硅在铸铁中的作用和应用【转帖】

老翻砂匠

进入铁器时代，是人类文明开始快速发展的里程碑。铸铁件的生产、应用，促进了早期的产业革命，推动了科学技术的进步。到现在，“铸造”依旧是制造业的基础，但各行各业的发展却又反过来拉动铸造行业，使之进入了现代化的新时代。

     近年来，虽然为适应多方面的要求，各种新工艺、新材料不断涌现，轻合金铸件、铸钢件的应用发展也很快，但铸铁件的需求量仍然稳居首位。2012年，世界各国各类铸件的总产量为10，083万t，其中，灰铸铁件4,599.6万t、占45.6％，球墨铸铁件2,516.7万t、占24.9％，可锻铸铁件127.5万t、占1.3％。也就是说，目前世界各类铸件的总产量中，灰铸铁件和球墨铸铁件就占了70％以上。

     虽然从三千多年前进入铁器时代起，铸造同仁就一天也离不了硅，人类对硅的认识也随着经验的积累和科学技术的进步而不断深化；但是，时至今日，我们对硅在铸铁中的作用，认知还很不够，有待进一步探索的空间仍然广阔。

     1  硅在铸铁中促进石墨化的作用

     在铸铁中，硅是促进石墨化作用最强的合金元素，其促进石墨化的能力，是镍的3倍、铜的5倍。而且无论在液态或固态的铸铁中，硅与铁结合的作用都比碳强。
液态铸铁中含有硅，就会使碳的溶解度降低。铁液中硅的含量愈高，碳含量相应地愈低，就会有更多的碳被排挤出来。

     我们从铁碳相图中不难理解：铁液为过共晶成分时，硅含量高，凝固过程中，就有更多的碳以初生石墨的形态析出，直到剩余的铁液达到共晶成分后发生共晶转变；铁液为亚共晶成分时，凝固过程中，硅富集于初生奥氏体中。共晶转变时，硅富集于早期结晶的共晶奥氏体中，抑制碳与铁化合成渗碳体，增强碳在奥氏体中的扩散速度，促使碳以共晶石墨的形态析出；共析转变时，固溶于奥氏体中的硅，仍然抑制碳与铁形成渗碳体，增强碳在奥氏体中的扩散速度，促使碳以共析石墨的形态析出。

     在灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和黑心可锻铸铁中，碳和硅是影响石墨形态、数量的主要元素。就是基本上不含石墨的白心可锻铸铁，在其脱碳退火的过程中，硅促进碳在奥氏体中扩散，对于这种可锻铸铁的脱碳也有重要的作用。

     此外，铸铁中的氧和氮都有稳定碳化物的作用。铸铁中含有的硅，可以使其中的氧、氮含量降低，这样，又间接地增强了硅对石墨化的作用。

     2  硅在铁素体中的固溶强化作用

     在固态铸铁中，硅几乎全部固溶于奥氏体和铁素体，不进入碳化物。硅原子与铁原子可以结合成具有强共价键的含硅铁素体，不仅促进铁素体形成，而且使铁素体强化的作用很强。

  表1 不同硅含量铁素体的力学性能

                               
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         为了解硅强化铁素体的能力，上世纪五十年代，国外研究者在碳含量为0.1％、不含其他合金元素的钢中，加入不同量的硅，以比较硅对力学性能的影响，结果见表1。表1中，还列出了组织为全部珠光体、不含其他合金元素的碳钢的性能，以供对比。

      由表1可见，硅强化铁素体的作用很明显。硅含量提高后，抗拉强度和硬度都随之提高。但是，硅固溶强化的铁素体，抗拉强度和硬度的值仍明显地低于珠光体。

      在生产铸铁时，利用硅的固溶强化作用，可以减少或不用铜、镍、锡、钼、铬等提高强度的合金元素，是有益于降低生产成本和避免合金元素的负面作用的。

      很长时间以来，我国铸造同仁还没有充分认识和有效利用硅的这种潜能。

      就灰铸铁而言，由于片状石墨切割基体的作用很大，铸铁的强度不高，一般对伸长率也不要求；而且，除需求量很少的低牌号灰铸铁外，一般都要求基体组织全部为珠光体。为了得到珠光体基体，铸铁中的硅含量不宜太高。因此，铸造同仁也就很少注意到硅的固溶强化作用。虽然提高灰铸铁强度，主要是靠控制石墨的形态、数量，以及减小共晶团的尺寸，但增强基体组织的作用也不可小觑。

      就球墨铸铁而言，所有牌号对伸长率都有严格的要求。由表1可见，珠光体中固溶的硅量增多，伸长率相应地有所降低，硅含量超过3％后尤为明显。此外，从很多有关球墨铸铁力学性能的试验报告中，都可见到类似的数据。

      于是，逐渐形成了“铸铁中的硅含量太高，会导致延性、韧性降低”的观念。实际上，有些试验数据中只考虑硅含量的改变，忽略了其他因素的影响，无意中夸大了硅的“脆化”作用。

      3  硅在铸铁中的其他作用

      硅在铸铁中的作用是多方面的，除“促进石墨化”和“固溶强化”外，硅还有不少重要的作用，在此，简单介绍两个：

      1）溶于液态铸铁中的硅，使铁液抗氧化能力大为增强，而且硅还可以使氮在铁液中的溶解度降低。各种铸造合金中，只有铸铁才能够用冲天炉、氧气回转炉这类熔炼设备，在富氧、富氮的气氛中熔炼，正是由于硅的这种作用。

      2）将铸铁中硅含量提高到3.5％以上，铸铁的抗氧化能力、抗热生长性能都大为改善。早期，各国耐热铸铁的标准中，就都有了硅系耐热铸铁的牌号。近年来，出于节能的考虑，各种内燃机提高了排气的温度，各国汽车行业中，都很重视耐热硅钼球墨铸铁件的应用。

      4  硅固溶强化作用的应用

      近年来，硅在球墨铸铁中的固溶强化作用已经逐渐受到广泛关注，但事实上，我国三十多年前已在灰铸铁固溶强化方面做了一定的研究和应用。

      1）硅在灰铸铁中的固溶强化作用

      牌号HT250以上的灰铸铁，基体组织都是珠光体。为了确保强度达标，生产中，通常都要加入铜、锡、锑之类的合金元素。而珠光体由铁素体与渗碳体间夹而成，其中，铁素体约占90％；如果适当地提高铸铁中的硅含量，使其在铁素体中能起到固溶强化作用，而又不至于出现单纯铁素体组织，当然可以节省合金元素，同时也就简化了操作。

      1980年前后，北京钢铁学院（现在的北京科技大学）钟雪友等人就进行了这方面的研究和试验工作。他们在灰铸铁碳当量为4.05％左右的条件下，适当地提高硅含量（Si/C比为0.78左右），不加合金元素，铸铁的抗拉强度就可以保持在300 MPa以上。上世纪八十年代，这项工艺曾在多家铸造厂得到确认并在生产中应用。

      2）硅在球墨铸铁中的固溶强化作用

      生产球墨铸铁件时，球化率、石墨球数量和石墨球平均尺寸等是基本的质量要求。在石墨球化正常的条件下，其切割基体的作用较在灰铸铁中大为减轻。通过控制基体组织，可以在很大的范围内调整球墨铸铁的力学性能，以适应多种不同工况条件的要求。除等温淬火球墨铸铁和高镍奥氏体球墨铸铁外，常规的球墨铸铁目前已有10多种牌号，抗拉强度可以在350～900 MPa之间改变，最低伸长率则可相应地在22％～2％之间改变。

       QT450-10、QT500-7、QT550-5和QT600-3等牌号的球墨铸铁件都是由控制基体组织中铁素体与珠光体所占的份额、以确保力学性能符合要求来实现的。一般说来，生产这类球墨铸铁件时，应力求通过控制铸铁的化学成分和生产过程中的各项工艺条件，使铸件的铸态组织符合要求，以避免费时、耗能的热处理工序。

       在工艺控制不足以确保铸铁强度的情况下，加入少量铜、镍之类的合金元素，也是常用的应对措施，但是，这样做，既提高了生产成本，还要耗用珍贵的资源。

       随着对球墨铸铁认识的逐渐深入，十多年前，欧洲就开始注意到硅在球墨铸铁中强化铁素体的作用，瑞典的研究工作发现：用途很广的500－7牌号球墨铸铁中，将硅含量提高到3.5％，基体组织全部是铁素体，不仅可以在保持抗拉强度在500MPa的条件下提高伸长率，更为重要的是，铸件的硬度均匀、切削性能显著改善。

       在此基础上，国际标准ISO 1083《球墨铸铁分类》2004年修订时，补充了一项“高硅球墨铸铁”的牌号JS500－10。

       欧洲标准EN 1563《球墨铸铁件》2011年修订时，补充了3项“固溶强化铁素体球墨铸铁”牌号，见表2。

     表2 固溶强化铁素体球墨铸铁的牌号和力学性能要求（不同铸件壁厚的最低值）

                               
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           2012年，德国Herbert Löblich发表了有关硅固溶强化的铁素体球墨铸铁力学性能的研究报告。2013年，日本九州大学和日之出水道机器公司技术开发部也对此进行了试验研究。

       5  结束语

       硅是地壳中蕴藏量最丰富的元素，无匮乏之虞，而且，在各种铸铁中，硅都是主要构成元素之一，对铸铁组织中石墨的形态、数量，乃至基体组织的形成，都有非常重要的作用。

       近年来，为了遵循可持续发展的理念，除了对铸铁件功能的要求日益增强以外，还增加了轻量化、低成本、节能减排、珍惜资源等多方面的要求。因此，各国铸造行业都非常重视改进铸铁材质方面的研究、开发工作，尤其是硅在铸铁作用及其机理的研究与应用工作，有待铸造同仁进一步挖掘。

LICHH

谢谢分享！

青海刘连琪

双高灰铁。基础研究不够，造成遗憾。钟教授已经告别铸造了

老翻砂匠

回复 3# 青海刘连琪


    第二代球铁绝对是发展方向~

外电

感谢分享，能否直接在覆膜砂生产中添加硅粉？

青海刘连琪

回复 4# 老翻砂匠

你在青海拖拉机厂时，机械部给我们短供生铁，只能使用球铁回炉料+废钢。但是球铁件不能明显改变碳当量的！你应该能够计算出含碳量、含硅量的！哈哈哈那就是所谓的第二代球墨铸铁！南极科考使用的你们的推土机就有这种球铁。400伸长率大于20%.最高28%南极低温没有出现问题的！还记得我给你看的可弯曲灰铁吗？

老翻砂匠

回复 6# 青海刘连琪

还记得我给你看的可弯曲灰铁吗？

   
怎么能忘记呢？您那块全D墨灰铁着实让我大开眼界~

铸造小猫

回复 7# 老翻砂匠
全D型石墨是怎样实现的？

老翻砂匠

回复 8# 铸造小猫


    确保在亚共晶的条件下，控制过冷，包括铁水成分过冷~

铸造小猫

回复 9# 老翻砂匠
有机会想弄个样玩玩，单独控制一下。

老翻砂匠

回复 10# 铸造小猫

那是三年前的北京展会上偶遇了老刘工，当得知我在搞D墨的时候，当即就掏出一个弯成勺子状的铸铁片给我展示，感觉老刘工的D墨玩的还是很不错的~

铸造小猫

回复 11# 老翻砂匠
这是个神奇的勺子

青海刘连琪

使用钛，不低的碳当量，还原性铁水。可以复合其他合金元素。
老翻砂匠是耐磨耐热D型石墨铸铁的前端人物。

谭文海

谢谢楼主，对硅的作用理解不少。

老翻砂匠

回复 13# 青海刘连琪

严重过奖了，只能说是略知一二～

青海刘连琪

现在能够看到的所谓第二代球墨铸铁。根基理论。技术存在问题

student

回复 16# 青海刘连琪


   

所谓第二代球墨铸铁。根基理论。技术存在问题

1:根基理论。技术存在什么问题?愿听其祥.
如谈不出一.二....
2:那,是否口气太大.把自己凌架于现代高硅球铁理论和实践之上.尽管它的发展还是在初级理论和实用的阶段.


为了保证讨论的连续性,请管理人员不要编辑回贴.

铸造小猫

目前看450-18没有太大的难度，500-14稳定生产有点麻烦，单纯的考虑抗拉强度和延伸率的情况下，这两个牌号是可以不通过高硅强化就可以实现了，600-10常规方法生产出来还是存在问题的

student

回复 18# 铸造小猫

你谈的很对.
   这就是铸造工艺的复杂和深奥.
对于在高牌号球铁的使用,目前的高硅球铁理论和实践已有定论.不必再赘述.
   不可能仅仅利用硅的固溶强化理论.去做所有的牌号球铁.硅的固溶强化理论不是万金油.
   硅在铁中溶解度有其限值。其导致球铁的固溶强化的能力则有限值。另一方面，硅的石墨化作用，增强铁素体数量的作用。这就是硅在球铁中的两面性。也就是高硅球铁应用有其局限性的金属学原理。 但固溶强化理论的科学性及其有条件的在球铁中的利用，是不容置疑的.
   所有事物都有其两面性..每种铸造理论也都有其适用性.对待高硅球铁也是如此.
   如最近大家讨论的亚共晶球铁的适用性,....等.
   "所谓第二代球墨铸铁。根基理论。技术存在问题".不知这位在QQ上自认的“球铁专家”，“铸造界泰斗”又有何高论.又有何新论点.如有。希望:
其论点不是一叶障目.或是随口而谈.....
但,听口气.他对高硅球铁的合金理论认识和实践,都在张伯明院长之上.
1:更希望中国的高硅球铁，在理论和实际应用的领域里，在这位“铸造界泰斗”的引领下取得新的进展.
2:善意的提醒一句.我等之辈,只不过是在铸造岗位多干了几年.每个人都阅历有限.都没有对所谓第二代球墨铸铁。谈什么根基理论问题的资格。来谈技术存在什么问题.能照本宣科的做出高硅铸铁的件,就不错了.
3：最后一点期望:这位泰斗坛友,在看懂楼主的贴子后,再谈自己的观点.
4:静等这位专家，泰斗回贴.愿听其详.向他请教一.二...