浅析晶体石墨增碳剂在生产高韧性球铁铸件上的应用

2021-11-28王锐

中国科技纵横 2021年16期

王锐

（商都县丰彦骄新材料有限公司，内蒙古乌兰察布 013450）

1.碳元素及晶体石墨增碳剂材料特性

1.1 碳元素

碳元素在常压状态下的熔点是3550℃，沸点是4194℃，并且在3500℃的时候开始逐渐升华，属于熔点最高的元素。在异常高温条件下，碳元素不会出现晶态变化，如变形、软化等现象均不会发生。碳物质的同元素异构体主要有金刚石、石墨以及无定形碳等。由于结构组成各不相同，密度也有所不同，进而使得三者之间性能差距十分明显。其中，金刚石的密度值最大，约为3.51g/cm3；石墨密度次之，约为2.3g/cm3；无定形碳的实际密度值最小，约为1.98g/cm3。需要注意的是，在含碳元素晶体中具有一个显著的特征，即在无氧环境条件下进行加热，会使得晶体结构状态变得更加密实和完整。通过实践操作能够发现，在高温和高压条件下，石墨会转变成为金刚石；无定形碳（如木炭、焦炭以及炭黑等物质），会在温度达到一定高度的情况下转变成为石墨[1]。

1.2 炭质材料

炭质材料主要是由碳元素构成的非金属材料，当晶体结构以及层片配列等发生变化的时候，则可以相继产生出多种类别的同元素异构体，并且在这些同元素异构体当中，其晶体结构均以金刚石或者石墨为根本[2]。

1.2.1 金刚石

金刚石晶体可以划分于等轴晶系当中，其原子晶格属于面心正立方状态，间隔距离为0.154nm，在所有的碳物质同元素异构体当中间距最小，密实程度最高；金刚石的莫氏硬度数值为10左右，绝对硬度大致为10000kgf/mm。

1.2.2 石墨

石墨是由6方层片状晶体而组成的，其质地较软，莫氏硬度为2～3，主要呈黑色，光泽度及润滑度较高。其中，可以将石墨划分为两大类别，分别是天然形成的石墨（天然石墨）以及人工制造而成的石墨（人工石墨），以上二者在铸造行业当中均得到了广泛应用。天然石墨：主要含有鳞片状石墨、微晶石墨。根据有关数据分析，我国拥有丰富的天然石墨资源，产量位列全球第一，主要产地有黑龙江、吉林、内蒙古、福建以及广东等省份及自治区。一般情况下，在完成开采后的天然石墨当中还有其他多种杂质和脉石，假使需要提取品质更高一些的天然石墨，则需要采用浮选法进行操作。具体步骤如下：粉碎矿料、加入适量水直至呈现矿浆形态；在矿浆中加入石灰或者碱均可，使其变成弱碱性，再加入水玻璃，以起到抑制脉石的作用；在脉石中使用筛分设备把其中的石墨分离出来；最后在浮选槽中加入适量捕集剂，通过离心分离、干燥后，即可获取石墨（碳元素含量为70%～95%）。人造石墨：基于高温、惰性条件下，无定形碳能够转换为石墨。具体步骤：将炭质材料充分挤压得到一定形状，并高温加热至2000℃～3000℃之间，即可在非氧化条件下转化成为石墨[3]。

2.晶体石墨增碳剂对铸件微观组织的影响

铸件组织对铸件的基本力学性能起决定性作用；铸件组织主要是由球铁铸件中的化学成分和整个凝固环节来确定的。其中，凝固环节需要两种形核条件，分别是奥氏体和石墨，石墨能够同铸件硅铁在特定元素的作用下加快形成共晶石墨晶核体，结合相关数据可以得知含有特定元素的氧硫化合物有利于石墨形成核体，在铁液中尺寸比较合理且不具备溶解石墨的质点，能够有效确保先共晶体以及共晶石墨进行析出反应；强化增加球体石墨核心应用技术手段，使得铁液中石墨质点得以扩大球状石墨具体核心数量；由于结晶核心属于异质核心，使得呈现晶体结构的碳能够加强铁液形核状态的速度，需要特别注意的是石墨增碳剂（六方结构），其中碳化硅和石墨中的六方结构尤为相似，因此，也可以将其看作成比较特殊的石墨增碳剂。除此之外，石墨增碳剂还能够增加晶核点在铁液当中的具体数量，增强铁液最终形核能力。例如：生产技术人员在经过一系列试验可以证明，在球铁铸件中应用质地紧密的石墨结构类别增碳剂可以提升球铁当中的实际铁元素含量，通常情况下会提升10%～15%，这样一来则能够对由特殊要求的铁元素球体进行铸铁生产起到一定的促进作用。

3.在生产高韧性球铁铸件过程中应用晶体石墨增碳剂

3.1 晶体石墨增碳剂的具体应用方法

在多数情况下，钢铁配料使用的都是回炉料（20%～30%）和碳素废钢，具体回炉料配量需要以车间回炉料的实际状况而定，不宜大于30%。顺序：在炉底加回炉料、再加碳素废钢，调节大功率进行送电。当炉料熔化到60%的时候，需要加入总量二分之一的晶体增碳剂配料，再将晶体增碳剂加入其中，提升炉温温度并加入适当配料再次熔化，剩下的60%需要在炉料完全熔化之后将碎渣击碎后加入，搅动直至增碳剂全部溶解，取样分析后用覆盖剂保护炉内铁液，做好炉子保温。

3.2 晶体石墨粒度的基本要求

针对小于1t的晶体石墨，其具体粒度要求范围应控制在0.5mm～2.5mm；针对1t～3t的晶体石墨，其具体粒度要求范围应保持在2.5mm～5mm；针对3t～10t的晶体石墨，其具体粒度要求应把控在5.0mm～25mm；针对覆盖在浇包中球化剂上的晶体石墨，其具体粒度要求范围应规定在0.5mm～1.0mm。

3.3 晶体石墨增碳剂的新用途

经过反复研究以及多次实验，使得相关技术人员发现了晶体石墨增碳剂的新用途，即将其应用在高韧性球铁铸件的具体生产环节之中。当前阶段，操作工人在进行相关高韧性球铁铸件生产作业的时候，经常会出现球化级别在2～3级的现象，导致石墨球体不够完整和圆润、球体直径值无法达到6级以上，并且在EPC灰铸铁生产环节中的重卡变速机箱内部存在D型石墨，以上问题在一定程度上阻碍了球铁铸件的正常生产操作，技术人员采用了一些工艺手段，但是最终效果都不够显著。为了改变高韧性球铁铸件的生产环节现状，可以将晶体石墨增碳制剂运用到其中。例如，生产技术人员不需要对原来生产过程中的使用配料、熔化工艺、球化工艺以及孕育加工方式等进行大规模的整改，只需要在出铁环节在比例为1.5kg/t～2.0kg/t的铁液包中冲入晶体增碳剂（0.5mm～1.0mm），并且将其覆盖于球化剂表面，如此一来则可以有效改善相关问题。由此可见，在进行高韧性类别球铁铸件生产期间，应用适当的晶体增碳添加剂不仅能够提升铸件球化率、增强石墨球体的圆整程度，还可以使得石墨球体直径有所减小、加强EPC灰铸铁箱体对D类型石墨的消除作用。

3.4 在生产高韧性球铁铸件环节中运用晶体石墨增碳剂的相关注意事项

（1）在配料中施加增碳剂的时候，应将增碳剂（5mm～15mm）和炉料一起加入到电炉下端，实际碳收率为95 %左右；在使用铁液和钢液进行补碳的时候，应提前将钢液表面杂质进行清除，并加入增碳剂（0.5mm～2.5mm），最终碳收率为92%左右；在初次使用增碳剂的时候，应至少进行2～3次试验操作，这样可以有效提升增碳剂的最终碳收率。

（2）在熔炼球铁铸件以及灰铸铁铸件期间，在加入增碳剂之后不需要再多施加覆盖剂和频繁打渣，防止出现增碳剂溶解度不足而与覆盖剂进行混合的不良现象发生。

（3）在运用石墨增碳剂铸铁组件生产的时候，应合理控制晶体粒度规格参数（细化）和质地（干燥），以此来避免球铁出现夹杂或者气孔等问题。