采用碳化硅和硅铋孕育剂提高压壳石墨球数

■ 张尊乐　莫俊超　李晓军　蔡文彬



采用碳化硅和硅铋孕育剂提高压壳石墨球数

■ 张尊乐莫俊超李晓军蔡文彬

摘 要：论述碳化硅及硅铋孕育剂增加石墨球数原理，从熔炼加入碳化硅和加入硅铋孕育剂方面进行实验分析，并对原始与改进后的孕育工艺进行对比。实验结果表明，通过在熔炼中加入适量的碳化硅预处理剂，在二次孕育时加入硅铋孕育剂，适当提高随流孕育剂的加入量，可以显著提高压壳的石墨球数量，满足标准要求。

关键词：压壳；石墨球数；碳化硅；硅铋孕育剂；实验分析

0　引言

为提高柴油发动机效率、降低燃油消耗、减少废气排放，世界各国特别是发达国家十分重视涡轮增压器的开发与应用[1]。压壳作为大功率柴油机涡轮增压器的一个部件，在工作中主要承担将外界空气输入的作用，其本身工作环境较涡壳优越，不需要在高温环境中持续工作。因此，其材质的选择一般采用普通的球铁即可。然而，从铸造工艺来说，压壳与涡壳类似，是典型的壁厚不均匀件，铸件形状复杂，热节分布较为分散，铸件内部缩松倾向较大，特别是舌尖处。为解决这个问题，在舌尖上方使用了发热冒口（见图1）。冒口体积大，持续对舌尖及附近区域加热保温，使该区域冷却缓慢，共晶凝固时间长，核心少，铁液因缺乏核心不能顺利结晶而将结晶凝固时间延长，待进一步冷却过程中靠自发形核结晶[2]。因此，该区域石墨球体积大、球数少，满足不了标准对石墨球数量的要求，压壳金相取样及检测位置见图2。通过加入碳化硅预处理剂，调整孕育剂种类及加入量等方式，达到增加压壳石墨球数的目的，最终满足技术要求。

图1　压壳A面发热冒口

图2　压壳金相取样及检测位置

1　碳化硅及硅铋孕育剂增加石墨球数原理

碳化硅的熔点为2 700 ℃左右，在熔炼过程中是不熔化的，而是溶解在铁液中，其反应方程式为：SiC+Fe→FeSi+C（非平衡石墨），SiC中的Si与Fe结合，C就是非平衡石墨，作为石墨析出的核心。非平衡石墨使铁液的C不均匀分布，局部C元素过高，微区出现“碳峰”。这种新生的石墨有很高的活性，其与碳的失配度为零。因此，很容易吸收铁液中的碳，促使结晶核心增多。碳化硅在铁液中的溶解受铁液搅拌程度、加入时间的影响，铁液搅拌程度越好、加入时间越早，碳化硅在铁液中溶解和扩散就越充分，改善冶金质量越明显[3]。

球化处理时，采用的是低镁球化剂。球化剂中RE含量是1.2%左右，Bi与稀土元素反应生成金属化合物，如Bi3Ce4和BiCe4等。这些高熔点化合物能作为石墨形核核心，数量众多，且非常稳定，对碳的扩散有阻碍作用。因此能够促进石墨球数增多[4]，由于这些稳定的核心存在，即使在高温长时间保温状态下，依然会有大量石墨球存在。有研究报道，在镁球铁中，当Bi元素的加入量超过0.003%时，就可能产生片状石墨；而在含稀土的球铁中，加入0.003%的Bi元素可形成高熔点、高稳定性的石墨核心，石墨球数量增多。

2　实验分析

2.1熔炼加入碳化硅

采用4T中频感应电炉，炉料配比为生铁、废钢和回炉料，加料顺序为生铁→废钢→回炉料，待见铁液有1/3熔化后（防止过早加入凝结于炉底难以溶解）加入适量的碳化硅，利用铁液搅拌使碳化硅充分溶解扩散。

2.2加入硅铋孕育剂

采用的硅铋孕育剂中Bi的含量为1.0%左右，参考上述研究报道，加入0.1%～0.3%的硅铋孕育剂，孕育工艺对比见表1。

从表1可以看出，在一次孕育方面，两种工艺一致；在二次孕育时，改进后工艺加入了0.1%～0.3%的硅铋孕育剂，总的孕育剂量和原始工艺相等；适当增加了随流孕育量。两种工艺的球化温度、球化剂加入量、浇注温度均相同。

2.3实验结果

对比两种工艺对石墨球数量的影响，原始工艺压壳的薄处、厚处、舌尖金相（依次）见图3，改进后工艺的见图4，两种工艺石墨球数对比见表2。

从图3、图4和表2可以看出，原始工艺生产的压壳石墨球数为110～120个/mm2，改善后工艺显著增加了石墨球数，达到240～300个/mm2，满足标准要求。

表1　孕育工艺对比

图3　原始工艺压壳的薄处、厚处、舌尖金相（依次）

图4　改进后工艺压壳的薄处、厚处、舌尖金相（依次）

表2　两种工艺石墨球数对比　个/mm2

3　结束语

通过在熔炼过程中加入适量的碳化硅预处理剂，在二次孕育时加入硅铋孕育剂，并适当提高随流孕育剂的加入量，可以显著提高压壳的石墨球数量，可为其他同类产品提供借鉴。

4　参考文献

[1] 徐锦锋. 汽车涡轮增压器涡壳的机遇和挑战[J]. 铸造技术，2010(11)：1 522-1 523.

[2] 沈定钊，王艳丽. 微量铋锑在厚断面球墨铸铁中的孕育作用[J]. 铸造，1995(4)：19-23.

[3] 任豹子，张翼，柴西成，等. 碳化硅对硅钼球墨铸铁排气歧管高温力学性能的影响[J]. 金属加工，2015(5)：49-51.

[4] 曹伟康，张杰. 微量铋、锑元素对大断面球墨铸铁的影响[J]. 中国铸造装备与技术，2013(6)：23-26.

张尊乐：中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，工程师，江苏 常州，213011

莫俊超：中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，高级技师，江苏 常州，213011

李晓军：中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，工程师，江苏 常州，213011

蔡文彬：中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，工程师，江苏 常州，213011

责任编辑 卢敏

中图分类号：TG22

文献标识码：B

文章编号：1672-061X（2016）02-0032-02