碳化硅如何提高铸件质量？
1.Introduction
铁水的化学成分相同，冶炼工艺不同，所得铸铁的性能差别很大。 铸造厂采用铁水过热、孕育处理、改变装料比、添加微量或合金元素等方法，提高铸铁的冶金质量和铸造性能，同时大大提高了铸铁的力学性能和性能。处理性能。 感应电炉熔炼铁水可有效控制铁水温度，准确调节化学成分，减少元素烧损，硫、磷含量低。 非常有利于球墨铸铁、蠕墨铸铁和高强度灰铸铁的生产。 但感应电炉冶炼出的铁水形核率降低，白口趋于大，易产生过冷石墨。 虽然强度和硬度有所提高，但铸铁的冶金质量并不高。
1980年代，中国工程师出国留学，看到国外铸造厂的电炉冶炼时加入黑色碎玻璃状物体。 经过询问，他们得知是碳化硅。 国内日资代工企业也长期大量使用碳化硅作为添加剂。 在冲天炉或电炉熔炼铁水时，添加预处理剂SiC的优点很多。 碳化硅分为磨料级和冶金级。 前者纯度高，价格昂贵，而后者价格低。
加入炉内的碳化硅转化为铸铁的碳和硅。 一是增加碳当量； 二是加强铁水还原，大大减少生锈炉料的不良影响。 碳化硅的加入可以防止碳化物析出，增加铁素体量，使铸铁组织致密，显着提高加工性能，使切削表面光滑。 增加球墨铸铁单位面积的石墨球数，提高球化率。 对减少非金属夹杂物和熔渣，消除收缩气孔，消除皮下气孔也有很好的效果。
2. 预处理的作用
2.1 形核原理在Fe-C共晶体系中，由于石墨在共晶凝固阶段的高熔点，灰口铸铁是共晶的主导相，奥氏体被石墨析出。 以每个石墨核为中心形成的两相石墨+奥氏体共生长和共生长晶粒称为共晶团簇。 铸铁熔体中存在的亚显微石墨聚集体、未熔化的石墨颗粒、一些高熔点的硫化物、氧化物、碳化物、氮化物颗粒等都可能成为异质石墨核。 球墨铸铁的形核与灰口铸铁的形核没有本质区别，只是在芯材中加入了氧化镁和硫化镁。
石墨在铁水中的沉淀必须经历两个过程：成核和生长。 石墨成核有两种方式：均相成核和异相成核。 均相成核也称为自发成核。 铁水中存在大量超过临界晶核尺寸的起伏碳原子，短程有序排列的碳原子团可能成为均质晶核。 实验表明，均质晶核的过冷度很大，非均质晶核必须主要用作铁水中石墨的成核剂。 铸铁液中含有大量异物，每5cm1铁液中有3万个氧化物质点。 只有那些与石墨的晶格参数和物相有一定关系的颗粒才能成为石墨成核基体。 晶格匹配关系的特征参数称为平面失配度。 当然，只有在晶格面失配较小的情况下，碳原子才容易与石墨核匹配。 如果成核材料是碳原子，则它们的错配度为零，这样的成核条件是最好的。
碳化硅在铁水中分解成碳和硅的内能大于铁水本身所含的碳和硅。 铁水中所含的Si本身溶解在奥氏体中，而球墨铸铁的铁水中的碳部分存在于铁中。 石墨球在液体中形成，其中一些尚未在奥氏体中沉淀。 因此，碳化硅的加入具有良好的脱氧效果。
- 硅+氧气→二氧化硅
- (1) MgO+SiO2→MgO·SiO2
- (2) 2MgO +2SiO2→ 2MgO∙2SiO2
- (3) 顽火石成分 MgO∙SiO2 和镁橄榄石成分 2MgO∙2SiO2 与石墨 (001) 的失配度高，难以作为石墨形核的基础。 用含Ca、Ba、Sr、Al和硅铁的铁水处理后，MgO∙SiO2 + X → XO∙SiO2 + Mg
- (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 和 2MgO∙2SiO2 衬底上形成多面晶体。 由于石墨与XO∙SiO2和XO∙Al2O3∙SiO2之间的低失配，有利于石墨形核。 良好的石墨化。 可改善加工性能，改善机械性能。
2.2 非平衡石墨的预孕育：
一般通过孕育扩大异相形核的范围，异相形核在铁水中的作用：
- ①促进共晶凝固阶段大量析出C，形成石墨，促进石墨化；
- ②降低铁水过冷度，减少白口倾向；
- ③增加灰口铸铁中的共晶团簇数量或增加球墨铸铁中的石墨球数量。
碳化硅是在炉料冶炼过程中加入的。 碳化硅的熔点为 2700°C，不会在铁水中熔化。 它仅根据以下反应式在铁水中熔化。
SiC+Fe→FeSi+C（非平衡石墨）
(6)式中，SiC中的Si与Fe结合，剩余的C为非平衡石墨，作为石墨析出的核心。 非平衡石墨使铁水中C分布不均，局部C元素含量过高，微区会出现“碳峰”。 这种新型石墨活性高，与碳的失配为零，容易吸附铁水中的碳，孕育效果极其优越。 可见碳化硅就是这样一种硅基成核剂。
碳化硅是在铸铁冶炼过程中加入的。 对于灰铸铁，非平衡石墨的预孵化会产生大量的共晶团簇，提高生长温度（降低相对过冷度），有利于A型石墨的形成； 晶核数增多，使片状石墨细小，提高了石墨化程度，降低了白口倾向，从而提高了力学性能。 对于球墨铸铁，晶核的增加会增加石墨球的数量，可以提高球化率。
2.3 消除E型石墨过共晶灰口铸铁。 C型和F型原生石墨在液相中形成。 由于生长过程不受奥氏体的干扰，一般情况下，很容易长成大片状、支化少的C型石墨：当薄壁铸件快速冷却时，石墨会支化长成星状。 F型石墨。
在共晶凝固阶段生长的片状石墨在不同的化学成分和不同的过冷条件下产生不同形状和不同分布的A、B、E、D石墨。
A型石墨在共晶团簇中形成，过冷度低，形核能力强，在铸铁中分布均匀。 在细小片状珠光体中，石墨长度越小，抗拉强度越高，适用于机床和各种机械铸件。
D型石墨是点状和片状的无方向分布的枝晶间石墨。 D型石墨铸铁铁素体含量高，影响其力学性能。 但D型石墨铸铁有许多奥氏体枝晶，石墨短而卷曲，共晶群呈球团状。 因此，与相同基体的A型石墨铸铁相比，具有更高的强度。
E型石墨是一种比A型石墨短的片状石墨。 与D型石墨一样，位于枝晶之间，统称为枝晶石墨。 碳当量低（亚共晶程度大）和丰富的奥氏体枝晶的铸铁容易生产E墨水。 此时，共晶团簇和枝晶交叉生长。 由于枝晶间共晶铁液数量少，析出的共晶石墨仅沿枝晶方向分布，具有明显的方向性。 形成E型石墨的过冷度大于A型石墨而小于D型石墨，其厚度和长度介于A型和D型石墨之间。 E型石墨不属于过冷石墨，常伴有D型石墨。 E型石墨在枝晶间的定向分布使得铸铁在较小的外力作用下易脆化并沿石墨排列方向呈带状断裂。 因此出现E型石墨，用手将小铸件的边角折断，铸件的强度大大降低。 随着碳含量的增加，形成细小枝晶间石墨所需的冷却速度增加，产生枝晶间石墨的可能性降低。 熔体的高度过热和长期保温会增加过冷度，从而增加枝晶的生长速度，使枝晶更长，具有更明显的方向性。 用SiC预温铁水时，同时降低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 型石墨的结构基础。
2.4 提高铸铁质量
对于球墨铸铁，在球化剂用量相同的情况下，用碳化硅预处理，镁的最终收率较高。 对于用碳化硅预处理的铁水，如果铸件中残留镁量保持大致相同，球化剂的添加量可减少10%，减轻球墨铸铁白口倾向。
冶炼炉中的碳化硅，除了式（1）所示的铁水中的碳和硅外，还进行式（2）和（3）的脱氧反应。 如果添加的SiC靠近炉壁，生成的SiO2会沉积在炉壁上，增加炉壁的厚度。 在高温冶炼下，SiO2会发生式（4）的脱碳反应和式（5）、（6）的结渣反应。
- (7)3SiC+2Fe2O3=3SiO2+4Fe+3C
- (8) C+FeO→Fe+CO↑
- (9) (SiO2) + 2C = [Si] + 2CO（气态）
- (10) SiO2+FeO→FeO·SiO2（炉渣）
- (11) Al2O3 + SiO2 → Al2O3·SiO2（炉渣）
碳化硅的脱氧作用使脱氧产物在铁水中发生一系列冶金反应，减少腐蚀炉料中氧化物的有害作用，有效净化铁水。
2.5 如何使用碳化硅
冶金级碳化硅纯度在88%～90%之间，计算碳硅增量时必须先扣除杂质。 根据碳化硅的分子式易得： 碳增加：C=C/(C+Si)=12/(12+28)=30% (12)硅增加：Si=Si/(C + Si) = 28 / (12 + 28) = 70% (13) 碳化硅的加入量通常为铁水量的0.8%-1.0%。 添加碳化硅的方法是：在电炉中熔炼铁水。 当坩埚熔化1/3的炉料时，将其加入坩埚中间，尽量不要接触炉壁，然后继续加入炉料进行熔炼。 在冲天炉熔炼铁水时，可将粒度为1-5mm的碳化硅与适量的水泥或其他粘合剂混合，加水成团。 在烈日下晒干后，可按批次配比入炉使用。
3.结束语
近20年来，无论是卡车、商务车还是家用车，减轻车辆的自重一直是汽车研发的发展趋势。 在金融危机的市场低迷中，中国北方公司逆势而上，正是凭借重卡轻量化的优势，向北美出口重卡。 薄壁灰口铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁、厚壁球墨铸铁和奥布里球墨铸铁的应用，对铸铁的冶金质量提出了更高的要求。
碳化硅孕育预处理对提高铸铁的冶金质量有很好的效果。 铸造专家李传石撰文称，在铁水中加入预处理剂后，可以观察到两个效果：一是增加碳当量； 二是改变铁水的冶金条件，提高还原性。
1978年，英国BC Godsell发表了球墨铸铁预处理的研究成果。 此后，对预处理工艺的实验研究一直没有间断，目前工艺已经比较成熟。 对于灰口铸铁，碳化硅孕育预处理可以降低过冷度，减少白口倾向； 增加石墨核，促进A型石墨的形成，减少或阻止B型、E型和D型石墨的产生，增加共晶团簇的数量。 细鳞片石墨； 对于球墨铸铁，碳化硅孕育的预处理促进了铸铁中石墨球数量、球化率和石墨球圆度的增加。
使用碳化硅可以加强氧化铁的脱氧还原作用，使铸铁组织致密，增加切削面的光洁度。 使用碳化硅可以在不增加铁水铝和硫含量的情况下延长炉壁寿命。
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