In che modo il carburo di silicio migliora la qualità dei getti?

1.Introduction

La composizione chimica del ferro fuso è la stessa e il processo di fusione è diverso e le proprietà della ghisa ottenuta variano notevolmente. La fonderia adotta metodi come il surriscaldamento del ferro fuso, il trattamento di inoculazione, la modifica del rapporto di carica, l'aggiunta di tracce o elementi di lega, ecc., Per migliorare la qualità metallurgica e le prestazioni di colata della ghisa e allo stesso tempo migliorare notevolmente le proprietà meccaniche e prestazioni di elaborazione. La fusione del forno elettrico a induzione del ferro fuso può controllare efficacemente la temperatura del ferro fuso, regolare con precisione la composizione chimica, ridurre la perdita di combustione degli elementi e avere un basso contenuto di zolfo e fosforo. È molto vantaggioso per la produzione di ghisa duttile, ghisa a grafite vermicolare e ghisa grigia ad alta resistenza. Tuttavia, la velocità di nucleazione del ferro fuso fuso nel forno elettrico a induzione è ridotta e la bocca bianca tende ad essere grande ed è facile produrre grafite super raffreddata. Sebbene la resistenza e la durezza siano aumentate, la qualità metallurgica della ghisa non è elevata.

Negli anni '1980, gli ingegneri cinesi che sono andati all'estero per studiare e studiare hanno visto che oggetti neri simili a vetri rotti venivano aggiunti al forno elettrico delle fonderie straniere quando venivano fusi. Dopo le indagini, hanno appreso che si trattava di carburo di silicio. Anche le fonderie nazionali finanziate dal Giappone hanno utilizzato per lungo tempo il carburo di silicio come additivo in grandi quantità. Nella fusione del ferro fuso in cubilotto o in forno elettrico, i vantaggi dell'aggiunta dell'agente di pretrattamento SiC sono molti. Il carburo di silicio è diviso in grado abrasivo e grado metallurgico. Il primo è di elevata purezza e costoso, mentre il secondo ha un prezzo basso.

Il carburo di silicio aggiunto nel forno viene convertito in carbonio e silicio di ghisa. Uno è aumentare il carbonio equivalente; l'altro è quello di rafforzare la riduzione del ferro fuso e ridurre notevolmente gli effetti negativi della carica arrugginita. L'aggiunta di carburo di silicio può prevenire la precipitazione dei carburi, aumentare la quantità di ferrite, rendere densa la struttura in ghisa, migliorare significativamente le prestazioni di lavorazione e rendere liscia la superficie di taglio. Aumentare il numero di sfere di grafite per unità di area di ghisa nodulare e aumentare il tasso di sferoidizzazione. Ha anche un buon effetto sulla riduzione di inclusioni e scorie non metalliche, sull'eliminazione della porosità da ritiro e sull'eliminazione dei pori sottocutanei.

2. Il ruolo del pretrattamento

2.1 Il principio di nucleazione Nel sistema eutettico Fe-C, la ghisa grigia è la fase principale dell'eutettico a causa dell'alto punto di fusione della grafite durante la fase di solidificazione eutettica e l'austenite viene precipitata dalla grafite. I grani bifase grafite + austenite co-cresciuti e co-cresciuti formati con ciascun nucleo di grafite come centro sono chiamati cluster eutettici. Gli aggregati di grafite submicroscopica, le particelle di grafite non fusa, alcuni solfuri ad alto punto di fusione, ossidi, carburi, particelle di nitruro, ecc. esistenti nella massa fusa di ghisa possono diventare nuclei di grafite eterogenei. Non vi è alcuna differenza essenziale tra la nucleazione della ghisa nodulare e la nucleazione della ghisa grigia, tranne per il fatto che al materiale del nucleo vengono aggiunti ossidi e solfuri di magnesio.
       
La precipitazione della grafite nel ferro fuso deve subire due processi: nucleazione e crescita. Esistono due modi di nucleazione della grafite: nucleazione omogenea e nucleazione eterogenea. La nucleazione omogenea è anche chiamata nucleazione spontanea. C'è un gran numero di atomi di carbonio ondulati nel ferro fuso che superano la dimensione critica del nucleo del cristallo e i gruppi di atomi di carbonio disposti in modo ordinato nel breve raggio possono diventare nuclei di cristallo omogenei. Gli esperimenti mostrano che il grado di sovraraffreddamento dei nuclei di cristallo omogenei è molto grande e il nucleo di cristallo eterogeneo deve essere utilizzato principalmente come agente nucleante per la grafite nel ferro fuso. C'è un gran numero di particelle estranee nella ghisa fusa e ci sono 5 milioni di punti di materiale ossidato in ogni 1 cm3 di ferro fuso. Solo quelle particelle che hanno una certa relazione con i parametri reticolari e le fasi della grafite possono diventare substrati di nucleazione della grafite. Il parametro caratteristico della relazione di corrispondenza del reticolo è chiamato grado di disadattamento del piano. Naturalmente, solo quando il disallineamento del piano reticolare è piccolo, gli atomi di carbonio possono facilmente adattarsi al nucleo di grafite. Se il materiale di nucleazione è costituito da atomi di carbonio, il loro grado di disadattamento è zero e tali condizioni di nucleazione sono le migliori.

L'energia interna del carburo di silicio decomposto in carbonio e silicio nel ferro fuso è maggiore del carbonio e del silicio contenuti nel ferro fuso stesso. Il Si contenuto nel ferro fuso stesso è disciolto nell'austenite e il carbonio nel ferro fuso della ghisa duttile è in parte nel ferro. Nel liquido si formano sfere di grafite, alcune delle quali non sono ancora precipitate in austenite. Pertanto, l'aggiunta di carburo di silicio ha un buon effetto disossidazione.

• Si + O2 → SiO2
• (1) MgO +SiO2 →MgO∙SiO2
• (2) 2MgO +2SiO2→ 2MgO∙2SiO2
• (3) La composizione di enstatite MgO∙SiO2 e la composizione di forsterite 2MgO∙2SiO2 hanno un alto grado di disadattamento con la grafite (001), che è difficile da usare come base per la nucleazione della grafite. Dopo essere stato trattato con ferro fuso contenente Ca, Ba, Sr, Al e ferrosilicio, MgO∙SiO2 + X → XO∙SiO2 + Mg
• (4) (2MgO∙2SiO2) + 3X+ 6Al → 3 (XO∙Al2O3∙2SiO2) + 8Mg
• (5) Dove X——Ca, Ba, Sr.

I prodotti di reazione XO∙SiO2 e XO∙Al2O3∙SiO possono formare cristalli sfaccettati su substrati MgO∙SiO2 e 2MgO∙2SiO2. A causa della scarsa corrispondenza tra grafite e XO∙SiO2 e XO∙Al2O3∙SiO2, è favorevole alla nucleazione della grafite. Buona grafitizzazione. Può migliorare le prestazioni di elaborazione e migliorare le proprietà meccaniche.

2.2 Pre-inoculazione di grafite di non equilibrio:

Generalmente, l'ambito della nucleazione eterogenea viene ampliato attraverso l'inoculazione e il ruolo della nucleazione eterogenea nel ferro fuso:

• Promuove una grande quantità di precipitazione di C nella fase di solidificazione eutettica e forma grafite per promuovere la grafitizzazione;
• ②Ridurre il grado di superraffreddamento del ferro fuso e ridurre la tendenza alla bocca bianca;
• ③Aumentare il numero di cluster eutettici nella ghisa grigia o aumentare il numero di sfere di grafite nella ghisa duttile.

SiC viene aggiunto durante la fusione della carica. Il carburo di silicio ha un punto di fusione di 2700°C e non fonde nel ferro fuso. Si scioglie solo nel ferro fuso secondo la seguente formula di reazione.
SiC+Fe→FeSi+C (grafite di non equilibrio)

(6) Nella formula, Si in SiC è combinato con Fe e il restante C è grafite di non equilibrio, che funge da nucleo della precipitazione della grafite. La grafite non in equilibrio rende il C nel ferro fuso distribuito in modo non uniforme e l'elemento C locale è troppo alto e nelle micro aree appariranno "picchi di carbonio". Questa nuova grafite ha un'elevata attività e la sua mancata corrispondenza con il carbonio è zero, quindi è facile assorbire il carbonio nel ferro fuso e l'effetto di inoculazione è estremamente superiore. Si può vedere che il carburo di silicio è un tale agente nucleante a base di silicio.

Il carburo di silicio viene aggiunto durante la fusione della ghisa. Per la ghisa grigia, la pre-incubazione della grafite di non equilibrio genererà un gran numero di cluster eutettici e aumenterà la temperatura di crescita (riducendo il relativo sottoraffreddamento), che è favorevole alla formazione di grafite di tipo A; il numero dei nuclei cristallini aumenta, formando le scaglie La grafite va bene, la quale migliora il grado di grafitizzazione e riduce la tendenza alla bocca bianca, migliorando così le proprietà meccaniche. Per la ghisa a grafite sferoidale, l'aumento dei nuclei cristallini aumenta il numero di sfere di grafite e la velocità di sferoidizzazione può essere migliorata.

2.3 Eliminazione della ghisa grigia ipereutettica a grafite tipo E. La grafite primaria di tipo C e di tipo F si forma nella fase liquida. Poiché il processo di crescita non è interferito dall'austenite, in circostanze normali, è facile crescere in grandi scaglie e grafite di tipo C meno ramificata: quando la colata a parete sottile viene raffreddata rapidamente, la grafite si ramifica e cresce in una stella. grafite a forma di F.
La grafite in scaglie cresciuta nella fase di solidificazione eutettica produce grafiti A, B, E, D di diverse forme e diverse distribuzioni in diverse composizioni chimiche e diverse condizioni di sottoraffreddamento.

La grafite di tipo A si forma nel cluster eutettico con basso sottoraffreddamento e forte capacità di nucleazione ed è distribuita uniformemente nella ghisa. Tra le perlite a scaglie fini, minore è la lunghezza della grafite, maggiore è la resistenza alla trazione, adatta per macchine utensili e vari getti meccanici.

La grafite di tipo D è grafite interdendritica puntiforme e laminata con distribuzione non direzionale. La ghisa a grafite di tipo D ha un alto contenuto di ferrite e le sue proprietà meccaniche sono influenzate. Tuttavia, la ghisa di grafite di tipo D ha molti dendriti di austenite, la grafite è corta e arricciata e il gruppo eutettico è sotto forma di pellet. Pertanto, rispetto alla stessa ghisa a grafite di tipo A matrice, tende ad avere una resistenza maggiore.

La grafite di tipo E è un tipo di grafite in scaglie più corta della grafite di tipo A. Come la grafite di tipo D, si trova tra i dendriti ed è indicata collettivamente come grafite dendritica. L'inchiostro E è facile da produrre in ghisa con basso contenuto di carbonio equivalente (alto grado di ipoeutettico) e dendriti ricchi di austenite. In questo momento, i cluster eutettici e i dendriti si incrociano. Poiché il numero di liquido di ferro eutettico interdendritico è piccolo, la grafite eutettica precipitata si distribuisce solo lungo la direzione dei dendriti, che ha una direzionalità ovvia. Il grado di sottoraffreddamento che forma la grafite di tipo E è maggiore di quello della grafite di tipo A e inferiore a quello della grafite di tipo D, e il suo spessore e la sua lunghezza sono compresi tra la grafite di tipo A e D. La grafite di tipo E non appartiene alla grafite superraffreddata ed è spesso accompagnata dalla grafite di tipo D. La distribuzione direzionale della grafite di tipo E tra i dendriti rende facile che la ghisa sia fragile e si rompa in una fascia lungo la direzione di disposizione della grafite sotto una piccola forza esterna. Pertanto, appare la grafite di tipo E e gli angoli dei getti piccoli possono essere rotti a mano e la resistenza dei getti è notevolmente ridotta. All'aumentare del contenuto di carbonio, aumenta la velocità di raffreddamento necessaria per formare grafite interdendritica fine e diminuisce la possibilità di produrre grafite interdendritica. L'alto grado di surriscaldamento del fuso e la conservazione del calore a lungo termine aumenteranno il grado di sottoraffreddamento, aumentando così il tasso di crescita dei dendriti, rendendo i dendriti più lunghi e con una direzionalità più evidente. Quando si usa SiC per preincubare il ferro fuso, si riduce contemporaneamente il sottoraffreddamento dell'austenite primaria e in questo momento si osservano brevi dendriti di austenite. Elimina le basi strutturali della grafite di tipo E.

2.4 Migliorare la qualità della ghisa

Per la ghisa a grafite sferoidale, a parità di agente sferoidale, pretrattamento con carburo di silicio, la resa finale in magnesio è maggiore. Per il ferro fuso pretrattato con carburo di silicio, se la quantità di magnesio residuo nel getto viene mantenuta approssimativamente uguale, la quantità di agente sferoidizzante aggiunto può essere ridotta del 10% e viene attenuata la tendenza alla bocca bianca della ghisa nodulare.

Carburo di silicio nel forno fusorio, oltre al carbonio e al silicio nel ferro fuso indicati nella formula (1), viene effettuata anche la reazione di disossidazione delle formule (2) e (3). Se il SiC aggiunto è vicino alla parete del forno, il SiO2 generato si depositerà sulla parete del forno e aumenterà lo spessore della parete del forno. Sotto l'alta temperatura di fusione, SiO2 subirà la reazione di decarburazione di formula (4) e la reazione di scorificazione di formula (5) e (6).

• (7) 3SiC + 2Fe2O3 = 3SiO2 +4Fe +3C
• (8) C + FeO → Fe + CO ↑
• (9) (SiO2) + 2C = [Si] + 2CO (stato gassoso)
• (10) SiO2 + FeO → FeO·SiO2 (scorie)
• (11) Al2O3 + SiO2 → Al2O3·SiO2 (scorie)

L'effetto disossidante del carburo di silicio fa sì che il prodotto disossidato abbia una serie di reazioni metallurgiche nel ferro fuso, riducendo gli effetti nocivi degli ossidi nella carica corrosa e purificando efficacemente il ferro fuso.

2.5 Come usare il carburo di silicio

La purezza del carburo di silicio di grado metallurgico è compresa tra l'88% e il 90% e le impurità devono essere detratte per prime quando si calcola l'aumento di carbonio e silicio. Secondo la formula molecolare del carburo di silicio, è facile ottenere: Aumento del carbonio: C= C/(C + Si) = 12 / (12 + 28) = 30% (12) Aumento del silicio: Si = Si/(C + Si) = 28 / (12 + 28) = 70% (13) La quantità di carburo di silicio aggiunta è solitamente dello 0.8%-1.0% della quantità di ferro fuso. Il metodo per aggiungere carburo di silicio è: fondere il ferro fuso in un forno elettrico. Quando il crogiolo scioglie 1/3 della carica, aggiungilo al centro del crogiolo, cerca di non toccare la parete del forno, quindi continua ad aggiungere la carica per la fusione. Nella fusione a cupola del ferro fuso, il carburo di silicio con una dimensione delle particelle di 1-5 mm può essere miscelato con una quantità appropriata di cemento o altri adesivi e l'acqua viene aggiunta per formare una massa. Dopo essere stato essiccato al sole caldo, può essere utilizzato in forno secondo il rapporto di lotto.

3. Osservazioni conclusive

Negli ultimi 20 anni, che si tratti di un camion, di un'auto aziendale o di una famiglia, ridurre il peso del veicolo è sempre stato il trend di sviluppo della ricerca e sviluppo automobilistico. Nel crollo del mercato della crisi finanziaria, China Northern Corporation ha invertito la tendenza ed ha esportato autocarri pesanti in Nord America, proprio sulla base del peso leggero degli autocarri pesanti. L'applicazione di ghisa grigia a parete sottile, ghisa duttile e ghisa a grafite vermicolare, ghisa duttile a parete spessa e ghisa duttile Aubrey, pone requisiti più elevati sulla qualità metallurgica della ghisa.

Il pretrattamento di inoculazione del carburo di silicio ha un buon effetto sul miglioramento della qualità metallurgica della ghisa. L'esperto di fonderia Li Chuanshi ha scritto un articolo che dopo che l'agente di pretrattamento è stato aggiunto al ferro fuso, si possono osservare due effetti: uno è quello di aumentare l'equivalente di carbonio; l'altro è quello di modificare le condizioni metallurgiche del ferro fuso, che ne aumenta la riducibilità.

Nel 1978, BC Godsell del Regno Unito ha pubblicato i risultati della sua ricerca sul pretrattamento del ferro duttile. Da allora, la ricerca sperimentale sul processo di pretrattamento è stata ininterrotta e il processo è ora relativamente maturo. Per la ghisa grigia, il pretrattamento di inoculazione al carburo di silicio può ridurre il grado di sottoraffreddamento e ridurre la tendenza alla bocca bianca; aumentare il nucleo di grafite, promuovere la formazione di grafite di tipo A, ridurre o prevenire la produzione di grafite di tipo B, E e D e aumentare il numero di cluster eutettici. Grafite lamellare fine; per la ghisa a grafite sferoidale, il pretrattamento di inoculazione al carburo di silicio favorisce l'aumento del numero di sfere di grafite nella ghisa, il tasso di sferoidizzazione e la rotondità delle sfere di grafite.

L'uso del carburo di silicio può rafforzare l'effetto di disossidazione e riduzione dell'ossido di ferro, compattare la struttura in ghisa e aumentare la levigatezza della superficie di taglio. L'uso del carburo di silicio può prolungare la vita della parete del forno senza aumentare il contenuto di alluminio e zolfo del ferro fuso.

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