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硅在铸造中的作用
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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

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)

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。


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