碳化硅對硅鉬球墨鑄鐵排氣歧管高溫力學性能的影響

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1. 概述

排氣歧管是內燃機中的重要部件，在高溫下工作又難以強制冷卻，工況條件極為嚴酷。隨著內燃機不斷改進，排氣溫度逐步升高，排氣歧管的材質由最初的灰鑄鐵，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。根據內燃機排氣溫度的不同，適配的排氣歧管材質也不同。孤立熱節多，補縮困難，縮松傾向大，球化率要求90%以上，要求滿足780℃的工作要求。

2. 試驗課題

某排氣歧管為高硅鉬材質，生產工藝為3t/h 中頻感應電爐熔煉，使用原材料為Q12生鐵、低錳廢鋼、硅鉬球墨鑄鐵回爐料、鉬鐵，球化劑FeSiMg6RE2，孕育劑FeSi75-B。雖然鑄件常溫下理化檢測高于指標值較多，但是780℃高溫力學性能低于技術指標要求，而排氣歧管的使用性能主要體現在高溫環境下。

在發動機高負荷工作時，排氣歧管受高溫熱膨脹而產生壓應力的作用下產生塑性變形，而低負荷時因其溫度降低導致局部形成較高的拉應力。這種熱應力場的變化構成了熱疲勞應力，當熱疲勞應力達到一定值后，排氣歧管就會失效。且在發動機運行過程中，排氣歧管的固有頻率與發動機振動的主頻之間有共振效應時，將會急劇降低排氣歧管的使用壽命。

在產品結構、化學成分不可調整的基礎上，要提高排氣歧管的高溫使用性能，需要在熔煉過程中進行工藝優化。

3. 碳化硅應用

碳化硅是1891年美國人艾奇遜在電熔金剛石實驗時偶然發現的，1987年后以CREE的研究成果建立碳化硅生產線，碳化硅開始應用于工業領域。起初，碳化硅主要用于磨料、耐火材料和冶金行業，鑄造行業中應用很少。后來發現，在熔煉爐內加入少量碳化硅有很好的預孕育作用，對改善鑄鐵的冶金質量大有裨益。在國外用感應電爐的鑄造廠就幾乎沒有不采用碳化硅的。

目前，我國鑄造行業中，采用感應電爐作為鑄鐵熔煉設備的鑄造廠日益增多，但在熔煉過程中采用碳化硅的很少，能使之充分發揮作用的更少，且碳化硅主要應用于灰鑄鐵、鑄鋼方面，在硅鉬球墨鑄鐵上的應用目前還少見文獻報道。

關于碳化硅的使用，目前還處于探索階段。

（1）碳化硅的作用

有文獻認為，碳化硅在煉鋼中作為脫氧劑使用，與原工藝相比各項理化性能更加穩定，脫氧效果好，使脫氧時間縮短，節約能源，提高煉鋼效率，提高鋼的質量，降低原輔材料消耗，減少環境污染，改善勞動條件，以及提高電爐的綜合經濟效益都具有重要價值。碳化硅在灰鑄鐵中應用，可以增加石墨核心，使片狀石墨細小，提高石墨化程度，減小白口傾向，從而提高力學性能。碳化硅在硅鉬球墨鑄鐵上應用，希望能增加石墨核心，增加共晶團數， 提高石墨球數， 減小鐵液過冷度， 通過SiC+FeO=Si+Fe+CO這個反應，用SiC來降低FeO和MnO在鐵液中的含量，凈化鐵液，進而達到提高硅鉬球墨鑄鐵高溫力學性能的目的。

（2）碳化硅的規格及用量

目前，我國工業生產的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種。

碳化硅的加入量在0.8%～2.3%之間選擇，過低則對冶金質量的作用不明顯，過高則難溶于鐵液中，剩余的碳化硅以微顆粒狀隨鐵液帶入鑄件，量小時對強化基體有好處，量大時則影響基體強度。因此最終選擇碳化硅加入量為0.8%～1.0%。

（3）碳化硅的使用

碳化硅的熔點為2700℃，在熔煉過程中是不熔解的，只能溶解在鐵液中，其反應方程式為：

SiC+Fe→FeSi+C（非平衡石墨）

式中，SiC中的Si與Fe結合，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元素過高， 微區出現“ 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，促使結晶核心增多，石墨球數明顯增多，球化率提高。

碳化硅的溶解時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，同時受鐵液攪拌程度、加入時間影響，鐵液攪拌程度越好，加入時間越早，碳化硅在鐵液中溶解的擴散就越充分，改善冶金質量越明顯。

碳化硅使用時在計算增碳與增硅時首先要去除雜質量，再根據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%

生產工藝除添加0.8%碳化硅外，其余不變。

先加入生鐵啟熔，待見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時再加入剩余的碳化硅，即防止因過早加入凝結于爐底難以溶解，縮短了碳化硅的溶解時間，又利用鐵液的攪拌作用使碳化硅充分擴散。

4. 效果對比

對調試鑄件依據理化技術要求進行檢測。由對比結果可以看出：兩者的化學成分和基體組織無明顯差異；由于結晶核心的增多，石墨球數大幅度提高；常溫力學性能差異不大；高溫力學性能上使用碳化硅優于原工藝，在原工藝基礎上增長了約20%，使鑄件的高溫力學性能明顯提高，達到了預期的目的。

5. 結語

（1）碳化硅在硅鉬球墨鑄鐵熔煉過程中，增碳、增硅效果良好，經過球化、孕育處理后，鐵液中的碳、硅含量不會出現異常變化。

（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，數量增多。

（3）使用碳化硅對硅鉬球墨鑄鐵的常溫力學性能無明顯影響。

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

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