Il carburo di silicio è un materiale sintetico prodotto in forni a resistenza da sabbia silicea e carbonio, e i gradi metallurgici contengono circa dall'88 al 90% di SiC con carbonio libero, ossido di ferro e allumina come principali impurità. Il suo valore nella produzione di ferro e acciaio deriva dalla fornitura di silicio e carbonio insieme in un'unica aggiunta, motivo per cui viene utilizzato sia come fonte disossidante e legante nella produzione dell'acciaio, sia come aggiunta inoculante nella ghisa.
Perché le fonderie utilizzano il carburo di silicio
In una carica a induzione o a cupola, il carburo di silicio si dissolve progressivamente e fornisce silicio e carbonio disciolti in una forma che viene facilmente assorbita dalla massa fusa. Poiché l'aggiunta apporta due elementi contemporaneamente, sostituisce parzialmente il ferrosilicio con il silicio e un ricarburatore con il carbonio. Il comportamento di dissoluzione significa anche che il carbonio entra nella massa fusa in modo controllato anziché come particelle grossolane di grafite che possono galleggiare o rimanere non disciolte nella carica.
I sei effetti metallurgici nella ghisa
L'esperienza pratica nelle fonderie di ferro identifica sei effetti riproducibili. In primo luogo, il carburo di silicio riduce la tendenza a formare ferro bianco, che appare come freddo duro e non lavorabile nelle sezioni sottili. In secondo luogo, limita la formazione di strutture di grafite sottoraffreddate, che sono associate a scarse proprietà meccaniche. In terzo luogo, riduce la sensibilità della sezione, quindi sezioni sottili e spesse nella stessa finitura di fusione con una differenza minore nella microstruttura e nella durezza. In quarto luogo, supporta la nucleazione delle cellule eutettiche, aumentando il numero di cellule eutettiche per unità di superficie. In quinto luogo, promuove una forma di grafite prevalentemente fine, uniformemente distribuita e del tipo in scaglie classificato come Tipo A. In sesto luogo, la sostituzione combinata di ferroleghe riduce il costo per tonnellata di ferro liquido e abbrevia i tempi di aggiunta.
Gradi e dimensionamento per il caricamento in fonderia
| Forma del prodotto | Contenuto tipico di SiC | Dimensionamento tipico | Utilizzo principale |
|---|---|---|---|
| Grumo metallurgico | Dall'88 al 90% | da 0 a 10 mm, da 1 a 10 mm | Aggiunta di carica nei forni ad induzione |
| Multe metallurgiche | Dall'85 al 90% | da 0 a 1 mm, da 0 a 3 mm | Aggiunte di mestolo e flusso |
| Polvere | 90% e oltre | 200 mesh e più fini | Bricchette e prodotti legati |
| Grado abrasivo di elevata purezza | 97% e oltre | Grane graduate | Applicazioni refrattarie e abrasive |
Il carburo di silicio si ossida a temperatura elevata, quindi il materiale conservato all'aperto assorbe l'umidità e forma uno strato superficiale che riduce il recupero. Lo stoccaggio coperto e il controllo del contenuto delle multe fornite prima dell'addebito eviteranno perdite impreviste.
Pratica di ricarica e recupero
L'aggiunta viene normalmente posta sul fondo del forno o sepolta nella carica di rottame in modo che sia esposta al metallo liquido man mano che il calore avanza. Il recupero del silicio e del carbonio dipende dal tempo di dissoluzione a disposizione: aggiunte effettuate tardivamente nel calore, o in forni con cicli di fusione brevi, recuperano meno perché le particelle non hanno il tempo di dissolversi completamente. Anche il contenuto di silice nella carica è importante, poiché cariche di silicio molto elevate già saturate di silicio accetteranno meno dall'aggiunta di carburo.
Come vengono verificati gli effetti
La tendenza al freddo viene controllata mediante un test del cuneo e la forma e la distribuzione dimensionale della grafite vengono valutate su campioni lucidati rispetto agli standard di classificazione della microstruttura pertinenti, ad esempio ISO 945-1 o ASTM A247 con la sua designazione da Tipo A a Tipo E. Il conteggio delle cellule eutettiche fornisce un'ulteriore indicazione della qualità della nucleazione. Questi test costano poco e forniscono alla fonderia una base difendibile per decidere il tasso di aggiunta del carburo di silicio piuttosto che fare affidamento sulla valutazione visiva della superficie del pezzo fuso.
Valutazione dei costi
Il confronto dei costi dovrebbe essere effettuato sul costo per chilogrammo di silicio immesso nella massa fusa, non sul prezzo di acquisto per tonnellata. Il carburo di silicio fornisce tipicamente dal 55 al 60% di silicio in massa in un grado metallurgico, insieme a circa il 25-30% di carbonio, e questi due contributi devono essere entrambi accreditati rispetto al ferrosilicio e al ricarburante che sostituiscono. Laddove entrambe le sostituzioni vengono effettuate completamente, il costo netto di solito diminuisce e il vantaggio aggiuntivo di un minor numero di scarti legati al raffreddamento- può superare il risparmio di materia prima.
Domande frequenti
Q:Quale contenuto di silicio contiene il carburo di silicio metallurgico?
R: Un tipico grado metallurgico contiene dall'88 al 90% di SiC, che corrisponde a circa il 61-63% di silicio e a circa il 27-28% di carbonio in massa. Il resto è costituito da carbonio libero, ossido di ferro e altre impurità.
Q:Il carburo di silicio può sostituire completamente il ferrosilicio in una carica di ghisa?
R: Può sostituire l'aggiunta di silicio in molte colate di ghisa grigia e duttile, ma anche il carbonio che introduce deve essere bilanciato rispetto al carbonio equivalente target. La maggior parte delle fonderie lo utilizza come sostituto parziale insieme al ferrosilicio piuttosto che come sostituzione completa.
Q:Quale dimensionamento viene utilizzato nel caricamento del forno a induzione?
R: Per le aggiunte di carica sono comuni grumi da 1 a 10 mm, mentre il materiale più fine da 0 a 1 mm viene utilizzato per aggiunte tardive o quando è richiesta una dissoluzione più rapida. Anche le multe generano più polvere, quindi le attrezzature per la movimentazione dovrebbero essere scelte di conseguenza.
Q:Come viene valutata la forma della grafite dopo l'inoculazione?
R: I campioni metallografici vengono lucidati e confrontati con una tabella di classificazione standard come ASTM A247 o ISO 945-1, che definisce i tipi di grafite in scaglie, inclusa la forma a scaglie fini uniformemente distribuita denominata Tipo A.
Q:Il carburo di silicio funziona nella produzione dell'acciaio così come nella ghisa?
R: Sì. Viene utilizzato come fonte di silicio e carbonio per la disossidazione e la lega nell'acciaio e la sua reazione esotermica con l'ossido di ferro nelle scorie supporta il condizionamento delle scorie, sebbene il tasso di aggiunta sia calcolato in modo diverso dalla pratica della ghisa.
