鋳造における炭化ケイ素の主な機能

シリコンカーバイドは、高い熱伝導性、並外れた硬度、化学的不活性、耐熱衝撃性など、さまざまな特性を独自に組み合わせた合成セラミック材料です。これらの特性により、シリコンカーバイドは鋳造業界で多用途の添加剤として使用され、鋳造金属の品質と性能の向上に重要な役割を果たしています。鋳造プロセス、特に鉄鋼生産において、シリコンカーバイドは革新的な材料として登場し、多孔性制御、機械的特性の向上、エネルギー効率など、長年の課題に対するソリューションを提供しています。この記事では、鋳造におけるシリコンカーバイドの主な機能について説明し、その作用メカニズムと実用的な利点を分析します。

1. 核形成と結晶粒微細化の促進

鋳造における炭化ケイ素の最も重要な役割の 1 つは、溶融金属の微細粒構造の形成を促進する核形成剤としての能力です。鋳造合金の凝固中、粒子のサイズと分布は、強度、延性、疲労耐性などの機械的特性に直接影響します。炭化ケイ素粒子は不均一な核形成部位として機能し、結晶成長を開始するための表面を提供します。これにより、過冷却 (凝固に必要な温度差) が軽減され、核形成点の均一な分布が確保されます。

たとえば、ねずみ鋳鉄の鋳造では、炭化ケイ素が高温（1,400°C 以上）で分解し、炭素とケイ素が溶融物に放出されます。放出された炭素は鉄と反応して黒鉛片を形成し、ケイ素は流動性を高めます。この複合効果により、黒鉛構造が細かくなり、パーライトコロニーが小さくなり、引張強度が向上し、脆さが軽減されます。同様に、アルミニウムの鋳造では、シリコンカーバイド 粒子が α-アル マトリックスを微細化し、高温割れのリスクを最小限に抑えます。

2. 溶融流動性の向上と収縮欠陥の低減

溶融金属に炭化ケイ素を添加すると、複雑な鋳型に充填し、欠陥のない鋳造品を実現するために重要な要素である「溶融物の流動性」が向上します。炭化ケイ素は、化学組成を変化させることで溶融物の液相線温度を下げ、より長い時間にわたって流動状態を維持できるようにします。これは、早期凝固によって充填が不完全になる可能性がある薄肉鋳造品や複雑な形状の鋳造品に特に有効です。

さらに、炭化ケイ素は、冷却中の体積収縮によって生じるミクロ多孔性やマクロ収縮空洞などの収縮欠陥を軽減します。核形成を促進し、粒子構造を微細化することで、シリコンカーバイド は収縮多孔性が形成される樹枝状結晶間の空間を減らします。ダクタイル鉄の製造では、研究により、0.5～1.5% の炭化ケイ素を添加すると収縮多孔性が最大 30% 減少し、エンジン ブロックや油圧バルブなどの部品の耐圧性が大幅に向上することがわかっています。

3. 酸素と不純物レベルの制御

炭化ケイ素は、鉄および非鉄鋳造において、‌脱酸剤‌および‌脱硫剤‌として機能します。溶融鉄または溶融鋼に導入されると、シリコンカーバイド は溶存酸素および硫黄と反応して、シリカ (SiO₂) や一酸化炭素 (CO について について) などの安定した化合物を形成します。これらの反応により、ガス多孔性やスラグ介在物につながる可能性のある有害な不純物の存在が減少します。たとえば、製鋼では、シリコンカーバイド による酸素の除去により、ピンホール欠陥の一般的な原因である CO について について 気泡の形成が最小限に抑えられます。

アルミニウム鋳造では、炭化ケイ素が溶融金属表面に保護酸化物層を形成することで、ガス多孔性の主な原因である水素吸収を減らします。この層はバリアとして機能し、大気中の水素が溶融金属に溶解するのを防ぎます。

4. 機械的特性の向上

炭化ケイ素を組み込むと、鋳造合金の機械的特性が直接強化されます。鋳鉄では、シリコンカーバイド によって炭素当量値 (CEEV（セブ）) が増加し、グラファイトの形成が安定するとともに、セメンタイトなどの硬質炭化物の析出が抑制されます。このバランスにより、機械加工性と耐摩耗性が向上します。ブレーキ ディスクやシリンダー ライナーなどの高性能アプリケーションでは、シリコンカーバイド を添加すると硬度と熱伝導性が向上し、部品が極端な摩擦や温度勾配に耐えられるようになります。

アルミニウム-シリコン (アル-シ) 合金では、炭化ケイ素が金属マトリックス複合材 (三菱マテリアル) の強化相として機能します。これらの シリコンカーバイド-アル 複合材は優れた強度対重量比を示すため、航空宇宙および自動車部品に最適です。シリコンカーバイド の硬度により、鋳造後の機械加工作業中の工具の摩耗も軽減されます。

5. エネルギー効率とコスト削減

シリコンカーバイドは、鋳造作業におけるエネルギー節約に貢献します。発熱分解により熱が放出され、溶解および保持中の熱損失を補います。これにより、溶融金属を最適な鋳造温度に維持するために必要なエネルギーが削減されます。電気アーク炉では、シリコンカーバイド を使用すると電力消費を 5～10% 削減できるため、大規模な鋳造所では大幅なコスト削減につながります。

さらに、炭化ケイ素は炉や取鍋の耐火ライニングの寿命を延ばします。その高い熱伝導性により熱が均等に分散され、耐火材料を劣化させる局所的な過熱を最小限に抑えます。これにより、メンテナンスや交換のためのダウンタイムが短縮され、運用コストがさらに削減されます。

6. 環境へのメリット

シリコンカーバイドの採用は、持続可能な製造への重点の高まりと一致しています。歩留まり率を向上させ、欠陥によるスクラップを削減することで、シリコンカーバイド は材料の無駄を最小限に抑えます。また、脱酸素剤としての役割を果たすため、炭素排出量が多いフェロシリコンなどの従来の添加剤への依存も減ります。さらに、シリコンカーバイド のエネルギー効率に優れた特性により、生産される鋳造金属 1 トンあたりの温室効果ガス排出量が削減されます。

7. 特殊なアプリケーション

従来の鋳造以外にも、炭化ケイ素は高度なプロセスでニッチな用途を見つけています。ロストフォーム鋳造では、シリコンカーバイド コーティングされたフォームパターンがフォームの分解を安定させることで寸法精度を向上させます。インベストメント鋳造では、シリコンカーバイド ベースのセラミックシェルが従来のシリカベースの鋳型に比べて優れた熱安定性を提供します。金属部品の付加製造では​​、シリコンカーバイド 強化粉末が 3D プリント部品のレーザー吸収率と密度を高めます。

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