納米SiC包芯線對大型球鐵鑄件的孕育研究

吳強，郭景杰，侯樂干，吳玉彬

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；3. 哈爾濱科德威冶金股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150007)

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納米SiC包芯線對大型球鐵鑄件的孕育研究

吳強1，郭景杰1，侯樂干2，吳玉彬3

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；3. 哈爾濱科德威冶金股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150007)

針對大型注塑機零件用的大型球鐵件的生產(chǎn)，采用喂線法對鐵水進行球化和孕育處理，研究納米SiC孕育包芯線對大型球鐵鑄件的孕育效果、組織及力學(xué)性能的影響。實驗結(jié)果表明：采用納米SiC包芯線孕育，可有效減緩大型球鐵件的孕育衰退，相比傳統(tǒng)的硅鐵孕育處理，處理后鑄件組織中石墨球化率、球化等級以及石墨化等均有改善，同時基體組織晶粒更加細(xì)化，鑄件的力學(xué)性能也提高明顯。

喂線；包芯線；納米SiC；孕育；大型球鐵

在大型球鐵零件的生產(chǎn)過程中，凝固過程中鐵水的冷卻時間過長，導(dǎo)致孕育衰退嚴(yán)重，從而直接影響球墨鑄鐵零件的機械性能[1-4]。采用包芯線喂線技術(shù)替代傳統(tǒng)的沖入法進行球化處理和孕育處理可顯著地降低鐵水處理溫度，從而克服了沖入法難以實現(xiàn)高溫出爐、低溫澆鑄的技術(shù)難題，有效地減小了鐵水冷卻時間，減小了鐵水孕充衰退的機率[5-6]。比如采用喂線法技術(shù)取代傳統(tǒng)的沖入法生產(chǎn)厚大端面電弧爐水冷壁，采用喂線法生產(chǎn)CADI(含碳化物的等溫淬火球磨鑄鐵)[7-8]。

納米SiC作為一種新近出現(xiàn)的鐵水孕育劑，在鐵水孕育過程中因其SiC自身的性質(zhì)及其尺寸效應(yīng)使得孕育效果明顯，應(yīng)用越來越多[9]。然而，納米級的SiC材料由于顆粒小，堆積密度低，加入鐵水后易產(chǎn)生飄浮，使得孕育效果惡化[10]。將納米SiC粉末做成包芯線，在對鐵水進行喂線球化處理時一同喂入，這樣既保證了SiC納米顆粒直接加入到鐵水底部，而且通過球化處理產(chǎn)生的較為劇烈的攪拌作用，將SiC顆粒更均勻的分散到鐵水內(nèi)部[11]。本文在生產(chǎn)大型注塑機零件用的大型球鐵件過程中，采用喂線法同時進行球化處理和孕育處理，將納米SiC作為長效孕育劑加入到大型鑄件試樣中，并分析了其對于大型鑄件顯微組織和力學(xué)性能的影響。

1　試驗過程

本文研究的大型注塑機零件用的大型球鐵件目標(biāo)材質(zhì)為QT400-10，原材料采用高純Q10生鐵和優(yōu)質(zhì)碳素廢鋼，配比為85∶15，熔煉采用一個30噸感應(yīng)熔煉爐和一個60噸保溫爐聯(lián)用，保證一次出鐵量為60噸，原鐵水的成分如表1所示。

表1　船模主要參數(shù)

鐵水爐外孕育和球化處理采用3個20噸處理包。經(jīng)爐外處理后的鐵水經(jīng)撥渣后在澆注系統(tǒng)進行澆注鑄件，鑄件的形狀和尺寸如圖1所示。

(a) 三維圖

(b) 二維圖圖1　所澆鑄的大型注塑機零件圖紙Fig.1　Drawings of the injection molding machine

澆注完后取隨鑄試樣進行成分分析、金相組織觀察以及機械性能指標(biāo)測試。成分分析采用直讀光譜QSN750進行測試，金相組織觀察時先后對試樣進行水砂紙打磨、拋光、4%硝酸酒精腐蝕，然后在MAT200進行金相組織觀測(觀察石墨球形貌時不經(jīng)過腐蝕直接觀測)，對于強度和延伸率，采用力學(xué)試驗機進行拉伸試驗，對于沖擊韌性，采用U型缺口試樣進行沖擊試驗，試樣尺寸如圖2所示，對于硬度則采用布氏硬度計進行測試。

圖2　U型缺口沖擊試樣尺寸Fig.2　Size of the type U notched impact specimen

2　鐵水爐外處理過程

鐵水出爐溫度控制在1 450℃-1 470℃，喂線球化和孕育處理溫度控制在1 350℃-1 370℃，處理后最終保證澆鑄溫度為1 300℃-1 320℃。

喂線球化和孕育處理過程中三包鐵水稱裝相同重量的鐵水，定義為A、B、C。

進行喂線球化處理時，使用含Mg含量為30%的高鎂合金包芯線(Si含量45%，其為Fe)，以40 m/min的喂線速度喂入660 m包芯線。

孕育處理方面，三個處理包分別采用不同的孕育工藝，其中A包采用常規(guī)孕育包芯線(粉料的主要成分為Fe-55Si)進行處理，加入量為鐵水量的0.3%；B包在加入0.3%常規(guī)孕育劑的基礎(chǔ)上，同時加入0.25%的納米SiC包芯線(包芯線合金粉組成為：20%平均尺寸為60 nm的SiC粉，8%的鈣粉，余量為鐵粉)；C包在加入0.3%常規(guī)孕育劑的基礎(chǔ)上，同時加入0.4%的納米SiC包芯線。以36 m/min的喂線速度喂入包芯線。

3　試驗結(jié)果

3.1鑄件澆注前后的化學(xué)成分

經(jīng)處理后三包鐵水的化學(xué)成分如表2所示，由表中可以看出，加入納米SiC作為孕育劑處理后的鐵水相比于采用常規(guī)硅鐵孕育劑，Si和Mg含量有所提升，其它成分基本沒有差異。這是由于加入納米SiC后，除了納米SiC本身引入了Si使得Si含量提高外，有效地促進了球化效果的提高，使得球化處理過程中的Mg收得率得到明顯提高。

表2經(jīng)爐外喂線處理后鐵水的化學(xué)成分

Table 2The composition of the iron which has been externally treatedwt.%

CSiMnSPMgA包3.452.190.170.0160.0570.063B包3.462.210.160.0170.0610.070C包3.462.230.160.0150.0600.075

鐵水經(jīng)過喂線球化孕育處理后馬上分別澆鑄，獲得的鑄件如圖3所示。取3個鑄件上相同位置處的輔鑄試塊進行成分分析結(jié)果如表3所示，對比表2和表3數(shù)據(jù)可知，澆鑄前后Mg含量變化較大，其他元素成分基本保持不變，這是因為“Mg衰退”，隨著凝固時間變長，Mg會和周圍環(huán)境中吸入的氧和硫反應(yīng)，從而被消耗掉，因為大型鑄件的凝固時間持續(xù)長，所以必須在澆鑄前保持較高的Mg含量，才能抵御“Mg衰退”，保證球鐵需要的殘Mg量，與此同時，較長的冷卻時間更嚴(yán)重的影響是導(dǎo)致孕育衰退嚴(yán)重，從而導(dǎo)致球化效果最終變差，對比3個試樣的Mg含量，使用納米SiC為孕育劑的鑄件B和C的殘Mg量明顯高于鑄件A，澆鑄前后Mg含量的變化率對于A處理包是52.38%，B和C分別是38.57%和38.67%，從這些數(shù)據(jù)中可以看出，納米SiC的加入提高了Mg的收得率。

(a) 鑄件側(cè)視照片

(b) 鑄件正視照片圖3　鐵水澆鑄后獲得的球鐵鑄件Fig.3　The ductile iron casting

CSiMnSPMgFeA包3.422.160.160.0140.0580.030余量B包3.422.180.140.0140.0590.043余量C包3.442.190.150.0130.0570.046余量

3.2鑄件輔鑄試樣的金相組織

圖4是輔鑄試樣未腐蝕的金相照片，對應(yīng)試樣的球化率、球化等級和石墨球尺寸等數(shù)據(jù)列于表4。對比三種處理后的試樣可知，A包試樣的組織中石墨球不圓整，有開叉分裂的，有尖角，石墨球直徑也比較大，這都是由于孕育衰退導(dǎo)致的典型石墨畸變，B、C包試樣相對于A包的試樣球墨數(shù)更多，尺寸更小，圓整度更好，而且加入更多納米SiC包芯線的C包要優(yōu)于B包，這說明加入納米SiC包芯線使得長效孕育效果更好，有效地阻礙了孕育衰退的影響。

通過在Yeelink平臺注冊賬號，用戶會獲得一個屬于自己專有的APIKey，它是設(shè)備和Yeelink連接的唯一通道；然后在網(wǎng)頁上添加設(shè)備；添加了一個溫度設(shè)備和濕度設(shè)備。如圖14所示為用戶在溫濕度設(shè)備下添加的兩個傳感器，其ID分別為407105和407113，當(dāng)其上傳數(shù)據(jù)時需要知道傳感器屬于哪個設(shè)備，以及設(shè)備ID、傳感器ID。用戶所添加的溫濕度設(shè)備相關(guān)信息如圖15所示，一個設(shè)備下可以掛載多個傳感器。

(a) A包輔鑄試樣 100×

(b) B包輔鑄試樣 100×

(a) A包輔鑄試樣　100×

(b) B包輔鑄試樣　 100×

(c) C包輔鑄試樣　100×圖5　三個鑄件輔鑄試樣的腐蝕后的金相照片F(xiàn)ig.5　Metallographic photo of the auxiliary cast samples which have been corroded

圖5為3種輔鑄試經(jīng)腐蝕后的金相照片，由圖可見，納米SiC孕育包芯線的加入能夠改善鑄件的基體組織，加入的SiC包芯線越多，基體組織越細(xì)小，同時鐵素體含量也增多，這將有助于改善鑄件的強度和韌性。

表4圖4對應(yīng)照片中球化率、球化等級和石墨尺寸

Table 4The rate of change, the size of the ball, and the size of the graphite of the auxiliary cast samples

試樣類型球化率/%球化級別石墨大小A包753級5級B包853級6級C包902級6級

3.3鑄件輔鑄試樣的機械性能

表5列出了3個鑄件的輔鑄試樣機械性能數(shù)據(jù)，從表中數(shù)據(jù)可以看出，使用了納米SiC孕育包芯線后，鑄件的機械性能有明顯的提升，這是由于B、C包的孕育效果更好，球化等級比較高，使得相應(yīng)的機械性能就更好。

表5　鑄件輔鑄試樣的機械性能

4　分析討論

由以上試驗結(jié)果可知，采用常規(guī)硅鐵孕育包芯線處理后，由于大型鑄件澆鑄時間和凝固時間均較長，使得鐵水的孕育衰退比較嚴(yán)重，添加納米SiC孕育包芯線后，有效地減緩了鐵水的孕育衰退現(xiàn)象，在同樣的球化處理條件下，球化效果得到明顯改善，且對于鑄件基體組織的細(xì)化作用也較為明顯，最終使得鑄件的機械性能得到顯著提升。這些效果主要可歸結(jié)于納米SiC在孕育處理過程中所起的作用。

SiC的熔點為2 700℃，當(dāng)將其加入到鐵水中，它并不能熔化，而是以以下反應(yīng)式融熔于鐵水中[12]：

SiC+Fe—>FeSi+C

反應(yīng)生成的C屬于非平衡石墨，在局部形成富集區(qū)，具有非常大的活性，周圍鐵水中的C很容易吸附到此非平衡石墨上，因此上式生成的非平衡石墨成為了石墨球的結(jié)晶核心，實現(xiàn)了孕育效果。

此外，納米SiC顆粒表面易形成一層SiO2，它的存在可以延遲SiC的融熔反應(yīng)，從而延遲了碳聚集物析出和存留的時間，防止過快的成分均勻化。同時，SiC的融熔反應(yīng)是一個吸熱過程，可降低C和Si的擴散速度?；谝陨咸匦?，納米SiC可以作為一種比較理想的長效孕育劑使用[13]。

與通常作為孕育劑的FeSi相比較，鐵水溫度的波動對SiC的孕育效果影響要小于常規(guī)FeSi孕育劑。在溫度比較低的情況下，SiC表面的SiO2與鐵水中的C的反應(yīng)較慢，這樣就可以有效延緩SiC的溶解和擴散速度，從而實現(xiàn)長效孕育；當(dāng)溫度比較高的情況下，雖然表面的SiO2會與C反應(yīng)：SiO2+ [C] = Si + CO↑，但是此時SiC附近形成富Si層，它的存在阻礙了上述[C]的還原反應(yīng)[13]。所以，無論是低溫還是高溫情況下，SiC的孕育效果都是長效穩(wěn)定的。因此，采用SiC進行孕育處理時可實現(xiàn)低溫處理低溫澆鑄，從而避免了常規(guī)硅鐵孕育時要求的高溫處理低溫澆鑄產(chǎn)生的長時間降溫過程導(dǎo)致的孕育衰退因素。

SiC孕育相比FeSi孕育，石墨核心要多，因為溶解出的C直接做了核心，同時富Si使得微區(qū)域的C過飽和，以石墨析出，形成新的核心[14]。

綜上，本文采用納米SiC包芯線作為孕育劑，與喂線球化處理同時進行，可有效地利用以上分析的各項優(yōu)點，同時利用喂線技術(shù)順利地把納米SiC輸送到處理包底部，并利用含鎂球化劑球化處理過程中產(chǎn)生的鐵水?dāng)嚢枳饔檬沟眉{米SiC均勻地分布于鐵水中發(fā)揮孕育作用。同時采用喂線技術(shù)進行球化處理和孕育處理不像傳統(tǒng)沖入法，可實現(xiàn)低溫處理低溫澆鑄[11]，從而減少了降溫的等待時間。

5　結(jié)論

納米SiC包芯線作為長效孕育劑加入到大型球墨鑄鐵中可以有效地緩解孕育衰退帶來的石墨球數(shù)變少，石墨球變大和石墨球形狀畸變問題：

1)加入納米SiC包芯線，使得鑄件基體組織發(fā)生變化，細(xì)化晶粒，增加了基體鐵素體含量，從而對鑄件的強度和韌性都有所加強；

2)由于納米SiC的長效孕育作用，大型球鐵件的孕育衰退減緩，使得鑄件的力學(xué)性能得到顯著提升；

3)結(jié)合納米SiC本身的長效孕育作用和喂線技術(shù)的低溫處理直接澆鑄的技術(shù)特點，將兩者的優(yōu)點綜合在一起，給大型球鐵件的生產(chǎn)工藝帶來了一種新的有效方法。

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本文引用格式：

吳強，郭景杰，侯樂干，等. 納米SiC包芯線對大型球鐵鑄件的孕育研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報， 2016, 37(9): 1302-1306.

WU Qiang, GUO Jingjie,HOU Legan，et al. Effect of adding nano-SiC-cored wire in inoculation treatment process on microstructure and mechanical properties of large ductile iron castings[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(9): 1302-1306.

Effect of adding nano-SiC-cored wire in inoculation treatment process on microstructure and mechanical properties of large ductile iron castings

WU Qiang1, GUO Jingjie1,HOU Legan2,WU Yubin3

(1.School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China; 2.College of Materials Science and Chemical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001,China; 3.Harbin Kedewei Metallurgy Co., Ltd., Harbin 150007,China)

In this study, we used nano-SiC-cored wire in the balling and inoculation treatment process of liquid iron in the production of large plastic injection machine parts, made from large ductile iron castings. We then investigated the effect on the microstructure and mechanical properties of the castings of adding nano-SiC to the inoculation. Our results show that nano-SiC-cored wire can effectively slow down the inoculation fading of large ductile iron castings. Compared with the traditional FeSi inoculation, nano-SiC-cored wire improves the grain refinement, mechanical properties, graphite size, and spheroidization rate of the castings.

wire-feeding; cored wire; nano-SiC; inoculation; large ductile iron castings

2016-04-23.

時間：2016-09-05.

國家自然科學(xué)基金項目(51571075)；哈爾濱市科技攻關(guān)項目(GJ2016GG017005).

吳強(1981-), 男, 碩士研究生；

吳強,E-mail：cutemars@126.com.

10.11990/jheu.201604069

TG255

A

1006-7043(2016)09-1302-05

郭景杰(1956-), 男, 教授,博士導(dǎo)師.

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160905.0910.010.html