鑄鐵中碳化硅的預處理

一、鑄鐵中加入碳化硅的優(yōu)點

沖天爐或電爐熔煉鐵液，加入預處理劑SiC的優(yōu)點很多。加入熔爐內(nèi)的碳化硅轉(zhuǎn)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(shù)，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:

在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(zhì)晶核。                    

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

1、均質(zhì)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(zhì)晶核。

2、實驗證明均質(zhì)晶核的過冷度很大，必須主要依靠非均質(zhì)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(zhì)點，成為石墨形核基底。

碳化硅在鐵液內(nèi)分解成碳和硅比鐵液本身含有的碳和硅的內(nèi)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(jīng)過含有Ca、Ba、Sr及Al與硅鐵的孕育合金鐵液處理后，得到：

MgO?SiO2 + X → XO?SiO2 + Mg （4）

4（2MgO?2SiO2）+ 3X+ 6Al → 3（XO?Al2O3?2SiO2）+ 8Mg（5）  

式中 X——Ca、Ba、Sr。

反應產(chǎn)物XO?SiO2和XO?Al2O3?SiO可以在MgO?SiO2及2MgO?2SiO2基底上形成面晶，由于石墨與XO?SiO2和XO?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(zhì)形核范圍，鐵液中非均質(zhì)形核的作用：

①促進共晶凝固階段C大量析出并形成石墨，促進石墨化；

②減小鐵液過冷度，減少白口傾向；

③增加灰鑄鐵共晶團數(shù)或增加球墨鑄鐵石墨球數(shù)。

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Si與Fe結(jié)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(qū)會出現(xiàn)“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(yōu)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(shù)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(jié)晶核心增多使石墨球數(shù)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(tài)和不同分布的A、B、E、D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(nèi)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(tǒng)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(fā)達的鑄鐵中產(chǎn)生。這時，共晶團與枝晶交叉生長，由于枝晶間共晶鐵液數(shù)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A、D型石墨之間。E型石墨不屬于過冷石墨，經(jīng)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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)生的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

2.4 提高鑄鐵質(zhì)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(fā)生式（4）的脫碳反應，式（5）、（6）的渣化反應。

（7）3SiC + 2Fe2O3 = 3SiO2 +4Fe +3C            

（8）C + FeO → Fe + CO ↑                   

（9）(SiO2）+ 2C =  [Si] + 2CO（氣態(tài)）         

（10）SiO2 + FeO → FeO?SiO2 （渣）             

（11）Al2O3 + SiO2 → Al2O3?SiO2 （渣）           

   碳化硅的脫氧作用，使得脫氧產(chǎn)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(zhì)量。根據(jù)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(xù)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(jīng)過烈日曬干后即可按批料比例下爐使用。