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:

在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Ca、Ba、Sr及Al与硅铁的孕育合金铁液处理后，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。

反应产物XO?SiO2和XO?Al2O3?SiO可以在MgO?SiO2及2MgO?2SiO2基底上形成面晶，由于石墨与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：

①促进共晶凝固阶段C大量析出并形成石墨，促进石墨化；

②减小铁液过冷度，减少白口倾向；

③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Si与Fe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A、B、E、D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A、D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。

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

（8）C + FeO → Fe + CO ↑                   

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

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

（11）Al2O3 + 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。