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铸铁中硅的作用

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    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。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。

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:

  (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。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。

  (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。

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。铁液中硅的含量越高,碳含量相应地越低,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,20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。

    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。




 

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