量低。

⑶使用碳化硅对铁水进行预处理。预处理的目的是在球化处理前，通过加入预处理剂，将铁液中的0、S 含量稳定地控制在较低水平，为球化反应提供良好条件，同时反应产物能够形成稳定的形核核心，适当有效的预处理能够增加10% ~25%的核心数量。

出铁水时冲化0.1-0.2%、0.2-0.8毫米的SiC90碳化硅对铁水进行预处理，可以起到脱氧、去气、净化铁水，同时增加石墨形核核心的作用，能够明显增加石墨球数和球化等级。

⑷保证原铁液必要的含S量。硫是干扰石墨球化的表面活性元素。铁水中加入球化元素后大部分硫与球化元素化合而进入熔渣。剩余的硫化物有些能够成为与石墨晶体有一定共格关系的物质，可作为石墨形核基质，促进石墨球形成。有试验表明，w(S)=0.06%和 w(S)=0.025%的原铁水分别用镁处理成球墨铸铁后，前者的石墨球数为后者的两倍。这样的情况应该与硫化物增加石墨核心数目有关。各种硫化物是球墨核心的原始基底，过低的原S 量势必减少 ReS、MgS 生成物，使球数减少。适宜的原铁液 S 的质量分数为 0.02%~ 0.06%。

⑸加强孕育。铁水加入球化剂后，共晶过冷量明显增加，白口倾向大大增强，如果不进行孕育处理，将成为含有少量石墨球的麻口铸铁。进行孕育处理不仅能消除白口，降低组织对铸件壁厚的敏感性，而且能增加石墨球数，提高球状石墨的圆整度。除改善孕育方法 (尽可能缩短球化至浇注的时间) 外，添加高效的孕育元素是增多薄壁球墨铸铁石墨球数的重要途径。添加稀土元素或微量铋是十分有效的，这些方法和经验已经生产实际验证是有效的。

  向铁液添加Ce、La、Pr、Nd可增加球墨核心数。其中获得最多球数的元素是 Ce，依次排列为La、Pr、Nd。微量如w(Bi)= 0.003% ~0.01%可显著增加薄壁球墨铸铁的石墨球数量。Bi沸点(1564℃)高、熔点(271℃)低，对铁液的溶解度极小。Bi作为液相微粒分散于铁液中，与铁液形成新的界面，作为石墨析出的基底。由于Bi是强反球化元素，应避免过量加入。铸造1~ 3mm薄壁球墨铸铁试验数种高效孕育剂后，认定最有效的孕育剂是75SiFe+RE+Bi，而Ce、Bi的残留量质量分数均为 0.006%.- 0.009%。

  提高孕育效果的措施有：选择强效孕育剂。在以硅铁为基的孕育剂中最好含少量的AL、Ce、Sr、Ba 等元素。保证球化后铁液必要的含S量。过低的含 S 量不利于提高球数，对球化后含w(S)=0.005%的铁液，用FeS进行后孕育使硫提到w(S)=0.012%，发现石墨形状不受影响，但石墨球数却由528个/mm增加到585个/mm。改善处理方法，尽量缩短孕育至凝固的时间，因为所有孕育剂的孕育效果都在刚加人瞬间为最大，之后立即发生衰退，不存在衰退的酝酿期。

  要努力减少铁水白口倾向。尽可能使用低镁低稀土的球化剂和球化线，减少过高残余镁、残余稀土导致的铁水白口倾向过大。具有强球化能力的镁、铈、镧等元素有下列共同特点: 与氧有高的亲和力，能强烈的脱硫去氧:在铁中的溶解度低:凝固过程中有明显的偏析倾向:与碳有一定的亲和力。在所有的球化元素中，镁的球化能力最强，获得的石墨最圆整，故用纯镁生产的球墨铸铁的力学性能最好。球化元素如Mg、Ce、Y、Ca 应保持一个最佳的含量(如w(Mg)=0.04% - 0.08%; w(Ce)=0.07%~ 0.12%;w(Y)=0.15% ~ 0.2%)。含量过大时，易促使石墨发生畸变Mg的质量分数大于0.08%时形成 MgC2、Mg2C3化合物，石墨形态除球状外，在靠近化合物旁边伴有片状、蟹状石墨生成，此时的石墨球向开花状发展。此外，由于Mg被消耗所以，w(Mg残)>0.055%时，石墨球数减少。Ce、Y与Mg 类似，过量时也产生反球化作用。

  为了防止球化衰退而增加球化剂的加人量并不可取。过多残余镁量会增加熔渣生成量和促进渗碳体生成，并可能产生爆裂状石墨。

  减少促碳化物合金元素的带入；对铁水进行预处理增加石墨核心；提高球化质量；减少残余镁、残余稀土对铁水白口倾向的影响；强化孕育处理、防止孕育衰退，是减少薄壁球铁件产生白口缺陷的主要思路与措施。

参考文献：

1、周继扬，铸铁彩色金相学，P123-125；

2、陆文化、李隆盛等，铸造合金及其熔炼，P72-73

3、郝石坚，现代铸铁学，P212-216

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