采用碳化硅和硅鉍孕育劑提高壓殼石墨球數

2016-05-26 10:03:20張尊樂莫俊超李曉軍蔡文彬

鐵路技術創新 2016年2期

■ 張尊樂　莫俊超　李曉軍　蔡文彬

采用碳化硅和硅鉍孕育劑提高壓殼石墨球數

■ 張尊樂莫俊超李曉軍蔡文彬

摘要：論述碳化硅及硅鉍孕育劑增加石墨球數原理，從熔煉加入碳化硅和加入硅鉍孕育劑方面進行實驗分析，并對原始與改進后的孕育工藝進行對比。實驗結果表明，通過在熔煉中加入適量的碳化硅預處理劑，在二次孕育時加入硅鉍孕育劑，適當提高隨流孕育劑的加入量，可以顯著提高壓殼的石墨球數量，滿足標準要求。

關鍵詞：壓殼；石墨球數；碳化硅；硅鉍孕育劑；實驗分析

0　引言

為提高柴油發動機效率、降低燃油消耗、減少廢氣排放，世界各國特別是發達國家十分重視渦輪增壓器的開發與應用[1]。壓殼作為大功率柴油機渦輪增壓器的一個部件，在工作中主要承擔將外界空氣輸入的作用，其本身工作環境較渦殼優越，不需要在高溫環境中持續工作。因此，其材質的選擇一般采用普通的球鐵即可。然而，從鑄造工藝來說，壓殼與渦殼類似，是典型的壁厚不均勻件，鑄件形狀復雜，熱節分布較為分散，鑄件內部縮松傾向較大，特別是舌尖處。為解決這個問題，在舌尖上方使用了發熱冒口（見圖1）。冒口體積大，持續對舌尖及附近區域加熱保溫，使該區域冷卻緩慢，共晶凝固時間長，核心少，鐵液因缺乏核心不能順利結晶而將結晶凝固時間延長，待進一步冷卻過程中靠自發形核結晶[2]。因此，該區域石墨球體積大、球數少，滿足不了標準對石墨球數量的要求，壓殼金相取樣及檢測位置見圖2。通過加入碳化硅預處理劑，調整孕育劑種類及加入量等方式，達到增加壓殼石墨球數的目的，最終滿足技術要求。

圖1　壓殼A面發熱冒口

圖2　壓殼金相取樣及檢測位置

1　碳化硅及硅鉍孕育劑增加石墨球數原理

碳化硅的熔點為2 700 ℃左右，在熔煉過程中是不熔化的，而是溶解在鐵液中，其反應方程式為：SiC+Fe→FeSi+C（非平衡石墨），SiC中的Si與Fe結合，C就是非平衡石墨，作為石墨析出的核心。非平衡石墨使鐵液的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，其與碳的失配度為零。因此，很容易吸收鐵液中的碳，促使結晶核心增多。碳化硅在鐵液中的溶解受鐵液攪拌程度、加入時間的影響，鐵液攪拌程度越好、加入時間越早，碳化硅在鐵液中溶解和擴散就越充分，改善冶金質量越明顯[3]。

球化處理時，采用的是低鎂球化劑。球化劑中RE含量是1.2%左右，Bi與稀土元素反應生成金屬化合物，如Bi3Ce4和BiCe4等。這些高熔點化合物能作為石墨形核核心，數量眾多，且非常穩定，對碳的擴散有阻礙作用。因此能夠促進石墨球數增多[4]，由于這些穩定的核心存在，即使在高溫長時間保溫狀態下，依然會有大量石墨球存在。有研究報道，在鎂球鐵中，當Bi元素的加入量超過0.003%時，就可能產生片狀石墨；而在含稀土的球鐵中，加入0.003%的Bi元素可形成高熔點、高穩定性的石墨核心，石墨球數量增多。