【摘要】分析了矽在灰鑄鐵和球墨鑄鐵中的固溶強化作用，詳細介紹了矽固溶強化球墨鑄鐵的力學性能，並在此基礎上提出了在生產應用中的幾點看法。
近年來，為了適應多方面的要求，各種新工藝、新材料不斷湧現，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。
2012年，世界各類鑄件的總產量為10083萬t，其中：灰鑄鐵件4599.6萬噸，佔45.6%；球墨鑄鐵件2516.7萬t，佔24.9%；可鍛鑄鐵件127.5萬t，佔1.3%。也就是說，目前世界各類鑄件的總產量中，灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件就佔70%以上。
近年來，為了遵循可持續發展的理念，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、節能減排、珍惜資源等多方面的要求。因此，各國鑄造行業都非常重視改進鑄鐵材質方面的研究、開發工作。
矽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，矽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。但是，時至今日，矽在鑄鐵中的作用，我們的認知還很不夠，有待進一步探索的空間仍然廣闊。
一、矽在鑄鐵中的作用
矽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，矽還有不少重要的作用，在這裡，簡單地提一提以下兩點：
（1）溶於液態鑄鐵中的矽，使鐵液抗氧化能力大為增強，而且矽還可以使氮在鐵液中的溶解度降低。正是由於矽的這種作用，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、氧氣迴轉爐這類熔煉設備，在富氧、富氮的氣氛中熔煉。
（2）將鑄鐵中矽含量提高到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，就都有了矽系耐熱鑄鐵的牌號。近年來，出於節能的考慮，各種內燃機提高了排氣的溫度，各國汽車行業中，都很重視耐熱矽鉬球墨鑄鐵件的應用。
1. 矽在鑄鐵中促進石墨化的作用
鑄鐵中矽是促進石墨化作用最強的合金元素，矽促進石墨化的能力，是鎳的3倍，銅的5倍。
無論在液態或固態的鑄鐵中，矽與鐵結合的作用都比碳強。
液態鑄鐵中含有矽，就會使碳的溶解度降低。鐵液中矽的含量越高，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，矽含量高，凝固過程中，就有更多的碳以初生石墨的形態析出，直到剩餘的鐵液達到共晶成分後發生共晶轉變。
鐵液為亞共晶成分時，凝固過程中，矽富集於初生奧氏體中。
共晶轉變時，矽富集於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，固溶於奧氏體中的矽，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，碳和矽是影響石墨形態、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，矽促進碳在奧氏體中擴散，對於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。鑄鐵中含有的矽，可以使其中的氧、氮含量降低，這樣，又間接地增強了矽對石墨化的作用。
2. 矽在鐵素體中的固溶強化作用
在固態的鑄鐵中，矽幾乎全部固溶於奧氏體和鐵素體，不進入碳化物。矽原子與鐵原子可以結合成具有強共價鍵的含矽鐵素體，不僅促進鐵素體形成，而且使鐵素體強化的作用很強。
為了了解矽強化鐵素體的能力，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，加入不同量的矽，以比較矽對力學性能的影響，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，矽強化鐵素體的作用很明顯。矽含量的提高後，抗拉強度和硬度都隨之提高。但是，矽固溶強化的鐵素體，抗拉強度和硬度的值仍明顯地低於珠光體。
鑄鐵中，利用矽的固溶強化作用，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矽的這種潛能。
就灰鑄鐵而言，由於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，但也不能不儘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，鑄鐵中的矽含量當然不宜太高。因此，鑄造行業的同仁也就很少注意矽的固溶強化作用。
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，珠光體中固溶的矽量增多，伸長率相應地有所降低，矽含量超過3%後尤為明顯。
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：鑄鐵中的矽含量太高，會導致延性、韌性降低。因此，矽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矽含量的改變，忽略了其他因素的影響，無意中誇大了矽的 「脆化」作用。
二、矽固溶強化作用的應用
矽在球墨鑄鐵中的固溶強化作用，最近已經受到了廣泛的關注。談到這裡，不能不提及我國三十多年前在灰鑄鐵方面所做的工作。
1. 矽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，生產中通常都加入銅、錫、銻之類的合金元素。
珠光體中，鐵素體約佔90%，如果適當地提高鑄鐵中的矽含量，在鐵素體中起固溶強化作用，而鑄鐵組織中又不至於出現鐵素體，當然可以節省合金元素，同時也簡化了操作。
1980年前後，北京鋼鐵學院（現在的北京科技大學）鍾雪友等人進行了這方面的研究、試驗工作。在灰鑄鐵碳當量為4.05%左右的條件下，適當地提高矽含量（S 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。
80年代，這項工藝曾在多家鑄造廠得到確認並在生產中應用。
表1
不同矽含量的鐵素體的力學性能
力學性能
矽含量（%）
全珠光體碳鋼
微量
0.82
2.28
3.40
抗拉強度/MPa
280～290
315
540
645
840
伸長率（%）
60
55.0
50.0
21.0
10.0
硬度HBW
75
88
124
150
200
2. 矽在球墨鑄鐵中的固溶強化作用
生產球墨鑄鐵件，球化率、石墨球數量和石墨球平均尺寸等是基本的質量要求。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，可以在很大的範圍內調整球墨鑄鐵的力學性能，以適應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，常規的球墨鑄鐵目前已有十多種牌號，抗拉強度可以在350～900 MPa之間改變，最低伸長率則可相應地在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佔的份額，以確保力學性能符合要求。一般說來，生產這類球墨鑄鐵件時，應力求通過控制鑄鐵的化學成分和生產過程中的各項工藝條件，使鑄件的鑄態組織符合要求，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的強度的情況下，加入少量銅、鎳之類的合金元素，也是常用的應對措施。但是，這樣做既提高了生產成本，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，歐洲就開始注意到矽在球墨鑄鐵中強化鐵素體的作用，瑞典的研究工作發現：用途很廣的QT500－7牌號球墨鑄鐵中，將矽含量提高到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，切削性能顯著改善。
在此基礎上，國際標準ISO1083《球墨鑄鐵分類》2004年修訂時，補充了一項「高矽球墨鑄鐵」的牌號JS500－10。
歐洲標準E N 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 Löblich發表了有關矽固溶強化的鐵素體球墨鑄鐵力學性能的研究報告。
2013年，日本九州大學和日之出水道機器公司技術開發部也對此進行了試驗研究。
表2
固溶強化鐵素體球墨鑄鐵的牌號和力學性能要求（不同鑄件壁厚的最低值）
牌號
鑄件壁厚/mm
屈服強度/MPa
抗拉強度/MPa
伸長率（%）
≤30
350
450
18
EN-GJS-450-18
30～≤60
340
430
14
＞60
由供、需雙方商定
≤30
400
500
14
EN-GJS-500-14
30～≤60
390
480
12
＞60
由供、需雙方商定
≤30
470
600
10
EN-GJS-600-10
30～≤60
450
580
8
＞60
由供、需雙方商定
三、矽固溶強化球墨鑄鐵的力學性能
近年來，關於矽固溶強化球墨鑄鐵的力學性能，已經發表了不少研究報告。目前見到的文獻資料中，日本九州大學和日之出水道機器公司提供的數據比較全面，在這裡簡要地介紹給大家，供參考。
試驗中，熔煉兩種珠光體 - 鐵素體球墨鑄鐵（ Q T1 、 Q T2 ），兩種高矽鐵素體球墨鑄鐵（SiQT1、SiQT2），鑄造厚度30mm、高50mm、長200mm的U型試塊，然後製成試樣，測定力學性能。QT1、QT2相當於QT500-7和QT600-3。SiQT1和SiQT2則是在二者是基礎上提高矽含量，並相應地調整碳含量和其他成分。
1. 球墨鑄鐵的成分和金相組織
高矽球墨鑄鐵中，相應地降低碳含量，使碳當量大致相當。常規球墨鑄鐵QT1和QT中，加有少量的銅，並稍稍調高錳含量，以使組織中的珠光體含量符合要求。
4種球墨鑄鐵的化學成分見表3，試樣金相組織的要點見表4，金相圖片見圖1。
表3
4種球墨鑄鐵的化學成分（質量分數）
（%）
鑄鐵編號
C
Si
Mn
P
S
Cu
Mg
Cr
SiQT1
3.22
3.82
0.24
0.020
0.009
0.01
0.042
0.031
QT1
3.65
2.24
0.40
0.016
0.006
0.22
0.040
0.024
SiQT2
3.04
4.40
0.27
0.022
0.004
0.01
0.037
0.036
QT2
3.68
2.12
0.41
0.013
0.009
0.34
0.034
0.023
表4
4種球墨鑄鐵試樣金相組織的要點
鑄鐵編號
球化率（%）
石墨球平均直徑/μm
石墨球所佔的面積（%）
鐵素體與珠光體之比
SiQT1
96.0
20.2
20.2
全鐵素體
QT1
96.4
16.7
16.7
約6 4
SiQT2
95.9
14.0
14.0
全鐵素體
QT2
94.9
18.6
18.6
約2 8
圖1 試樣的金相組織
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係，進行了大量的拉伸性能測試。常規球墨鑄鐵取了90種試樣，其抗拉強度在400～700MPa，銅含量和錳含量也稍有差別；高矽球墨鑄鐵取了19種試樣，抗拉強度在500～600M P a，矽含量在3.3%～4.65%。
抗拉強度與伸長率的關係見圖2，屈服強度與伸長率的關係見圖3。圖2和圖3中，黑點是常規球墨鑄鐵的數據，空白點是高矽球墨鑄鐵的數據。為了與現行標準的要求比較，兩圖中的小方塊是標準規定的抗拉強度、屈服強度和伸長率的最低值，其間還有聯有曲線，落在曲線右方的數據都符合標準要求。
圖2 幾種球墨鑄鐵抗拉強度與伸長率的關係
圖3 幾種球墨鑄鐵屈服強度（σ0.2）與伸長率的關係
由圖2可見，在抗拉強度相同的條件下，高矽球墨鑄鐵的伸長率比常規球墨鑄鐵高。由圖3可
見，在伸長率相同的條件下，高矽球墨鑄鐵的屈服強度比常規球墨鑄鐵高得多。
圖4表示幾種球墨鑄鐵抗拉強度和屈服強度的關係。由圖4可見，在抗拉強度相同的條件下，高矽球墨鑄鐵的屈服強度（σ0.2）比常規球墨鑄鐵高得多，矽的固溶強化作用使球墨鑄鐵的屈強比大為提高。
圖4 幾種球墨鑄鐵抗拉強度與屈服強度（σ0.2）的關係
3. 疲勞特性
就表3所列的4種球墨鑄鐵進行了旋轉彎曲疲勞試驗，應力振幅與斷裂循環次數的關係見圖5。矽固溶強化的球墨鑄鐵，疲勞極限高於常規的球墨鑄鐵。
圖5 4種球墨鑄鐵的S-N曲線
4. 衝擊韌度
為了了解矽固溶強化對球墨鑄鐵衝擊韌性和脆性轉變的影響，就SiQT1和QT1兩種球墨鑄鐵，測定了標準試樣在不同溫度下的衝擊吸收能量。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、和圖8中，黑點是Q T1的測定值，空白點是SiQT1的測定值。
圖6 不同溫度下V型缺口試樣的衝擊吸收能量
圖7 不同溫度下U-形缺口試樣的衝擊吸收能量
圖8 不同溫度下無缺口試樣的衝擊吸收能量
V 型缺口試樣測定的結果見圖 6 。在 7 0 ℃ 以上， S i Q T 1 的衝擊吸收能量大於 Q T 1 ，但是，
S i Q T1的脆性轉變溫度（T ）很高，約在67℃，而QT1的脆性轉變溫度則在－11℃左右，二者的差別相當大。
U 型缺口試樣測定的結果見圖 7 。在 6 0 ℃ 以上， S i Q T 1 的衝擊吸收能量大於 Q T 1 ，但是，
S i Q T1的脆性轉變溫度（不同溫度下V型缺口試樣的衝擊吸收能），雖然比V型缺口試樣的略有下降，但還是很高，約是60℃。QT1的脆性轉變溫度在仍然在－11℃左右。
無缺口試樣測定的結果見圖8。用無缺口試樣測定時，SiQT1的脆性轉
變溫度約是11℃，比用兩種有缺口試樣測定的轉變溫度大幅度下降。
在 1 1 ℃ 以上， S i Q T 1 的衝擊吸收能量大於QT1。但是，用無缺口試樣測定時，QT1的脆性轉變溫度很低，在－80℃以上未見明顯的脆化的跡象。
5. 幾點綜合的看法
基於對上述數據的分析，大體上可建立以下的
以下看法：
（1）在球墨鑄鐵中，矽固溶於鐵素體，有抑制珠光體、促進鐵素體的作用，而且固溶於鐵素體的矽能使鐵素體強化。
（2）對於基體為珠光體-鐵素體混合組織、要求抗拉強度600M P a及低於此值的球墨鑄鐵，將
矽含量提高到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，製得的鑄件硬度均勻，加工性能明顯改善。
（3）如要求抗拉強度在700MPa以上，則矽固溶強化的鐵素體球墨鑄鐵不能滿足要求。
（4）矽固溶強化的球墨鑄鐵，疲勞極限優於常規球墨鑄鐵。
（5）矽固溶強化的球墨鑄鐵，脆性轉變溫度很高：用V型缺口試樣和U型缺口試樣測定時，脆性轉變溫度都高於室溫，在60℃以上；用無缺口試樣測定時，也在10℃以上。因此，矽固溶強化的球墨鑄鐵不宜用於製造結構上有應力集中部位的鑄件，尤其不宜用於在低溫條件下承受衝擊載荷的鑄件。
（6）在脆性轉變溫度以上，矽固溶強化的球墨鑄鐵的衝擊韌性優於常規球墨鑄鐵。
來源：鑄造吧
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