Professionelle Analyse des Schweineisen -Schmelzpunkts

I. Materialdefinition und Zusammensetzungssystem von Schweineisen

Schweineisen ist eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem Kohlenstoffgehalt von 2,11% bis 4,3%. Zusätzlich zu Eisen (Fe) umfasst seine chemische Zusammensetzung hauptsächlich Elemente wie Kohlenstoff (C), Silizium (SI), Mangan (Mn), Phosphor (P) und Schwefel (S). Gemäß der Morphologie von Graphit- und Anwendungsszenarien kann Schweineisen eingeteilt werden in:

• Schweineisen mit Stahlherstellung: Mit einem Siliziumgehalt <1,75%existiert Kohlenstoff in Form von Zementit (Fe₃C), und die Frakturfläche ist silberweiß. Es wird hauptsächlich als Rohstoff für die Stahlherstellung von Konverter verwendet.

• Gießerei -Schweineisen: Mit einem Siliziumgehalt von 1,25%–3,6%existiert Kohlenstoff hauptsächlich in Form von Graphit, und die Frakturoberfläche ist grau. Es ist für das Casting -Produktion geeignet.

• Duktiles Eisen: Durch die Sphäroidisierungsbehandlung präsentiert Graphit eine kugelförmige Form mit mechanischen Eigenschaften, die dem gewöhnlichen Gusseisen überlegen sind, und eine Dehnungsrate von 2%–20%.

Ii. Grundmerkmale und theoretische Daten des Schmelzpunkts von Schweineisen

(A) Schmelzpunktbereich und eutektische Reaktion

Der Schmelzpunkt von reinem Eisen beträgt 1.538 ° C, während der von Schweineisen aufgrund seiner Kohlenstoff- und Legierungselemente signifikant niedriger ist. Seine Schmelzpunkteigenschaften sind wie folgt:

• Schmelzbereich: Der Schmelzpunkt von Schweineisen reicht typischerweise zwischen 1.148 ° C bis 1.250 ° C, spezifisch durch den Kohlenstoffgehalt und die Legierungszusammensetzung bestimmt.

• Eutektischer Punkt: Wenn der Kohlenstoffgehalt 4,3%beträgt, erfährt Schweineisen bei 1.148 ° C eine eutektische Reaktion (L → γ+Fe₃c), wobei die Ledeburitstruktur bildet.

• Vergleich mit Stahl: Stahl hat einen Kohlenstoffgehalt <2,11%und sein Schmelzpunkt nimmt mit zunehmender Kohlenstoffgehalt von 1.538 ° C auf ungefähr 1.300 ° C ab, was signifikant höher ist als der von Schweineisen.

(B) Schmelzpunktdaten typischer Zusammensetzungen

III. Schlüsselfaktoren, die den Schmelzpunkt von Schweineisen und ihre Mechanismen beeinflussen

(A) dominante Rolle des Kohlenstoffgehalts

Kohlenstoff ist das Kernelement, das den Schmelzpunkt von Schweineisen beeinflusst, und seine Wirkung folgt einem ungefähren linearen Gesetz:

• Quantitative Beziehung: Für jeden Anstieg des Kohlenstoffgehalts um 0,1% nimmt der Schmelzpunkt um ungefähr 13 ° C ab.

• Mechanismusanalyse: Kohlenstoff bildet interstitielle feste Lösungen oder Zementit in Eisen, stört die regelmäßige Anordnung von Eisenatomen und schwächende metallische Bindungsenergie, wodurch der Schmelzpunkt gesenkt wird.

(B) synergistische Auswirkungen von Legierungselementen

1. Silizium (ja):

• Effekt: Für jeden Anstieg des Siliziumgehalts um 1% steigt der Schmelzpunkt um ungefähr 30 ° C.

• Mechanismus: Si bildet substitutionelle feste Lösungen mit Fe, erhöht die Verzerrung der Gitter und die Verbesserung der interatomaren Bindungskraft.

• Effekt: Der Einfluss auf den Schmelzpunkt ist schwach, und ein Anstieg des Mangansgehalts verringert den Schmelzpunkt leicht.

• Nebenwirkung: Mn reagiert mit S auf die Bildung von MNS mit hohem Meltzahl (1.600 ° C), wodurch das Schwefelgefahr heißer Kürze mindert.

• Effekt: Für jeden Anstieg des Phosphorgehalts um 0,1% nimmt der Schmelzpunkt um ungefähr 5 ° C ab.

• Risiko: Phosphor segregiert in Korngrenzen, um eutektische Phasen mit niedriger Meltzepunkt (Fe₃p-FE) zu bilden, und verschlimmern kalte Sprödigkeit.

• Hazard: Schwefel bildet Fes-Fe-eutektisch (Schmelzpunkt 985 ° C) mit Eisen, wodurch ein Werkstück während der heißen Arbeit (heißes Kürzephänomen) geknackt wird.

• Kontrollstandard: Schwefelgehalt im industriellen Schweineisen beträgt typischerweise <0,05%.

Iv. Anwendungen des Schmelzpunkts von Schweineisen in der industriellen Produktion

(A) Temperaturkontrolle bei Gussprozessen

1. Schmelztemperatureinstellung:

• Die Schmelztemperatur von grauem Gusseisen beträgt im Allgemeinen 1.350–1.450 ° C (150–250 ° C höher als der Schmelzpunkt), um geschmolzene Eisenfluidität zu gewährleisten.

• Aufgrund der Notwendigkeit einer Sphäroidisierungsbehandlung sollte die Schmelztemperatur des duktilen Eisen auf 1.400–1.500 ° C erhöht werden, um eine vorzeitige Oxidation von Sphäroidisierungsmitteln zu verhindern.

• Maschinenbettguss: Mit grauem Gusseisen mit niedrigem Schmelzpunkt und guter Fließfähigkeit wird der Sandgussprozess eingesetzt und die Gießtemperatur wird bei 1.380–1.420 ° C kontrolliert.

• Automobilbremsscheiben: Vermikulares Graphitgussguss wird ausgewählt, mit einem Schmelzpunkt von etwa 1.200 ° C und einer Gossentemperatur von 1.350 ° C, um Verschleißwiderstand und Wärmeableitungen zu gewährleisten.

(B) thermodynamische Grundlage von Stahlherstellungsprozessen

1. Blastofen -Eisenherstellung:

• Die Herdtemperatur muss bei 1.400 bis 1.500 ° C gehalten werden, um Schweineisen zu schmelzen (Schmelzpunkt 1.148–1.250 ° C) und sie von der Schlacke trennen.

• Der Schmelzpunkt der Schlacke wird bei 1.300–1.400 ° C kontrolliert, und die Schlacke-Eisen-Trennung wird durch Anpassen des CaO/SiO₂-Verhältnisses (Basicity) erreicht.

• Die Blasentemperatur muss 1.600–1.650 ° C erreichen, um Kohlenstoff in Schweineisen zu oxidieren (C+O₂ → CO), wodurch der Kohlenstoffgehalt auf unter 2,11%reduziert wird.

• Die Endpunkttemperatur wird in Echtzeit durch Thermoelemente mit einer Fehlersteuerung von ± 10 ° C überwacht.

  
  

V. Experimentelle Messmethoden und -standards für den Schmelzpunkt von Schweineisen

(A) Wärmeleitanalyse (GB/T 4336-2016)

1. Prinzip: Bestimmen Sie die Phasenübergangstemperatur, indem Sie den Temperatur -Wendepunkt in der Kühlkurve der Probe aufzeichnen.

2. Ausrüstung: Widerstandsofen (Temperaturkontrollgenauigkeit ± 5 ° C), Datenerfassungssystem.

3. Vorgehensweise: Erwärmen Sie die Probe auf 1.600 ° C bei 10 ° C/min, halten Sie 30 Minuten lang gedrückt, dann mit dem Ofen abkühlen lassen und die Temperaturzeitkurve aufnehmen. Der Wendepunkt ist der Schmelzbereich.

(B) Kalorimetrie differentielle Scanning (DSC, ASTM E793-19)

1. Genauigkeit: Kann auf ± 1 ° C genau sein und geringfügige thermische Effekte nachweisen.

2. Anwendung: DSC -Test eines grauen Gusseisens (C 3,2%, Si 1,8%) zeigt, dass seine anfängliche Schmelztemperatur 1.182 ° C beträgt, die vollständige Schmelztemperatur 1.235 ° C beträgt und die Schmelzenthalpie 210 J/g beträgt.

Vi. Forschungsgrenzen und technologische Entwicklungen des Schmelzpunkts von Schweineisen

(A) Entwicklung neuer Materialien

1. Niedrigtemperaturguss-Schweineisen: Durch Hinzufügen von Elementen wie BI und SN wird der Schmelzpunkt für Mikroelektronik-Verpackungssubstrate auf unter 1.100 ° C reduziert.

2. Hochtemperaturbeständiges Gusseisen: Das Hinzufügen von CR (12%–15%) und NI (3%–5%) erhöht den Schmelzpunkt auf 1.300 ° C, geeignet für Zementöfenkilnosen.

(B) Numerische Simulationstechnologie

Mithilfe der Thermo-CALC-Software zum Erstellen eines Fe-C-SI-Mn-P-S-Quoly-Phasen-Diagrammmodells kann der Schmelzpunkt und der Verfestigungspfad verschiedener Zusammensetzungen vorhergesagt werden. Zum Beispiel:

• Der simulierte Schmelzpunkt einer Schweineeisenzusammensetzung (C 3,5%, Si 2,0%, Mn 0,8%, P 0,1%, S 0,03%) beträgt 1.205 ° C mit einem Fehler <0,3%im Vergleich zum experimentellen Wert (1.208 ° C).

Vii. Maßgebliche Referenzressourcen

1. Metallurgie von Eisen und Stahl (Zhu Yingxiong, 2018): Systematisch die thermodynamische Beziehung zwischen der Zusammensetzung der Schweineisen und des Schmelzpunkts erläutern.

2. American Society for Testing and Materials (ASTM) Standard: ASTM A48-18 Standardspezifikation für graue Eisengüsse.

3. Wikipedia "Pig Iron" -Intrag: https://en.wikipedia.org/wiki/pig_iron (Zugriff am 2. Juli 2025).

Als Kernparameter für materielle thermodynamische Eigenschaften verläuft die genaue Kontrolle des Schmelzpunkts von Schweineisen den gesamten Prozess vom Schmelzen von Erz bis zu Endprodukten. Das Erreichen der synergistischen Übereinstimmung zwischen dem Schmelzpunkt und den Eigenschaften durch Zusammensetzungsdesign und Prozessoptimierung bleibt ein Forschungsfokus auf dem Gebiet der Eisen- und Stahlmaterialien.