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[摘 要]本文通过实验，研究了碳化硅作为新型铸造材料，在灰铸铁熔炼过程中所起到的作用。结合实验数据，分析了熔炼过程添加碳化硅对HT250成分、组织、机械性能等方面的影响。
[关键词]碳化硅；中频电炉；灰铸铁；机械性能；组织金相。
中图分类号：TD925 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）41-0247-01
前言
碳化硅是由一个碳原子和一个硅原子组成的化合物， 晶体结构分为六方或菱面体的 α-SiC和立方体的β-SiC（称立方碳化硅）。是1891年美国人艾奇逊（Edward？G？Acheson）在电熔金刚石实验时偶然发现的，1987年后，以CREE的研究成果建立碳化硅生产线，供应商开始提供商品化的工业用碳化硅基。目前，国内碳化硅的用途十分广泛，使用较多的是用作磨料和耐火材料两个方面。
在铸造领域，碳化硅脱氧剂是一种新型的强复合脱氧剂，它在有渣存在的情况下会发生溶解，且当温度超过1620℃（例如炼钢时），硅将担负起脱氧任务，而碳则起增碳剂的作用，收得率可达100%。脱氧效果好，使脱氧时间缩短，节约能源，提高炼钢效率，提高钢的质量，降低原辅材料消耗，减少环境污染，改善劳动条件，提高电炉的综合经济效益都具有重要价值。[1]
本文研究了灰铸铁铁液预处理过程中，使用碳化硅粉末替代增碳剂和硅铁的可行性，以及对铸铁化学成分、金相组织、力学性能等方面的影响。
1 熔炼时碳化硅的作用
在熔炼过程中，将SiC加入铁液后，不会发生熔化，但能够溶解于铁液，其崩解吸收温度大约1200℃，因此溶解过程是逐渐分解、扩散的，过程比较慢。SiC中的Si和C以合金形式进入熔体。按下列反应式发生融熔。在
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。[3]
在灰铸铁熔炼的过程中，石墨是共晶体的领先相，奥氏体借助石墨析出，形成的石墨+奥氏体共晶团。碳化硅作为这样的一种“硅基生核剂[1]”，起到促进成核，细化晶粒的作用。
2 实验过程
2.1 生产条件
熔炼设备：使用8吨中频电炉；
测温设备：W660熔炼测温仪；
成分分析：GS1000光谱仪、红外碳硫仪；
力学性能：WE600材料试验机；
金相组织：4XB金相显微鏡。
熔炼原材料：生铁（Q10）、废钢、回炉料（HT250）、试验用碳化硅粉末（SiC含量89%，其中Si：62.7%，C：26.3%）。
2.2 实验过程
选取正常使用中的一台8T中频电炉，首先将炉内铁水彻底清除，而后进行灰铁H250熔炼实验。
装炉顺序：生铁—碳化硅—废钢—回炉料。加料比例：生铁20%，废钢45%回炉料35%；碳化硅颗粒加入70kg。由于碳化硅只能溶解于铁液无法熔化，为防止出现碳化硅颗粒粘至炉壁，造成不必要的实验误差，所以SiC颗粒使用编织袋包裹后，投入已经熔化的生铁铁液中，之后加入废钢，从而起到一定搅拌的作用。
连续生产10炉铁水，铁水达到制定温度后，检验原铁水中C、Si的含量，原铁水经过检验后出炉，采用炉前随流孕育，孕育剂用量按正常生产要求。用样勺深入包内液面下200-300mm处，取光谱试样和C、S分析压片试样，及时进行成分分析。10炉成品铁水C、Si。
浇注过程中，每炉铁水浇注一组单铸力学性能试棒。经过加工后，进行拉力试验、硬度检测和金相检验。
2.3 数据分析
1、成分含量
HT250成分要求C：3.35-3.5%，Si：1.85-2.0%。对10个样本的成分含量进行均值-极差分析，具体情况如图2、图3.
从图2明显看出，10个样本C含量符合要求范围，C=3.445%，与实际生产操作和控制目标相符。C=0.044，10个样本中C的含量波动不大。
10个样本Si含量总体符合要求范围，Si=1.929%，与实际生产操作和控制目标相符。Si=0.039，10个样本中C的含量波动不大。
2、性能分析
《GB9439-88灰铸铁件国家标准》中要求HT250的抗拉强度最低250MPa，采用图表的形式对数据进行分析，具体情况如图4.
从图4明显看出，10个样本抗拉强度=270.75MPa，符合国标要求，而且与现场实际生产操作和控制目标相符。
3 结论
（1）从成分上分析，SiC颗粒在灰铸铁熔炼过程中，可以良好地起到增硅增碳的效果。经过出炉、孕育等工序后，铁水中C、Si的含量不会出现异常变化。
（2）从机械性能和硬度分析，采用SiC取代增碳剂和硅铁后，抗拉强度和硬度在标准范围内有小幅度提高。
（3）采用SiC颗粒的样本金相组织与正常中（增碳剂和硅铁）的金相组织相差无几，没有对组织中的A型石墨的产生优势影响。
（4）另外SiC颗粒的加入方式并不会增加生产现场的劳动强度和劳动量。所以在企业灰铸铁生产的熔炼工序中，可以考虑采用SiC颗粒取代传统工艺中的增碳剂和硅铁。
参考文献
[1] 吴荷生，吴玉彬，巫瑞智，碳化硅在当今铸铁厂的应用，哈尔滨理工大学材料学院（150080）.
[2] 张文和，铸铁的SiC孕育预处理，南京铸造学会（210002）.
[3] 周继扬，铸铁彩色金相学〔M〕，机械工业出版社，2002：26-68.
[关键词]碳化硅；中频电炉；灰铸铁；机械性能；组织金相。
中图分类号：TD925 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）41-0247-01
前言
碳化硅是由一个碳原子和一个硅原子组成的化合物， 晶体结构分为六方或菱面体的 α-SiC和立方体的β-SiC（称立方碳化硅）。是1891年美国人艾奇逊（Edward？G？Acheson）在电熔金刚石实验时偶然发现的，1987年后，以CREE的研究成果建立碳化硅生产线，供应商开始提供商品化的工业用碳化硅基。目前，国内碳化硅的用途十分广泛，使用较多的是用作磨料和耐火材料两个方面。
在铸造领域，碳化硅脱氧剂是一种新型的强复合脱氧剂，它在有渣存在的情况下会发生溶解，且当温度超过1620℃（例如炼钢时），硅将担负起脱氧任务，而碳则起增碳剂的作用，收得率可达100%。脱氧效果好，使脱氧时间缩短，节约能源，提高炼钢效率，提高钢的质量，降低原辅材料消耗，减少环境污染，改善劳动条件，提高电炉的综合经济效益都具有重要价值。[1]
本文研究了灰铸铁铁液预处理过程中，使用碳化硅粉末替代增碳剂和硅铁的可行性，以及对铸铁化学成分、金相组织、力学性能等方面的影响。
1 熔炼时碳化硅的作用
在熔炼过程中，将SiC加入铁液后，不会发生熔化，但能够溶解于铁液，其崩解吸收温度大约1200℃，因此溶解过程是逐渐分解、扩散的，过程比较慢。SiC中的Si和C以合金形式进入熔体。按下列反应式发生融熔。在
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。[3]
在灰铸铁熔炼的过程中，石墨是共晶体的领先相，奥氏体借助石墨析出，形成的石墨+奥氏体共晶团。碳化硅作为这样的一种“硅基生核剂[1]”，起到促进成核，细化晶粒的作用。
2 实验过程
2.1 生产条件
熔炼设备：使用8吨中频电炉；
测温设备：W660熔炼测温仪；
成分分析：GS1000光谱仪、红外碳硫仪；
力学性能：WE600材料试验机；
金相组织：4XB金相显微鏡。
熔炼原材料：生铁（Q10）、废钢、回炉料（HT250）、试验用碳化硅粉末（SiC含量89%，其中Si：62.7%，C：26.3%）。
2.2 实验过程
选取正常使用中的一台8T中频电炉，首先将炉内铁水彻底清除，而后进行灰铁H250熔炼实验。
装炉顺序：生铁—碳化硅—废钢—回炉料。加料比例：生铁20%，废钢45%回炉料35%；碳化硅颗粒加入70kg。由于碳化硅只能溶解于铁液无法熔化，为防止出现碳化硅颗粒粘至炉壁，造成不必要的实验误差，所以SiC颗粒使用编织袋包裹后，投入已经熔化的生铁铁液中，之后加入废钢，从而起到一定搅拌的作用。
连续生产10炉铁水，铁水达到制定温度后，检验原铁水中C、Si的含量，原铁水经过检验后出炉，采用炉前随流孕育，孕育剂用量按正常生产要求。用样勺深入包内液面下200-300mm处，取光谱试样和C、S分析压片试样，及时进行成分分析。10炉成品铁水C、Si。
浇注过程中，每炉铁水浇注一组单铸力学性能试棒。经过加工后，进行拉力试验、硬度检测和金相检验。
2.3 数据分析
1、成分含量
HT250成分要求C：3.35-3.5%，Si：1.85-2.0%。对10个样本的成分含量进行均值-极差分析，具体情况如图2、图3.
从图2明显看出，10个样本C含量符合要求范围，C=3.445%，与实际生产操作和控制目标相符。C=0.044，10个样本中C的含量波动不大。
10个样本Si含量总体符合要求范围，Si=1.929%，与实际生产操作和控制目标相符。Si=0.039，10个样本中C的含量波动不大。
2、性能分析
《GB9439-88灰铸铁件国家标准》中要求HT250的抗拉强度最低250MPa，采用图表的形式对数据进行分析，具体情况如图4.
从图4明显看出，10个样本抗拉强度=270.75MPa，符合国标要求，而且与现场实际生产操作和控制目标相符。
3 结论
（1）从成分上分析，SiC颗粒在灰铸铁熔炼过程中，可以良好地起到增硅增碳的效果。经过出炉、孕育等工序后，铁水中C、Si的含量不会出现异常变化。
（2）从机械性能和硬度分析，采用SiC取代增碳剂和硅铁后，抗拉强度和硬度在标准范围内有小幅度提高。
（3）采用SiC颗粒的样本金相组织与正常中（增碳剂和硅铁）的金相组织相差无几，没有对组织中的A型石墨的产生优势影响。
（4）另外SiC颗粒的加入方式并不会增加生产现场的劳动强度和劳动量。所以在企业灰铸铁生产的熔炼工序中，可以考虑采用SiC颗粒取代传统工艺中的增碳剂和硅铁。
参考文献
[1] 吴荷生，吴玉彬，巫瑞智，碳化硅在当今铸铁厂的应用，哈尔滨理工大学材料学院（150080）.
[2] 张文和，铸铁的SiC孕育预处理，南京铸造学会（210002）.
[3] 周继扬，铸铁彩色金相学〔M〕，机械工业出版社，2002：26-68.