碳化硅對(duì)硅鉬球墨鑄鐵排氣歧管高溫力學(xué)性能的影響

任豹子，張翼，柴西成，趙新武

碳化硅對(duì)硅鉬球墨鑄鐵排氣歧管高溫力學(xué)性能的影響

任豹子，張翼，柴西成，趙新武

【摘要】主要對(duì)硅鉬球墨鑄鐵熔煉過(guò)程中添加碳化硅調(diào)試試驗(yàn)，優(yōu)化冶金質(zhì)量，達(dá)到提高材質(zhì)高溫力學(xué)性能的目的。

1.　概述

我公司是以生產(chǎn)排氣歧管為主的鑄造企業(yè)，排氣歧管是內(nèi)燃機(jī)中的重要部件，在高溫下工作又難以強(qiáng)制冷卻，工況條件極為嚴(yán)酷。

隨著內(nèi)燃機(jī)不斷改進(jìn)，排氣溫度逐步升高，排氣歧管的材質(zhì)由最初的灰鑄鐵，逐步向球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、硅鉬蠕墨鑄鐵、硅鉬球墨鑄鐵、高鎳奧氏體球墨鑄鐵、耐熱鋼演變。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)排氣溫度的不同，適配的排氣歧管材質(zhì)也不同。圖1是硅鉬球墨鑄鐵六缸排氣歧管。孤立熱節(jié)多，補(bǔ)縮困難，縮松傾向大，球化率要求90%以上，要求滿足780℃的工作要求。

各材質(zhì)相應(yīng)的工作溫度見(jiàn)表1。

2. 試驗(yàn)課題

我公司生產(chǎn)的某排氣歧管為高硅鉬材質(zhì)，其理化要求指標(biāo)見(jiàn)表2。

生產(chǎn)工藝為3 t / h中頻感應(yīng)電爐熔煉，使用原材料為Q 1 2生鐵、低錳廢鋼、硅鉬球墨鑄鐵回爐料、鉬鐵，球化劑F e S i M g6 R E2，孕育劑FeSi75-B。所得鑄件經(jīng)檢測(cè)化學(xué)成分、理化指標(biāo)符合表2的要求，實(shí)測(cè)值見(jiàn)表3。

圖1　六缸排氣歧管

表1　排氣歧管用鑄鐵材料的工作溫度

表2　硅鉬球墨鑄鐵理化要求

從表3可以看出，雖然鑄件常溫下理化檢測(cè)高于指標(biāo)值較多，但是780℃高溫力學(xué)性能低于技術(shù)指標(biāo)要求，而排氣歧管的使用性能主要體現(xiàn)在高溫環(huán)境下。

在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷工作時(shí)，排氣歧管受高溫?zé)崤蛎浂a(chǎn)生壓應(yīng)力的作用下產(chǎn)生塑性變形，而低負(fù)荷時(shí)因其溫度降低導(dǎo)致局部形成較高的拉應(yīng)力。這種熱應(yīng)力場(chǎng)的變化構(gòu)成了熱疲勞應(yīng)力，當(dāng)熱疲勞應(yīng)力達(dá)到一定值后，排氣歧管就會(huì)失效。且在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，排氣歧管的固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的主頻之間有共振效應(yīng)時(shí)，將會(huì)急劇降低排氣歧管的使用壽命。

在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分不可調(diào)整的基礎(chǔ)上，要提高排氣歧管的高溫使用性能，需要在熔煉過(guò)程中進(jìn)行工藝優(yōu)化。

3. 碳化硅應(yīng)用

碳化硅是1891年美國(guó)人艾奇遜在電熔金剛石實(shí)驗(yàn)時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)的，1987年后以CREE的研究成果建立碳化硅生產(chǎn)線，碳化硅開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。起初，碳化硅主要用于磨料、耐火材料和冶金行業(yè)，鑄造行業(yè)中應(yīng)用很少。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，在熔煉爐內(nèi)加入少量碳化硅有很好的預(yù)孕育作用，對(duì)改善鑄鐵的冶金質(zhì)量大有裨益。在國(guó)外用感應(yīng)電爐的鑄造廠就幾乎沒(méi)有不采用碳化硅的。

目前，我國(guó)鑄造行業(yè)中，采用感應(yīng)電爐作為鑄鐵熔煉設(shè)備的鑄造廠日益增多，但在熔煉過(guò)程中采用碳化硅的很少，能使之充分發(fā)揮作用的更少，且碳化硅主要應(yīng)用于灰鑄鐵、鑄鋼方面，在硅鉬球墨鑄鐵上的應(yīng)用目前還少見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

我公司在碳化硅的使用上，同樣處于探索階段。

（1）碳化硅的作用有文獻(xiàn)認(rèn)為，碳化硅在煉鋼中作為脫氧劑使用，與原工藝相比各項(xiàng)理化性能更加穩(wěn)定，脫氧效果好，使脫氧時(shí)間縮短，節(jié)約能源，提高煉鋼效率，提高鋼的質(zhì)量，降低原輔材料消耗，減少環(huán)境污染，改善勞動(dòng)條件，以及提高電爐的綜合經(jīng)濟(jì)效益都具有重要價(jià)值。碳化硅在灰鑄鐵中應(yīng)用，可以增加石墨核心，使片狀石墨細(xì)小，提高石墨化程度，減小白口傾向，從而提高力學(xué)性能。

碳化硅在硅鉬球墨鑄鐵上應(yīng)用，希望能增加石墨核心，增加共晶團(tuán)數(shù)，提高石墨球數(shù)，減小鐵液過(guò)冷度，通過(guò)SiC+FeO=Si+Fe+CO這個(gè)反應(yīng)，用SiC來(lái)降低FeO和MnO在鐵液中的含量，凈化鐵液，進(jìn)而達(dá)到提高硅鉬球墨鑄鐵高溫力學(xué)性能的目的。

（2）碳化硅的規(guī)格及用量 目前，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，其理化指標(biāo)見(jiàn)表4。

碳化硅的加入量在0.8%～2.3%之間選擇，過(guò)低則對(duì)冶金質(zhì)量的作用不明顯，過(guò)高則難溶于鐵液中，剩余的碳化硅以微顆粒狀隨鐵液帶入鑄件，量小時(shí)對(duì)強(qiáng)化基體有好處，量大時(shí)則影響基體強(qiáng)度。因此最終選擇碳化硅加入量為0.8%～1.0%。

表3　硅鉬球墨鑄鐵理化檢測(cè)值

表4　碳化硅等級(jí)

（3）碳化硅的使用碳化硅的熔點(diǎn)為2700℃，在熔煉過(guò)程中是不熔解的，只能溶解在鐵液中，其反應(yīng)方程式為：

SiC+Fe→FeSi+C（非平衡石墨）

式中，S i C中的S i與F e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)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，促使

結(jié)晶核心增多，石墨球數(shù)明顯增多（見(jiàn)圖2、圖3），球化率提高。

碳化硅的溶解時(shí)間隨顆粒直徑的增大而減少，溶解速度增加，但其溶解速度又隨其在鐵液中的濃度增加而降低。碳、硅含量對(duì)碳化硅的溶解速度的影響中，碳的作用要大于硅的作用。

碳化硅在鐵液中的溶解，同時(shí)受鐵液攪拌程度、加入時(shí)間影響，鐵液攪拌程度越好，加入時(shí)間越早，碳化硅在鐵液中溶解的擴(kuò)散就越充分，改善冶金質(zhì)量越明顯。

碳化硅使用時(shí)在計(jì)算增碳與增硅時(shí)首先要去除雜質(zhì)量，再根據(jù)碳化硅的分子式得出。

增碳：C=C/(C+Si) =12/(12+28)=30%

增硅：Si=Si/(C+Si) =28/(12+28)=70%

生產(chǎn)工藝除添加0.8%碳化硅外，其余不變。

先加入生鐵啟熔，待見(jiàn)鐵液后加入部分廢鋼，降低鐵液的碳含量后，再加入約1/2量的碳化硅，隨即加料熔煉，待鐵液熔煉至2/3時(shí)再加入剩余的碳化硅，即防止因過(guò)早加入凝結(jié)于爐底難以溶解，縮短了碳化硅的溶解時(shí)間，又利用鐵液的攪拌作用使碳化硅充分?jǐn)U散。

4. 效果對(duì)比

對(duì)調(diào)試鑄件依據(jù)表2理化技術(shù)要求進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5與表3的對(duì)比結(jié)果可以看出：兩者的化學(xué)成分和基體組織無(wú)明顯差異；由于結(jié)晶核心的增多，石墨球數(shù)大幅度提高；常溫力學(xué)性能差異不大；高溫力學(xué)性能上使用碳化硅優(yōu)于原工藝，在原工藝基礎(chǔ)上增長(zhǎng)了約20%，使鑄件的高溫力學(xué)性能明顯提高，達(dá)到了預(yù)期的目的。

5. 結(jié)語(yǔ)

（1）碳化硅在硅鉬球墨鑄鐵熔煉過(guò)程中，增碳、增硅效果良好，經(jīng)過(guò)球化、孕育處理后，鐵液中的碳、硅含量不會(huì)出現(xiàn)異常變化。

（2）是否使用碳化硅，硅鉬球墨鑄鐵的基體組織變化不大，但石墨尺寸變小，數(shù)量增多。

（3）使用碳化硅對(duì)硅鉬球墨鑄鐵的常溫力學(xué)性能無(wú)明顯影響。

（4）使用碳化硅可明顯提高硅鉬球墨鑄鐵的高溫力學(xué)性能，特別是屈服強(qiáng)度提高幅度較大，對(duì)提高排氣歧管在冷熱交變下的高溫疲勞性能大有益處。

表5　使用碳化硅后硅鉬球墨鑄鐵理化檢測(cè)值

圖2　未用碳化硅，石墨球數(shù)272個(gè)

圖3　用碳化硅，石墨球數(shù)502個(gè)

20150108

作者簡(jiǎn)介：任豹子、張翼、柴西成、趙新武，西峽縣內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣管有限責(zé)任公司。