硅在鑄鐵中的固溶強化作用

硅在鑄鐵中的固溶強化作用

李傳栻

分析了硅在灰鑄鐵和球墨鑄鐵中的固溶強化作用，詳細介紹了硅固溶強化球墨鑄鐵的力學(xué)性能，并在此基礎(chǔ)上提出了在生產(chǎn)應(yīng)用中幾點看法。

近年來，為了適應(yīng)多方面的要求，各種新工藝、新材料不斷涌現(xiàn)，輕合金鑄件、鑄鋼件的應(yīng)用都發(fā)展很快，但到目前為止，鑄鐵件的需求量仍然穩(wěn)居首位。

2012年，世界各國各類鑄件的總產(chǎn)量為10083萬t，其中：灰鑄鐵件4599.6萬t，占45.6%；球墨鑄鐵件2516.7萬t，占24.9%；可鍛鑄鐵件127.5萬t，占1.3%。也就是說，目前世界各類鑄件的總產(chǎn)量中，灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件就占70%以上。

近年來，為了遵循可持續(xù)發(fā)展的理念，除了對鑄鐵件功能的要求日益增強以外，還增加了輕量化、低成本、節(jié)能減排、珍惜資源等多方面的要求。因此，各國鑄造行業(yè)都非常重視改進鑄鐵材質(zhì)方面的研究、開發(fā)工作。

硅是地殼中蘊藏最豐富的元素，無匱乏之虞，而且在各種鑄鐵中，硅都是主要構(gòu)成元素之一，對鑄鐵組織中石墨的形態(tài)、數(shù)量，乃至基體組織的形成，都有非常重要的作用。但是，時至今日，硅在鑄鐵中的作用，我們的認知還很不夠，有待進一步探索的空間仍然廣闊。

一、硅在鑄鐵中的作用

硅在鑄鐵中的作用是多方面的，其中，我們最關(guān)注的首先是“促進石墨化”和“固溶強化”兩項，除此以外，硅還有不少重要的作用。

在這里，簡單地提一提以下兩點：

（1）溶于液態(tài)鑄鐵中的硅，使鐵液抗氧化能力大為增強，而且硅還可使氮在鐵液中的溶解度降低。正是由于硅的這種作用，鑄鐵才可以在強氧化性、富氮的條件下熔煉。各種鑄造合金中，只有鑄鐵才能用沖天爐、氧氣回轉(zhuǎn)爐這類熔煉設(shè)備，在富氧、富氮的氣氛中熔煉。

（2）將鑄鐵中wSi提高到3.5%以上，鑄鐵的抗氧化能力、抗熱生長性能都大為改善。早期，各國耐熱鑄鐵的標準中，就都有了硅系耐熱鑄鐵的牌號。近年來，出于節(jié)能的考慮，各種內(nèi)燃機提高了排氣的溫度，各國汽車行業(yè)中，都很重視耐熱硅鉬球墨鑄鐵件的應(yīng)用。

1. 促進石墨化的作用

鑄鐵中硅是促進石墨化作用最強的合金元素，硅促進石墨化的能力，是鎳的3倍，銅的5倍。

無論在液態(tài)或固態(tài)的鑄鐵中，硅與鐵結(jié)合的作用都比碳強。液態(tài)鑄鐵中含有硅，就會使碳的溶解度降低。鐵液中硅的含量越高，碳含量相應(yīng)地越低，就會有更多的碳被排擠出來。

鐵液為過共晶成分時，硅含量高，凝固過程中，就有更多的碳以初生石墨的形態(tài)析出，直到剩余的鐵液達到共晶成分后發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。

鐵液為亞共晶成分時，凝固過程中，硅富集于初生奧氏體中。共晶轉(zhuǎn)變時，硅富集于早期結(jié)晶的共晶奧氏體中，抑制碳與鐵化合成滲碳體，增強碳在奧氏體中的擴散速度，促使碳以共晶石墨的形態(tài)析出。

共析轉(zhuǎn)變時，固溶于奧氏體中的硅，仍然抑制碳與鐵形成滲碳體，增快碳在奧氏體中的擴散速度，促使碳以共析石墨的形態(tài)析出。

在灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和黑心可鍛鑄鐵中，碳和硅是影響石墨形態(tài)、數(shù)量的主要元素。就是基本上不含石墨的白心可鍛鑄鐵，在其脫碳退火的過程中，硅促進碳在奧氏體中擴散，對于這種可鍛鑄鐵的脫碳也有重要的作用。

此外，鑄鐵中的氧和氮都有穩(wěn)定碳化物的作用。鑄鐵中含有的硅，可以使其中的氧、氮含量降低，這樣，又間接地增強了硅的石墨化作用。

2. 硅在鐵素體中的固溶強化作用

在固態(tài)的鑄鐵中，硅幾乎全部固溶于奧氏體和鐵素體，不進入碳化物。硅原子與鐵原子可以結(jié)合成具有強共價鍵的含硅鐵素體，不僅促進鐵素體形成，而且使鐵素體強化的作用很強。

為了解硅強化鐵素體的能力，避免石墨形態(tài)和其他合金元素的影響，20世紀50年代，國外有人在碳含量為0.1%、不含其他合金元素的鋼中，加入不同量的硅，以比較硅對力學(xué)性能的影響，結(jié)果見表1。表1中還列出了組織為全部珠光體、不含其他合金元素的碳鋼的性能，供對比。

由表1可見，硅強化鐵素體的作用很明顯。硅含量的提高后，抗拉強度和硬度都隨之提高。但是，硅固溶強化的鐵素體，抗拉強度和硬度的值仍明顯地低于珠光體。

鑄鐵中，利用硅的固溶強化作用，可以減少或不用銅、鎳、錫、鉬、鉻等提高強度的合金元素，當(dāng)然是有益的?？墒牵荛L時間以來。鑄造行業(yè)還沒有充分地利用硅的這種潛能。

就灰鑄鐵而言，由于片狀石墨切割基體的作用很大，鑄鐵的強度不高，一般對伸長率也不要求。雖然提高灰鑄鐵的強度，主要是靠控制石墨的形態(tài)、數(shù)量，以及減小共晶團的尺寸，但也不能不盡可能地增強基體組織。除需求量很少的低牌號灰鑄鐵外，一般都要求基體組織全部為珠光體。為了得到珠光體基體，鑄鐵中的硅含量當(dāng)然不宜太高。因此，鑄造行業(yè)的同仁也就很少注意硅的固溶強化作用。

就球墨鑄鐵而言，所有的牌號對伸長率都有嚴格的要求。由表1可見，珠光體中固溶的硅量增多，伸長率相應(yīng)地有所降低，硅含量超過3%后尤為明顯。

此外，從很多有關(guān)球墨鑄鐵力學(xué)性能的試驗報告中，都可見到類似的數(shù)據(jù)。

經(jīng)相當(dāng)長的一段時間逐漸形成了這樣一種觀念，即：鑄鐵中的硅含量太高，會導(dǎo)致延展性、韌性降低。因此，硅的固溶強化作用往往沒有受到重視。實際上，有些試驗中只考慮硅含量的改變，忽略了其他因素的影響，無意中夸大了硅的“脆化”作用。

二、硅固溶強化作用的應(yīng)用

硅在球墨鑄鐵中的固溶強化作用，最近已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注。談到這里，不能不提及我國三十多年前在灰鑄鐵方面所做的工作。

1. 硅在灰鑄鐵中的固溶強化作用

牌號HT250以上的灰鑄鐵，基體組織都是珠光體。為了確保強度達標，生產(chǎn)中通常都加入銅、錫、銻之類的合金元素。

珠光體中，鐵素體約占90%，如果適當(dāng)?shù)靥岣哞T鐵中的硅含量，在鐵素體中起固溶強化作用，而鑄鐵組織中又不至于出現(xiàn)鐵素體，當(dāng)然可以節(jié)省合金元素，同時也簡化了操作。

1980年前后，北京鋼鐵學(xué)院（現(xiàn)在的北京科技大學(xué)）鐘雪友等人進行了這方面的研究、試驗工作。在灰鑄鐵碳當(dāng)量為4.05%左右的條件下，適當(dāng)?shù)靥岣吖韬浚⊿i/C比為0.78左右），不加合金元素，鑄鐵的抗拉強度就可以保持在300MPa以上。

20世紀80年代，這項工藝曾在多家鑄造廠得到確認和應(yīng)用。

2. 硅在球墨鑄鐵中的固溶強化作用

表1 不同硅含量的鐵素體的力學(xué)性能

生產(chǎn)球墨鑄鐵件，球化率、石墨球數(shù)量和石墨球平均尺寸等是基本的質(zhì)量要求。在石墨球化正常的條件下，其切割基體的作用較在灰鑄鐵中大為減輕。通過控制基體組織，可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)整球墨鑄鐵的力學(xué)性能，以適應(yīng)多種不同工況條件的要求。除等溫淬火球墨鑄鐵和高鎳奧氏體球墨鑄鐵外，常規(guī)的球墨鑄鐵目前已有十多種牌號，抗拉強度可以在350～900MPa之間改變，最低伸長率則可相應(yīng)地在22%～2%之間改變。

QT450-10、QT500-7、QT550-5和QT600-3等牌號的球墨鑄鐵件，都由控制基體組織中鐵素體與珠光體所占的份額，以確保力學(xué)性能符合要求。一般說來，生產(chǎn)這類球墨鑄鐵件時，應(yīng)力求通過控制鑄鐵的化學(xué)成分和生產(chǎn)過程中的各項工藝條件，使鑄件的鑄態(tài)組織符合要求，以避免費時、耗能的熱處理工序。

在工藝控制不足以確保鑄鐵強度的情況下，加入少量銅、鎳之類的合金元素，也是常用的應(yīng)對措施。但是，這樣做既提高了生產(chǎn)成本，還要耗用珍貴的資源。

隨著對球墨鑄鐵認識的逐漸深化，十多年前，歐洲就開始注意到硅在球墨鑄鐵中強化鐵素體的作用，瑞典的研究工作發(fā)現(xiàn)：用途很廣的QT500-7牌號球墨鑄鐵中，將硅含量提高到3.5%，基體組織全部是鐵素體，不僅可以在保持抗拉強度在500MPa的條件下提高伸長率，更為重要的是，鑄件的硬度均勻，可加工性顯著改善。

在此基礎(chǔ)上，國際標準ISO1083《球墨鑄鐵分類》2004年修訂時，補充了一項“高硅球墨鑄鐵”的牌號JS500-10。

歐洲標準EN 1563《球墨鑄鐵件》2011年修訂時，補充了3項“固溶強化鐵素體球墨鑄鐵”牌號，見表2。

2012年，德國Herbert L?blich發(fā)表了有關(guān)硅固溶強化的鐵素體球墨鑄鐵力學(xué)性能的研究報告。2013年，日本九州大學(xué)和日之出水道機器公司技術(shù)開發(fā)部也對此進行了試驗研究。

三、硅固溶強化球墨鑄鐵的力學(xué)性能

近年來，關(guān)于硅固溶強化球墨鑄鐵的力學(xué)性能，已經(jīng)發(fā)表了不少研究報告。目前見到的文獻資料中，日本九州大學(xué)和日之出水道機器公司提供的數(shù)據(jù)比較全面，在這里簡要地介紹給大家，供參考。

試驗中，熔煉兩種珠光體-鐵素體球墨鑄鐵（QT1、QT2），兩種高硅鐵素體球墨鑄鐵（SiQT1、SiQT2），鑄造厚度30mm、高50mm、長200mm的U形試塊，然后制成試樣，測定力學(xué)性能。QT1、QT2相當(dāng)于QT500-7和QT600-3。SiQT1和SiQT2則是在二者的基礎(chǔ)上提高硅含量，并相應(yīng)地調(diào)整碳含量和其他成分。

表2 固溶強化鐵素體球墨鑄鐵的牌號和力學(xué)性能要求（不同鑄件壁厚的最低值）

1. 球墨鑄鐵的成分和金相組織

高硅球墨鑄鐵中，相應(yīng)地降低碳含量，使碳當(dāng)量大致相當(dāng)。常規(guī)球墨鑄鐵QT1和QT2中，加少量的銅，并稍調(diào)高錳含量，以使組織中的珠光體含量符合要求。

4種球墨鑄鐵的化學(xué)成分見表3，試樣金相組織的要點見表4，金相圖片見圖1。

2. 抗拉強度、屈服強度和伸長率

為了了解各種球墨鑄鐵抗拉強度與伸長率的關(guān)系，進行了大量的拉伸性能測試。常規(guī)球墨鑄鐵取了90種試樣，其抗拉強度在400～700MPa，銅含量和錳含量也稍有差別；高硅球墨鑄鐵取了19種試樣，抗拉強度在500～600MPa，硅含量在3.3%～4.65%。

抗拉強度與伸長率的關(guān)系見圖2，屈服強度與伸長率的關(guān)系見圖3。圖2和圖3中，藍點是常規(guī)球墨鑄鐵的數(shù)據(jù)，紅圈點是高硅球墨鑄鐵的數(shù)據(jù)。為了與現(xiàn)行標準的要求比較，兩圖中的綠色小方塊是標準規(guī)定的抗拉強度、屈服強度和伸長率的最低值，其間還連有曲線，落在曲線右方的數(shù)據(jù)都符合標準要求。

由圖2可見，在抗拉強度相同的條件下，高硅球墨鑄鐵的伸長率比常規(guī)球墨鑄鐵高。由圖3可見，在伸長率相同的條件下，高硅球墨鑄鐵的屈服強度比常規(guī)球墨鑄鐵高得多。

圖4表示幾種球墨鑄鐵抗拉強度和屈服強度的關(guān)系。由圖4可見，在抗拉強度相同的條件下，高硅球墨鑄鐵的屈服強度（σ0.2）比常規(guī)球墨鑄鐵高得多，硅的固溶強化作用使球墨鑄鐵的屈強比大為提高。

3. 疲勞特性

就表3所列的4種球墨鑄鐵進行了旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗，應(yīng)力振幅與斷裂循環(huán)次數(shù)的關(guān)系見圖5。硅固溶強化的球墨鑄鐵，疲勞極限高于常規(guī)球墨鑄鐵。

4. 沖擊韌度

為了了解硅固溶強化對球墨鑄鐵沖擊韌度和脆性轉(zhuǎn)變的影響，就SiQT1和QT1兩種球墨鑄鐵，測定了標準試樣在不同溫度下的沖擊吸收能量。試驗中，分別用V型缺口試樣、U型缺口試樣和無缺口試樣進行測定，以考察其對缺口形狀的敏感性。圖6、圖7、圖8中，黑點是QT1的測定值，空白點是SiQT1的測定值。

V型缺口試樣測定的結(jié)果見圖6。在70℃以上，SiQT1的沖擊吸收能量大于QT1，但是，SiQT1的脆性轉(zhuǎn)變溫度（T）很高，約在67℃，而QT1的脆性轉(zhuǎn)變溫度則在-11℃左右，二者的差別相當(dāng)大。

圖1 試樣的金相組織

圖2 幾種球墨鑄鐵抗拉強度與伸長率的關(guān)系

圖3 幾種球墨鑄鐵屈服強度（σ0.2）與伸長率的關(guān)系

表3 4種球墨鑄鐵的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表4 4種球墨鑄鐵試樣金相組織的要點

U型缺口試樣測定的結(jié)果見圖7。在60℃以上，SiQT1的沖擊吸收能量大于QT1，但是，SiQT1的脆性轉(zhuǎn)變溫度（不同溫度下U型缺口試樣的沖擊吸收能量），雖然比V型缺口試樣的值略有下降，但還是很高，約是60℃。QT1的脆性轉(zhuǎn)變溫度在仍然在-11℃左右。

無缺口試樣測定的結(jié)果見圖8。用無缺口試樣測定時，SiQT1的脆性轉(zhuǎn)變溫度約是11℃，比用兩種有缺口試樣測定的轉(zhuǎn)變溫度大幅度下降。

在11℃以上，SiQT1的沖擊吸收能量大于QT1。但是，用無缺口試樣測定時，QT1的脆性轉(zhuǎn)變溫度很低，在-80℃以上未見明顯的脆化的跡象。

5. 幾點綜合的看法

基于對上述數(shù)據(jù)的分析，大體上可建立以下的以下看法：

（1）在球墨鑄鐵中，硅固溶于鐵素體，有抑制珠光體、促進鐵素體的作用，而且固溶于鐵素體的硅能使鐵素體強化。

（2）對于基體為珠光體-鐵素體混合組織、要求抗拉強度600MPa及低于此值的球墨鑄鐵，將硅含量提高到3.8%～4.4%，可以得到全鐵素體組織，在抗拉強度滿足要求的條件下，屈服強度、伸長率都有較大幅度的提高。同時，制得的鑄件硬度均勻，可加工性明顯改善。

（3）如要求抗拉強度在700MPa以上，則硅固溶強化的鐵素體球墨鑄鐵不能滿足要求。

（4）硅固溶強化球墨鑄鐵，疲勞極限優(yōu)于常規(guī)球墨鑄鐵。

（5）硅固溶強化的球墨鑄鐵，脆性轉(zhuǎn)變溫度很高：用V型缺口試樣和U型缺口試樣測定時，脆性轉(zhuǎn)變溫度都高于室溫，在60℃以上；用無缺口試樣測定時，也在10℃以上。因此，硅固溶強化的球墨鑄鐵不宜用于制造結(jié)構(gòu)上有應(yīng)力集中部位的鑄件，尤其不宜用于在低溫條件下承受沖擊載荷的鑄件。

（6）在脆性轉(zhuǎn)變溫度以上，硅固溶強化的球墨鑄鐵的沖擊韌度優(yōu)于常規(guī)球墨鑄鐵。

圖4 幾種球墨鑄鐵抗拉強度與屈服強度（σ0.2）的關(guān)系

圖5 4種球墨鑄鐵的S-N曲線

圖6 不同溫度下V型缺口試樣的沖擊吸收能量

圖7 不同溫度下U型缺口試樣的沖擊吸收能量

圖8 不同溫度下無缺口試樣的沖擊吸收能量

李傳，中國鑄造協(xié)會顧問，資深鑄造專家。