关于硅在铸铁中的固溶强化作用（一）

老翻砂匠

       关于硅在铸铁中的固溶强化作用（一）

                                                       来源：[中国铸造协会  李传栻]  

      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，为了适应多方面的要求，各种新工艺、新材料不断涌现，轻合金铸件、铸钢件的应用都发展很快，但是，到目前为止，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10083万t，其中：灰铸铁件4599.6万t，占45.6％；球墨铸铁件2516.7万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70％以上。


　　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。


　　硅是地壳中蕴藏最丰富的元素，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。


　　从三千多年前进入铁器时代起，我们铸造行业的同仁，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，硅在铸铁中的作用，我们的认知还很不够，有待进一步探索的空间仍然广阔。


　　一、硅在铸铁中的作用


　　硅在铸铁中的作用是多方面的，其中，我们最关注的首先是‘促进石墨化’和‘固溶强化’两项，除此以外，硅还有不少重要的作用，在这里，简单地提一提以下两点：


　　◇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。正是由于硅的这种作用，铸铁才可以在强氧化性、富氮的条件下熔炼。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。


　　◇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。


　　1、硅在铸铁中促进石墨化的作用


　　铸铁中硅是促进石墨化作用最强的合金元素，硅促进石墨化的能力，是镍的3倍，铜的5倍。


　　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。


　　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


　　在固态的铸铁中，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。


　　为了了解硅强化铁素体的能力，避免石墨形态和其他合金元素的影响，上世纪50年代，国外有人在碳含量为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，供对比。

表1  不同硅含量的铁素体的力学性能

                                                                                                                        

力学性能	硅含量    （％）				全珠光体碳钢
	微量	0.82	2.28	3.40
抗拉强度 /MPa	280～290	315	540	645	840
伸长率 /％	60	55.0	50.0	21.0	10.0
硬度 （HBW）	75	88	124	150	200

　　由表1可见，硅强化铁素体的作用很明显。硅含量的提高后，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。


      铸铁中，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，当然是有益的。可是，很长时间以来。铸造行业还没有充分地利用硅的这种潜能


　　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。虽然提高灰铸铁的强度，主要是靠控制石墨的形态、数量，以及减小共晶团的尺寸，但也不能不尽可能地增强基体组织。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，铸铁中的硅含量当然不宜太高。因此，铸造行业的同仁也就很少注意硅的固溶强化作用。


　　就球墨铸铁而言，所有的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。


　　经相当长的一段时间，逐渐形成了这样一种观念，即：铸铁中的硅含量太高，会导致延性、韧性降低。因此，硅的固溶强化作用往往就没有受到重视。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。


                                                                          （待续）