Comment le carbure de silicium améliore-t-il la qualité des pièces moulées ?

Heure de publication: 06 / 17 2021 Auteur: Site Editor Visite: 13521

1.Introduction

La composition chimique de la fonte en fusion est la même, le processus de fusion est différent et les propriétés de la fonte obtenue varient considérablement. La fonderie adopte des méthodes telles que la surchauffe du fer en fusion, le traitement d'inoculation, la modification du rapport de charge, l'ajout d'éléments de trace ou d'alliage, etc., pour améliorer la qualité métallurgique et les performances de coulée de la fonte, tout en améliorant considérablement les propriétés mécaniques et performances de traitement. La fusion du fer en fusion au four électrique à induction peut contrôler efficacement la température du fer en fusion, ajuster avec précision la composition chimique, réduire les pertes par combustion des éléments et avoir une faible teneur en soufre et en phosphore. Il est très avantageux pour la production de fonte ductile, de fonte à graphite vermiculaire et de fonte grise à haute résistance. Cependant, le taux de nucléation du fer fondu fondu dans le four électrique à induction est réduit, et la bouche blanche a tendance à être grande, et il est facile de produire du graphite surfondu. Bien que la résistance et la dureté aient augmenté, la qualité métallurgique de la fonte n'est pas élevée.

Dans les années 1980, des ingénieurs chinois qui sont allés étudier et étudier à l'étranger ont vu que des objets noirs ressemblant à du verre brisé étaient ajoutés au four électrique de fonderies étrangères lorsqu'ils étaient fondus. Après enquête, ils ont appris qu'il s'agissait de carbure de silicium. Les fonderies nationales financées par le Japon utilisent également depuis longtemps le carbure de silicium comme additif en grande quantité. Dans les cubilots ou les fours électriques de fusion de la fonte, les avantages de l'ajout d'agent de prétraitement SiC sont nombreux. Le carbure de silicium est divisé en qualité abrasive et qualité métallurgique. Le premier est très pur et cher, tandis que le second est peu coûteux.

Le carbure de silicium ajouté dans le four est transformé en carbone et en silicium de fonte. L'une consiste à augmenter l'équivalent carbone ; l'autre est de renforcer la réduction du fer fondu et de réduire considérablement les effets néfastes de la charge rouillée. L'ajout de carbure de silicium peut empêcher la précipitation des carbures, augmenter la quantité de ferrite, rendre la structure en fonte dense, améliorer considérablement les performances de traitement et rendre la surface de coupe lisse. Augmenter le nombre de billes de graphite par unité de surface de fonte nodulaire et augmenter le taux de sphéroïdisation. Il a également un bon effet sur la réduction des inclusions et des scories non métalliques, en éliminant la porosité de retrait et en éliminant les pores sous-cutanés.

2. Le rôle du prétraitement

2.1 Le principe de nucléation Dans le système eutectique Fe-C, la fonte grise est la phase principale de l'eutectique en raison du point de fusion élevé du graphite pendant la phase de solidification eutectique, et l'austénite est précipitée par le graphite. Les grains biphasés graphite + austénite co-développés et co-développés formés avec chaque noyau de graphite comme centre sont appelés amas eutectiques. Les agrégats de graphite submicroscopiques, les particules de graphite non fondues, certains sulfures à point de fusion élevé, oxydes, carbures, particules de nitrure, etc. existant dans la fonte fondue peuvent devenir des noyaux de graphite hétérogènes. Il n'y a pas de différence essentielle entre la nucléation de la fonte nodulaire et la nucléation de la fonte grise, sauf que des oxydes et des sulfures de magnésium sont ajoutés au matériau du noyau.

La précipitation du graphite dans le fer en fusion doit subir deux processus : la nucléation et la croissance. Il existe deux modes de nucléation du graphite : la nucléation homogène et la nucléation hétérogène. La nucléation homogène est également appelée nucléation spontanée. Il y a un grand nombre d'atomes de carbone ondulants dans le fer fondu qui dépassent la taille critique du noyau cristallin, et les groupes d'atomes de carbone disposés de manière ordonnée dans la courte plage peuvent devenir des noyaux cristallins homogènes. Les expériences montrent que le degré de surfusion des noyaux cristallins homogènes est très important et que le noyau cristallin hétérogène doit être principalement utilisé comme agent de nucléation du graphite dans le fer en fusion. Il y a un grand nombre de particules étrangères dans la fonte en fusion, et il y a 5 millions de points de matériau oxydé dans chaque 1 cm3 de fer en fusion. Seules les particules qui ont une certaine relation avec les paramètres de réseau et les phases du graphite peuvent devenir des substrats de nucléation du graphite. Le paramètre caractéristique de la relation d'appariement de réseau est appelé degré de non-concordance de plan. Bien sûr, ce n'est que lorsque le décalage du plan du réseau est faible que les atomes de carbone peuvent facilement correspondre au noyau de graphite. Si le matériau de nucléation est constitué d'atomes de carbone, alors leur degré de mésappariement est de zéro et de telles conditions de nucléation sont les meilleures.

L'énergie interne du carbure de silicium décomposé en carbone et en silicium dans le fer fondu est supérieure au carbone et au silicium contenus dans le fer fondu lui-même. Le Si contenu dans le fer fondu lui-même est dissous dans l'austénite, et le carbone dans le fer fondu de la fonte ductile est en partie dans le fer. Des sphères de graphite se forment dans le liquide, dont certaines n'ont pas encore été précipitées dans l'austénite. Par conséquent, l'ajout de carbure de silicium a un bon effet de désoxydation.

Si + O2 → SiO2
(1) MgO + SiO2 → MgO∙SiO2
(2) 2MgO +2SiO2→ 2MgO∙2SiO2
(3) La composition d'enstatite MgO∙SiO2 et la composition de forstérite 2MgO∙2SiO2 présentent un degré élevé de mésappariement avec le graphite (001), qui est difficile à utiliser comme base pour la nucléation du graphite. Après avoir été traité avec du fer fondu contenant Ca, Ba, Sr, Al et ferrosilicium, MgO∙SiO2 + X → XO∙SiO2 + Mg
(4) (2MgO∙2SiO2) + 3X+ 6Al → 3 (XO∙Al2O3∙2SiO2) + 8Mg
(5) Où X——Ca, Ba, Sr.

Les produits de réaction XO∙SiO2 et XO∙Al2O3∙SiO peuvent former des cristaux facettés sur les substrats MgO∙SiO2 et 2MgO∙2SiO2. En raison du faible décalage entre le graphite et XO∙SiO2 et XO∙Al2O3∙SiO2, il est propice à la nucléation du graphite. Bonne graphitisation. Il peut améliorer les performances de traitement et améliorer les propriétés mécaniques.

2.2 Pré-ensemencement du graphite hors équilibre :

Généralement, la portée de la nucléation hétérogène est élargie par l'inoculation et le rôle de la nucléation hétérogène dans le fer fondu :

Promouvoir une grande quantité de précipitation de C dans l'étape de solidification eutectique et former du graphite pour favoriser la graphitisation ;
②Réduire le degré de surfusion du fer fondu et réduire la tendance à la bouche blanche;
③Augmenter le nombre de clusters eutectiques en fonte grise ou augmenter le nombre de billes de graphite en fonte ductile.

Le SiC est ajouté lors de la fusion de la charge. Le carbure de silicium a un point de fusion de 2700°C et ne fond pas dans le fer en fusion. Il ne fond que dans le fer fondu selon la formule de réaction suivante.
SiC+Fe→FeSi+C (graphite hors équilibre)

(6) Dans la formule, Si dans SiC est combiné avec Fe, et le C restant est du graphite hors équilibre, qui sert de noyau à la précipitation du graphite. Le graphite hors équilibre rend le C dans le fer fondu inégalement réparti, et l'élément C local est trop élevé, et des "pics de carbone" apparaîtront dans les micro-zones. Ce nouveau graphite a une activité élevée et sa discordance avec le carbone est nulle, il est donc facile d'absorber le carbone dans le fer en fusion et l'effet d'inoculation est extrêmement supérieur. On peut voir que le carbure de silicium est un tel agent de nucléation à base de silicium.

Le carbure de silicium est ajouté lors de la fusion de la fonte. Pour les fontes grises, la pré-incubation du graphite hors équilibre va générer un grand nombre d'amas eutectiques et augmenter la température de croissance (diminuer la surfusion relative), ce qui est propice à la formation de graphite de type A ; le nombre de noyaux cristallins augmente, ce qui rend les flocons Le graphite est fin, ce qui améliore le degré de graphitisation et réduit la tendance à la bouche blanche, améliorant ainsi les propriétés mécaniques. Pour la fonte à graphite sphéroïdal, l'augmentation des noyaux cristallins augmente le nombre de sphères de graphite et le taux de sphéroïdisation peut être amélioré.

2.3 Élimination de la fonte grise hypereutectique à graphite de type E. Les graphites primaires de type C et F sont formés en phase liquide. Parce que le processus de croissance n'est pas gêné par l'austénite, dans des circonstances normales, il est facile de se développer en gros flocons et en graphite de type C moins ramifié : lorsque le moulage à paroi mince est refroidi rapidement, le graphite se ramifie et se transforme en une étoile. graphite de type F en forme.
Le graphite en flocons cultivé dans l'étape de solidification eutectique produit des graphites A, B, E, D de différentes formes et différentes distributions sous différentes compositions chimiques et différentes conditions de sous-refroidissement.

Le graphite de type A est formé dans l'amas eutectique avec une faible surfusion et une forte capacité de nucléation, et est uniformément réparti dans la fonte. Parmi la perlite en paillettes fines, plus la longueur du graphite est petite, plus la résistance à la traction est élevée, ce qui convient aux machines-outils et à divers moulages mécaniques.

Le graphite de type D est un graphite interdendritique en forme de pointe et de feuille avec une distribution non directionnelle. La fonte à graphite de type D a une teneur élevée en ferrite et ses propriétés mécaniques sont affectées. Cependant, la fonte à graphite de type D a de nombreuses dendrites d'austénite, le graphite est court et frisé et le groupe eutectique se présente sous forme de pastilles. Par conséquent, par rapport à la même fonte à graphite de type A à matrice, elle a tendance à avoir une résistance plus élevée.

Le graphite de type E est une sorte de graphite lamellaire plus court que le graphite de type A. Comme le graphite de type D, il est situé entre les dendrites et est collectivement appelé graphite dendritique. L'encre E est facile à produire en fonte avec un faible équivalent carbone (grand degré d'hypoeutectique) et des dendrites riches en austénite. A ce moment, les amas eutectiques et les dendrites se croisent. Étant donné que le nombre de fer eutectique liquide interdendritique est faible, le graphite eutectique précipité ne se distribue que dans la direction des dendrites, ce qui présente une directionnalité évidente. Le degré de surfusion formant le graphite de type E est supérieur à celui du graphite de type A et inférieur à celui du graphite de type D, et son épaisseur et sa longueur sont comprises entre le graphite de type A et D. Le graphite de type E n'appartient pas au graphite surfondu et est souvent accompagné de graphite de type D. La distribution directionnelle du graphite de type E parmi les dendrites permet à la fonte d'être cassante et de se briser facilement en une bande le long de la direction de l'agencement du graphite sous une petite force externe. Par conséquent, du graphite de type E apparaît et les coins des petites pièces moulées peuvent être brisés à la main et la résistance des pièces moulées est considérablement réduite. Au fur et à mesure que la teneur en carbone augmente, la vitesse de refroidissement nécessaire pour former du graphite interdendritique fin augmente et la possibilité de produire du graphite interdendritique diminue. Le degré élevé de surchauffe de la masse fondue et la conservation de la chaleur à long terme augmenteront le degré de sous-refroidissement, augmentant ainsi le taux de croissance des dendrites, rendant les dendrites plus longues et ayant une directionnalité plus évidente. Lorsque le SiC est utilisé pour pré-incuber le fer en fusion, la surfusion de l'austénite primaire est réduite en même temps, et de courtes dendrites d'austénite sont observées à ce moment. Élimine la base structurelle du graphite de type E.

2.4 Améliorer la qualité de la fonte

Pour la fonte à graphite sphéroïdal, à même quantité d'agent de sphéroïdisation, prétraitement au carbure de silicium, le rendement final en magnésium est plus élevé. Pour la fonte en fusion prétraitée avec du carbure de silicium, si la quantité de magnésium résiduel dans la fonte est maintenue approximativement la même, la quantité d'agent de sphéroïdisation ajoutée peut être réduite de 10 % et la tendance à la bouche blanche de la fonte nodulaire est atténuée.

Carbure de silicium dans le four de fusion, en plus du carbone et du silicium dans le fer fondu indiqués dans la formule (1), la réaction de désoxydation des formules (2) et (3) est également effectuée. Si le SiC ajouté est proche de la paroi du four, le SiO2 généré se déposera sur la paroi du four et augmentera l'épaisseur de la paroi du four. Sous la haute température de fusion, SiO2 subira la réaction de décarburation de formule (4) et la réaction de scorification de formule (5) et (6).

(7) 3SiC + 2Fe2O3 = 3SiO2 +4Fe +3C
(8) C + FeO → Fe + CO
(9) (SiO2) + 2C = [Si] + 2CO (état gazeux)
(10) SiO2 + FeO → FeO·SiO2 (laitier)
(11) Al2O3 + SiO2 → Al2O3·SiO2 (scorie)

L'effet désoxydant du carbure de silicium fait que le produit désoxydé a une série de réactions métallurgiques dans le fer fondu, réduisant les effets nocifs des oxydes dans la charge corrodée et purifiant efficacement le fer fondu.

2.5 Comment utiliser le carbure de silicium

La pureté du carbure de silicium de qualité métallurgique est comprise entre 88 % et 90 %, et les impuretés doivent être déduites en premier lors du calcul de l'augmentation du carbone et du silicium. D'après la formule moléculaire du carbure de silicium, il est facile d'obtenir : Augmentation du carbone : C= C/(C + Si) = 12 / (12 + 28) = 30% (12) Augmentation du silicium : Si = Si/(C + Si) = 28 / (12 + 28) = 70 % (13) La quantité de carbure de silicium ajoutée est généralement de 0.8 % à 1.0 % de la quantité de fer fondu. La méthode d'ajout de carbure de silicium est la suivante : la fonte en fusion dans un four électrique. Lorsque le creuset fait fondre 1/3 de la charge, ajoutez-le au milieu du creuset, essayez de ne pas toucher la paroi du four, puis continuez à ajouter la charge pour la fusion. Dans le cubilot de fonte en fusion, le carbure de silicium d'une taille de particule de 1 à 5 mm peut être mélangé avec une quantité appropriée de ciment ou d'autres adhésifs, et de l'eau est ajoutée pour former une masse. Après avoir été séché au soleil, il peut être utilisé dans le four selon le rapport de charge.

3. Remarques finales

Au cours des 20 dernières années, qu'il s'agisse d'un camion, d'une entreprise ou d'une voiture familiale, la réduction du poids du véhicule a toujours été la tendance de développement de la recherche et du développement automobile. Dans le marasme du marché dû à la crise financière, China Northern Corporation a inversé la tendance et exporté des camions lourds vers l'Amérique du Nord, précisément sur la base du poids léger des camions lourds. L'application de la fonte grise à paroi mince, de la fonte ductile et de la fonte à graphite vermiculaire, de la fonte ductile à paroi épaisse et de la fonte ductile Aubrey, impose des exigences plus élevées sur la qualité métallurgique de la fonte.

Le prétraitement d'ensemencement du carbure de silicium a un bon effet sur l'amélioration de la qualité métallurgique de la fonte. L'expert en fonderie Li Chuanshi a écrit un article selon lequel après l'ajout de l'agent de prétraitement au fer en fusion, deux effets peuvent être observés : l'un est d'augmenter l'équivalent carbone ; l'autre est de changer les conditions métallurgiques du fer en fusion, ce qui améliore la réductibilité.

En 1978, BC Godsell du Royaume-Uni a publié ses résultats de recherche sur le prétraitement de la fonte ductile. Depuis, les recherches expérimentales sur le procédé de prétraitement n'ont pas été interrompues et le procédé est aujourd'hui relativement mature. Pour la fonte grise, le prétraitement d'inoculation de carbure de silicium peut réduire le degré de surfusion et réduire la tendance à la bouche blanche ; augmenter le noyau de graphite, favoriser la formation de graphite de type A, réduire ou empêcher la production de graphite de type B, de type E et de type D et augmenter le nombre d'amas eutectiques. Graphite en paillettes fines; pour les fontes à graphite sphéroïdal, le prétraitement d'inoculation de carbure de silicium favorise l'augmentation du nombre de billes de graphite dans la fonte, la vitesse de sphéroïdisation et la rondeur des billes de graphite.

L'utilisation de carbure de silicium peut renforcer l'effet de désoxydation et de réduction de l'oxyde de fer, rendre la structure en fonte compacte et augmenter la douceur de la surface de coupe. L'utilisation de carbure de silicium peut prolonger la durée de vie de la paroi du four sans augmenter la teneur en aluminium et en soufre de la fonte en fusion.

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