含纳米碳化硅的球墨铸铁和蠕墨铸铁用孕育剂及制备方法与流程

本发明涉及含纳米碳化硅的球墨铸铁和蠕墨铸铁用孕育剂及制备方法，属于孕育剂技术领域。

背景技术：

球墨铸铁是通过向铁水中加入孕育剂、球化剂进行孕育及球化处理，获得球状石墨组织的铸铁，是一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，是目前“以铁代钢”的理想材料，常用于生产受力复杂，强度、韧性、耐磨性等要求较高的零件。蠕墨铸铁是指通过向铁水中加入孕育剂、蠕化剂进行孕育及蠕化处理，获得蠕虫状石墨组织的铸铁。蠕墨铸铁的性能介于灰铁和球铁之间，不仅具有近似球墨铸铁的强度，近似灰铸铁的导热、铸造性能，且有比灰铸铁更好的塑性和疲劳性能，是一种很有发展前途的优良结构材料，在新一代重型卡车的发动机缸体、缸盖和缸套等部件上具有很好的应用前景。

已有研究表明纳米碳化硅作为孕育剂能显著改善球墨铸铁的组织，减小石墨球尺寸，提高石墨球化率等。然而，纳米sic材料的团聚不易分散的问题没有得到理想的解决，这一问题制约着纳米碳化硅在传统的铸造领域中的实际应用。生产蠕铁铁水的元素控制窗口非常窄，石墨蠕化困难，因此生产过程中需要严格的成分和过程控制，才能保证蠕化效果的稳定性。此外，前期研究中纳米sic的加入量都比较大，纳米sic价格较高，所以在经济上并不理想。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明要解决的技术途径是提供含纳米碳化硅的球墨铸铁和蠕墨铸铁用孕育剂及制备方法。

本发明的含纳米碳化硅的球墨铸铁和蠕墨铸铁用孕育剂，它将纳米碳化硅与微米碳化硅复合，利用较大尺寸的微米级碳化硅颗粒携带大量的纳米碳化硅颗粒，纳米颗粒的sic附着在微米颗粒的sic表面，在孕育处理过程中将多个纳米颗粒集中在微小区域加入到铁水中。

本发明的含纳米碳化硅的球墨铸铁和蠕墨铸铁用孕育剂的制备方法，它的制备方法如下：

步骤一：配料：

将平均粒径50nm与平均粒径10μm的碳化硅在烘干箱内烘干12～48小时，烘干温度100℃，然后分别称量平均粒径50nm与平均粒径10μm的碳化硅进行配料，纳米sic质量分数为0.1wt.%～50wt.%；

步骤二：混合：

采用行星球磨机进行混料，公转转速在200转/分钟～400转/分钟，球磨时间1～3小时，球磨结束后静止放置冷却10分钟，取出混合粉干燥保存；

步骤三：制线：

采用包芯线机，将混合粉末制成直径为5mm的包芯线。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：提升球墨铸铁品质及蠕墨铸铁工艺稳定性，同时降低纳米sic的用量，从而降低生产成本。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为纳米碳化硅复合孕育剂sem图，其中（a）（b）为纳米sic含量1wt.%复合纳米sic孕育剂，（c）（d）为纳米sic含量10wt.%复合纳米sic孕育剂，（e）（f）纳米sic含量20wt.%复合纳米sic孕育剂；

图2为纳米sic含量1wt.%复合纳米sic孕育球墨铸铁金相组织，其中（a）为硝酸乙醇侵蚀前金相组织，（b）为硝酸乙醇侵蚀后金相组织；

图3为纳米sic含量1wt.%复合纳米sic孕育蠕墨铸铁金相组织，其中（a）为放大倍数50倍金相，（b）为放大倍数100倍金相；

图4为纳米sic含量10wt.%复合纳米sic孕育球墨铸铁金相组织，其中（a）为硝酸乙醇侵蚀前金相组织，（b）为硝酸乙醇侵蚀后金相组织；

图5为纳米sic含量10wt.%复合纳米sic孕育蠕墨铸铁金相组织，其中（a）为放大倍数50倍金相，（b）为放大倍数100倍金相；

图6为纳米sic含量20wt.%复合纳米sic孕育球墨铸铁金相组织，其中（a）为硝酸乙醇侵蚀前金相组织，（b）为硝酸乙醇侵蚀后金相组织；

图7为纳米sic含量20wt.%复合纳米sic孕育蠕墨铸铁金相组织，其中（a）为放大倍数50倍金相，（b）为放大倍数100倍金相。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1所示，本具体实施方式采用行星球磨的工艺将平均粒径50nmsic粉体与平均粒径10μmsic粉体进行复合，制备复合纳米碳化硅孕育剂，并采用包芯线机制备成直径为5mm的包芯线。具体特征：复合纳米碳化硅孕育剂中10μmsic颗粒表面附着的纳米sic颗粒，且随着纳米颗粒质量比增加，先增多后达到极限。

碳化硅自身的熔点很高，远远高于铁水的温度，它在铁水中不是达到熔点的“熔化”，而是由于浓度的差异导致的原子迁移而形成的“溶解”。溶解的碳化硅会在其颗粒周围形成碳当量较高的区域，从而促进石墨的析出，这些新生的石墨核心有效地减少了铸件的白口倾向，显然也对基体组织起到了细化的作用。另外，碳化硅在溶解的时候会在其周围形成c原子团，这些原子团会在结晶过程中形成初生石墨，这些初生石墨会成为非常活跃的石墨结晶核心，在原铁水异质形核的基础上增加了更多的形核质点。

当将单个纳米级别的立方体碳化硅粒子加入到铁水中，它的作用机理与传统的sic孕育剂的作用机理相似，但是由于其尺寸极小，比表面积大，表面能大，所以它在局部微小区域的孕育形核能力也很强。我们把这种在由纳米碳化硅颗粒造成的极小范围内的孕育作用称为“微孕育”。

虽然纳米碳化硅有很强的孕育能力，但是由于尺寸很小，所以单个纳米碳化硅粒子只能对其周围很小的范围起到孕育形核作用，若在铁水中的一个小区域内紧密地分布着多个独立的纳米碳化硅粒子，那么由它们对石墨的析出和球化能力将会产生叠加效应。然而，由于纳米sic粒径小、表面原子比例大、比表面积大、表面缺少临近配位原子、表面能大，处于能量不稳定状态所以容易出现团聚现象，大部分为团聚微粒，单个微粒单独存在的比较少。且由于碳化硅本身的密度就比较小，而团聚后的纳米碳化硅平均密度更小，所以在孕育处理过程中很容易上浮，大大消弱了纳米sic的孕育作用。

复合纳米碳化硅利用较大尺寸的微米级碳化硅颗粒携带大量的纳米碳化硅颗粒，实现了将多个纳米颗粒集中在微小区域加入到铁水中的设想，使得“微孕育”作用得到叠加，同时作为主体的微米级碳化硅颗粒由于颗粒尺度较大，所以作用范围也比较大，持续时间比较长，在铁水中更容易形成较大区域的局部孕育作用。

实施例：

实施例一：纳米sic含量1wt.%复合孕育剂孕育球墨铸铁、蠕墨铸铁：

将平均粒径50nm与平均粒径10μm的碳化硅烘干24小时，然后分别称量平均粒径50nm与平均粒径10μm的碳化硅进行配料，纳米sic质量分数为1wt.%。采用行星球磨机进行混料，公转转速在300转，球磨时间2小时，球磨结束后静止放置冷却10分钟，取出混合粉干燥保存。将纳米sic含量1wt.%复合孕育剂，采用包芯线机，将混合粉末制成直径为5mm的包芯线。

将制得的包芯线分别插入球化处理后的铁水或蠕化处理后的铁水进行孕育，孕育剂的加入量均为0.05wt.%。孕育处理后获得球墨铸铁金相组织如图2所示，球墨铸铁抗拉强度358mpa，延伸率6%；孕育处理后获得蠕墨铸铁金相组织如图3所示，蠕墨铸铁抗拉强度360mpa，延伸率4%。

实施例二：纳米sic含量10wt.%复合孕育剂孕育球墨铸铁、蠕墨铸铁：

技术方案同实施例一，不同之处为纳米sic质量分数为10wt.%。

孕育处理后获得球墨铸铁金相组织如图4所示，球墨铸铁抗拉强度398mpa，延伸率10%；孕育处理后获得蠕墨铸铁金相组织如图5所示，蠕墨铸铁抗拉强度379mpa，延伸率6%。

实施例三：纳米sic含量20wt.%复合孕育剂孕育球墨铸铁、蠕墨铸铁：

技术方案同实施例一，不同之处为纳米sic质量分数为20wt.%。

孕育处理后获得球墨铸铁金相组织如图6所示，球墨铸铁抗拉强度384mpa，延伸率9%；孕育处理后获得蠕墨铸铁金相组织如图7所示，蠕墨铸铁抗拉强度367mpa，延伸率5%。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。