Como o carboneto de silício melhora a qualidade das peças fundidas?

Tempo de publicação: 06 / 17 2021 Autor: Editor do Site Visita: 13787

1.Introduction

A composição química do ferro fundido é a mesma, o processo de fundição é diferente e as propriedades do ferro fundido obtidas variam muito. A fundição adota métodos como superaquecimento do ferro fundido, tratamento de inoculação, alteração da relação de carga, adição de traços ou elementos de liga, etc., para melhorar a qualidade metalúrgica e o desempenho de fundição do ferro fundido e, ao mesmo tempo, melhorar muito as propriedades mecânicas e desempenho de processamento. A fundição de ferro fundido em forno elétrico de indução pode controlar efetivamente a temperatura do ferro fundido, ajustar com precisão a composição química, reduzir a perda de queima do elemento e ter baixo teor de enxofre e fósforo. É muito benéfico para a produção de ferro dúctil, ferro fundido grafite vermicular e ferro fundido cinzento de alta resistência. No entanto, a taxa de nucleação do ferro fundido fundido no forno elétrico de indução é reduzida, e a boca branca tende a ser grande, e é fácil produzir grafite super-resfriada. Embora a resistência e a dureza tenham aumentado, a qualidade metalúrgica do ferro fundido não é alta.

Na década de 1980, engenheiros chineses que foram para o exterior estudar e estudar viram que objetos pretos parecidos com vidro quebrado eram colocados no forno elétrico de fundições estrangeiras quando eram fundidos. Após investigações, eles descobriram que se tratava de carboneto de silício. Por muito tempo, as fundições domésticas financiadas pelo Japão também usam carboneto de silício como aditivo em grandes quantidades. Na fundição de ferro fundido em cúpula ou forno elétrico, as vantagens de adicionar o agente de pré-tratamento SiC são muitas. O carboneto de silício é dividido em grau abrasivo e grau metalúrgico. O primeiro é de alta pureza e caro, enquanto o último é de baixo preço.

O carboneto de silício adicionado ao forno é convertido em carbono e silício de ferro fundido. Uma é aumentar o equivalente de carbono; a outra é fortalecer a redução do ferro fundido e reduzir significativamente os efeitos adversos da carga enferrujada. A adição de carboneto de silício pode prevenir a precipitação de carbonetos, aumentar a quantidade de ferrita, tornar a estrutura do ferro fundido densa, melhorar significativamente o desempenho do processamento e tornar a superfície de corte lisa. Aumente o número de bolas de grafite por unidade de área de ferro fundido nodular e aumente a taxa de esferoidização. Também tem um bom efeito na redução de inclusões não metálicas e escória, eliminando porosidade de contração e eliminando poros subcutâneos.

2. O papel do pré-tratamento

2.1 O princípio da nucleação No sistema eutético Fe-C, o ferro fundido cinzento é a fase principal da eutética devido ao alto ponto de fusão da grafita durante a fase de solidificação eutética, e a austenita é precipitada pela grafita. Os grãos bifásicos de grafite + austenita co-crescidos e co-crescidos formados com cada núcleo de grafite como o centro são chamados de aglomerados eutéticos. Os agregados submicroscópicos de grafite, partículas de grafite não derretidas, alguns sulfetos de alto ponto de fusão, óxidos, carbonetos, partículas de nitreto, etc. existentes no fundido de ferro fundido podem se tornar núcleos de grafite heterogêneos. Não há diferença essencial entre a nucleação do ferro fundido nodular e a nucleação do ferro fundido cinzento, exceto que óxidos e sulfetos de magnésio são adicionados ao material do núcleo.

A precipitação do grafite no ferro fundido deve passar por dois processos: nucleação e crescimento. Existem duas formas de nucleação de grafite: nucleação homogênea e nucleação heterogênea. A nucleação homogênea também é chamada de nucleação espontânea. Há um grande número de átomos de carbono ondulantes no ferro fundido que excede o tamanho crítico do núcleo do cristal, e os grupos de átomos de carbono dispostos de maneira ordenada no curto intervalo podem se tornar núcleos de cristal homogêneos. Experimentos mostram que o grau de super-resfriamento de núcleos de cristal homogêneo é muito grande, e o núcleo de cristal heterogêneo deve ser usado principalmente como um agente de nucleação para grafite em ferro fundido. Há um grande número de partículas estranhas no ferro fundido e há 5 milhões de pontos de material oxidado em cada 1cm3 de ferro fundido. Apenas aquelas partículas que têm uma certa relação com os parâmetros de rede e fases da grafite podem se tornar substratos de nucleação de grafite. O parâmetro característico da relação de correspondência de rede é chamado de grau de incompatibilidade de plano. Claro, somente quando a incompatibilidade do plano da rede é pequena os átomos de carbono podem facilmente corresponder ao núcleo de grafite. Se o material de nucleação for átomos de carbono, então seu grau de incompatibilidade é zero e tais condições de nucleação são as melhores.

A energia interna do carboneto de silício decomposto em carbono e silício no ferro fundido é maior do que o carbono e o silício contidos no próprio ferro fundido. O Si contido no próprio ferro fundido é dissolvido na austenita, e o carbono no ferro fundido do ferro fundido dúctil está parcialmente no ferro. Esferas de grafite são formadas no líquido, algumas das quais ainda não foram precipitadas na austenita. Portanto, a adição de carboneto de silício tem um bom efeito de desoxidação.

Si + O2 → SiO2
(1) MgO + SiO2 → MgO ∙ SiO2
(2) 2MgO +2SiO2→ 2MgO∙2SiO2
(3) A composição de enstatita MgO ∙ SiO2 e a composição de forsterita 2MgO ∙ 2SiO2 têm um alto grau de incompatibilidade com a grafita (001), que é difícil de ser usada como base para nucleação de grafite. Após ser tratado com ferro fundido contendo Ca, Ba, Sr, Al e ferrossilício, MgO ∙ SiO2 + X → XO ∙ SiO2 + Mg
(4) (2MgO ∙ 2SiO2) + 3X + 6Al → 3 (XO ∙ Al2O3 ∙ 2SiO2) + 8Mg
(5) Onde X —— Ca, Ba, Sr.

Os produtos de reação XO ∙ SiO2 e XO ∙ Al2O3 ∙ SiO podem formar cristais facetados em substratos de MgO ∙ SiO2 e 2MgO ∙ 2SiO2. Devido à baixa incompatibilidade entre grafite e XO ∙ SiO2 e XO ∙ Al2O3 ∙ SiO2, é favorável à nucleação de grafite. Boa grafitização. Pode melhorar o desempenho do processamento e melhorar as propriedades mecânicas.

2.2 Pré-inoculação de grafite desequilibrada:

Geralmente, o escopo da nucleação heterogênea é expandido através da inoculação e o papel da nucleação heterogênea no ferro fundido:

①Promover grande quantidade de precipitação de C na fase de solidificação eutética e formar grafite para promover a grafitização;
②Reduzir o grau de super-resfriamento do ferro fundido e reduzir a tendência de boca branca;
③Aumente o número de aglomerados eutéticos no ferro fundido cinzento ou aumente o número de bolas de grafite no ferro dúctil.

O SiC é adicionado durante a fusão da carga. O carboneto de silício tem um ponto de fusão de 2700 ° C e não funde no ferro fundido. Ele só se funde em ferro fundido de acordo com a seguinte fórmula de reação.
SiC + Fe → FeSi + C (grafite sem equilíbrio)

(6) Na fórmula, Si em SiC é combinado com Fe, e o C restante é grafite fora de equilíbrio, que serve como o núcleo da precipitação de grafite. Grafite sem equilíbrio torna C no ferro fundido desigualmente distribuído, e o elemento C local é muito alto, e "picos de carbono" aparecerão nas microáreas. Este novo grafite tem alta atividade e sua incompatibilidade com o carbono é zero, por isso é fácil absorver o carbono no ferro fundido e o efeito da inoculação é extremamente superior. Pode ser visto que o carboneto de silício é um agente de nucleação à base de silício.

O carboneto de silício é adicionado durante a fundição do ferro fundido. Para o ferro fundido cinzento, a pré-incubação de grafite desequilibrada irá gerar um grande número de aglomerados eutéticos e aumentar a temperatura de crescimento (reduzir o sub-resfriamento relativo), o que favorece a formação de grafite tipo A; o número de núcleos de cristal aumenta, fazendo com que os flocos Grafite fique fina, o que melhora o grau de grafitização e diminui a tendência de boca branca, melhorando assim as propriedades mecânicas. Para ferro fundido de grafite esferoidal, o aumento de núcleos cristalinos aumenta o número de esferas de grafite e a taxa de esferoidização pode ser melhorada.

2.3 Eliminação do ferro fundido cinzento hipereutético de grafite tipo E. Grafite primária tipo C e tipo F são formadas na fase líquida. Como o processo de crescimento não é interferido pela austenita, em circunstâncias normais, é fácil crescer em grandes flocos e Grafita do tipo C menos ramificada: Quando a fundição de parede fina é resfriada rapidamente, a grafite se ramifica e se transforma em uma estrela grafite tipo F em forma.
O grafite em flocos cultivado no estágio de solidificação eutética produz grafites A, B, E, D de diferentes formas e diferentes distribuições sob diferentes composições químicas e diferentes condições de subresfriamento.

A grafite do tipo A é formada no aglomerado eutético com baixo subresfriamento e forte capacidade de nucleação, e é uniformemente distribuída no ferro fundido. Entre os flocos finos de perlita, quanto menor o comprimento do grafite, maior a resistência à tração, o que é adequado para máquinas-ferramenta e várias peças fundidas mecânicas.

A grafite Tipo D é uma grafite interdendrítica pontual e semelhante a uma folha com distribuição não direcional. O ferro fundido de grafite tipo D tem um alto teor de ferrita e suas propriedades mecânicas são afetadas. No entanto, o ferro fundido de grafite do tipo D tem muitos dendritos de austenita, a grafite é curta e ondulada e o grupo eutético está na forma de pellets. Portanto, em comparação com o mesmo ferro fundido de grafite tipo A de matriz, ele tende a ter maior resistência.

A grafite Tipo E é um tipo de grafite em flocos que é mais curta do que a grafite Tipo A. Como a grafite do tipo D, ela está localizada entre os dendritos e é coletivamente denominada grafite dendrítica. A tinta E é fácil de ser produzida em ferro fundido com baixo teor de carbono equivalente (alto grau de hipoeutética) e ricos dendritos de austenita. Nesse momento, os aglomerados eutéticos e os dendritos apresentam crescimento cruzado. Como o número de líquido de ferro eutético interdendrítico é pequeno, o grafite eutético precipitado apenas se distribui ao longo da direção dos dendritos, que tem direcionalidade óbvia. O grau de sub-resfriamento formando grafite do tipo E é maior do que o da grafite do tipo A e menor do que o da grafite do tipo D, e sua espessura e comprimento estão entre a grafite do tipo A e D. A grafite tipo E não pertence à grafite super-resfriada e é freqüentemente acompanhada pela grafite tipo D. A distribuição direcional da grafite do tipo E entre os dendritos torna fácil para o ferro fundido ser quebradiço e quebrar em uma faixa ao longo da direção do arranjo de grafite sob uma pequena força externa. Portanto, o grafite do tipo E aparece e os cantos de pequenas peças fundidas podem ser quebrados à mão, e a resistência das peças fundidas é bastante reduzida. À medida que o conteúdo de carbono aumenta, a taxa de resfriamento necessária para formar grafite interdendrítica fina aumenta e a possibilidade de produzir grafite interdendrítica diminui. O alto grau de superaquecimento do fundido e a preservação do calor a longo prazo aumentam o grau de subresfriamento, aumentando assim a taxa de crescimento dos dendritos, tornando-os mais longos e tendo uma direcionalidade mais óbvia. Quando o SiC é usado para pré-incubar o ferro fundido, o sub-resfriamento da austenita primária é reduzido ao mesmo tempo, e dendritos de austenita curtos são observados neste momento. Elimina a base estrutural da grafite tipo E.

2.4 Melhorar a qualidade do ferro fundido

Para o ferro fundido de grafite esferoidal, no caso da mesma quantidade de agente esferoidizante, pré-tratamento com carboneto de silício, o rendimento final de magnésio é maior. Para ferro fundido pré-tratado com carboneto de silício, se a quantidade de magnésio residual na fundição for mantida aproximadamente a mesma, a quantidade de agente esferoidizante adicionado pode ser reduzida em 10%, e a tendência de boca branca do ferro fundido nodular é aliviada.

Carboneto de silício no forno de fundição, além do carbono e silício no ferro fundido mostrado na fórmula (1), a reação de desoxidação de fórmulas (2) e (3) também é realizada. Se o SiC adicionado estiver próximo à parede do forno, o SiO2 gerado se depositará na parede do forno e aumentará a espessura da parede do forno. Sob a alta temperatura de fundição, o SiO2 sofrerá a reação de descarbonetação de fórmula (4) e a reação de escória de fórmula (5) e (6).

(7) 3SiC + 2Fe2O3 = 3SiO2 + 4Fe + 3C
(8) C + FeO → Fe + CO ↑
(9) (SiO2) + 2C = [Si] + 2CO (estado gasoso)
(10) SiO2 + FeO → FeO · SiO2 (escória)
(11) Al2O3 + SiO2 → Al2O3 · SiO2 (escória)

O efeito desoxidante do carboneto de silício faz com que o produto desoxidado tenha uma série de reações metalúrgicas no ferro fundido, reduzindo os efeitos nocivos dos óxidos na carga corroída e purificando efetivamente o ferro fundido.

2.5 Como usar carboneto de silício

A pureza do carboneto de silício de grau metalúrgico está entre 88% e 90%, e as impurezas devem ser deduzidas primeiro ao calcular o aumento de carbono e silício. De acordo com a fórmula molecular do carboneto de silício, é fácil obter: Aumento de carbono: C = C / (C + Si) = 12 / (12 + 28) = 30% (12) Aumento de silício: Si = Si / (C + Si) = 28 / (12 + 28) = 70% (13) A quantidade de carboneto de silício adicionado é geralmente 0.8% -1.0% da quantidade de ferro fundido. O método de adição de carboneto de silício é: fundição de ferro fundido em um forno elétrico. Quando o cadinho derreter 1/3 da carga, adicione-o ao meio do cadinho, tente não tocar na parede do forno e, a seguir, continue a adicionar a carga para a fundição. Na fundição de ferro fundido em cúpula, carboneto de silício com um tamanho de partícula de 1-5 mm pode ser misturado com uma quantidade apropriada de cimento ou outros adesivos, e água é adicionada para formar uma massa. Depois de seco ao sol quente, pode ser usado no forno de acordo com a proporção do lote.

3. Observações finais

Nos últimos 20 anos, seja um caminhão, uma empresa ou um carro familiar, a redução do peso do veículo sempre foi a tendência de desenvolvimento da pesquisa e desenvolvimento automotivo. Na queda do mercado devido à crise financeira, a China Northern Corporation contrariou a tendência e exportou caminhões pesados para a América do Norte, precisamente com base no peso leve dos caminhões pesados. A aplicação de ferro fundido cinzento de paredes finas, ferro dúctil e ferro fundido grafite vermicular, ferro dúctil de parede espessa e ferro dúctil de Aubrey impõe requisitos mais elevados na qualidade metalúrgica do ferro fundido.

O pré-tratamento de inoculação de carboneto de silício tem um bom efeito na melhoria da qualidade metalúrgica do ferro fundido. O especialista em fundição Li Chuanshi escreveu um artigo que, após o agente de pré-tratamento ser adicionado ao ferro fundido, dois efeitos podem ser observados: um é aumentar o equivalente de carbono; a outra é mudar as condições metalúrgicas do ferro fundido, o que aumenta a redutibilidade.

Em 1978, BC Godsell do Reino Unido publicou seus resultados de pesquisa sobre o pré-tratamento do ferro dúctil. Desde então, a pesquisa experimental sobre o processo de pré-tratamento não foi interrompida e o processo agora está relativamente maduro. Para ferro fundido cinzento, o pré-tratamento de inoculação com carboneto de silício pode reduzir o grau de subresfriamento e reduzir a tendência de boca branca; aumentar o núcleo de grafite, promover a formação de grafite tipo A, reduzir ou impedir a produção de grafite tipo B, tipo E e tipo D e aumentar o número de aglomerados eutéticos. Grafite em flocos finos; para ferro fundido de grafite esferoidal, o pré-tratamento da inoculação de carboneto de silício promove o aumento do número de bolas de grafite no ferro fundido, a taxa de esferoidização e a redondeza das bolas de grafite.

O uso de carboneto de silício pode fortalecer o efeito de desoxidação e redução do óxido de ferro, compactar a estrutura do ferro fundido e aumentar a lisura da superfície de corte. O uso de carboneto de silício pode estender a vida útil da parede do forno sem aumentar o teor de alumínio e enxofre do ferro fundido.

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