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铸铁中碳化硅的预处理

文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2019-07-09 18:12:00【

铸铁中碳化硅的预处理

一、铸铁中加入碳化硅的优点

冲天炉或电炉熔炼铁液,加入预处理剂SiC的优点很多。加入熔炉内的碳化硅转化成铸铁的碳和硅,一是提高碳当量;二是加强了铁液的还原性,减轻锈蚀炉料的不利作用。加入碳化硅可以防止碳化物析出,增加铁素体量,使铸铁组织致密,显著提高加工性能。增加球墨铸铁单位面积石墨球数,提高球化率。减少非金属夹杂物和熔渣,消除缩松,消除皮下气孔也有良好的作用。

二、碳化硅预处理作用

2.1形核原理:

Fe-C共晶系中,灰铸铁在共晶凝固阶段由于石墨的熔点高,奥氏体借助石墨析出。以每个石墨核心为中心所形成的石墨+奥氏体两相共生共长的共晶团。存在于铸铁熔液中的亚微观石墨聚集体、未熔的石墨微粒、某些高熔点硫化物、氧化物、碳化物、氮化物颗粒等,都可能成为石墨的非均质晶核。                    

铁液中石墨的析出必须经历形核和生长两个过程。石墨的形核有均质形核和非均质形核两种方式。

1、均质形核亦称自生晶核。铁液中有大量起伏不定的,超过临界晶核尺寸的,有序排列的碳原子集团,可能成为均质晶核。

2、实验证明均质晶核的过冷度很大,必须主要依靠非均质晶核作为铁液中石墨的生核剂。铸铁熔液中存在大量外来质点,成为石墨形核基底。

碳化硅在铁液内分解成碳和硅比铁液本身含有的碳和硅的内能大,铁液本身所含的Si溶于奥氏体中,球墨铸铁铁液中的碳,部分在铁液中形成石墨球,部分在奥氏体中尚未析出。因此碳化硅的加入,有很好的脱氧作用。

Si  + O2 → SiO2       1

MgO + SiO2 → MgO?SiO2    2

2MgO + 2SiO2 → 2MgO?2SiO2  3

当经过含有CaBaSrAl与硅铁的孕育合金铁液处理后,得到:

MgO?SiO2 + X → XO?SiO2 + Mg 4

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

式中 X——CaBaSr

反应产物XO?SiO2XO?Al2O3?SiO可以在MgO?SiO22MgO?2SiO2基底上形成面晶,由于石墨与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学性能的作用。

2.2 非平衡石墨的预孕育:

通过孕育来扩大非均质形核范围,铁液中非均质形核的作用:

促进共晶凝固阶段C大量析出并形成石墨,促进石墨化;

减小铁液过冷度,减少白口倾向;

增加灰铸铁共晶团数或增加球墨铸铁石墨球数。

SiC是炉料熔炼过程中加入的。碳化硅熔点2700℃,在铁液中不熔化,只按下列反应式融熔于铁液。

SiC+Fe→FeSi+C(非平衡石墨)6

式中SiC里的SiFe结合,余下的C就是非平衡石墨,作为石墨析出的核心。非平衡石墨使铁液中C不均匀分布,局部C元素过高,微区会出现碳峰。这种新生的石墨有很高的活性,它与碳的失配度为零,因此很容易吸收铁液中的碳,孕育效果极其优越。由此可以看出碳化硅就是这样一种硅基生核剂。

铸铁熔炼时加入碳化硅,对于灰铸铁,非平衡石墨的预孕育,大量生成共晶团并提高生长温度(减小相对过冷度),有利于形成A型石墨;晶核数量增加,使片状石墨细小,提高石墨化程度减少白口倾向,从而提高力学性能。对于球墨铸铁,结晶核心增多使石墨球数增加,球化率得以提高。

2.3 消除E型石墨过共晶灰铸铁:

C型、F型初生石墨在液相形成,由于生长过程不受奥氏体干扰,一般情况下,容易长成大片状且分枝少的C型石墨;薄壁铸件快速冷却时,石墨会分叉生长成星状的F型石墨。

共晶凝固阶段生长的片状石墨,在不同化学成分和不同过冷条件下,生成不同形态和不同分布的ABED型石墨。

A型石墨在过冷度不大和成核能力较强的共晶团内生成,在铸铁中均匀分布。细片状珠光体中,石墨长度越小,抗拉强度越高,适用于机床及各种机械铸件。

D型石墨为点、片状的枝晶间石墨,呈无方向性分布。D型石墨铸铁铁素体量高,力学性能受影响。但D型石墨铸铁奥氏体枝晶多,石墨短小卷曲,共晶团呈球团形,所以与相同基体A型石墨铸铁相比,往往具有较高的强度。

E型石墨是一种比A型石墨短小的片状石墨。与D型石墨一样位于枝晶间,统称为枝晶石墨。E墨容易在碳当量低(亚共晶程度大)、奥氏体枝晶多而发达的铸铁中产生。这时,共晶团与枝晶交叉生长,由于枝晶间共晶铁液数量较少,析出的共晶石墨只有沿着枝晶方向分布,具有明显的方向性。形成E型石墨的过冷度大于A型石墨小于D型石墨,它的粗细、长短处于AD型石墨之间。E型石墨不属于过冷石墨,经常与D型石墨伴生。E型石墨的方向性枝晶间分布,使铸铁很容易在较小的外力作用下,沿着石墨排列方向呈带状脆断。所以出现E型石墨,用手可以掰断小型铸件的边角,铸件强度大大下降。随着含碳量的增加,形成细小枝晶间石墨所必须的冷却速度提高了,产生枝晶间石墨的可能性减少了。熔液高度过热以及长时间保温会使过冷度增大,从而提高枝晶生长速度,使枝晶变长,方向性更明显。用SiC对铁液做预孕育处理时,同时减小初生奥氏体的过冷度,此时观察到短的奥氏体枝晶。消除了E型石墨产生的结构基础。

2.4 提高铸铁质量

    对于球墨铸铁,在球化剂加入量相同的情况下,用碳化硅进行预处理,镁的最终收得率较高。用碳化硅预处理的铁液,如果保持铸件残留镁量大致相同,球化剂的加入量可以减少10%,球墨铸铁的白口倾向得到缓解。

加入的SiC靠近炉壁,生成的SiO2会在炉壁沉积增加炉壁厚度。在熔炼的高温下,SiO2将发生式(4)的脱碳反应,式(5)、(6)的渣化反应。

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

8C + FeO → Fe + CO ↑                   

9(SiO2+ 2C =  [Si] + 2CO(气态)         

10SiO2 + FeO → FeO?SiO2 (渣)             

11Al2O3 + SiO2 → Al2O3?SiO2 (渣)           

   碳化硅的脱氧作用,使得脱氧产物在铁液中有一系列冶金反应,减轻锈蚀炉料中氧化物的有害影响,有效的净化铁液。

2.5 碳化硅的使用方法:冶金级的碳化硅,纯净度在88%-90%之间,在计算增碳与增硅时首先要扣除杂质量。根据碳化硅的分子式,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,通常只要加入铁液量的0.8%-1.0%就可以了。碳化硅的加入方法是:电炉熔炼铁液,在熔融1/3炉料时,加入到中部,尽量不要接触炉壁,然后继续加入炉料熔炼。冲天炉熔炼铁液,可以将粒度1-5mm的碳化硅与适量水泥或其它粘接剂混合,加水制成团块状,经过烈日晒干后即可按批料比例下炉使用。

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