炭化ケイ素は鋳造品の品質をどのように改善しますか？

公開時間： 06 / 17 2021 著者：サイト編集者訪問：13470

1.Introduction

溶銑の化学組成は同じで、製錬工程も異なり、得られる鋳鉄の性質も大きく異なります。鋳造所では、鋳鉄の冶金学的品質と鋳造性能を向上させると同時に、機械的特性を大幅に向上させるために、溶鉄の過熱、接種処理、装入率の変更、微量元素または合金元素の追加などの方法を採用しています。処理性能。溶銑の誘導電気炉製錬は、溶銑の温度を効果的に制御し、化学組成を正確に調整し、元素の燃焼損失を減らし、硫黄とリンの含有量を低くすることができます。ダクタイル鋳鉄、バーミキュラーグラファイト鋳鉄、高強度ねずみ鋳鉄の製造に非常に役立ちます。ただし、誘導電気炉で製錬された溶鉄の核生成速度が低下し、白口が大きくなりやすく、過冷却黒鉛の製造が容易になります。強度と硬度は向上していますが、鋳鉄の冶金学的品質は高くありません。

1980年代、海外に留学した中国人技術者は、製錬時に外国の鋳造所の電気炉に黒い割れたガラスのような物体が追加されているのを見ました。問い合わせたところ、炭化ケイ素であることがわかりました。日本国内の鋳造会社も、炭化ケイ素を添加剤として長い間大量に使用してきました。溶鉄を製錬するキューポラや電気炉では、前処理剤SiCを添加することの利点はたくさんあります。炭化ケイ素は、研磨グレードと冶金グレードに分けられます。前者は純度が高く高価ですが、後者は低価格です。

炉に添加された炭化ケイ素は、鋳鉄の炭素とケイ素に変換されます。 XNUMXつは、炭素当量を増やすことです。もうXNUMXつは、溶鉄の還元を強化し、錆びた装入物の悪影響を大幅に低減することです。炭化ケイ素の添加は、炭化物の析出を防ぎ、フェライトの量を増やし、鋳鉄構造を緻密にし、加工性能を大幅に改善し、切断面を滑らかにすることができます。ダクタイル鋳鉄の単位面積あたりのグラファイトボールの数を増やし、球状化率を上げます。また、非金属介在物やスラグを減らし、収縮多孔性を排除し、皮下細孔を排除するのにも良い効果があります。

2.前処理の役割

2.1核形成の原理Fe-C共晶系では、共晶凝固段階での黒鉛の融点が高いため、灰色の鋳鉄が共晶の主相であり、オーステナイトは黒鉛によって析出します。各黒鉛コアを中心に形成された二相黒鉛＋オーステナイト共晶粒と共晶粒を共晶クラスターと呼びます。鋳鉄溶融物中に存在する超微視的黒鉛凝集体、未溶融黒鉛粒子、いくつかの高融点硫化物、酸化物、炭化物、窒化物粒子などは、不均一な黒鉛核になる可能性がある。酸化マグネシウムと硫化物がコア材料に添加されていることを除いて、球状黒鉛鋳鉄の核形成とねずみ鋳鉄の核形成の間に本質的な違いはありません。

溶鉄中のグラファイトの析出は、核形成と成長の5つのプロセスを経る必要があります。グラファイトの核生成には、均一核生成と不均一核生成の1つの方法があります。均一核生成は、自発核生成とも呼ばれます。溶鉄には臨界結晶核サイズを超える起伏のある炭素原子が多数存在し、短距離で規則正しく配列された炭素原子基は均質な結晶核になる可能性があります。実験によれば、均一な結晶核の過冷却の程度は非常に大きく、不均一な結晶核は主に溶鉄中の黒鉛の核剤として使用されなければならない。溶銑には異物が多く、3cmXNUMXの溶銑ごとにXNUMX万個の酸化物があります。グラファイトの格子定数および相と特定の関係がある粒子のみが、グラファイト核形成基板になることができます。格子整合関係の特徴的なパラメータは、平面不整合度と呼ばれます。もちろん、格子面の不一致が小さい場合にのみ、炭素原子はグラファイト核と容易に一致することができます。核生成材料が炭素原子の場合、それらの不一致度はゼロであり、そのような核生成条件が最適です。

溶銑中で炭素とケイ素に分解された炭化ケイ素の内部エネルギーは、溶銑自体に含まれる炭素とケイ素よりも大きい。溶銑自体に含まれるSiはオーステナイトに溶解し、ダクタイル鋳鉄の溶銑中の炭素の一部は鉄に含まれています。グラファイト球は液体中で形成され、その一部はまだオーステナイトで沈殿していません。したがって、炭化ケイ素の添加は、良好な脱酸効果を有する。

Si + O2→SiO2
（1）MgO + SiO2→MgO∙SiO2
(2) 2MgO +2SiO2→ 2MgO∙2SiO2
（3）頑火輝石組成MgO・SiO2およびフォルステライト組成2MgO・2SiO2は、黒鉛核生成のベースとして使用するのが難しい黒鉛（001）とのミスマッチ度が高い。 Ca、Ba、Sr、Al、フェロシリコンを含む溶鉄で処理した後、MgO・SiO2 + X→XO・SiO2 + Mg
（4）（2MgO∙2SiO2）+ 3X + 6Al→3（XO∙Al2O3∙2SiO2）+ 8Mg
（5）ここで、X——Ca、Ba、Sr。

反応生成物XO∙SiO2およびXO∙Al2O3∙SiOは、MgO∙SiO2および2MgO∙2SiO2基板上にファセット結晶を形成できます。グラファイトとXO・SiO2およびXO・Al2O3・SiO2のミスマッチが少ないため、グラファイトの核生成を促進します。良好な黒鉛化。加工性能を向上させ、機械的性質を向上させることができます。

2.2非平衡グラファイトの事前接種：

一般に、不均一核生成の範囲は、接種によって拡大され、溶鉄における不均一核生成の役割は次のとおりです。

①共晶凝固段階でCの大量析出を促進し、黒鉛を形成して黒鉛化を促進します。
②溶銑過冷却の程度を減らし、白口の傾向を減らします。
③ねずみ鋳鉄の共晶クラスターの数を増やすか、ダクタイル鋳鉄の黒鉛球の数を増やします。

SiCは、装入物の製錬中に追加されます。炭化ケイ素の融点は2700°Cで、溶鉄には溶けません。次の反応式に従って溶銑中でのみ溶けます。
SiC + Fe→FeSi + C（非平衡黒鉛）

（6）式では、SiC中のSiはFeと結合し、残りのCは非平衡黒鉛であり、黒鉛析出のコアとして機能します。非平衡黒鉛は溶銑中のCを不均一に分布させ、局所的なC元素が高すぎるため、微小領域に「炭素ピーク」が現れます。この新しい黒鉛は活性が高く、炭素とのミスマッチがゼロであるため、溶鉄中の炭素を吸収しやすく、接種効果が非常に優れています。炭化ケイ素はそのようなシリコンベースの核剤であることが分かる。

炭化ケイ素は、鋳鉄の製錬中に追加されます。ねずみ鋳鉄の場合、非平衡黒鉛のプレインキュベーションにより、多数の共晶クラスターが生成され、成長温度が上昇し（相対的な過冷却が減少）、A型黒鉛の形成につながります。結晶核の数が増え、フレークが細かくなります。これにより、黒鉛化の程度が向上し、白口の傾向が減少し、それによって機械的特性が向上します。ダクタイル鋳鉄の場合、結晶コアの増加により黒鉛球の数が増加し、球状化率を向上させることができます。

2.3E型黒鉛過共晶ねずみ鋳鉄の除去。 C型およびF型の一次黒鉛は液相で形成されます。成長過程はオーステナイトの影響を受けないため、通常の状況では、大きなフレークや分岐の少ないC型グラファイトに成長しやすくなります。薄肉鋳物を急速に冷却すると、グラファイトは分岐して星状に成長します。成形されたF型グラファイト。
共晶凝固段階で成長したフレークグラファイトは、さまざまな化学組成とさまざまな過冷却条件下で、さまざまな形状とさまざまな分布のA、B、E、Dグラファイトを生成します。

タイプAのグラファイトは、過冷却が少なく核形成能力が強い共晶クラスターで形成され、鋳鉄に均一に分布しています。ファインフレークパーライトの中で、黒鉛長が短いほど引張強度が高く、工作機械や各種機械鋳造に適しています。

タイプDグラファイトは、方向性のない分布を持つ点状およびシート状の樹枝状グラファイトです。 D型黒鉛鋳鉄はフェライト含有量が高く、機械的性質に影響を与えます。しかし、D型黒鉛鋳鉄はオーステナイトデンドライトが多く、黒鉛は短くカールしており、共晶基はペレット状です。そのため、同じマトリックスのA型黒鉛鋳鉄に比べて強度が高くなる傾向があります。

タイプEグラファイトは、タイプAグラファイトよりも短いフレークグラファイトの一種です。 D型黒鉛と同様に、デンドライトの間に位置し、総称して樹枝状黒鉛と呼ばれます。 Eインクは、炭素当量が低く（亜共晶性が高い）、オーステナイトデンドライトが豊富な鋳鉄で簡単に製造できます。このとき、共晶クラスターとデンドライトは交差成長します。樹枝状共晶鉄液の数が少ないため、析出した共晶黒鉛は樹状突起の方向にのみ分布し、明らかな方向性を持っています。 E型黒鉛の過冷却形成度はA型黒鉛よりも大きく、D型黒鉛よりも小さく、厚さ、長さはA型黒鉛とD型黒鉛の間である。タイプEのグラファイトは過冷却グラファイトに属しておらず、タイプDのグラファイトを伴うことがよくあります。デンドライト間のE型グラファイトの方向分布により、鋳鉄は小さな外力の下でグラファイトの配置方向に沿って脆くなり、バンドで壊れやすくなります。そのため、E型黒鉛が出現し、小さな鋳物の角を手で割ることができ、鋳物の強度が大幅に低下します。炭素含有量が増加すると、微細な樹枝状黒鉛を形成するために必要な冷却速度が増加し、樹枝状黒鉛を生成する可能性が減少します。溶融物の高度の過熱および長期の保温は、過冷却の程度を増加させ、それによってデンドライトの成長速度を増加させ、デンドライトをより長くし、より明白な方向性を有する。 SiCを使用して溶鉄をプレインキュベートすると、同時に一次オーステナイトの過冷却が減少し、この時点で短いオーステナイトデンドライトが観察されます。 E型グラファイトの構造的基盤を排除します。

2.4鋳鉄の品質を向上させる

球状黒鉛鋳鉄の場合、同量の球状化剤の場合、炭化ケイ素で前処理すると、マグネシウムの最終収率が高くなります。炭化ケイ素で前処理した溶銑の場合、鋳物中の残留マグネシウム量をほぼ同じに保つと、球状化剤の添加量を10％減らすことができ、ダクタイル鋳鉄の白口傾向が緩和されます。

高炉内の炭化ケイ素は、式（1）に示す溶銑中の炭素とケイ素に加えて、式（2）と（3）の脱酸反応も行います。添加したSiCが炉壁に近い場合、発生したSiO2が炉壁に堆積し、炉壁の厚みが増します。製錬の高温下で、SiO2は式（4）の脱炭反応と式（5）および（6）のスラッギング反応を受けます。

（7）3SiC + 2Fe2O3 = 3SiO2 + 4Fe + 3C
（8）C + FeO→Fe + CO↑
（9）（SiO2）+ 2C = [Si] + 2CO（気体状態）
（10）SiO2 + FeO→FeO・SiO2（スラグ）
（11）Al2O3 + SiO2→Al2O3・SiO2（スラグ）

炭化ケイ素の脱酸効果により、脱酸された製品は溶銑中で一連の冶金反応を起こし、腐食した装入物中の酸化物の有害な影響を減らし、溶銑を効果的に精製します。

2.5炭化ケイ素の使用方法

冶金グレードの炭化ケイ素の純度は88％から90％の間であり、炭素とシリコンの増加を計算するときに不純物を最初に差し引く必要があります。炭化ケイ素の分子式によれば、次のように簡単に得ることができます。炭素の増加：C = C /（C + Si）= 12 /（12 + 28）= 30％（12）シリコンの増加：Si = Si /（C + Si）= 28 /（12 + 28）= 70％（13）炭化ケイ素の添加量は、通常、溶融鉄の量の0.8％〜1.0％です。炭化ケイ素を添加する方法は次のとおりです。電気炉で溶鉄を製錬します。るつぼが装入物の1/3を溶かしたら、坩堝の中央に追加し、炉壁に触れないようにしてから、引き続き製錬用の装入物を追加します。キューポラ製錬溶融鉄では、粒度1〜5mmの炭化ケイ素を適量のセメントなどの接着剤と混合し、水を加えて塊を形成します。高温の天日で乾燥させた後、バッチ比に応じて炉内で使用できます。

3.おわりに

過去20年間、トラック、ビジネスカー、ファミリーカーのいずれであっても、車両の軽量化は常に自動車の研究開発の開発トレンドでした。金融危機の市場低迷の中で、チャイナノーザンコーポレーションはこの傾向に逆らい、大型トラックの軽量性に正確に基づいて、大型トラックを北米に輸出しました。薄肉の灰色鋳鉄、ダクタイル鋳鉄およびバーミキュラーグラファイト鋳鉄、厚肉のダクタイル鋳鉄およびオーブリーダクタイル鋳鉄の適用は、鋳鉄の冶金学的品質に対するより高い要件を提唱している。

炭化ケイ素の接種前処理は、鋳鉄の冶金学的品質を改善するのに良い効果があります。鋳造の専門家であるLiChuanshiは、前処理剤を溶鉄に添加した後、XNUMXつの効果が観察されるという記事を書きました。XNUMXつは炭素当量を増やすことです。もうXNUMXつは、溶鉄の冶金学的条件を変更することです。これにより、還元性が向上します。

1978年、英国のBC Godsellは、ダクタイル鋳鉄の前処理に関する研究結果を発表しました。それ以来、前処理プロセスに関する実験的研究は中断されず、プロセスは現在比較的成熟しています。ねずみ鋳鉄の場合、炭化ケイ素接種前処理により、過冷却の程度を減らし、白口の傾向を減らすことができます。グラファイトコアを増やし、Aタイプのグラファイトの形成を促進し、Bタイプ、Eタイプ、およびDタイプのグラファイトの生成を減らすか防止し、共晶クラスターの数を増やします。ファインフレークグラファイト; 球状黒鉛鋳鉄の場合、炭化ケイ素接種の前処理により、鋳鉄中の黒鉛球の数、球状化率、および黒鉛球の真円度の増加が促進されます。

炭化ケイ素の使用は、酸化鉄の脱酸および還元効果を強化し、鋳鉄構造をコンパクトにし、切断面の滑らかさを向上させることができます。炭化ケイ素の使用は、溶鉄のアルミニウムと硫黄の含有量を増やすことなく、炉壁の寿命を延ばすことができます。

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