碳化硅的物理化学性能与铸造业领域的发展应用.doc

碳化硅的物理化学性能与它在铸造业领域的应用
大连理工大学周继扬

碳化硅(SiC)这种人造矿石,在1891年前由美国人艾奇逊在电熔金刚石实验时,偶尔发现一种硅、碳化合物,误认为是金刚石的混合体,故取名金刚砂,两年后研究出来了工业冶炼碳化硅的方法,即艾奇逊炉。自投入工业性生产以来,因其优异性能,它的应用领域逐步扩大。例如: 磨削材料;半导体材料及元器件;电阻发热体;
电阻元器件;冶金、铸造工业中用于炼钢的精炼剂、脱氧剂、熔化铁液的增Si、增C剂;等等,不少产品自今仍在生产使用;高要求的耐火材料。以SiC在耐火材料上的发展为例;高尖端航空、航天、下海产品;国外于19世纪初已有含SiC的耐火制品在高炉上使用。我国的SiC耐火材料是上世纪50年代由葫芦岛锌厂1891年首先研制并生产使用的。60~70年代,发展缓慢。80年代初的调查,我国当时SiC年产不到3万吨。用于耐火材料只占10%左右,也只用到冶金行业。80年代末,SiC年产量达八、九万吨。那时的冶金行业使用新技术远比铸造业早,涉及范围宽,对SiC的性质认识也更深刻。随着技术的进步,铸造生产对技术要求越来越高,此刻,从冶金向铸造转移技术或借鉴冶金行业的好经验也是十分自然,犹如水到渠成的事。今天,SiC作为炼钢脱氧剂的广告已出现在近期国内一些铸造杂志上,说明铸造也在进步。
C、Si与SiC一同伴随我国铸造业发展小史
国外的铸造工作者在上世纪二十年代,已有少数铸造界的先驱,在他们的工作中接触到了碳-硅这两种元素混合在一起作孕育剂使用的情况。如早期出现的C、Si系类孕育剂的提出与使用就是在上世纪二十年代发生的。
(1) 1922年,美国人Crosby用石墨和硅铁混合在一起加入浇包作孕育处理,经反复摸索,终于使处理后的铸铁石墨形态均匀,近似今天的A型石墨、珠光体基体、机械性能好过其他方法。这就是现今被划分为碳硅系类孕育剂的原始[1]。碳-硅系孕育剂是晶体石墨与硅钙(或硅铁)等合金的颗粒状混合物。其中的晶体石墨在铁液中起到外来核心作用,并延缓衰退。进一步提高核心数量,是抑制白口化能力最强、抗衰退能力也不错的孕育剂。
(2) 英国Foseco公司在50年代的产品中的Inoculin 10号孕育剂是典型的C-Si系孕育剂,成分中含有石墨47~53%,Si30~35%,Al<%,~%,Mn2%,~2%。推荐用于消除薄壁灰口件CE =,~%,而英国本身则制定一种含Al=%,铝量偏低的优质C-Si系孕育剂。
(3)我国过去生产过TG-1型化学成分为30~38%C,33~40%Si,4~6%Ca,<1%Al。在C-Si系的孕育剂中,往往还含有Sr、Ba、Zr。
这种C、Si系孕育剂的缺点有:熔化温度(或溶解温度)高,不易被铁液吸收。解决办法:处理温度要高,处理后在1400℃以上浇注;孕育剂以细粒度为宜。采用包内孕育,在出铁槽均匀加入,%、%左右。这种碳-硅系混合物孕育剂主要用在高强度铸件,如机床床身,内燃机缸体、缸盖,耐压致密铸件。
经查证,上述三种孕育剂中的C、Si元素也仍分别来源于结晶石墨与硅铁75,并非合成过的SiC。
1941年美国Eash发表了“孕育对灰铸铁凝固的影响”一文,首次提出加硅铁到铁液之后,可产生一个富Si微区。在这区域中,碳的活度高,有助于石墨成核。但也没有发现SiC在过渡微区出现在Fe-Si孕育剂四周。
上世纪60年代初,当时冶金行业正利用SiC的高温稳定性、高导热性、低膨胀性优良的特点,生产高档含SiC的耐火材料。如美国早在70年代末,其冶金用途已占SiC总量60%以上。而70年代末,以世界水平而言,铸造与冶金比,差距还相当大,各种炉子用的耐火材料仍以普通粘土砖或硅砖、高铝砖为主。SiC这种材料在铸造领域一直受到冷遇,或没被重视。世界如此,在中国也是这样。
1981年,在保加利亚召开的48届国际铸造年会上[2],我国赴瑞典访问工程师王春琪[1]教授将他在瑞典皇家工学院教授、冶金系铸工教研室主任Fredriksson指导下完成的“论铁水孕育机理”论文向大会做了报告。他们发现当FeSi加入铁液中,在FeSi颗粒四周形成了碳化硅晶体,这个新生成相存在时间短,当FeSi完全熔化后,也随之消失。但遗留下来的高硅区(高C、高Si)却能维持相当长时间。碳、硅的浓度不均,以及碳的高活度区的存在,为石墨的成核提供了一个必需条件。他们在实验中定量、定性地检查到FeSi四周SiC晶体的存在。说明SiC晶体在铸铁孕育机制方面是一个重要影响因素。
虽然这一观点形成不了关键效应。不过对从事铸铁研究工作的同行,一定会加强对SiC重要性的认识。