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浅谈铸铁的“预处理”

  浅谈铸铁的“预处理”

  中国铸造协会 李传栻

  铸铁的预处理工艺,是为适应感应电炉熔炼的冶金特点而导出的。大约在上世纪70年代后期开始应用于欧洲,随后,差不多与感应电炉熔炼铸铁的工艺同步发展。

  感应电炉熔炼组织中含石墨的铸铁,采用预处理工艺,可以改善石墨结晶析出的生核条件,从而使铸铁的共晶转变温度提高,减轻过冷度,增加共晶团数量,还可以使铸铁力学性能参数值的波动范围缩小,改善铸件的加工性能。

  预处理工艺的良好作用,已经由很多研究工作和实际生产条件下的考核所确认,目前,一些工业国家中,预处理工艺的应用面很广,可以说已经是感应电炉熔炼铸铁的常态工艺。1980年、82年,笔者在美国造访过好几家用感应电炉熔炼铸铁的铸造厂,就没有见到一家不采用预处理工艺的。

  2012年,我国灰铸铁件和球墨铸铁件的产量为3100万吨,占全世界这两类铸件总产量的43.5%,但是,据我的一管之见,采用预处理工艺的铸造厂却很少很少。

  预处理工艺的效果是肯定的,但是,这项工艺从开始研发至今,毕竟只有四十多年,尽管一些工业国家进行了大量的试验研究工作,迄今为止,对其作用机制的认识,最多也不过是知其梗概。工艺过程中,许多变数的影响都还有待深入的探索。

  对于这项工艺,我的知识只不过是道听途说、人云亦云,更不可能有实践中的体验。之所以来这里说说,是想给大家提个醒儿,所以标题就用了‘浅谈’两个字。实际上,就我而言,‘浅谈’仍然是溢美之词。

  一.预处理(Preconditioning)工艺的发端

  从上世纪60年代起,中频感应电炉有了重大的改进,晶闸管静态变频电源、逆变变频电源相继问世,热效率可达70%,加以灵活方便、环境保护等方面的优点,感应电炉的应用日益增多。

  冲天炉熔炼铸铁,已经有二百多年的历史,我们对于铸铁质量的控制已经积累了很多经验。一旦转而改用感应电炉,铸铁熔炼的过程大不相同,简单地沿用老经验就难以确保铸件的冶金质量,生产中就会不断出现新的问题,如:白口倾向大,石墨化程度不符合要求等。尤其令人头痛的是,即使在炉料配比不变、原铁液的成分符合要求、铁液温度相同的条件下,也很难保持铸铁的性能稳定、一致。

  预处理是针对上述问题研发的重要技术措施之一,上世纪70年代欧洲铸造行业首先采用。谁是这项工艺的创始人?我没有查证。广为人知的是,英国S. Russell公司铸造部对于开发这项技术是有贡献的。

  Russell公司1952年开始生产球墨铸铁件。60年代末,考虑到球墨铸铁件需求增长的态势很强,而且环保的要求将日益严格,于是在原有冲天炉的基础上,装设了2台1.5吨感应电炉,1972年又增加了2台8吨感应电炉。

  70年代初,铸造部按当时的英国BS 2789标准,生产牌号为420/12的球墨铸铁件,要求:抗拉强度≥420 MPa,屈服强度≥270MPa,伸长率≥12%,硬度≤212 HBS。

  用冲天炉熔炼时,通过控制化学成分、球化处理和孕育处理,可以以铸态达到性能要求,铸件不必经热处理。

  改用感应电炉熔炼后,即使化学成分控制稳定、球化处理和孕育处理也相同,铸铁力学性能的差异却很大,难以保持稳定、一致,如:伸长率在3%~20%之间波动,符合要求的不到60%;硬度在不足160 HBS和略高于261 HBS之间波动,符合要求的也不到60%。安排铸件在不同的温度下打箱、落砂,也未能解决问题。很多铸件都不得不予以热处理。

  为了解决铸铁冶金质量不稳定的问题,公司进行了多方面的分析研究,逐步认识到,问题在于铸铁中微细的SiO2颗粒少了,共晶转变时石墨化的生核条件不充分。据此,决定进行预处理的试验研究工作,预先在炉内加入预处理剂,使铁液中存在的SiO2颗粒增加。

  经过试验室工作和生产考核,都表明预处理的效果很好,材质性能的稳定性大幅度提高。所用的预处理剂是碳化硅和含镁5%的镁硅铁合金,二者的用量都是铁液的0.1%。

  1978年美国铸造师学会的年会上,Russell公司的B. C. Godsell ,介绍了研发预处理工艺的经验,受到了广泛的关注。

  此后,对预处理工艺的试验、研究一直没有间断。用感应电炉熔炼球墨铸铁和灰铸铁的企业,熔炼过程中采用预处理的日见增多,甚至还逐步推广到冲天炉熔炼。

  二、铸铁凝固过程中的生核

  均匀的液相中结晶析出固相(均质生核),晶核的形成需要很大的表面能。对纯金属而言,在金属液中均质生核,一般都需要将其过冷到熔点100℃以下。以这种生核方式结晶、凝固,在实验室中也许能够做到,在生产条件下,不可能实现这种结晶、凝固的机制。

  实际上,各种铸造合金的结晶、凝固过程,都起始于异质晶核。一般说来,如果晶核的晶格与凝固体晶格的适配性好,合金液在很小的过冷度下就可以开始结晶、凝固。

  1、单向性生核

  金属-非金属体系的凝固过程中,非金属物质可以是金属凝固的核心,而金属不可能是非金属物质凝固的核心,这就是所谓的单向性生核(One way nucleation)。

  铸铁的组织,主要是由金属基体和和碳质组分(石墨 和/或 碳化物)构成的。除各种白口铸铁外,铸铁中都含有游离的石墨。石墨是非金属物质,可以是奥氏体析出的核心,而奥氏体则不可能是石墨析出的核心。

  同样,Al-Si合金的共晶凝固过程中, Si可以是Al析出的核心,Al不可能是Si析出的核心。

  过共晶铸铁析出初生石墨时,亚共晶铸铁共晶转变时,都是先析出石墨,然后以石墨为核心析出奥氏体。为了更好地控制铸铁的组织,使铁液中含有大量与石墨晶格匹配度好的晶核是至关重要的。

  2、石墨晶核和异质晶核

  铸造生产中,金属液的结晶、凝固,难以实现均质生核,那么,从铸铁液中析出石墨的情况又是如何呢?考虑到石墨的熔点远高于铁,如果铁液中残留有微细石墨,实现均质生核当然是十分理想的,但是,由于以下的原因,至今还不能认同这种方式是可行的。

  l 碳在铁液中的溶解度很高,很难控制铁液中残留石墨微粒的数量和尺寸,因而也就难以控制铸铁中石墨的数量、尺寸和形态;

  l 熔炼灰铸铁时,如果铁液中残留的微粒石墨的尺寸稍大一些,非常有利于石墨以其为依托而析出,就会导致组织中出现粗大的‘C型石墨’。感应电炉熔炼灰铸铁时,由于没有冲天炉中那样的高温过热带,粒度较大的石墨就不易完全溶入铁液,就易于导致组织中出现‘C型石墨’,例如,炉料中配用大量生铁锭块(超过15%),往往就有这种情况出现。

  也有人提出过石墨化生核的设想:液态铁溶解碳的能力比固态铁强得多,铁液凝固时会发生碳溶解度的骤降,如果能自行析出石墨晶核,当然非常有利于石墨的析出。但是,许多实验、研究工作表明:铸铁中由石墨化自行产生晶核,大致需要250℃的过冷度,远低于Fe-C平衡图中的亚稳定平衡温度。在这种条件下结晶、凝固,只能产生碳化物,不可能析出石墨。因此,铸铁中石墨的生核,也必须借助于异质生核。

  无论是灰铸铁、还是球墨铸铁,石墨析出所依托的异质晶核中,SiO2都是重要是组分。

  3、灰铸铁中石墨的晶核

  灰铸铁中析出石墨所依托的异质晶核,其生核的过程可分为两个阶段。

  第一阶段 一些强脱氧元素在铁液中形成微细氧化物,其中以Al和Si为主,还包括Mn、Ti、Zr等,作为晶核的核心。

  第二阶段 在微细氧化物上形成(Mn、x)S 系硫化物的外层,这才是石墨析出的异质晶核,其尺寸<5μm,一般为0.4~2.0μm。

  铸铁不进行孕育处理时,(Mn、x)S中的 x主要是Fe,硫化物中含有的Ca、Al、Ti等元素很少,这种(Mn、x)S与石墨晶格的适配度不太好,促进石墨析出的作用较差。

  铸铁经孕育处理后,x包括Ca、Al、Ti、Sr和RE等元素,这种硫化物与石墨晶格的适配度较好,颗粒也较小,比较适合于石墨生核。如果孕育处理得当,还可以在(Mn、x)S硫化物表面上形成形成一薄层复合的硅酸盐,进一步改善其与石墨晶格的适配度。

  由此可见,为了使孕育处理的效果良好,灰铸铁原铁液中应保有一定的氧、硫含量。一般说来,硫含量不宜低于0.06%;氧含量宜在0,003%左右。

  通常都认为,Al在灰铸铁中没有孕育的作用。而且,如果灰铸铁中的Al含量在0.02%以上,铁液的表面张力降低,采用黏土湿砂型铸造工艺时,铸件易于产生针孔缺陷,这已经是铸造行业的共识。因此,通常都希望铸铁中的Al含量低一些,或者对Al含量不很在意。

  实际上,在灰铸铁中,Al对石墨的析出和成长有重要的作用,可以使共晶转变的过冷度降低,共晶团数增加,且有利于A型石墨的形成。通常,宜将Al含量控制在0.005~0.01%之间。保持这样的Al含量,既可以有上述正面作用,又不至于诱发针孔缺陷。

  因此,孕育剂中有一定的Ca、Al含量,是至关重要的。

  4、球墨铸铁中石墨的晶核

  球墨铸铁的处理方式不同于灰铸铁,因而,析出石墨所依托的异质晶核也就与灰铸铁有所不同。

  经球化处理的铁液纯净度高,其中的硫、氧含量显著降低。从热力学能位的角度看来,一些元素的硫化物比氧化物稳定,因而先形成(Mg、x)S复合硫化物,作为晶核的核心。

  然后,在微细的硫化物上形成多种氧化物,这些氧化物又与SiO2作用,形成复合的硅酸盐外层,与石墨晶格的匹配度较好,这就是球状石墨析出的异质晶核。

  三、感应电炉熔炼铸铁的冶金质量

  感应电炉熔炼铸铁,基本作用和冲天炉一样,都是要求将炉料熔化,并对铁液有一定的精练作用。但是,用这两种熔炼设备,铸铁的熔化条件、对铁液的精练作用却大不相同,因而,铸铁的冶金质量差别很大。

  对于石墨是重要组成元的灰铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁而言,用感应电炉熔炼,由于石墨的生核条件差,而且生核作用不稳定,冶金质量要比冲天炉熔炼的差得多。

  1、问题的所在

  感应电炉熔炼铸铁,冶金质量差主要体现在两方面:

  1)过冷度大、白口倾向强

  在碳当量相同的条件下,用感应电炉熔炼的铸铁与用冲天炉熔炼的相比,共晶转变时的过冷度大得多,参见图1。

  

  碳当量[C+1/3(Si+P)](%)

  图1 在不同的碳当量下铸铁的熔炼条件对共晶结晶时过冷度的影响

  a-冲天炉熔炼;b-感应电炉熔炼

  因此,在碳、硅含量相同的条件下,用感应电炉熔炼的铸铁与用冲天炉熔炼的相比,三角试片的白口宽度也有明显的差别,参见图2。

  

  铸铁的碳含量(%)

  a1-冲天炉熔炼,Si 2.5%;a2-冲天炉熔炼,Si 2.0%;

  a3-冲天炉熔炼,Si 1.5%;b1-感应电炉熔炼,Si 2.5%;

  b2-感应电炉熔炼,Si 2.0%;b3-感应电炉熔炼,Si 1.5%

  图2 用不同熔炼条件熔炼的铸铁碳、硅含量对三角试片白口宽度的影响

  2)铸铁性能的波动范围大

  感应电炉内的铁液,有电磁搅拌的作用。这种搅拌作用的优点很多,如:有助于金属炉料快速熔化,可以使铁液的化学成分、温度均匀,还有助于铁液中气体和夹杂物的排出等。

  但是,搅拌的负面作用也是不可忽视的,其排除夹杂物的作用是不分敌友的,石墨析出所必需的异质晶核也随之一并排除。由于生核的能力显著弱化,必然会影响铸铁的性能。

  感应电炉熔炼铸铁的过程中,影响异质晶核数量及其生核能力的变数很多,到目前为止,我们还没有非常明确的认识,更不足以准确地予以控制,只能建立一些定性的了解。

  铁液在感应电炉中保持的时间越长,上浮的夹杂物当然越多;温度较高,铁液的黏度较低,夹杂物也就较易于上浮。因此,铁液的温度及其在炉内保持的时间,都会影响铸铁的性能。关于这个问题,Russell公司曾做过大量的研究、试验工作。牌号为420/12的铁素体球墨铸铁,铁液的温度及其炉内保持的时间对球墨铸铁伸长率的影响见图3。虽然这些数据的发布已将近四十多年了,我以为仍然有引用的必要,有助于大家建立一些定性的认识。

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  图3 温度、保持时间对铸铁伸长率的影响

  (400/12铁素体球墨铸铁)

  2、对原因的粗浅分析

  与冲天炉熔炼的铸铁相比,感应电炉熔炼的铸铁中,石墨析出所依附的异质晶核不足,是导致冶金质量不同的主要原因。就目前的认识而言,以下几项是影响异质晶核生核的主要因素。

  1)铁液中氧和氧化物的含量

  前面已经谈到,氧化物是构成异质晶核的主要组分。

  冲天炉中熔炼,铁液要以细小液滴的状态,经由焦炭层的缝隙、曲曲折折地通过高温氧化带,因而,铁液中的氧含量相当高,一般为0.004~0.006%。存在于铁液中的各种氧化物相应地较多。

  感应电炉中熔炼,铁液与大气接触的界面很小,大多数情况下,液面上还有炉渣保护,因而铁液中的氧含量低,一般在0.002%以下,有时还会更低些。铁液中的氧含量太低,则不利于生成石墨析出所需的异质晶核。

  同时,铁液中含有的的氧化物夹杂当然也会较少。

  2)铁液在炉内的状态

  冲天炉中熔炼,从炉料开始熔化到铁液自冲天炉流到前炉,所经历的时间很短,大约是10min左右。而且铁液进入前炉以后,就处于静置状态,除液体内部微弱的对流外,没有外界给予的任何扰动。

  感应电炉中熔炼,从炉料开始熔化到出铁一般要经1小时左右,而且,自始至终都有感应加热所特有的搅拌作用。在搅拌作用下,可作为异质晶核的微细颗粒,易于碰撞、聚集而上浮。

  为什么微细颗粒聚集后就易于上浮呢?按斯托克斯定律,固体颗粒的液体中上浮的速度,与其半径的平方成正比。也就是说,直径相差1倍的颗粒,大颗粒上浮的速度是小颗粒的4倍。

  当然,颗粒碰撞后是否容易聚集成尺寸较大的团簇,还决定于颗粒的成分、颗粒与铁液之间的界面张力等多种因素有关,这里就不可能一一细说了。

  3)铁液中的硫含量

  前面已经谈到,硫化物也是异质晶核中不可缺少的组分。虽然预处理与原铁液中的硫含量没有什么关系,在讨论有关异质晶核的问题时,还是以说一说为好。

  冲天炉熔炼铸铁的过程中,铁液要从焦炭层的缝隙之间流动,在高温下与焦炭密切接触。焦炭中的硫含量较高,一般为0.8%,铁液中的硫含量因而较高,一般为0.08%左右,或者略高一些。

  感应电炉熔炼铸铁,由于炉料中废钢多而生铁锭少,配料中硫含量本来就低,再加以熔炼过程中没有铁液与焦炭密切接触的过程,熔炼得到的铁液,硫含量一般都在0.04%以下。

  对于灰铸铁:

  低硫原铁液,孕育处理的效果很差已经是众所周知的事实。

  用感应电炉熔炼时,应特别关注铸铁中的硫含量,必须使之保持在0.06%以上。如配料中没有带入硫的组分,一般可加入适量的FeS使之增硫。

  对于球墨铸铁:

  主要的球化元素镁与硫的亲和力很强。原铁液中的硫含量高,就会消耗球化剂,导致石墨球化不良,因而,必须严格控制原铁液的硫含量,如果硫含量高于0.02%,就有必要特意进行脱硫作业。

  由于镁与硫的亲和力很强,即使原铁液的硫含量很低,球化处理后仍然可以生成相当多的MgS,作为异质晶核的核心。

  要特别提出的是,球墨铸铁原铁液的硫含量也不能过低,如果低于0.008%,石墨析出所必需的异质晶核太少,球化处理后孕育效果不好,铁液的过冷度大,易于析出碳化物。这个问题,近年来已经为大家所认同。

  用感应电炉熔炼球墨铸铁时,铁液中异质晶核较少,所以要特别注意做好孕育处理作业,孕育剂用量应比冲天炉熔炼时略多一些。效果较好的方法是,出炉前先在炉中进行预处理,以改善铸铁共晶结晶时的生核条件。

  四、预处理剂和预处理

  采用预处理工艺的目的,是使铁液中供石墨生核的异质晶核增多,并增强其在铁液中的稳定性。这样,铸铁就可以在较高的温度下发生共晶转变、析出石墨,并改善共晶转变时石墨的生核和长大的条件。

  预处理是针对感应电炉熔炼铸铁的问题研发的,主要适用于感应电炉熔炼。

  近年来,有报道说,用冲天炉熔炼时,在浇包中加入预处理剂也可得到很好的效果。其实际效果和工艺的可行性,还有待验证。

  还有报道说,由于焦炭价格不断攀升,国外的铸造厂曾尝试将低品位碳化硅碎料制成的烧结块,配用于冲天炉。结果,既可节省硅铁,又可代替部分焦炭,因而能使生产成本降低。这种工艺就不属于预处理的范畴了。

  1、预处理剂及其加入方法

  从预处理工艺开始研发之日起,碳化硅就是预处理剂的首选材料。今后,随着对预处理作用机制的认识逐渐深化,一定会有效果更好的新品种问世。

  上世纪70年代,S. Russell公司所用的预处理剂中,就有碳化硅。因为他们是用于生产球墨铸铁件,同时还配加了硅铁镁合金。

  用于灰铸铁,当然不需要硅铁镁合金。

  即使是用于生产球墨铸铁件,硅铁镁合金也不宜在炉内加入铁液中。改为出炉后包中处理,则出炉后处理的工序太繁,铁液的温度下降过多,也不可取。因此,从80年代起,预处理剂就以全部用碳化硅者居多,主要是硅含量75%左右的冶金碳化硅。

  有关碳化硅的情况,将在后面的附件中作简单的介绍,为了了解其在预处理工程中的作用,这里先提及两项相关的特点。

  1)碳化硅的熔点很高,在2700℃以上,2600℃以下相当稳定。在熔炼铸铁的温度下,

  烧损量很少,而且不可能‘熔化’,只能逐步‘溶解’、扩散,因而其作用的时效相当长。

  2)碳化硅是将硅砂和焦炭(或石油焦)置于电极加热的电阻炉内,在1450~1900℃的高温下,由碳将SiO2还原而制得的。在制造、破碎、烧结过程中,SiC表面都会形成很薄的SiO2保护膜。这也就是SiC抗氧化能力特别强,能用作耐火材料和电热元件的原因。

  因此,一般的碳化硅,都含有5%左右的游离SiO2。

  碳化硅溶于铁液后,这种游离SiO2以非常微细的颗粒分散于铁液中,对于异质晶核的生成非常有益。国外有研究者认为,碳化硅的预处理作用主要在于含有这种游离SiO2。

  2、加入方法和加入量

  碳化硅加入后需要一定的时间使之溶于铁水,而且需要搅拌,以加速其溶解。用感应电炉熔炼时,可在出铁前将预处理剂加入炉中。考虑到碳化硅的密度低,约为3.2~3.3%,熔清后加入,易浮在液面,还是随固体炉料一并加入为好。

  作为预处理剂,碳化硅的加入量一般为金属炉料的0.5~1%。由于预处理的效果受铁液的成分、炉况条件以及作业方式等多种因素的影响,铸造厂都应该通过试验,求得适合企业具体条件的最佳用量。

  3、预处理剂的发展

  约在十年前,瑞典Elkem公司基于T. Skaland等人对铸铁中石墨生核进行的研究工作,考虑到Al、Ca、Zr等元素的硫化物、氧化物,都是异质晶核中的主要组成物,研制了一种新型预处理剂“Preseed”,其化学成分(%)如下:

  Si Ca Zr Al

  62~69 0.6~1.9 3.0~5.0 3.0~5.0

  据称这种预处理剂的效果很好,用量比碳化硅少得多,只是金属炉料的0.1%左右。对于其实际应用的情况,目前我还一无所知。

  此外,也有用晶态石墨作预处理剂的报道。

  4、应用于灰铸铁

  用感应电炉熔炼灰铸铁时,在保持原铁液中硫含量不低于0.06%,且有一定的氧含量的条件下,采用预处理工艺,可使铸铁发生共晶转变时的过冷度减小,避免组织中出现B型、D型和E型石墨。组织中共晶团数量增多,铸铁的力学性能得以提高,而且比较稳定。

  如果应用得当,还可以明显减缓孕育作用的衰退。

  如果需要提高原铁液的硫含量,可按铸铁的实际成分加入FeS即可。

  提高铁液中的氧含量,最简便易行的措施是在炉料中配加30%左右的铸铁切屑,这样,既可以明显改善铸铁的显微组织,还能使废弃物得以循环利用。我曾经在美国见到几家铸造厂在大量生成中应用,我国上海华新铸造公司对从也有很成功的经验。

  生产薄壁铸件时,不仅可避免组织中出现碳化物,而且可使过冷石墨(B型和D型)减至最少。经预处理工艺的铁液,可用于砂型铸造,也可用于金属型铸造和离心铸造。

  5、应用于球墨铸铁

  预处理对于提高球墨铸铁件的质量也有明显的效果,既适用于制造薄壁(4~6mm)铸件,也适用于制造厚壁(约300mm)铸件。

  生产球墨铸铁件,希望在共晶凝固时得到足够多的石墨球数,而且球化率高、石墨球圆整。这样,晶间偏析物分散,可减轻晶界组织对铸铁性能的影响。

  用感应电炉熔炼时,先在炉内加入增碳剂和预处理剂。出铁时,在包内加球化剂(含镁3.6%、硅45.5%的硅铁镁合金),随后用75硅铁孕育。

  用碳化硅进行预处理,可以提高镁的收得率。如果保持残留镁量大致相同,则用碳化硅预处理后,球化剂加入量有可能减少10%左右,铸铁的激冷倾向也会随之较低。

  生产厚壁球墨铸铁件,采用预处理工艺,可以增加石墨球数量、改善石墨球形态。而且由于降低球化剂加入量,还有助于减少晶间析出物,对提高铸件质量也是非常有益的。

  尤其值得注意的是,采用预处理工艺,可以使铸铁力学性能参数值的波动范围缩小,铸件的加工性能改善。

  供参考的附件

  1、碳化硅的一些特性

  碳化硅的分子式是SiC,纯碳化硅是无色透明晶体。碳化硅的晶体结构可分为六方或菱面体结构的α-SiC和立方体结构的β-SiC两种,各种晶型SiC的形成与温度相关。

  α-SiC属高温稳定型,因碳原子和硅原子在其晶体结构中堆垒的不同而有很多不同的变体,已经知道的就不下100多种,如2Hα-SiC、4Hα-SiC、15Rα-SiC、6Hα-SiC等。

  β-SiC属低温稳定型,在1600℃以上,即缓慢地向α-SiC的多种变体转变;在2000℃以上,可转变为4Hα-SiC;在2100℃以上,可形成6H等变体。

  碳化硅有很多优异的性能:

  硬度极高,莫氏硬度9.5,仅次于金刚石,是理想的磨料;

  高温下化学稳定性高,热膨胀系数小,密度低而强度高,既是优质耐火材料,也广泛用于制造电热原件;

  在钢、铁的熔炼方面,低品级碳化硅是优良的增碳、增硅材料;

  粉状碳化硅,加入MgO-Al2O3-SiO2系烧结剂,经烧结可制成耐高温的多孔陶瓷滤片;碳化硅的热导率高、热稳定性好,用于热交换器,可显著改善能量的回收利用;

  高纯碳化硅可制造用于高级复合材料的晶须。

  此外,高纯碳化硅是继硅和砷化镓(GaAs)之后发展起来的第三代半导体材料。

  2、碳化硅的制备方法要点

  在陨石和地壳中发现过少量的天然碳化硅,但迄今为止还未发现可供开采的矿源。

  工业用碳化硅,1891年由美国人Acheson首先制成,因所含杂质的种类和含量不同,可呈浅黄、蓝、绿乃至黑色,透明度也因其纯度不同而异。

  用Acheson工艺生产工业用碳化硅的要点是:以石英砂和石油焦(或焦炭)为原料,在电阻炉内,将炉芯发热体置于两石墨电极之间,炉芯周围装炉料。由两电极供电,炉芯发热体的温度可达2500~2700℃。加热到1450℃以上,就开始发生反应,SiO2被碳还原而制成碳化硅。随着反应时间的延长,炉料中处于高温的范围增大,得到的SiC也增多。

  炉料部分由表及里反应的程度不一,依次是保温层、氧碳化硅层、烧结层、无定型层、三级品SiC层、二级品SiC层和一级品SiC层。

  其中一级品、二级品和三级品SiC等层的总厚度因炉子的功率而异,一般在50~45mm之间,产品主要是2H和4H型α-SiC晶体,含量在96%以上。其余未充分反应的各层,可在下次配料时混入炉料中。

  经处理的炉料,经破碎、酸碱洗、磁选、筛分、水选而得到粒度不同的产品。由于所用的原材料不同,工业用碳化硅中SiC含量可以是96%或更高一点,也可以是80%左右。

  Acheson工艺的优点是所用的原材料价格低廉、便于规模生产。缺点是能耗高,产品的SiC含量低,一级品出产率低。

  除上述工业用碳化硅的制造法外,还有多种制造高纯度碳化硅的方法,如采用微米、亚微米乃至纳米级SiO2粉料的碳热还原法,气相反应法。

  工业用碳化硅一般以粒状供应。通过烧结,可制成各种成形耐火材料、砂轮、油石、硅碳棒、空心方粱、块状料、多孔陶瓷滤片等适用于各方面的材料。

  在铸铁熔炼方面,作为合金材料或预处理剂使用的主要是粒状料和烧结块状料。我国生产碳化硅材料的地区主要有青海、宁夏、甘肃、河南和贵州等省、区。