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碳化硅
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鑄鐵中碳化硅的預處理

文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2019-07-09 18:12:00【

鑄鐵中碳化硅的預處理

一、鑄鐵中加入碳化硅的優點

沖天爐或電爐熔煉鐵液,加入預處理劑SiC的優點很多。加入熔爐內的碳化硅轉化成鑄鐵的碳和硅,一是提高碳當量;二是加強了鐵液的還原性,減輕銹蝕爐料的不利作用。加入碳化硅可以防止碳化物析出,增加鐵素體量,使鑄鐵組織致密,顯著提高加工性能。增加球墨鑄鐵單位面積石墨球數,提高球化率。減少非金屬夾雜物和熔渣,消除縮松,消除皮下氣孔也有良好的作用。

二、碳化硅預處理作用

2.1形核原理:

Fe-C共晶系中,灰鑄鐵在共晶凝固階段由于石墨的熔點高,奧氏體借助石墨析出。以每個石墨核心為中心所形成的石墨+奧氏體兩相共生共長的共晶團。存在于鑄鐵熔液中的亞微觀石墨聚集體、未熔的石墨微粒、某些高熔點硫化物、氧化物、碳化物、氮化物顆粒等,都可能成為石墨的非均質晶核。                    

鐵液中石墨的析出必須經歷形核和生長兩個過程。石墨的形核有均質形核和非均質形核兩種方式。

1、均質形核亦稱自生晶核。鐵液中有大量起伏不定的,超過臨界晶核尺寸的,有序排列的碳原子集團,可能成為均質晶核。

2、實驗證明均質晶核的過冷度很大,必須主要依靠非均質晶核作為鐵液中石墨的生核劑。鑄鐵熔液中存在大量外來質點,成為石墨形核基底。

碳化硅在鐵液內分解成碳和硅比鐵液本身含有的碳和硅的內能大,鐵液本身所含的Si溶于奧氏體中,球墨鑄鐵鐵液中的碳,部分在鐵液中形成石墨球,部分在奧氏體中尚未析出。因此碳化硅的加入,有很好的脫氧作用。

Si  + O2 → SiO2       1

MgO + SiO2 → MgO?SiO2    2

2MgO + 2SiO2 → 2MgO?2SiO2  3

當經過含有CaBaSrAl與硅鐵的孕育合金鐵液處理后,得到:

MgO?SiO2 + X → XO?SiO2 + Mg 4

42MgO?2SiO2+ 3X+ 6Al → 3XO?Al2O3?2SiO2+ 8Mg5)  

式中 X——CaBaSr

反應產物XO?SiO2XO?Al2O3?SiO可以在MgO?SiO22MgO?2SiO2基底上形成面晶,由于石墨與XO?SiO2XO?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學性能的作用。

2.2 非平衡石墨的預孕育:

通過孕育來擴大非均質形核范圍,鐵液中非均質形核的作用:

促進共晶凝固階段C大量析出并形成石墨,促進石墨化;

減小鐵液過冷度,減少白口傾向;

增加灰鑄鐵共晶團數或增加球墨鑄鐵石墨球數。

SiC是爐料熔煉過程中加入的。碳化硅熔點2700℃,在鐵液中不熔化,只按下列反應式融熔于鐵液。

SiC+Fe→FeSi+C(非平衡石墨)6

式中SiC里的SiFe結合,余下的C就是非平衡石墨,作為石墨析出的核心。非平衡石墨使鐵液中C不均勻分布,局部C元素過高,微區會出現碳峰。這種新生的石墨有很高的活性,它與碳的失配度為零,因此很容易吸收鐵液中的碳,孕育效果極其優越。由此可以看出碳化硅就是這樣一種硅基生核劑。

鑄鐵熔煉時加入碳化硅,對于灰鑄鐵,非平衡石墨的預孕育,大量生成共晶團并提高生長溫度(減小相對過冷度),有利于形成A型石墨;晶核數量增加,使片狀石墨細小,提高石墨化程度減少白口傾向,從而提高力學性能。對于球墨鑄鐵,結晶核心增多使石墨球數增加,球化率得以提高。

2.3 消除E型石墨過共晶灰鑄鐵:

C型、F型初生石墨在液相形成,由于生長過程不受奧氏體干擾,一般情況下,容易長成大片狀且分枝少的C型石墨;薄壁鑄件快速冷卻時,石墨會分叉生長成星狀的F型石墨。

共晶凝固階段生長的片狀石墨,在不同化學成分和不同過冷條件下,生成不同形態和不同分布的ABED型石墨。

A型石墨在過冷度不大和成核能力較強的共晶團內生成,在鑄鐵中均勻分布。細片狀珠光體中,石墨長度越小,抗拉強度越高,適用于機床及各種機械鑄件。

D型石墨為點、片狀的枝晶間石墨,呈無方向性分布。D型石墨鑄鐵鐵素體量高,力學性能受影響。但D型石墨鑄鐵奧氏體枝晶多,石墨短小卷曲,共晶團呈球團形,所以與相同基體A型石墨鑄鐵相比,往往具有較高的強度。

E型石墨是一種比A型石墨短小的片狀石墨。與D型石墨一樣位于枝晶間,統稱為枝晶石墨。E墨容易在碳當量低(亞共晶程度大)、奧氏體枝晶多而發達的鑄鐵中產生。這時,共晶團與枝晶交叉生長,由于枝晶間共晶鐵液數量較少,析出的共晶石墨只有沿著枝晶方向分布,具有明顯的方向性。形成E型石墨的過冷度大于A型石墨小于D型石墨,它的粗細、長短處于AD型石墨之間。E型石墨不屬于過冷石墨,經常與D型石墨伴生。E型石墨的方向性枝晶間分布,使鑄鐵很容易在較小的外力作用下,沿著石墨排列方向呈帶狀脆斷。所以出現E型石墨,用手可以掰斷小型鑄件的邊角,鑄件強度大大下降。隨著含碳量的增加,形成細小枝晶間石墨所必須的冷卻速度提高了,產生枝晶間石墨的可能性減少了。熔液高度過熱以及長時間保溫會使過冷度增大,從而提高枝晶生長速度,使枝晶變長,方向性更明顯。用SiC對鐵液做預孕育處理時,同時減小初生奧氏體的過冷度,此時觀察到短的奧氏體枝晶。消除了E型石墨產生的結構基礎。

2.4 提高鑄鐵質量

    對于球墨鑄鐵,在球化劑加入量相同的情況下,用碳化硅進行預處理,鎂的最終收得率較高。用碳化硅預處理的鐵液,如果保持鑄件殘留鎂量大致相同,球化劑的加入量可以減少10%,球墨鑄鐵的白口傾向得到緩解。

加入的SiC靠近爐壁,生成的SiO2會在爐壁沉積增加爐壁厚度。在熔煉的高溫下,SiO2將發生式(4)的脫碳反應,式(5)、(6)的渣化反應。

73SiC + 2Fe2O3 = 3SiO2 +4Fe +3C            

8C + FeO → Fe + CO ↑                   

9(SiO2+ 2C =  [Si] + 2CO(氣態)         

10SiO2 + FeO → FeO?SiO2 (渣)             

11Al2O3 + SiO2 → Al2O3?SiO2 (渣)           

   碳化硅的脫氧作用,使得脫氧產物在鐵液中有一系列冶金反應,減輕銹蝕爐料中氧化物的有害影響,有效的凈化鐵液。

2.5 碳化硅的使用方法:冶金級的碳化硅,純凈度在88%-90%之間,在計算增碳與增硅時首先要扣除雜質量。根據碳化硅的分子式,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,通常只要加入鐵液量的0.8%-1.0%就可以了。碳化硅的加入方法是:電爐熔煉鐵液,在熔融1/3爐料時,加入到中部,盡量不要接觸爐壁,然后繼續加入爐料熔煉。沖天爐熔煉鐵液,可以將粒度1-5mm的碳化硅與適量水泥或其它粘接劑混合,加水制成團塊狀,經過烈日曬干后即可按批料比例下爐使用。

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