产品应用 · 碳化硅在铸铁生产中如何应用？

一兵个人图书馆 2019-09-29

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摘要：在铸铁生产中提高铁水的冶金质量、生产质量稳定的高牌号灰铸铁件和铸态球墨铸铁件，保证获得理想的金相组织和力学性能，防止金相恶化、缩松、皮下气孔等铸造缺陷，是铸造企业努力追求的目标。而碳化硅经过大量生产实践验证是一种能有效改善铸铁冶金质量的重要材料之一。目前碳化硅在铸铁生产中的应用主要用于两方面：一是作增碳增硅剂用于合成铸铁；二是作为预处理剂用于铁液球化和孕育前的铁液预处理。

一、前言

碳化硅有磨料级（SiC≧98%）和冶金级（SiC≦94%）之分。磨料级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，大大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，显着提高加工性能并使切削面光洁。冶金级碳化硅在球墨铸铁生产中常被用于铁液的预处理，可形成长效石墨核心，增加球墨铸铁单位面积石墨球数，提高球化率。对于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（≧98%）在合成铸铁中的应用

（1）选定碳化硅作为增硅增碳剂理论依据：

SiC加入灰铁中可促进A型石墨的生成，改善冶金质量，提高铁液的纯净度，而且SiC对孕育处理的回应能力很好。使用碳化硅可以同时达到增碳增硅的目的，但主要是增硅，而且废钢（普通碳素钢）的碳硅含量低（C＜0.4%左右），组织细密，成熟度高，所以利用SiC和增碳剂的配合使用，可以获得组织和性能更优越的合成铸铁。

碳化硅的作用机理可能与碳化硅的熔解过程有关。与硅铁不同，碳化硅有很高的熔点，在铁水中不是熔化而是慢慢溶解，在溶解过程中不但向周围提供硅原子，还提供碳原子。同时碳化硅在铁水溶解过程中，在其周围形成许多细小的颗粒，这些颗粒再溶解，溶解后形成许多碳原子集团，这些碳原子集团就作为后来石墨形核的基础。碳化硅对球铁原铁水处理具有显着的减少白口倾向、消除反白口、改善组织的作用。

对所有的铸铁来说（灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁），铁液中晶核的存在都有助于铁液按照铁—石墨稳定系凝固。铸铁的凝固过程有两种形核条件：一种是奥氏体形核（目前没有这方面的应用）；另一种是石墨形核。目前的理论认为，为促进形成灰铸铁，需要有适当的并且有活性的结晶核心，这种核心是一种含有Ca、Ba、Sr、RE等活性元素的氧硫复杂化合物。进一步的理论认为，铁液中适当尺寸，没有溶解的石墨质点存在，可以作为促进先共晶和共晶石墨析出核心。也就是说，为了形成球状石墨核心，需要铸造用硅铁和碳化硅等（含有Ca、Ba、Sr、RE,等活性元素），铁液中石墨质点的存在有助于提高球状石墨核心的数量。实验和生产实践都表明在存在异质核心的情况下，碳化硅可以通过增加铁液中晶核点的数量来促进形核。因此在合成铸铁中，为了提高铁液的形核能力，在碳化硅的作用下，铁液的形核能力得到提高，进一步影响凝固过程，从而改善铸铁微观组织。

（2）SiC在合成铸铁中的应用研究

1.铁液中C、Si、Mn、P、S对SiC吸收率的影响：

在一定条件下，随着铁液中初始炭量和硅量的增加，SiC的吸收率会降低。初始碳量每增加0.1%，SiC的吸收率大约降低2%~3%；初始硅量每增加0.1%，SiC的吸收率大约降低3%~4%；随着铁液中硫、磷含量的增加，SiC的吸收率也会降低，硫量每增加0.01%，SiC的吸收率大约降低2%~3%；磷量每增加0.01%，SiC的吸收率大约降低1%~2%；而对于铁液中的锰含量来说，随着铁液中锰含量的增加，SiC的吸收率反而增加，锰量每增加0.1%，SiC的吸收率大约增加2%~3%。

2.SiC的加入量对SiC吸收率的影响：

在合成铸铁生产中，碳化硅的加入量对其增碳增硅效果有着重要影响，在熔炼时，随着碳化硅加入量的增加，吸收率逐渐降低，加入量少，不能达到增碳增硅的要求，加入量过多，铁液硅量超标。实验表明：当碳化硅的加入量小于1%时，碳和硅的吸收率为85%~95%，当加入量为1%~2%时，碳和硅的吸收率为80%~90%，当加入量为,2%~3%时，碳和硅的吸收率为70%~80%。

3.熔炼温度对SiC吸收率的影响：

熔炼温度在1400~1450℃时，SiC在铁液中未完全溶解，扩散速度较慢，SiC的吸收率较低；随着熔炼温度的升高，SiC的吸收率呈增加趋势，但SiC熔炼温度大于1600℃时，虽然碳化硅能完全溶解，但SiC的吸收率增加趋势减缓，反而此温度下铁水的吸气、氧化加重，能耗也高；因此将熔炼温度设置在1500~1550℃，此温度既能保证SiC具有较高的吸收率，也能保证铁水质量，且能降低能耗。

4）SiC的加入时间对SiC吸收率的影响：

因SiC密度较小，如果在炉料完全熔化后加入，SiC将浮在铁液上，使之不能充分溶解，SiC吸收率相对较低；废钢能够将SiC碳化硅压入铁液中，使SiC不易上浮，且长时间在铁液中溶解扩散，SiC的吸收率较高。试验表明，在加入量、SiC粒度、熔炼温度都相同的条件下，选择在炉料完全熔化后加入，SiC的吸收率为70%~80%，而选择在装料时加入，SiC的吸收率提高到90%~98%。

5）SiC的粒度对吸收率的影响：

SiC的粒度要恰当选用，粒度过小虽然比表面积增大，但由于浮于铁液表面，难以用废钢压入铁液中，因而与铁液接触的总面积不一定增加，同时一些熔渣上浮，易将SiC与铁液隔开，降低碳化硅的吸收率；粒度过大，SiC的比表面积降低，同样也降低吸收率。

碳化硅在合成铸铁中应用案例：

碳化硅技术标准

用碳化硅增碳增硅生产合成灰铸铁HT300：

用碳化硅增碳增硅生产合成灰铸铁HT300的化学成分

对HT300加入1.5%碳化硅（SiC≧98%），原材料选择废钢60%+回炉料40%，在熔炼过程中加入0.1%左右的硫化铁做增硫剂，选择1480~1500℃的出炉温度，出炉时浇注直径30mm的抗拉试棒。

金相组织和力学性能：

石墨类型：A型

石墨长度：5级（石长>6~12）

珠光体数量：珠>98%

碳化物和磷共晶：<1%

抗拉强度：310~330MPa

三、碳化硅作为预处理剂在铸铁中的应用

碳化硅作为预处理剂的理论依据

碳化硅的溶解特性：SiC在铁液中并不熔化，仅逐渐溶解，导致在SiC微粒周围局部区域碳和硅的富集和许多细小的过共晶区域，从而在该处析出许多石墨团簇和碳微粒，它们在一定时间、在热力学上是稳定的，在预孕育中起着很重要的作用。用作预处理用的冶金SiC含有百分之几的SiO2，它在部分SiC微粒外形成保护层（其熔点是1712℃），阻碍了SiC的溶解，从而延迟了碳集聚物的析出和存留时间。

SiC的溶解吸热过程（硅铁是放热过程），降低了局部Si和C富集区向铁液中的扩散速度。

从碳化硅的溶解特性的角度分析，它是一种十分理想的长效孕育剂，理由如下：

1. SiC孕育剂颗粒表面生成的SiO2膜阻隔（或延缓了）碳、硅元素在熔液中的扩散过程，防止过快自身浓度匀化，减少石墨衰退，十分利于长效孕育。

2. SiC与FeSi孕育剂相比，SiC更能承受铁液温度不稳定，造成孕育不良效果的影响，即无论温度低或偏高，均可达到好的孕育效果。温度低时（在保证SiC处理所要求的最低温度前提下），SiC颗粒表面生成的SiO2膜不会被铁液中的C去和SiO2反应，将SiO2膜消失或变薄，因为铁液中的碳必须在温度超过一定值后，才能有碳出现，按：SiO2 + [C] = Si + CO↑ 式子进行。

如果铁液温度过高，超过了临界值，从热力学角度看，熔液中有[C]出现，它必然要与SiC颗粒外壳SiO2膜反应，破坏或消耗SiO2膜。可是实践证明，SiC颗粒附近存在一个富Si层，它阻碍了这上面[C]还原反应的进行。所以，不管是低温或高温，孕育结果稳定。

3. 用SiC做孕育剂所得到的石墨核心数要比FeSi的多，一方面，“Ｃ”直接做了核心；另一方面，富Si微区使它附近的“Ｃ”过饱和，以石墨析出。核心数量多与受SiO2膜保护，以及富Si、富C的液体“围墙”挡住，这三条件足以使它变成长效孕育剂及预处理剂。

4. SiC经人工氧化后形成一定数量的裂开SiO2膜，可保证孕育结果稳定，可人为控制。

5. SiC起到了保证长效孕育功能的Si源作用。

（2）碳化硅预处理剂在灰铸铁、球墨铸铁生产中的作用：

1. SiC在灰铁预处理中的作用：

（A）促进A型石墨的形成;

(B)减少共晶过冷度;

(C)增加共晶团数;

(D)减少初生奥氏体过冷度，初生奥氏体树枝晶多且短，有利于形成A型石墨;

2. SiC在球铁预处理中的作用：

A)增加石墨球数，提高石墨球圆整度；