■ 張尊樂　莫俊超　李曉軍　蔡文彬

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采用碳化硅和硅鉍孕育劑提高壓殼石墨球數(shù)

■ 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(shù)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(jié)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(shù)量，滿足標準要求。

關(guān)鍵詞：壓殼；石墨球數(shù)；碳化硅；硅鉍孕育劑；實驗分析

0　引言

為提高柴油發(fā)動機效率、降低燃油消耗、減少廢氣排放，世界各國特別是發(fā)達國家十分重視渦輪增壓器的開發(fā)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(huán)境較渦殼優(yōu)越，不需要在高溫環(huán)境中持續(xù)工作。因此，其材質(zhì)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(jié)分布較為分散，鑄件內(nèi)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(fā)熱冒口（見圖1）。冒口體積大，持續(xù)對舌尖及附近區(qū)域加熱保溫，使該區(qū)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(jié)晶而將結(jié)晶凝固時間延長，待進一步冷卻過程中靠自發(fā)形核結(jié)晶[2]。因此，該區(qū)域石墨球體積大、球數(shù)少，滿足不了標準對石墨球數(shù)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(diào)整孕育劑種類及加入量等方式，達到增加壓殼石墨球數(shù)的目的，最終滿足技術(shù)要求。

圖1　壓殼A面發(fā)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(shù)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(jié)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(qū)出現(xiàn)“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(jié)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(zhì)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(shù)量眾多，且非常穩(wěn)定，對碳的擴散有阻礙作用。因此能夠促進石墨球數(shù)增多[4]，由于這些穩(wěn)定的核心存在，即使在高溫長時間保溫狀態(tài)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(chǎn)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(wěn)定性的石墨核心，石墨球數(shù)量增多。

2　實驗分析

2.1熔煉加入碳化硅

采用4T中頻感應電爐，爐料配比為生鐵、廢鋼和回爐料，加料順序為生鐵→廢鋼→回爐料，待見鐵液有1/3熔化后（防止過早加入凝結(jié)于爐底難以溶解）加入適量的碳化硅，利用鐵液攪拌使碳化硅充分溶解擴散。

2.2加入硅鉍孕育劑

采用的硅鉍孕育劑中Bi的含量為1.0%左右，參考上述研究報道，加入0.1%～0.3%的硅鉍孕育劑，孕育工藝對比見表1。

從表1可以看出，在一次孕育方面，兩種工藝一致；在二次孕育時，改進后工藝加入了0.1%～0.3%的硅鉍孕育劑，總的孕育劑量和原始工藝相等；適當增加了隨流孕育量。兩種工藝的球化溫度、球化劑加入量、澆注溫度均相同。

2.3實驗結(jié)果

對比兩種工藝對石墨球數(shù)量的影響，原始工藝壓殼的薄處、厚處、舌尖金相（依次）見圖3，改進后工藝的見圖4，兩種工藝石墨球數(shù)對比見表2。

從圖3、圖4和表2可以看出，原始工藝生產(chǎn)的壓殼石墨球數(shù)為110～120個/mm2，改善后工藝顯著增加了石墨球數(shù)，達到240～300個/mm2，滿足標準要求。

表1　孕育工藝對比

圖3　原始工藝壓殼的薄處、厚處、舌尖金相（依次）

圖4　改進后工藝壓殼的薄處、厚處、舌尖金相（依次）

表2　兩種工藝石墨球數(shù)對比　個/mm2

3　結(jié)束語

通過在熔煉過程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，并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(shù)量，可為其他同類產(chǎn)品提供借鑒。

4　參考文獻

[1] 徐錦鋒. 汽車渦輪增壓器渦殼的機遇和挑戰(zhàn)[J]. 鑄造技術(shù)，2010(11)：1 522-1 523.

[2] 沈定釗，王艷麗. 微量鉍銻在厚斷面球墨鑄鐵中的孕育作用[J]. 鑄造，1995(4)：19-23.

[3] 任豹子，張翼，柴西成，等. 碳化硅對硅鉬球墨鑄鐵排氣歧管高溫力學性能的影響[J]. 金屬加工，2015(5)：49-51.

[4] 曹偉康，張杰. 微量鉍、銻元素對大斷面球墨鑄鐵的影響[J]. 中國鑄造裝備與技術(shù)，2013(6)：23-26.

張尊樂：中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，工程師，江蘇 常州，213011

莫俊超：中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，高級技師，江蘇 常州，213011

李曉軍：中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，工程師，江蘇 常州，213011

蔡文彬：中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，工程師，江蘇 常州，213011

責任編輯 盧敏

中圖分類號：TG22

文獻標識碼：B

文章編號：1672-061X（2016）02-0032-02