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(nèi)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(nèi)燃機不斷改進,排氣溫度逐步升高,排氣歧管的材質(zhì)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(jù)內(nèi)燃機排氣溫度的不同,適配的排氣歧管材質(zhì)也不同。孤立熱節(jié)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(zhì),生產(chǎn)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(xiàn)在高溫環(huán)境下。
在發(fā)動機高負荷工作時,排氣歧管受高溫熱膨脹而產(chǎn)生壓應力的作用下產(chǎn)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(fā)動機運行過程中,排氣歧管的固有頻率與發(fā)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(chǎn)品結(jié)構、化學成分不可調(diào)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(yōu)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(fā)現(xiàn)的,1987年后以CREE的研究成果建立碳化硅生產(chǎn)線,碳化硅開始應用于工業(yè)領域。起初,碳化硅主要用于磨料、耐火材料和冶金行業(yè),鑄造行業(yè)中應用很少。后來發(fā)現(xiàn),在熔煉爐內(nèi)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(zhì)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(yè)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(fā)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(wěn)定,脫氧效果好,使脫氧時間縮短,節(jié)約能源,提高煉鋼效率,提高鋼的質(zhì)量,降低原輔材料消耗,減少環(huán)境污染,改善勞動條件,以及提高電爐的綜合經(jīng)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(shù), 提高石墨球數(shù), 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(guī)格及用量
目前,我國工業(yè)生產(chǎn)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(zhì)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(jié)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(qū)出現(xiàn)“ 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(jié)晶核心增多,石墨球數(shù)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(zhì)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(zhì)量,再根據(jù)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(chǎn)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(jié)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(diào)試鑄件依據(jù)理化技術要求進行檢測。由對比結(jié)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(jié)晶核心的增多,石墨球數(shù)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(yōu)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(jié)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(jīng)過球化、孕育處理后,鐵液中的碳、硅含量不會出現(xiàn)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(shù)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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