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硅在鑄鐵中的多種作用
近年來，為了適應多方面的要求，各種新工藝、新材料不斷涌現，輕合金鑄件、鑄鋼件的應用都發展很快，但是到目前為止，鑄鐵件的需求量仍然穩居首位。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，硅都是主要構成元素之一，對鑄鐵組織中石墨的形態、數量，乃至基體組織的形成，都有非常重要的作用。南京麒麟儀器集團專業生產的爐前碳硅分析儀可以精準的檢測鑄鐵里的碳硅元素。時至今日，硅在鑄鐵中的作用，我們的認知還很有限，南京麒麟儀器集團與大家一起來進一步探索。
硅在鑄鐵中的作用是多方面的，其中，我們最關注的首先是“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）溶于液態鑄鐵中的硅，使鐵液抗氧化能力大為增強，而且硅還可以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，只有鑄鐵才能夠用沖天爐、氧氣回轉爐這類熔煉設備，在富氧、富氮的氣氛中熔煉。
（2）將鑄鐵中硅含量提高到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，出于節能的考慮，各種內燃機提高了排氣的溫度，各國汽車行業中，都很重視耐熱硅鉬球墨鑄鐵件的應用。
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。
無論在液態或固態的鑄鐵中，硅與鐵結合的作用都比碳強。
液態鑄鐵中含有硅，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析出，直到剩余的鐵液達到共晶成分后發生共晶轉變。
鐵液為亞共晶成分時，凝固過程中，硅富集于初生奧氏體中。
共晶轉變時，硅富集于早期結晶的共晶奧氏體中，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析出。
共析轉變時，固溶于奧氏體中的硅，仍然抑制碳與鐵形成滲碳體，增強碳在奧氏體中的擴散速度，促使碳以共析石墨的形態析出。
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、數量的主要元素。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，又間接地增強了硅對石墨化的作用。
在固態的鑄鐵中，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。
為了了解硅強化鐵素體的能力，避免石墨形態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，以比較硅對力學性能的影響，結果見表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，當然是有益的。可是，很長時間以來。鑄造行業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、數量，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，鑄鐵中的硅含量當然不宜太高。因此，鑄造行業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，伸長率相應地有所降低，硅含量超過3％后尤為明顯。
此外，從很多有關球墨鑄鐵力學性能的試驗報告中，都可見到類似的數據。
經相當長的一段時間，逐漸形成了這樣一種觀念，即：鑄鐵中的硅含量太高，會導致延性、韌性降低。因此，硅的固溶強化作用往往就沒有受到重視。實際上，有些試驗數據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。
南京麒麟科學儀器集團有限公司
檢測中心
2017年7月20日
