סיליקון ברזל הוא אחת התוספות הבודדות המופיעות כמעט בכל בית יציקת ברזל ופלדה, ללא קשר לסגסוגת הנוצקת. זוהי סגסוגת סיליקון-ברזל, המכילה בדרך כלל 45% עד 75% סיליקון, והיא מבצעת שתי עבודות שונות בתכלית: דה-אוקסידציה של מתכת מותכת וחיסון של ברזל יצוק. הבנת איזו עבודה מתבקשת ממנו, ובאיזו רמת סיליקון, היא הבסיס לתרגול טוב של יציקה.
מה עושה Ferro Silicon בבית יציקה
לסיליקון יש זיקה גבוהה לחמצן, מה שהופך את פרוסיליקון למסיר חמצון יעיל, והוא משפיע מאוד על האופן שבו פחמן מתנהג בברזל יצוק, מה שהופך אותו לחיסון הגרפיטי הסטנדרטי. שתי ההשפעות הללו הן הסיבה לכך שפרוסיליקון נקנה בדרגות שונות ובשברי גודל שונים עבור נקודות שונות ברצף ההיתוך, ההחזקה והמזיגה.
ניקוי חמצון של פלדה מותכת וברזל לפני היציקה, הפחתת תכלילי תחמוצת ושיפור הניקיון.
חיסון של ברזל אפור וגמיש כדי לקדם מורפולוגיה נוחה של גרפיט ולהפחית את הקור.
סגסוגת סיליקון בפלדה ובברזלים מיוחדים, כאשר הסיליקון מעלה חוזק בטמפרטורה ומשפר את התכונות החשמליות.
שליטה על שווה ערך הפחמן באמצעות תכולת הסיליקון של הברזל.
דיאוקסידציה: החובה הראשונה
כאשר מוסיפים פרוסיליקון להמסה, הסיליקון מגיב עם חמצן מומס ויוצר סיליקה, אשר מוסר לתוך הסיגים או כתכלילים שצפים החוצה. על בסיס מסה קילוגרם אחד של סיליקון מתחבר לכ-1.14 ק"ג חמצן, כך שקצב ההוספה נובע ישירות מרמת החמצן של החום. שלוש השלכות מעשיות להלן:
| אֵפֶקְט | תוצאה מעשית |
|---|---|
| סיליקה נכנסת לסיגים | נפח הסלג עולה והצמיגות עולה, ולכן יש צורך בדרך כלל בתוספת סיד ובמיזוג סיגים |
| סיליקון מעלה את המקבילה לפחמן | בברזל יצוק, CE=C + Si/3 + P/3, כך שכל 1% של סיליקון פועל כמו כשליש אחוז של פחמן |
| התגובה היא אקסותרמית | מעלה מעט את טמפרטורת האמבט, אך התוספת חייבת להיות מופצת היטב כדי למנוע התקפה מקומית על חומרי עקשן |
בייצור פלדה ויציקת פלדה, בדרך כלל מוסיפים סיליקון מאוחר בתהליך, לאחר סיום הרתיחה של הפחמן, כך שהסיליקון לא יתחמצן ויאבד. בבתי יציקה של ברזל, דה-אוקסידציה וחיסון משולבים לעתים קרובות בתוספת מאוחרת אחת, מה שהופך את בחירת הציונים והגודל קריטיים.
חיסון ונודוליזציה של גרפיט
התפקיד השני והמיוחד יותר הוא בברזל יצוק. ברזל אפור מחוסן כהלכה מתמצק עם מבנה גרפיט עדין ואחיד וצינון נמוך, ואילו ברזל לא מחוסן מאותו הרכב יכול לקפוא עם גרפיט מקורר, קרבידים וקצוות קשים. חיסון פרוסיליקון פועל על ידי מתן אתרי גרעין רבים ועל ידי העלאה מקומית של ריכוז הסיליקון ברגע ההתמצקות, מה שמעדיף צמיחת גרפיט על פני היווצרות קרביד.
בברזל רקיע, הרצף שונה. נודוליזציה מבוצעת עם סגסוגת טיפול ברסיליקון נושאת מגנזיום, המכילה בדרך כלל 5% עד 10% מגנזיום, ולאחר מכן מוחלת חיסון סופי של פרוסיליקון כדי להגדיל את ספירת הגושים ולדכא את הקרבידים המוכנסים בטיפול המגנזיום. יש להתייחס לשתי התוספות כמדרגות נפרדות, כי מטרותיהן והציונים האידיאליים שלהן שונים.
חומרי חיסון מסופקים בדרך כלל בגדלים עדינים, בדרך כלל 0.2 עד 1 מ"מ או 1 עד 3 מ"מ, כדי להתמוסס במהירות בזרם ההיתוך או במצקת.
תוספות חיסון אופייניות הן בסביבות 0.2% עד 0.6% ממסת ההמסה, מותאמת לטמפרטורת המזיגה, זמן ההחזקה ועובי החתך.
החיסון דוהה עם הזמן, ולכן יש להניח את התוספת כמה שיותר מאוחר לפני המזיגה.
ציונים טיפוסיים של סיליקון Ferro והיישומים שלהם
| צִיוּן | תכולת סיליקון | שימוש אופייני |
|---|---|---|
| FeSi45 | 40% עד 47% | שחרור רגיש לעלות-תוספות סגסוגת בפלדה יצוקה-נמוכה |
| FeSi65 | 65% עד 70% | ניקוי חמצון וסגסוג כללי, חיסון ברזל אפור בחתכים גדולים יותר |
| FeSi70 | 70% עד 75% | חיסון ברזל אפור, עידון מורפולוגיה של גרפיט |
| FeSi72 | 72% עד 76% | עמוד ברזל רקיע-חיסון, סגסוגת במגהצים מיוחדים |
| FeSi75 | 74% עד 80% | נודוליזציה וחיסון של ברזל רקיע, יישומים- בחוזק גבוה |
דרגות מוגדרות ב-GB/T 2272 עבור תכולת סיליקון ומגבלות טומאה, ב-ISO 5445 עבור תנאי אספקה, וב-ASTM A100 עבור סיליקון סטנדרטי לייצור פלדה. דרגות סיליקון גבוהות יותר נושאות פחות משקל מת ליחידת סיליקון, מה שמוריד את נפח ההובלה והסיגים, אך הם גם מתמוססים אחרת ועולים יותר לטון, כך שהבחירה הנכונה תלויה בשיטת ההיתוך ובמפרט המתקיים.
טיפול, גודל והערות מעשיות
תכולת סיליקון מעל כ-50% הופכת את הסגסוגת לשבירה יותר בהדרגה, כך שגדלים עדינים יוצרים קנס משמעותי במהלך הטיפול; שברים מסוננים ונטולי אבק-נותנים התאוששות ניתנת לשחזור.
גדלי גושים סטנדרטיים נעים מ-0 עד 3 מ"מ עד 100 מ"מ, עם דרגות חיסון של יציקה מסופקות בקצה העדין של הטווח והסרת חמצון בתפזורת בקצה הגס.
יש לאחסן פרוסיליקון יבש. דרגות אבקה לחות יכולות ליצור מימן כשהן מגיבות עם לחות, ולכן אוורור ואריזות אטומות משפיעות בחללים סגורים.
יש לבדוק את תכולת הסיליקון בברזל או הפלדה המוגמרים לאחר הטיפול במקום להניח, מכיוון שההחלמה משתנה בהתאם לשיטת ההוספה, הטמפרטורה ותנאי הסיגים.
דרגות טוהר גבוהות משמשות כאשר יש לשמור על תרומת האלומיניום והסידן נמוכה, למשל בסגסוגות מיוחדות ובהפחתת סיליקותרמית של דולומיט מבורך לייצור מגנזיום.
בחירה בדרגת סיליקון בודדת לכל עבודה היא רק לעתים נדירות הדרך בעלות הנמוכה ביותר. פיצול המפרט בין כיתה גסה וחסכונית עבור ניקוי חמצון בתפזורת לבין כיתה עדינה ומצוינת היטב עבור חיסון מאוחר נותן בדרך כלל איכות יציקה טובה יותר עבור אותה צריכת סיליקון כוללת.
שאלות נפוצות
ש: מה עושה סיליקון בר בתעשיית היציקה?
ת: הוא משחרר מתכת מותכת על ידי שילוב עם חמצן מומס, והוא מחסן ברזל יצוק על ידי קידום היווצרות גרפיט חיובית והפחתת צינון וקרבידים.
ש: מה ההבדל בין סיליקון ברזל המשמש לסילוק חמצון לחיסון?
ת: משפחת הסגסוגות זהה אך הציון והגודל שונים. דה-אוקסידציה משתמשת בגושים גסים בכל רמת סיליקון סטנדרטית, בעוד שהחיסון משתמש בדרגות עדינות ומצוינות היטב שמתמוססות במהירות בזרם ההיתוך.
ש: איזו דרגת סיליקון ברזל משמשת לברזל רקיע?
ת: נודוליזציה משתמשת בסגסוגת לטיפול בר-סיליקון נושאת מגנזיום, בדרך כלל עם 5% עד 10% מגנזיום, ואחריה חיסון עדין של FeSi75 או FeSi72 לאחר- כדי להעלות את ספירת הגושים.
ש: כמה מעלה סיליקון ברזל את שווי הפחמן של ברזל יצוק?
ת: שווה ערך הפחמן מחושב כפחמן בתוספת שליש מהסיליקון ועוד שליש מהזרחן, כך ש-1% של סיליקון מעלה את שווה הערך לפחמן בכ-0.33%.
ש: מדוע יש להוסיף חיסון ממש לפני המזיגה?
ת: השפעתו מתפוגגת עם זמן ההחזקה, מכיוון שהגרעינים שהוא מספק מאבדים את עוצמתם בהמסה. הוספה מאוחרת, או שימוש בטכניקת-זרם מאוחרת, נותנת את המבנה הטוב ביותר ואת הצינה הנמוכה ביותר.
ש: האם סיליקון ברזל מגדיל את נפח הסיגים?
ת: כן. הסיליקה הנוצרת במהלך ההתחמצנות מדווחת לסיג, ומגדילה הן את הנפח והן את הצמיגות, כך שבדרך כלל נדרש מיזוג סיגים עם סיד כדי לשמור על ביצוע התהליך.
ש: אילו תקנים חלים על סיליקון ברזל?
ת: GB/T 2272 מגדיר את תכולת הסיליקון ומגבלות הטומאה, תקן ISO 5445 מכסה את תנאי האספקה, ו-ASTM A100 מציין סיליקון ברזל לשימוש בפלדה.
