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32铸造技术2016年第2期0 引言为提高柴油发动机效率、降低燃油消耗、减少废气排放，世界各国特别是发达国家十分重视涡轮增压器的开发与应用[1]。
压壳作为大功率柴油机涡轮增压器的一个部件，在工作中主要承担将外界空气输入的作用，其本身工作环境较涡壳优越，不需要在高温环境中持续工作。
因此，其材质的选择一般采用普通的球铁即可。
然而，从铸造工艺来说，压壳与涡壳类似，是典型的壁厚不均匀件，铸件形状复杂，热节分布较为分散，铸件内部缩松倾向较大，特别是舌尖处。
为解决这个问题，在舌尖上方使用了发热冒口（见图1）。
冒口体积大，持续对舌尖及附近区域加热保温，使该区域冷却缓慢，共晶凝固时间长，核心少，铁液因缺乏核心不能顺利结晶而将结晶凝固时间延长，待进一步冷却过程中靠自发形核结晶[2]。
因此，该区域石墨球体积大、球数少，满足不了标准对石墨球数量的要求，压壳金相取样及检测位置见图2。
通过加入碳化硅预处理剂，调整孕育剂种类及加入量等方式，达到增加压壳石墨球数的目的，最终满足技术要求。
1 碳化硅及硅铋孕育剂增加石墨球数原理碳化硅的熔点为2 700 ℃左右，在熔炼过程中是不熔化的，而是溶解在铁液中，其反应方程式为：SiC+Fe→FeSi+C（非平衡石墨），SiC中的Si与Fe结合，C就是非平衡石墨，作为石墨析出的核心。
非平衡石墨使铁液的C不均匀分布，局部C元素过高，微区出现“碳峰”。
这种新生的石墨有很高的活性，其与碳的失配度为零。
因此，很容易吸收铁液中的碳，促使结晶核心增多。
碳化硅在铁液中的溶解受铁液搅拌程度、加入时间的影响，铁液搅拌程度越好、加入时间越早，碳化硅在铁液中溶解和扩散就越充分，改善冶金质量越明显[3]。
球化处理时，采用的是低镁球化剂。
球化剂中RE含量是1.2%左采用碳化硅和硅铋孕育剂提高压壳石墨球数■ 张尊乐 莫俊超 李晓军 蔡文彬摘 要：论述碳化硅及硅铋孕育剂增加石墨球数原理，从熔炼加入碳化硅和加入硅铋孕育剂方面进行实验分析，并对原始与改进后的孕育工艺进行对比。
碳化硅的特性与铁液预处理及孕育过程大连理工大学周继扬1．对碳化硅的一般认识碳化硅（SiC）这种人造矿石，在1891年前由美国的E.G阿奇逊投入工业性生产以来，随着大家对其优异性能的逐步认识，它的应用领域逐步拓宽。
例如：1）利用它的硬度高特性，主要用做磨削材料；2）作半导体材料及元器件；3）因其导电性优良，故用它做电阻发热体；4）做电阻元器件，因它具有电阻随电压、温度变化而变化的电性能；5）它的主要成分C和Si都具有强的还原能力，所以，在冶金、铸造工业中用于炼钢的精炼剂、脱氧剂、熔化铁液的增Si、增C剂。
在此领域，也是工业碳化硅的主要用途之一；6）工业碳化硅的另一个主要用途是利用其极高的耐温性、稳定性、高导热与低膨胀性去制造高要求的耐火材料。
国外已于19世纪初已有含SiC的耐火制品在高炉上使用。
我国的SiC耐火材料是上世纪50年代由葫芦岛锌厂首先研制并生产使用的。
60~70年代，发展缓慢。
80年代初的调查，我国当时SiC年产不到3万吨。
用于耐火材料只占10%左右，也只用到冶金行业。
80作者简介：周继扬（1936~），男，大连理工大学1959年本科毕业。
博士，教授，博导。
主要从事铸造合金（特别是铸铁）及熔炼的教学与科研工作。
年代末，SiC年产量达八、九万吨。
那时的冶金行业使用新技术远比铸造业早，涉及范围宽，对SiC的性质认识也更深刻。
随着技术的进步，铸造生产对技术要求越来越高，此刻，从冶金向铸造转移技术或借鉴冶金行业的好经验也是十分自然，犹如水到渠成的事。
今天，SiC作为炼钢脱氧剂的广告已出现在近期国内一些铸造杂志上，说明铸造在进步。
2．铸造产业与SiC的关系国外的铸造工作者在上世纪二十年代，已有少数铸造界的先驱，在他们的工作中接触到了碳－硅这两种素材混合在一起使用的情况。
如早期出现的C、Si系类孕育剂的提出与使用就是在19世纪二十年代发生的。
1922年，一位美国人Crosby,用石墨和硅铁混合在一起加入浇包作浇包孕育处理，经反复的摸索，终于使处理后的铸铁、石墨形态均匀，近似于今天的A型石墨、珠光体基体、机械性能好过其他方法。
碳化硅在铸铁熔炼中的应用效果摘要：碳化硅在工业上常用作磨料。
近年来,碳化硅开始作为铁液预处理剂应用于铸造生产中,它是一种低成本的预处理剂,铸造中使用的碳化硅纯度一般在90%左右。
碳化硅是一种由硅和碳元素在共价键中结合而成的非金属碳化物,化学式为SiC,形状为晶体,密度为3.2g/cm³。
关键词：碳化硅；铸铁熔炼；应用效果引言碳化硅作为合成材料具有高熔点,约2700°C。
根据不同的纯度,有不同的颜色。
碳化硅具有广泛的应用,其中高纯度的绿色碳化硅可用作磨料;部分碳化硅用作耐火、耐腐蚀的材料;冶金碳化硅黑色越来越多地应用于各种铸铁的冶炼中,并且可以作为异质核长时间存在,改善铸铁的可孕育性能。
1碳化硅材料及其特性由于SiC材料具有高弹性模量、中密度、低热膨胀性、高相对刚度、高尺寸稳定性和热性能各向同性以及力学性能，使得SiC材料在许多领域成为天然的超晶型和典型的均质多态，由于Si和c体系中两个原子的堆叠顺序的差异导致了不同的晶体结构，因此存在200多个(目前已知)均质多态族，称为3C-SiC和6位、2H-SiC， 6H-SiC碳化硅具有优异的物理和化学力学性能:高刚度(3 000 kg/ mm)可剪切红宝石的高耐磨性能，金刚石的热效率:导热系数是金属铜的三倍，比GaAs高8 ~ 10倍；这对于高性能SiC设备具有较高的热稳定性，并且在恒定的压力下无法溶解SiC化学性能:耐腐蚀性非常强，而且在室温下，SiC表面极易氧化，形成一层薄薄的SiO2，以防止进一步的氧化性。
在高于1700℃的温度下，氧化膜会熔化，并且会快速反应SiC的氧化作用会溶解在熔融的氧化材料中，其电性能大约是se的3倍，其电场强度是GaAs的2倍，饱和电子的移动速度是6H-SiC的2.5倍，比6H-SiC更宽的碳硅半导体是新一代全固态高温半导体导电率(比硅高3倍)和小(4%)作为新一代LED的理想材料，高性能碳化硅的电子材料早在1842年就被发现，但直到1955年，飞利浦实验室的leyla才开发出一种方法来生长高质量的硅晶体材料，在1987年，商业上制造的SiC基底已经进入市场，到21世纪，商业上的SiC应用在10年内得到了全面的扩展，无论是SiC晶体材料还是SiC的制造工艺，其中硅材料开始发展成为未来的主要半导体材料，在半导体领域将扮演不可替代的角色，并具有巨大的市场。
知识篇——碳化硅在废钢铸造技术中的应用，熔炼师傅请记清楚！联合铸造今天原工艺生产条件及存在问题在有些公司生产的某品牌系列柴油机发动机缸体缸盖铸件案列中（不镶缸套）有些铸件要求重 50～250 kg，平均壁厚为5 mm，材质HT250。
要求本体抗拉强度≥207 MPa，硬度179-241 HB，铸件不允许有砂眼、渣眼、缩松、裂纹等缺陷。
采用10吨中频感应电炉熔化铁液，过热温度为 1 510～1 530 ℃。
2012年前，配料时生铁:废钢:回炉料为5:2:3，熔炼时在中频炉底部1/3处随炉料加入50kg未经过高温煅烧的普通增碳剂，熔化过程中加入Si、Cu、Mn、Cr、Sn元素，出炉时加入硅钡孕育剂进行孕育处理，浇注时加入硅锶孕育剂随流孕育，浇注时间为18～22分钟。
原工艺生产的缸体缸盖熔炼时生铁及合金加入比例大，生产成本高，铸件组织粗大，A型石墨大小通常在3级左右，铸件本体强度及硬度散差大，铸件精加工表面R Z＞15，铸件机械加工性能差，气密性试验时铸件泄露率在2％以上，客户抱怨大。
因此，优化熔化工艺，改善铸件力学性能，提高铸件基体组织的致密性、改善铸件加工性能、降低生产成本成为笔者公司近年来面临的重点课题。
02优化发动机缸体缸盖熔化工艺的几种措施2.1 高温石墨化增碳剂+废钢的合成铸铁熔炼工艺生铁中存在具有遗传性的过共晶石墨，在熔化时，碳原子在原始石墨上生长造成石墨粗大且大小不均匀，石墨尖头的应力集中效应，降低了铸件的力学性能。
因此以生铁为主的配料工艺，即使加入较高的合金元素，铸件本体强度偏低，硬度偏高。
随着合成铸铁技术在铸造行业推广应用，笔者公司自2012年起成功试验推广“废钢+高温石墨化增碳剂+少量生铁”的合成铸铁工艺，代替了“生铁+普通增碳剂+废钢+合金”原生产工艺，生铁:废钢:回炉料=0.5:6.5:3，选用经过高温石墨化处理的晶体型增碳剂增碳，每炉分批加入150 kg。
采用合成铸铁工艺，消除了生铁中粗大石墨的遗传性，石墨大小为4～5级，石墨形态得到改善，使石墨分布更均匀，同时降低了铸件的缩松倾向，改善了铸件的加工性能。
浅谈铸铁的“预处理”铸铁的预处理工艺，是为适应感应电炉熔炼的冶金特点而导出的。
大约在上世纪70年代后期开始应用于欧洲，随后，差不多与感应电炉熔炼铸铁的工艺同步发展。
感应电炉熔炼组织中含石墨的铸铁，采用预处理工艺，可以改善石墨结晶析出的生核条件，从而使铸铁的共晶转变温度提高，减轻过冷度，增加共晶团数量，还可以使铸铁力学性能参数值的波动范围缩小，改善铸件的加工性能。
预处理工艺的良好作用，已经由很多研究工作和实际生产条件下的考核所确认，目前，一些工业国家中，预处理工艺的应用面很广，可以说已经是感应电炉熔炼铸铁的常态工艺。
1980年、82年，笔者在美国造访过好几家用感应电炉熔炼铸铁的铸造厂，就没有见到一家不采用预处理工艺的。
2012年，我国灰铸铁件和球墨铸铁件的产量为3100万吨，占全世界这两类铸件总产量的43.5％，但是，据我的一管之见，采用预处理工艺的铸造厂却很少很少。
预处理工艺的效果是肯定的，但是，这项工艺从开始研发至今，毕竟只有四十多年，尽管一些工业国家进行了大量的试验研究工作，迄今为止，对其作用机制的认识，最多也不过是知其梗概。
工艺过程中，许多变数的影响都还有待深入的探索。
对于这项工艺，我的知识只不过是道听途说、人云亦云，更不可能有实践中的体验。
之所以来这里说说，是想给大家提个醒儿，所以标题就用了‘浅谈’两个字。
实际上，就我而言，‘浅谈’仍然是溢美之词。
一．预处理（Preconditioning）工艺的发端从上世纪60年代起，中频感应电炉有了重大的改进，晶闸管静态变频电源、逆变变频电源相继问世，热效率可达70％，加以灵活方便、环境保护等方面的优点，感应电炉的应用日益增多。
冲天炉熔炼铸铁，已经有二百多年的历史，我们对于铸铁质量的控制已经积累了很多经验。
一旦转而改用感应电炉，铸铁熔炼的过程大不相同，简单地沿用老经验就难以确保铸件的冶金质量，生产中就会不断出现新的问题，如：白口倾向大，石墨化程度不符合要求等。
第三章铸铁的孕育处理孕育处理就是在浇注前或浇注过程中向金属液中加入少量的某种物质，以影响金属液生核过程,从而改变其凝固特性的处理工艺。
对于铸铁而言，孕育的目的是增加铁液中的石墨核心，以使共晶凝固，尤其是石墨的析出能在比较小的过冷度下开始进行。
其结果是提高石墨析出的倾向，并得到均匀分布的细小的石墨,从而使铸铁具有良好的力学性能和加工性能。
本章着重介绍铸铁孕育处理的理论基础及其在生产中的应用。
第一节孕育处理的理论基础自从孕育技术诞生以来，世界各地的铸造工作者便开始探询孕育处理的机理。
经过70多年的努力，尽管在许多理论问题上取得了重要进展，但是孕育处理的机理至今尚无一致的认识。
孕育处理的本质是在铁液中创造有利于石墨形核析出的热力学、尤其是动力学条件，因此孕育处理对铁液凝固过程的影响应该是多方面因素的综合作用。
根据人们目前的认识，它主要包括以下内容：（1）增加铁液中的温度起伏、浓度起伏和结构起伏，创造石墨均质形核的有利条件；（2）增加石墨非均质形核的核心；（3）减小渗碳体的稳定性。
1. 增加铁液中的三个起伏，创造石墨均质形核的条件铸铁同其它合金一样在液态始终存在温度起伏、浓度起伏和结构起伏。
当孕育剂加入到铁液中后，孕育剂颗粒从其周围的铁液中吸收热量，使其周围形成一个微小的低温区。
孕育剂颗粒在从其周围的铁液中吸收热量的同时被熔化消失。
由于孕育剂的主要成分为硅或碳，因此它熔化后并非消失得无影无踪，而是形成了高硅高碳的微区，这些微区在结构上保留了孕育剂物质的结构痕迹。
由此可见，孕育剂的加入增加了铁液温度、浓度和微观结构上的不均匀性，即极大地增加了铁液中的温度起伏、浓度起伏和结构起伏。
用电子探针测定铁液液淬后各元素的分布，证实了铁液无论是否经过孕育处理都存在碳硅的不均匀现象，而且这种不均匀现象呈周期性分布。
加入孕育剂后，浓度起伏明显增大。
孕育处理后铁液由温度起伏、浓度起伏和结构起伏到石墨形核析出需要一个微观的演变过程。
球墨铸铁孕育处理工艺孕育剂进入铁水后，外生晶核逐渐增加，在很短的时间内达到最高峰一即饱和孕育状态，然后随浓度起伏和温度起伏逐步消失等等原因，外生晶核逐渐减少，到一定程度，孕育衰退的不良后果就发生了。
为充分利用孕育处理的良好效果，除采用孕育效果强烈的长效孕育剂外，还要根据生产条件合理选用孕育工艺。
一种办法是选用低硅原铁水、大剂量孕育来延缓孕育衰退不良后果的到来，这种工艺要求配料含硅量低，而且铸件低温韧性不好；另一种办法是孕育剂加入铁水（或加入后形成的富硅层混合入铁水）的时刻尽量靠近铸件开始凝固的时刻，这就充分利用了饱和孕育状态，增硅很少，然而孕育效果十分强烈，这样就允许多用回炉料，也容易保证低温韧性。
炉前孕育属于前者，新兴的几种孕育工艺如漏斗包外孕育等属于后者。
炉前孕育虽然效果较差，但工艺简便，还有存在的必要。
常用的孕育工艺有炉前孕育、二次孕育、浇口杯孕育、漏斗包外孕育。
一、炉前孕育孕育剂通常是在球化处理后冲入热铁水时撒在出铁槽或扒渣后撒在铁水表面经搅拌而进入铁水的。
硅铁的粒度对孕育效果影响很大。
缎粒硅铁加入铁水很快溶解，短时内即产生大量石墨晶核、达到所谓的“饱和孕育”状态，但孕育作用衰退极快。
粗粒硅铁则溶解较慢，石墨最大有效核心数的出现以及石墨核心数的衰减都较慢，因此表现为孕育作用的有效时间较长。
为此，处理铁水量越多、铁水温度越高、越应选用块度较大的硅铁。
一般情况下，孕育硅铁的块度在3～12毫米之间。
孕育剂的加入量与孕育剂的加入方式、原铁水含硅量以及所获得球墨铸铁的基体、壁厚等因素有关，采用浇口杯孕育或型内孕育时，甚至可以在增硅量小于0.1%的情况下获得极好的孕育效果，但孕育剂由出铁槽加入时，希望孕育量大些，这是卤为在相同的最终硅量下，孕育量越大，所得的石墨越圆整、细小，孕育作用的有效时间也越长。
相同终硅量、不同孕育量下，孕育对石墨形态及基体的影响如图1所示。
图1 孕育量对石墨形态及基体组织的影响a）未孕育b）硅铁0.25% c）硅铁0.5% d）硅铁0.75% e）硅铁1%加大孕育量对抑制孕育衰退也有良好的影响，有试验表明，当孕育增硅量由0.2%增至0.7%时，孕育作用的有效时间可延长三倍。
铸造铸铁的生产工艺过程参数
在铸铁生产过程中，各种不同的铸铁都有不同的工艺参数要求。
现分述如下：
（一）孕育铸铁的生产工艺过程参数要求孕育铸铁要求得到细小的、短而均匀的、钝头的石墨，保证其同一断面的性能齐一性和不同断面性能均匀性。
其生产工艺的参数要求如下：
1．铁水熔炼温度1500～1550℃，稳定1530℃最佳。
以保证获得铁水的高纯度，消除石墨的遗传性，经孕育处理得到细小的，均匀的，短而钝头的石墨形态。
2．孕育处理温度，应保证在孕育处理过程中，使孕育剂迅速溶解于铁水中，并在微观中存在浓度差，保证在随后的冷却凝固的结晶过程中形成足够多的结晶核心，一般处理应控制在14500℃左右为佳。
3．浇注温度，一般据铸件壁厚确定以汽车铸件为例，据铸件壁厚形状不同，一般在1400～1440℃范围内。
综上所述，为保证孕育处理温度，前炉出铁温度不得低于1450℃。
如以5t/冲天炉为例，前炉出铁三包后，铁水前炉降温一般稳定在500C左右，则铁水过桥温度应在
1500℃以上，才能保证随后的处理参数。
这与熔炼控制温度是一致的。
碳化硅在铸造生产中有哪些作用？在有些公司生产的某品牌系列柴油机发动机缸体缸盖铸件案列中（不镶缸套）有些铸件要求重 50～250 kg，平均壁厚为5 mm，材质HT250。
要求本体抗拉强度≥207 MPa，硬度179-241 HB，铸件不允许有砂眼、渣眼、缩松、裂纹等缺陷。
采用10吨中频感应电炉熔化铁液，过热温度为 1 510～1 530 ℃。
2012年前，配料时生铁:废钢:回炉料为5:2:3，熔炼时在中频炉底部1/3处随炉料加入50kg未经过高温煅烧的普通增碳剂，熔化过程中加入Si、Cu、Mn、Cr、Sn元素，出炉时加入硅钡孕育剂进行孕育处理，浇注时加入硅锶孕育剂随流孕育，浇注时间为18～22分钟。
原工艺生产的缸体缸盖熔炼时生铁及合金加入比例大，生产成本高，铸件组织粗大，A型石墨大小通常在3级左右，铸件本体强度及硬度散差大，铸件精加工表面R Z＞15，铸件机械加工性能差，气密性试验时铸件泄露率在2％以上，客户抱怨大。
因此，优化熔化工艺，改善铸件力学性能，提高铸件基体组织的致密性、改善铸件加工性能、降低生产成本成为笔者公司近年来面临的重点课题。
02优化发动机缸体缸盖熔化工艺的几种措施2.1 高温石墨化增碳剂+废钢的合成铸铁熔炼工艺生铁中存在具有遗传性的过共晶石墨，在熔化时，碳原子在原始石墨上生长造成石墨粗大且大小不均匀，石墨尖头的应力集中效应，降低了铸件的力学性能。
因此以生铁为主的配料工艺，即使加入较高的合金元素，铸件本体强度偏低，硬度偏高。
随着合成铸铁技术在铸造行业推广应用，笔者公司自2012年起成功试验推广“废钢+高温石墨化增碳剂+少量生铁”的合成铸铁工艺，代替了“生铁+普通增碳剂+废钢+合金”原生产工艺，生铁:废钢:回炉料=0.5:6.5:3，选用经过高温石墨化处理的晶体型增碳剂增碳，每炉分批加入150 kg。
采用合成铸铁工艺，消除了生铁中粗大石墨的遗传性，石墨大小为4～5级，石墨形态得到改善，使石墨分布更均匀，同时降低了铸件的缩松倾向，改善了铸件的加工性能。
灰铸铁的孕育处理，看后请收藏！灰铸铁基本上是由铁、碳和硅组成的共晶型合金，其中，碳主要以石墨的形态存在。
生产优质铸件，控制铸铁凝固时形成的石墨的形态和基体金属组织是至关重要的。
孕育处理是生产工艺中最重要的环节之一。
良好的孕育处理可使灰铸铁具有符合要求的显微组织，从而保证铸件的力学性能和加工性能。
在液态铸铁中加入孕育剂，可以形成大量亚显微核心，促使共晶团在液相中生成。
接近共晶凝固温度时，生核处首先形成细小的石墨片，并由此成长为共晶团。
每一个共晶团的形成，都会向周围的液相释放少量的热，形成的共晶团越多，铸铁的凝固速率就越低。
凝固速率的降低，就有助于按铁－石墨稳定系统凝固，而且能得到A型石墨组织。
一．孕育处理的作用灰铸铁的力学性能在很大程度上取决于其显微组织。
未经孕育处理的灰铸铁，显微组织不稳定、力学性能低下、铸件的薄壁处易出现白口。
为保证铸件品质的一致性，孕育处理是必不可少的。
铸铁孕育处理所用的孕育剂，加入量很少，对铸铁的化学成分影响甚小，对其显微组织的影响却很大，因而能改善灰铸铁的力学性能，对其物理性能也有明显的影响。
良好的孕育处理有以下作用：◆ 消除或减轻白口倾向；◆ 避免出现过冷组织；◆ 减轻铸铁件的壁厚敏感性，使铸件薄、厚截面处显微组织的差别小，硬度差别也小；◆ 有利于共晶团生核，使共晶团数增多；◆ 使铸铁中石墨的形态主要是细小而且均匀分布的A型石墨，从而改善铸铁的力学性能。
孕育良好的铸铁流动性较好，铸件的收缩减少、加工性能改善、残留应力减少。
二．灰铸铁的显微组织灰铸铁的力学性能决定于其基体组织和片状石墨的分布状况。
灰铸铁的力学性能主要取决于其基体组织，为了得到高强度，希望基体组织以珠光体为主、尽量减少铁素体含量。
如果铁素体量过多，不仅导致铸铁的强度低，而且加工时会使刀具过热，显著降低刀具的寿命。
与球墨铸铁不同，对灰铸铁不可能有延性和韧性的要求，只要求其强度，所以一般都以珠光体含量高为好。
灰铸铁中的石墨片，有切割金属基体、破坏其连续性、使其强度降低的作用。
铸铁用碳化硅耐火材料的性能及其使用要点我国铸造行业使用碳化硅已经有很多年的历史了。
走过了使用冶金用碳化硅——只是强调利用它的强还原作用，到铸铁用碳化硅——既强调其强还原作用的同时又突出认识到其对石墨结晶的形核功能的认识过程，技术提高过程。
我国是碳化硅原料的生产大国，也是出口大国。
在满足国外用户的不同需求的过程中，不断提高自己的生产技术水平，拓展碳化硅的应用。
无论是冶金级_强还原性碳化硅，还是既要求强还原性更要求其对石墨结晶时的强烈持久的形核作用的铸铁用碳化硅。
都是碳化硅的生产过程中的不可避免的产生的“下脚料”——生产碳化硅的高温炉内的低温区形成的结晶构造不适宜磨料使用的碳化硅。
这些“下脚料”破碎以后。
可以针对使用要求进行再加工。
铸铁用碳化硅使用的增效材料是光伏产业中的经过适当处理的“多晶硅”下脚料。
针对灰铸铁、球墨铸铁的不同生产工况要求，铸铁用碳化硅，常常使用不同的铸造行业常用的粘结剂淀粉、糊精、水玻璃、硅酸盐水泥熟料、建筑硅酸盐水泥等形成不同的形状——压球、压块。
实际生产过程中，如果有优质增碳剂的协同配合，效果更会更好一些。
由于是“下脚料”的碳化硅，过去的冶金级碳化硅，铸铁用碳化硅的价格不高。
但是，随着市场需求的增加，供应商的再制造的技术理论水平的提高造成的碳化硅再制品的性能的明显提高。
随着碳化硅价格的提高。
过去使用廉价碳化硅替代硅铁，以降低生产成本的现象，可能已经不存在了。
有些供应商使用碳化硅等等材料的生产过程中产生的细微粉粒，添加在铸铁用碳化硅再制品中，以明显降低生产成本，这不一定是好办法。
因为这样的“碳化硅”，往往表面被二氧化硅包裹，甚至存在污染物。
其中的纯碳化硅组分明显降低。
今年就发生在某大型央企，出现的碳化硅预处理剂“无效果”的现象就与使用这种“碳化硅”有关。
SiC按照化学式计算，含硅量=28/28+12=70%；含碳量=12/28+12=30%。
实际商品碳化硅由于纯度等等的关系，含硅量含碳量略为偏低一些。
2021年 第5期 热加工93铸造C a s t i n g碳化硅在球墨铸铁熔炼中预处理作用张太慧1，周林波1，孙新明1，李丹21.慈溪汇丽机电股份有限公司 浙江慈溪 3153002.齐齐哈尔重型铸造有限责任公司 黑龙江齐齐哈尔 161005摘要：阐述了碳化硅在球墨铸铁熔炼过程中脱氧、净化、预处理机理，以及在中频感应电炉熔炼过程加入碳化硅后，球墨铸铁材料性能、金相组织的变化。
关键词：碳化硅；球墨铸铁；预处理；金相组织1 序言碳化硅通常作为磨料等在工业上得到广泛的利用。
近年来，碳化硅作为铁液预处理剂在铸造生产中开始得到应用，它是一种价格低廉的预处理剂，铸造使用的碳化硅纯度一般在90%左右。
碳化硅是由硅与碳元素以共价键结合的非金属碳化物，化学式为SiC ，外形为晶体颗粒状，其密度为3.2g/cm 3[1]。
2 碳化硅在球墨铸铁熔炼中孕育预处理的作用碳化硅在球墨铸铁熔炼后期炉内加入，碳化硅在1200℃以上开始溃散，熔化成熔融状态，在高温（1400℃以上）时分解出的碳和硅以原子形式扩散在铁液中：SiC ＝[Si]+[C] （1）2.1 碳化硅的脱氧，净化铁液部分碳和硅与铁液中的氧起下列反应：[C]+2[O]＝CO 2 （2）[Si] +2[O]＝SiO 2 （3）反应式（2）形成的CO 2气体从铁液中逸出。
反应式（3）的一部分SiO 2被吸附于炉衬壁上，另一部分SiO 2与Fe 、Mn 、Mg 等金属氧化物发生如下反应：SiO 2+MeO ＝MeO·SiO 2 （4）式（4）中，MeO 为Fe 、Mn 、Mg 等金属氧化物，与SiO 2形成复合氧化物，易在铁液中上浮被清除。
部分碳化硅（SiC ）在铁液中与铁液中的金属氧化物发生如下反应：SiC+MeO ＝[Si]+[Fe]+CO ↑ （5）通过以上反应，碳化硅起到了脱氧而净化铁液的作用[2]。
2.2 碳化硅炉内预孕育，促进球状石墨形成，细化球状石墨1）在凝固过程中，由碳化硅产生的硅溶于奥氏体中，产生的碳一部分熔于奥氏体中，另一部分因成分和能量起伏，形成的碳原子团超过临界晶核尺寸时，在铁液中直接成为球状石墨的碳质晶核。
孕育处理灰铁球铁几点实践体会孕育处理就是在铁液进入型腔前，将孕育剂加入到铁液中，从而改善铸铁的组织与性能，而这些性能的改善与化学成份的变化并无明显内在关系。
笔者就此曾经做过一个比较典型的实验，对电炉中HT250原铁水含硅量为1.7％的铁水进行0.3％的孕育处理，浇注三角试片，然后计算上述三角试片的终硅含量，并将电炉原铁水的硅含量调整到该三角试片的含硅量水平，浇注同样的三角试片，将两个三角试片进行断口比较分析，可以看到，前者经过孕育处理的试片断面发亮，晶粒比较均匀细密，大约有3mm左右白口，而未经孕育处理的试片断口灰暗，白口较大，大约有5mm左右，由此可见两种试片虽然化学成份相同，但经过孕育处理之后区别很大。
孕育处理对改善铸件的性能具有重要作用，总结起来，对灰铸铁铸件，孕育的主要作用体现为促进石墨化，减少白口倾向，增加共晶团数，促进A型石墨和细片状珠光体的形成。
对球墨铸铁，孕育处理的作用主要体现在减少白口倾向，促进石墨析出，提高抑制共晶渗碳体，提高石墨球的圆整度，增加单位面积石墨球数，细化共晶团，使球墨铸铁的组织更加均匀，提高球墨铸铁的塑性和韧性。
孕育剂和孕育方法的分类进行孕育处理的孕育剂按成份可分为多种，这里不再详述。
需要指出的是Si－Fe孕育剂由于价格低廉，是目前在我国国内应用非常广泛的孕育剂。
它的缺点主要是衰退比较快，8－10分钟就可衰退到未孕育状态。
Si－Ba、Si－Ca等孕育剂具有比较好的抗衰退性能，属于长效孕育剂，Si－Ba是笔者厂家目前正在使用的孕育剂，也是笔者推荐使用的，虽然市场价格偏高，但实际应用效果一直比较理想。
孕育方法按照操作时间上可分为炉前孕育和滞后孕育，在具体操作手段上又可以分为随流孕育、包内孕育、硅铁棒孕育、型内孕育等，应根据生产铸件的实际情况来选择不同的方法。
对这些孕育方法，本文将在后面的篇幅中就笔者的实践经验有选择性地阐述，以便更好理解一些孕育方法在生产实际中的操作过程和作用。
何谓孕育？为何球铁铁液要进行孕育处理？石墨铸铁(石墨呈片状、蠕虫状或球状)处在液态时，它是一种碳原子溶解于铁的溶液。
如果不添加其它合金而且冷却速度极慢时，按照铁—碳(石墨)双重相图碳将以石墨形式析出。
然而，铸件凝固时却往往偏离这一规律。
在工业生产条件下，由于金属炉料的质量、铁液的熔炼和处理以及添加合金等因素的综合影响，致使其凝固路径变得复杂，最终得到“铁—渗碳体—石墨”的复合物。
薄壁铸件出现典型的高冷却速度，有利于碳和铁反应形成共晶渗碳体(碳化铁)。
炉料(如废钢或部份生铁等)带进的铬和锰，亦会促进这种反应。
这些元素及其它如V、Mo、Nb 等元素将偏析于晶界，形成晶界碳化物。
而且，对球铁而言，由于加镁球化处理会使铁液倾向于以“铁—渗碳体”的亚稳定路径凝固，因而增加形成碳化物的风险。
(值得指出，球铁发明人之一Keith Millis先生，就是把镁加进铁液制取具有白口组织的“镍硬铸铁”的。
) 球铁是按外生过程凝固的，整个过程是在被称为“晶核”的形核点(基底)开始的。
碳原子在这些晶核上以六角形石墨结晶形式析出，开始时是直接与铁液接触而长大的。
随后在凝固过程中，会在这个长大中的石墨球上结晶形成一个奥氏体壳，从而形成一个凝固了的晶胞，这晶胞会继续长大并很有可能与其它晶胞合并而形成固体岛状物在铁液中漂浮。
在这过程中，晶界间金属液中会富集诸如Cr、P、Mn、V、Mo等元素，而与此同时，C及Si为主的其他元素的含量则会降低。
剩余液态中有害元素含量增加会导致形成复杂碳化物以及其他有害相，如斯氏体(磷化物共晶体)等，而此情况则受晶核初始数量(随后是晶胞数量)的影响。
要减少晶界残余元素富集，解决方法之一是大幅度增加正在凝固的晶胞数量，从而减少晶胞间的液体体积。
然而在大部分情况下，此措施要与精选这些残余元素含量很低的炉料相结合。
Sorelmetal高纯生铁的化学纯度特别高，正好满足这一要求。
众所周知，球铁的球墨数量少时，球墨一般较大而圆整度较差，此情况会损害铸件的力学性能。
实用铸造技术：厚壁球墨铸铁件的孕育处理技术与厚壁球墨铸件的铸造工艺生产厚壁球墨铸铁件需要采用高较、长较孕育剂和处理工艺。
一方面可减少加硅量；另一方面在铁水缓慢冷却过程中防止孕育衰退。
钡硅铁是厚壁球墨铸铁常用的长较孕育剂。
厚壁球墨铸铁不宜使用锶硅铁进行孕育，因为这种硅铁容易促进厚壁件中生成碎块石墨。
铅硅铁也是一种长较孕育剂，但是它也有促进碎块石墨生成的作用，浇注厚壁铸件时宜慎重使用。
此外，还应该注意孕育中其他微量元素的含量。
孕育处理前应根据化验结果精确计算孕育剂可能带入铸件的微量元素和硅的质量分数。
很多实例告诉我们，厚壁铸件组织上出现的碎块石墨往往因孕育加入量过多而生产的。
正确实行瞬时孕育，型内孕育是消减厚壁件畸形石墨的有较措施。
经过孕育处理后，球墨铸铁的石墨球数会显著增加，畸形石墨相应减少或消失。
例如在100毫米立方铸件生产中，采用0.06%硅铁进行型内孕育后，石墨球数为出炉铁水直接孕育时球数的2倍多，但孕育在铁水中的加入量需要加以控制。
在厚壁件中加入以硅铁为主的孕育剂时要注意加入量，一般应使铸件含硅量保持在2%---2.2%之间。
4.厚壁球墨铸件的铸造工艺（1）铁水熔炼与炉前处理为使铁水净化和均匀化，铁水应过热至1450---1500摄氏度。
在此温度下静置后除渣。
1420摄氏度开始炉前处理（球化和孕育）。
球化剂加入量可略高于一般铸件。
铸件浇注温度为1320℃---1350℃。
（2）采用计算机软件模拟凝固过程为了准确掌握铸件凝固过程（特别是共晶膨胀的开始和终子时间）以及铸件温度场变化规律，可以采用计算机软件模拟球墨铸铁在铸型内温度场变化以及凝固动态过程。
模拟过程所需的基础数据，如下图：（3）应用冷铁铁水浇入厚壁球墨铸铁件铸型，一般会出现明显的液态收缩。
因此在浇注后需随时向型内补注热铁水。
曾有工厂在铸件项部设置明冒口或采用压边冒口用于补充液相收缩，都能收到补缩效果。
我们知道，当铸件模数大于2.5发米的厚壁件，可以不采用冒口补充凝固收缩，而是利用共晶石墨化膨胀量对凝固收缩量给予补偿，实现铸件自补缩。
铸铁中碳化硅（预处理）（河南省中原轧辊责任有限公司）1、前言铁液的化学成分相同，熔炼工艺不同，获得铸铁的性能差异很大。
铸造工厂采取铁液过热、孕育处理、改变炉料配比、添加微量或合金元素等方法，提高铸铁的冶金质量和铸造性能，同时使力学性能和加工性能得到较大提高。
感应电炉熔炼铁液，可以有效地控制铁液温度，精确的调整化学成分，元素烧损少，硫、磷含量低，对于生产球墨铸铁、蠕墨铸铁和高强度灰铸铁非常有利。
但是感应电炉熔炼铁液的形核率减少，白口倾向大，易于产生过冷石墨，虽然强度和硬度有所增加，但铸铁的冶金质量并不高。
上世纪八十年代，出国考察学习的我国工程师，看到国外铸造厂电炉熔炼时加入黑色碎玻璃状物体，经过询问得知这是碳化硅。
国内的日资铸造企业也长期大量使用碳化硅作添加剂。
冲天炉或电炉熔炼铁液，加入预处理剂SiC的优点很多。
碳化硅有磨料级和冶金级之分，前者纯度高价格贵，后者价格低廉。
加入熔炉内的碳化硅转化成铸铁的碳和硅，一是提高碳当量；二是加强了铁液的还原性，[2]大大减轻锈蚀炉料的不利作用。
加入碳化硅可以防止碳化物析出，增加铁素体量，使铸铁组织致密，显著提高加工性能并使切削面光洁。
增加球墨铸铁单位面积石墨球数，提高球化率。
对于减少非金属夹杂物和熔渣，消除缩松，消除皮下气孔也有良好的作用。
2、预处理的作用2.1 形核的原理在Fe-C共晶系中，灰铸铁在共晶凝固阶段由于石墨的熔点高，是共晶体的领先相，奥氏体借助石墨析出。
以每个石墨核心为中心所形成的石墨+奥氏体两相共生共长的晶粒称共晶团。
存在于铸铁熔液中的亚微观石墨聚集体、未熔的石墨微粒、某些高熔点硫化物、氧化物、碳化物、氮化物颗粒等，都可能成为石墨的非均质晶核。
球墨铸铁的形核与灰铸铁形核没有本质区别，只是核心物质中增加有镁的氧化物和硫化物。
铁液中石墨的析出必须经历形核和生长两个过程。
石墨的形核有均质形核和非均质形核两种方式。
均质形核亦称自生晶核。
铁液中有大量起伏不定的，超过临界晶核尺寸的，近程有序排列的碳原子集团，可能成为均质晶核。
实验证明均质晶核的过冷度很大，必须主要依靠非均质晶核作为铁液中石墨的生核剂。
铸铁熔液中存在大量外来质点，每1cm3铁液中，仅氧化物质点就有500万个。
只有那些与石墨的晶格参数、位相存在一定关系的质点，才能成为石墨形核基底。
晶格匹配关系的特征参数称平面失配度。
当然只有晶格平面失配度小，才能够让碳原子容易与石墨晶核匹配。
如果晶核材料是碳原子，那么它们的失配度为零，这样的成核条件最好。
[1]表 1 晶格匹配失配度与形核能力的关系[1]Tab.1 Related to crystal lattice mismatch degree and nucleate ability失配度（δ）＜6% 6～12% ＞12%形核能力形核能力最强有形核能力形核能力微弱表2 一些物质某晶面与石墨晶面的失配度[3]Tab.2 Mismatch degree of a few crystal face and graphite crystal face物质δ%物质δ%物质δ%物质δ%物质δ%C 0 BaS 7.5 MnS 10.2SrO∙SiO2 3.5 β-Si3N4 43.9 LaS 1.5 CaS 8.3 MgS 12.5 CaO∙SiO2 7.5 CaO∙Al2O3∙SiO2 3.7BN 2.0 AlN 9.47 CaO 13.3α-Al2O3 11.4 SrO∙Al2O3∙SiO2 6.2 CeS 2.9 CaC2 9.9 BaO∙SiO21.5 β-SiO2 37.1 BaO∙Al2O3∙SiO27.1碳化硅在铁液内分解成碳和硅比铁液本身含有的碳和硅的内能大，铁液本身所含的Si溶于奥氏体中，球墨铸铁铁液中的碳，部分在铁液中形成石墨球，部分在奥氏体中尚未析出。
因此碳化硅的加入，有很好的脱氧作用。
Si + O2 → SiO2MgO +SiO2 →MgO∙SiO2 （2）2MgO +2SiO2→ 2MgO∙2SiO2 （3）顽辉石成分MgO∙SiO2和镁橄榄石成分2MgO∙2SiO2与石墨（001）失配度高不易作为石墨形核的基底。
当经过含有Ca、Ba、Sr及Al与硅铁的孕育合金铁液处理后，得到：MgO∙SiO2 + X → XO∙SiO2 + Mg （4）4（2MgO∙2SiO2）+ 3X+ 6Al → 3（XO∙Al2O3∙2SiO2）+ 8Mg （5）式中X——Ca、Ba、Sr。
反应产物XO∙SiO2和XO∙Al2O3∙SiO可以在MgO∙SiO2及2MgO∙2SiO2基底上形成面晶，由于石墨与XO∙SiO2和XO∙Al2O3∙SiO2失配度低，利于石墨形核，有很好的石墨化作用。
能很好的改善加工性能和提高力学性能的作用。
[3] 2.2 非平衡石墨的预孕育：一般，通过孕育来扩大非均质形核范围，铁液中非均质形核的作用：①促进共晶凝固阶段C大量析出并形成石墨，促进石墨化；②减小铁液过冷度，减少白口倾向；③增加灰铸铁共晶团数或增加球墨铸铁石墨球数。
SiC是炉料熔炼过程中加入的。
碳化硅熔点2700℃，在铁液中不熔化，只按下列反应式融熔于铁液。
SiC+Fe→FeSi+C（非平衡石墨）式中SiC里的Si与Fe结合，余下的C就是非平衡石墨，作为石墨析出的核心。
非平衡石墨使铁液中C不均匀分布，局部C元素过高，微区会出现“碳峰”。
这种新生的石墨有很高的活性，它与碳的失配度为零，因此很容易吸收铁液中的碳，孕育效果极其优越。
由此可以看出碳化硅就是这样一种硅基生核剂。
铸铁熔炼时加入碳化硅，对于灰铸铁，非平衡石墨的预孕育，大量生成共晶团并提高生长温度（减小相对过冷度），有利于形成A型石墨；晶核数量增加，使片状石墨细小，提高石墨化程度减少白口倾向，从而提高力学性能。
对于球墨铸铁，结晶核心增多使石墨球数增加，球化率得以提高。
2.3 消除E型石墨过共晶灰铸铁，C型、F型初生石墨在液相形成，由于生长过程不受奥氏体干扰，一般情况下，容易长成大片状且分枝少的C型石墨；薄壁铸件快速冷却时，石墨会分叉生长成星状的F型石墨。
共晶凝固阶段生长的片状石墨，在不同化学成分和不同过冷条件下，生成不同形态和不同分布的A、B、E、D型石墨。
A型石墨在过冷度不大和成核能力较强的共晶团内生成，在铸铁中均匀分布。
细片状珠光体中，石墨长度越小，抗拉强度越高，适用于机床及各种机械铸件。
D型石墨为点、片状的枝晶间石墨，呈无方向性分布。
D型石墨铸铁铁素体量高，力学性能受影响。
但D型石墨铸铁奥氏体枝晶多，石墨短小卷曲，共晶团呈球团形，所以与相同基体A型石墨铸铁相比，往往具有较高的强度。
E型石墨是一种比A型石墨短小的片状石墨。
与D型石墨一样位于枝晶间，统称为枝晶石墨。
E墨容易在碳当量低（亚共晶程度大）、奥氏体枝晶多而发达的铸铁中产生。
这时，共晶团与枝晶交叉生长，由于枝晶间共晶铁液数量较少，析出的共晶石墨只有沿着枝晶方向分布，具有明显的方向性。
形成E型石墨的过冷度大于A型石墨小于D型石墨，它的粗细、长短处于A、D型石墨之间。
E型石墨不属于过冷石墨，经常与D型石墨伴生。
E型石墨的方向性枝晶间分布，使铸铁很容易在较小的外力作用下，沿着石墨排列方向呈带状脆断。
所以出现E型石墨，用手可以掰断小型铸件的边角，铸件强度大大下降。
随着含碳量的增加，形成细小枝晶间石墨所必须的冷却速度提高了，产生枝晶间石墨的可能性减少了。
熔液高度过热以及长时间保温会使过冷度增大，从而提高枝晶生长速度，使枝晶变长，方向性更明显。
用SiC对铁液做预孕育处理时，同时减小初生奥氏体的过冷度，此时观察到短的奥氏体枝晶。
消除了E型石墨产生的结构基础。
2.4 提高铸铁质量对于球墨铸铁，在球化剂加入量相同的情况下，用碳化硅进行预处理，镁的最终收得率较高。
用碳化硅预处理的铁液，如果保持铸件残留镁量大致相同，球化剂的加入量可以减少10%，球墨铸铁的白口倾向得到缓解。
碳化硅在熔炼炉内，除去（1）式反应所示在铁液中增碳、增硅以外，还进行式（2）、（3）的脱氧反应，如果加入的SiC靠近炉壁，生成的SiO2会在炉壁沉积增加炉壁厚度。
在熔炼的高温下，SiO2将发生式（4）的脱碳反应，式（5）、（6）的渣化反应。
3SiC + 2Fe2O3 = 3SiO2 +4Fe + 3C （7）C + FeO → Fe + CO ↑（8）（SiO2 ）+ 2C = [Si] + 2CO（气态）（9）SiO2 + FeO → FeO▪SiO2 （渣）（10）Al2O3 + SiO2 → Al2O3▪SiO2 （渣）（11）碳化硅的脱氧作用，使得脱氧产物在铁液中有一系列冶金反应，减轻锈蚀炉料中氧化物的有害影响，有效的净化铁液。
2.5 碳化硅的使用方法冶金级的碳化硅，纯净度在88%-90%之间，在计算增碳与增硅时首先要扣除杂质量。
根据碳化硅的分子式，很容易得出：增碳： C = C/（C + Si）= 12 / (12 + 28) = 30% （12）增硅： Si= Si/（C + Si）= 28 / (12 + 28) = 70% （13）碳化硅的加入量，通常只要加入铁液量的0.8%-1.0%就可以了。
碳化硅的加入方法是：电炉熔炼铁液，在坩埚熔融1/3炉料时，加入到坩埚中部，尽量不要接触炉壁，然后继续加入炉料熔炼。
冲天炉熔炼铁液，可以将粒度1-5mm的碳化硅与适量水泥或其它粘接剂混合，加水制成团块状，经过烈日晒干后即可按批料比例下炉使用。
3、结束语近20年来，无论是载重汽车还是商务或家用小汽车，减轻整车重量始终是汽车研发的发展趋势。
在金融危机的市场颓势中，中国北方公司逆势而上，重型载重汽车出口北美，正是基于重载汽车轻量化的结果。
薄壁灰铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁件，厚壁的球墨铸铁件以及奥贝球墨铸铁件的应用，对铸铁冶金质量提出更高的要求。
碳化硅的孕育预处理对改善铸铁的冶金质量有良好的作用。
铸造专家李传栻撰文指出：预处理剂加入铁液后，可以观察到两种作用：一是碳当量提高；二是铁液的冶金条件改变，加强了还原性。
1978年，英国的B.C.Godsell曾发表其对球墨铸铁进行预处理的研究结果，此后，对预处理工艺的试验研究一直没有间断，现在这项工艺已比较成熟。
研究结果表明：对于灰铸铁，以SiC含量为85%～90%的冶金碳化硅效果最好；对于球墨铸铁则以SiC含量为97%～98%的结晶碳化硅效果最好。
[2]对于灰铸铁，碳化硅孕育预处理可以降低过冷度减少白口倾向；增加石墨核心，促进形成A型石墨，减少或防止产生B型、E型和D型石墨，增加共晶团数，得到细小的片状石墨；对于球墨铸铁，碳化硅孕育预处理则促进增加铸铁的石墨球数，提高球化率，改善石墨球的圆整度。
碳化硅的使用可以加强对氧化铁的脱氧还原作用，使铸铁组织致密从而增加切削面的光洁，使用碳化硅可以延长炉壁寿命，强化孕育效果，从而使各项技术均会得到提高使工艺出品率得到全面提升。
