碳化矽如何提高鑄件質量？
1.Introduction
鐵水的化學成分相同，冶煉工藝不同，所得鑄鐵的性能差別很大。 鑄造廠採用鐵水過熱、孕育處理、改變裝料比、添加微量或合金元素等方法，提高鑄鐵的冶金質量和鑄造性能，同時大大提高了鑄鐵的力學性能和性能。處理性能。 感應電爐熔煉鐵水可有效控製鐵水溫度，準確調節化學成分，減少元素燒損，硫、磷含量低。 非常有利於球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和高強度灰鑄鐵的生產。 但感應電爐冶煉出的鐵水形核率降低，白口趨於大，易產生過冷石墨。 雖然強度和硬度有所提高，但鑄鐵的冶金質量並不高。
1980年代，中國工程師出國留學，看到國外鑄造廠的電爐冶煉時加入黑色碎玻璃狀物體。 經過詢問，他們得知是碳化矽。 國內日資代工企業也長期大量使用碳化矽作為添加劑。 在沖天爐或電爐熔煉鐵水時，添加預處理劑SiC的優點很多。 碳化矽分為磨料級和冶金級。 前者純度高，價格昂貴，而後者價格低。
加入爐內的碳化矽轉化為鑄鐵的碳和矽。 一是增加碳當量； 二是加強鐵水還原，大大減少生鏽爐料的不良影響。 碳化矽的加入可以防止碳化物析出，增加鐵素體量，使鑄鐵組織緻密，顯著提高加工性能，使切削麵光滑。 增加球墨鑄鐵單位面積的石墨球數，提高球化率。 對減少非金屬夾雜物和熔渣，消除縮孔，消除皮下氣孔也有很好的效果。
2. 預處理的作用
2.1 形核原理在Fe-C共晶體系中，由於石墨在共晶凝固階段的高熔點，灰口鑄鐵是共晶的主導相，奧氏體被石墨析出。 以每個石墨核為中心形成的兩相石墨+奧氏體共生長和共生長晶粒稱為共晶團簇。 鑄鐵熔體中存在的亞顯微石墨聚集體、未熔化的石墨顆粒、一些高熔點的硫化物、氧化物、碳化物、氮化物顆粒等都可能成為異質石墨核。 球墨鑄鐵的形核與灰口鑄鐵的形核沒有本質區別，只是在芯材中加入了氧化鎂和硫化物。
石墨在鐵水中的沉澱必須經歷兩個過程：成核和生長。 石墨成核有兩種方式：均相成核和異相成核。 均相成核也稱為自發成核。 鐵水中存在大量超過臨界晶核尺寸的起伏碳原子，短程有序排列的碳原子團可能成為均質晶核。 實驗表明，均質晶核的過冷度很大，非均質晶核必須主要用作鐵水中石墨的成核劑。 鑄鐵液中含有大量異物，每5cm1鐵液中有3萬個氧化物質點。 只有那些與石墨的晶格參數和物相有一定關係的顆粒才能成為石墨成核基體。 晶格匹配關係的特徵參數稱為平面失配度。 當然，只有當晶面失配較小時，碳原子才容易與石墨核匹配。 如果成核材料是碳原子，則它們的錯配度為零，這樣的成核條件是最好的。
碳化矽在鐵水中分解成碳和矽的內能大於鐵水本身所含的碳和矽。 鐵水中所含的Si本身溶解在奧氏體中，球墨鑄鐵的鐵水中的碳部分存在於鐵中。 石墨球在液體中形成，其中一些尚未在奧氏體中沉澱。 因此，碳化矽的加入具有良好的脫氧效果。
- 矽+氧氣→二氧化矽
- (1) MgO+SiO2→MgO·SiO2
- (2) 2MgO +2SiO2→ 2MgO∙2SiO2
- (3) 頑火石成分 MgO∙SiO2 和鎂橄欖石成分 2MgO∙2SiO2 與石墨 (001) 的失配度高，難以作為石墨形核的基礎。 用含Ca、Ba、Sr、Al和矽鐵的鐵水處理後，MgO∙SiO2 + X → XO∙SiO2 + Mg
- (4) (2MgO·2SiO2) + 3X+ 6Al → 3 (XO·Al2O3·2SiO2) + 8Mg
- (5) 式中 X——Ca、Ba、Sr。
反應產物 XO∙SiO2 和 XO∙Al2O3∙SiO 可以在 MgO∙SiO2 和 2MgO∙2SiO2 襯底上形成多面晶體。 由於石墨與XO∙SiO2和XO∙Al2O3∙SiO2之間的低失配，有利於石墨形核。 良好的石墨化。 可改善加工性能，改善機械性能。
2.2 非平衡石墨的預孕育：
一般通過孕育擴大異相形核的範圍，異相形核在鐵水中的作用：
- ①促進共晶凝固階段大量析出C，形成石墨，促進石墨化；
- ②降低鐵水過冷度，減少白口傾向；
- ③增加灰口鑄鐵中的共晶團簇數量或增加球墨鑄鐵中的石墨球數量。
碳化矽是在爐料冶煉過程中加入的。 碳化矽的熔點為 2700°C，不會在鐵水中熔化。 它僅根據以下反應式在鐵水中熔化。
SiC+Fe→FeSi+C（非平衡石墨）
(6) 式中，SiC中的Si與Fe結合，剩餘的C為非平衡石墨，是石墨析出的核心。 非平衡石墨使鐵水中C分佈不均，局部C元素含量過高，微區會出現“碳峰”。 這種新型石墨活性高，與碳的失配為零，容易吸附鐵水中的碳，孕育效果極其優越。 可見碳化矽就是這樣一種矽基成核劑。
碳化矽是在鑄鐵冶煉過程中加入的。 對於灰鑄鐵，非平衡石墨的預孵化會產生大量的共晶團簇，提高生長溫度（降低相對過冷度），有利於A型石墨的形成； 晶核數增多，使片狀石墨細小，提高了石墨化程度，降低了白口傾向，從而提高了力學性能。 對於球墨鑄鐵，晶核的增加會增加石墨球的數量，可以提高球化率。
2.3 消除E型石墨過共晶灰口鑄鐵。 C型和F型原生石墨在液相中形成。 由於生長過程不受奧氏體的干擾，在正常情況下，很容易長成大片狀、支化少的C型石墨：當薄壁鑄件快速冷卻時，石墨會支化長成星狀。 F型石墨。
在共晶凝固階段生長的片狀石墨在不同的化學成分和不同的過冷條件下產生不同形狀和不同分佈的A、B、E、D石墨。
A型石墨在共晶團簇中形成，過冷度低，形核能力強，在鑄鐵中分佈均勻。 在細小片狀珠光體中，石墨長度越小，抗拉強度越高，適用於機床和各種機械鑄件。
D型石墨是點狀和片狀的無方向分佈的枝晶間石墨。 D型石墨鑄鐵鐵素體含量高，影響其力學性能。 但D型石墨鑄鐵有許多奧氏體枝晶，石墨短而捲曲，共晶群呈球團狀。 因此，與相同基體的A型石墨鑄鐵相比，具有更高的強度。
E型石墨是一種比A型石墨短的片狀石墨。 與D型石墨一樣，位於枝晶之間，統稱為枝晶石墨。 碳當量低（亞共晶程度大）和豐富的奧氏體枝晶的鑄鐵容易生產E墨水。 此時，共晶團簇和枝晶交叉生長。 由於枝晶間共晶鐵液數量少，析出的共晶石墨僅沿枝晶方向分佈，具有明顯的方向性。 形成E型石墨的過冷度大於A型石墨而小於D型石墨，其厚度和長度介於A型和D型石墨之間。 E型石墨不屬於過冷石墨，常伴有D型石墨。 E型石墨在枝晶間的定向分佈使得鑄鐵在很小的外力作用下易脆化並沿石墨排列方向呈帶狀斷裂。 因此出現E型石墨，用手將小鑄件的邊角折斷，鑄件的強度大大降低。 隨著碳含量的增加，形成細小的枝晶間石墨所需的冷卻速度增加，產生枝晶間石墨的可能性降低。 熔體的高度過熱和長期保溫會增加過冷度，從而增加枝晶的生長速度，使枝晶更長，具有更明顯的方向性。 用SiC預溫鐵水時，同時降低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 型石墨的結構基礎。
2.4 提高鑄鐵質量
對於球墨鑄鐵，在球化劑用量相同的情況下，用碳化矽預處理，鎂的最終收率較高。 對於用碳化矽預處理的鐵水，如果鑄件中殘留鎂量保持大致相同，球化劑的添加量可減少10%，減輕球墨鑄鐵白口傾向。
冶煉爐中的碳化矽，除了式（1）所示的鐵水中的碳和矽外，還進行式（2）和（3）的脫氧反應。 如果添加的SiC靠近爐壁，生成的SiO2會沉積在爐壁上，增加爐壁的厚度。 在高溫冶煉下，SiO2會發生式（4）的脫碳反應和式（5）、（6）的結渣反應。
- (7)3SiC+2Fe2O3=3SiO2+4Fe+3C
- (8) C+FeO→Fe+CO↑
- (9) (SiO2) + 2C = [Si] + 2CO（氣態）
- (10) SiO2 + FeO → FeO·SiO2 (渣)
- (11) Al2O3 + SiO2 → Al2O3·SiO2（爐渣）
碳化矽的脫氧作用，使脫氧產物在鐵水中發生一系列冶金反應，減少腐蝕爐料中氧化物的有害作用，有效淨化鐵水。
2.5 如何使用碳化矽
冶金級碳化矽純度在88%～90%之間，計算碳矽增量時必須先扣除雜質。 根據碳化矽的分子式易得： 碳增加：C=C/(C+Si)=12/(12+28)=30% (12)矽增加：Si=Si/(C + Si) = 28 / (12 + 28) = 70% (13) 碳化矽的加入量通常為鐵水量的0.8%-1.0%。 添加碳化矽的方法是：在電爐中熔煉鐵水。 當坩堝熔化1/3的爐料時，將其加入坩堝中間，盡量不要接觸爐壁，然後繼續加入爐料進行熔煉。 在沖天爐熔煉鐵水時，可將粒度為1-5mm的碳化矽與適量的水泥或其他粘合劑混合，加水成團。 在烈日下曬乾後，可按批次配比入爐使用。
3.結束語
近20年來，無論是卡車、商務車還是家用車，減輕車輛的自重一直是汽車研發的發展趨勢。 在金融危機的市場低迷中，中國北方公司逆勢而上，正是憑藉重卡輕量化的優勢，向北美出口重卡。 薄壁灰口鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵、厚壁球墨鑄鐵和奧布里球墨鑄鐵的應用，對鑄鐵的冶金質量提出了更高的要求。
碳化矽孕育預處理對提高鑄鐵的冶金質量有很好的效果。 鑄造專家李傳石撰文稱，在鐵水中加入預處理劑後，可以觀察到兩個效果：一是增加碳當量； 二是改變鐵水的冶金條件，提高還原性。
1978年，英國BC Godsell發表了球墨鑄鐵預處理的研究成果。 此後，對預處理工藝的實驗研究一直沒有中斷，目前工藝已經比較成熟。 對於灰口鑄鐵，碳化矽孕育預處理可以降低過冷度，減少白口傾向； 增加石墨核，促進A型石墨的形成，減少或阻止B型、E型和D型石墨的產生，增加共晶團簇的數量。 細鱗片石墨； 對於球墨鑄鐵，碳化矽孕育的預處理促進了鑄鐵中石墨球數量、球化率和石墨球圓度的增加。
使用碳化矽可以加強氧化鐵的脫氧還原作用，使鑄鐵組織緻密，增加切削麵的光潔度。 使用碳化矽可以在不增加鐵水鋁和硫含量的情況下延長爐壁壽命。
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