添加纳米SiC的连续生产铸造装置研究

刘庆刚，杨亚慧

LIU Qing-gang, YANG Ya-hui

（河北科技大学 机械工程学院，石家庄 050018)

0 引言

铸造是许多复杂结构零部件的主要成型方式，但由于材料存在强度低，耐腐蚀性能差等不足影响铸件的质量，限制了铸造技术的应用。研究表明，在金属中添加纳米SiC粉体以控制铸造过程中晶粒的大小和成长速度可以改善铸件的成形性能[1]。因此，研究纳米SiC粉体对铸造金属各项性能的影响和添加纳米SiC粉体的铸造装置具有一定的工程意义和广阔的发展前景。

本文总结了纳米SiC粉体对几种常用铸造金属的显微组织、力学性能、耐腐蚀性能的影响，在此基础上设计了一套以纳米SiC粉体作为孕育剂的铸造装置，该装置将铸造工艺与工业计算机系统结合，实现了自动化连续生产，对提高生产效率、降低生产成本具有重要意义。

1 纳米SiC对金属材料性能的影响

1.1 纳米SiC对金属金相组织的影响

添加纳米SiC可以有效细化晶粒，降低δ相比例，对于提高铸造材料的机械性能具有明显的影响。陈美玲[2]等对加入纳米SiC的铸造金属进行了实验研究，首先将纳米SiC进行表面改性处理，处理后颗粒直径为20mm～80mm，然后将改性纳米SiC加入不同的铸造金属中，观察各自的金相组织。实验结果表明，奥氏体不锈钢中未加改性纳米SiC时，初始合金相为粗大的等轴晶，经网格分析基体上分布的δ相含量约为5%；加入改性纳米SiC后，合金初生相为细小的等轴晶，基体上的δ相减小到3%。经改性纳米SiC粉体强韧化的高锰钢，铸态组织比较细小，晶界面积增多，使更多的珠光体形核，于是晶粒得到细化，添加纳米SiC前后高锰钢的金相组织如图1所示[3]。改性纳米SiC颗粒在金属材料中为异质形核，由于颗粒细小且较多，并且阻止晶粒长大，因此对细化晶粒效果显著[4]。

图1 添加纳米SiC前后高锰钢的金相组织

1.2 纳米SiC对金属力学性能的影响

在金属中加入改性纳米SiC粉体能有效改善其力学性能，但加入纳米SiC粉体的百分含量不同，对铸造金属力学性能的影响也不同。对此，研究人员通过实验结果分析得到了纳米SiC添加量对材料主要机械性能的影响。

实验结果显示，当添加0.1%的纳米SiC时，不锈钢力学性能得到明显改善。陈美玲[2]等在奥氏体不锈钢0Cr18Ni9中加入0.1%的纳米SiC粉体，不锈钢的延伸率和断面收缩率分别提高了10.69%和12.30%，硬度、冲击韧性和抗拉强度分别提高了6.33%、19.97%和4.70%[4]。王涛[5]等在铸造304不锈钢中加入0.1%的纳米SiC时，不锈钢的延伸率和断面收缩率分别提高了4.73%和16.42%，不锈钢的冲击韧性提高了6.25%；而当在304不锈钢中的纳米SiC加入量为0.2%时，该不锈钢的抗拉强度改善明显，比未添加时提高了3.57%，而加入量为0.1%时，抗拉强度并没有提高。

1.3 纳米SiC对金属耐腐蚀性的影响

金属的腐蚀分为均匀腐蚀和点蚀[6]，实验中研究人员制备了NaCl溶液来模拟超低碳马氏体不锈钢在海水中的实际腐蚀情况。实验结果显示，在同一浓度的NaCl溶液中，随着纳米SiC粉体百分含量的增加，腐蚀速率随之下降，在饱和的NaCl溶液中，不锈钢中纳米SiC粉体的含量为0.05%时，腐蚀速率比未添加时降低了90%，并且当纳米SiC的含量为0.1%时，不锈钢几乎不出现腐蚀失重现象[7]。

研究人员同时进行了纳米SiC粉体含量对不锈钢点腐蚀性的影响，制备了6%的FeCl溶液进行浸泡实验。实验结果显示，未加纳米SiC粉体的试样的腐蚀速率为81.86g/m2.h，随着纳米SiC含量的增加，马氏体不锈钢的腐蚀速率呈降低趋势。当添加纳米SiC粉体的质量分数为0.05%、0.07%和0.1%时，腐蚀速率分别降到61.48 g/m2.h、61.23 g/m2.h和50.94 g/m2.h，比未添加纳米SiC粉体时降低了24.9%、25.2%和37.8%[7]。

2 以纳米SiC作为孕育剂的铸造装置

2.1 铸造装置系统结构

该铸造装置由控制系统、数据采集系统、铸造系统、纳米SiC冲入系统等组成，如图2所示。为了实时准确的加入铸造金属和纳米SiC粉体，该装置采用工业计算机系统，计算机同时控制加热炉、鼓风机的开启和关闭，这样不仅能够实时准确的采集数据，实现自动化连续生产，而且减少了许多人为因素造成的误差。铸造系统由加料装置、电感应加热炉、超声搅拌炉和模具等组成，当金属在加热炉中加热到所需的温度时将其加入到超声搅拌炉中与纳米SiC充分搅拌均匀，以更好的实现纳米SiC粉体对铸造金属性能的改善。纳米SiC的冲入系统由鼓风机、纳米SiC储罐、压缩机等组成，装置之间通过管道连接，纳米SiC储罐中还特别设置了过滤膜，可以防止纳米SiC在非工作条件下由于压力波动等原因飞扬。

图2 以纳米SiC作为孕育剂的铸造装置示意图

2.2 铸造装置工作原理

该装置为自行设计的一套能够自动检测温度和压力，智能控制各个部分的启停和联动，其工作原理如下所述：首先，通过加料装置将铸造金属原料加入电感应加热炉进行加热，同时，数据采集卡会实时采集加热炉中的温度并传输给计算机，计算机对其进行数据处理，目的是当加热炉中的金属达到所需的温度时，将其加入超声搅拌炉中，此步骤便完成了铸造金属原料的制备。该装置的关键就是纳米SiC粉体冲入，将铸造金属加入超声搅拌炉的同时，计算机控制鼓风机开启将SiC储罐中的纳米SiC粉体吹入管道，并经压缩机加压后加入到超声搅拌炉中，此过程便完成了纳米SiC的添加。此后，超声搅拌炉对铸造金属和纳米SiC粉体进行搅拌，搅拌均匀后直接加入模具成型，完成整个铸造过程。该铸造过程操作简单，工艺先进，纳米SiC粉体的加入又有效的改善了铸造金属的各项性能，确保了装置实用性和经济性。

3 结论

在铸造金属材料中加入纳米SiC粉末细化晶粒效果明显，能有效的提高金属的各项力学性能和降低金属的腐蚀速率，金属各项性能的提高与纳米SiC的含量并不是呈线性增长，而是有一个纳米SiC质量分数的最佳值。本研究设计了一套以纳米SiC粉体作为孕育剂的满足连续生产的铸造系统，整个过程中采用计算机和信号采集装置控制各个部位的启停并实现整个系统的联动和配合。研究添加纳米SiC作为孕育剂的铸造装置能有效的提高生产效率，降低生产成本，实现连续自动化生产和绿色发展，具有广阔的发展前景。

[1]王国承,王铁明,尚德礼,等.超细第二相粒子强化钢铁材料的研究进展[J].钢铁研究学报,2007,19(6):5-8.

[2]陈美玲,刘元栋,等.改性纳米SiC粉体强化铸造奥氏体不锈钢力学性能和耐蚀性能的研究[D].大连:大连交通大学,2008.

[3]王延辉,陈美玲,等.改性纳米SiC粉体对高锰钢性能的影响[D].大连:大连交通大学,2012.

[4]李建卫,陈美玲,高宏,等.改性纳米SiC粉体强化灰铸铁耐磨性能的研究[J].铸造,2007,56(1):68-70.

[5]陈美玲,刘赵铭,王涛,等.改性纳米SiC粉体强化铸造304不锈钢力学性能和耐蚀性能的研究.大连:大连交通大学,2011.

[6]黄建中,左禹.材料的耐蚀性和腐蚀数据[M].北京:化学工业出版社,2003,1-4.

[7]杨军副,陈美玲,王鑫,等.纳米SiC粉体强化铸造超低碳马氏体不锈钢的研究[D].大连交通大学,2012.