進(jìn)入鐵器時(shí)代，是人類(lèi)文明開(kāi)始快速發(fā)展的里程碑。鑄鐵件的生產(chǎn)、應(yīng)用，促進(jìn)了早期的產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。到現(xiàn)在，“鑄造”依舊是制造業(yè)的基礎(chǔ)，但各行各業(yè)的發(fā)展卻又反過(guò)來(lái)拉動(dòng)鑄造行業(yè)，使之進(jìn)入了現(xiàn)代化的新時(shí)代。
近年來(lái)，雖然為適應(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)用發(fā)展也很快，但鑄鐵件的需求量仍然穩(wěn)居首位。2012年，世界各國(guó)各類(lèi)鑄件的總產(chǎn)量為10，083萬(wàn)t，其中，灰鑄鐵件4,599.6萬(wàn)t、占45.6％，球墨鑄鐵件2,516.7萬(wàn)t、占24.9％，可鍛鑄鐵件127.5萬(wàn)t、占1.3％。也就是說(shuō)，目前世界各類(lèi)鑄件的總產(chǎn)量中，灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件就占了70％以上。
雖然從三千多年前進(jìn)入鐵器時(shí)代起，鑄造同仁就也離不了硅，人類(lèi)對(duì)硅的認(rèn)識(shí)也隨著經(jīng)驗(yàn)的積累和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷深化；但是，時(shí)至今日，我們對(duì)硅在鑄鐵中的作用，認(rèn)知還很不夠，有待進(jìn)一步探索的空間仍然廣闊。
1 硅在鑄鐵中促進(jìn)石墨化的作用
在鑄鐵中，硅是促進(jìn)石墨化作用強(qiáng)的合金元素，其促進(jìn)石墨化的能力，是鎳的3倍、銅的5倍。而且無(wú)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(qiáng)。
液態(tài)鑄鐵中含有硅，就會(huì)使碳的溶解度降低。鐵液中硅的含量愈高，碳含量相應(yīng)地愈低，就會(huì)有更多的碳被排擠出來(lái)。
我們從鐵碳相圖中不難理解：鐵液為過(guò)共晶成分時(shí)，硅含量高，凝固過(guò)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(dá)到共晶成分后發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變；鐵液為亞共晶成分時(shí)，凝固過(guò)程中，硅富集于初生奧氏體中。共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，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(qiáng)碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度，促使碳以共晶石墨的形態(tài)析出；共析轉(zhuǎn)變時(shí)，固溶于奧氏體中的硅，仍然抑制碳與鐵形成滲碳體，增強(qiáng)碳在奧氏體中的擴(kuò)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(guò)程中，硅促進(jìn)碳在奧氏體中擴(kuò)散，對(duì)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(qiáng)了硅對(duì)石墨化的作用。
2 硅在鐵素體中的固溶強(qiáng)化作用
在固態(tài)鑄鐵中，硅幾乎全部固溶于奧氏體和鐵素體，不進(jìn)入碳化物。硅原子與鐵原子可以結(jié)合成具有強(qiáng)共價(jià)鍵的含硅鐵素體，不僅促進(jìn)鐵素體形成，而且使鐵素體強(qiáng)化的作用很強(qiáng)。
表1 不同硅含量鐵素體的力學(xué)性能
為了解硅強(qiáng)化鐵素體的能力，上世紀(jì)五十年代，國(guó)外研究者在碳含量為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(duì)力學(xué)性能的影響，結(jié)果見(jiàn)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，以供對(duì)比。
由表1可見(jiàn)，硅強(qiáng)化鐵素體的作用很明顯。硅含量提高后，抗拉強(qiáng)度和硬度都隨之提高。但是，硅固溶強(qiáng)化的鐵素體，抗拉強(qiáng)度和硬度的值仍明顯地低于珠光體。
在生產(chǎn)鑄鐵時(shí)，利用硅的固溶強(qiáng)化作用，可以減少或不用銅、鎳、錫、鉬、鉻等提高強(qiáng)度的合金元素，是有益于降低生產(chǎn)成本和避免合金元素的負(fù)面作用的。
很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，我國(guó)鑄造同仁還沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)和有效利用硅的這種潛能。
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(qiáng)度不高，一般對(duì)伸長(zhǎng)率也不要求；而且，除需求量很少的低牌號(hào)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，鑄鐵中的硅含量不宜太高。因此，鑄造同仁也就很少注意到硅的固溶強(qiáng)化作用。雖然提高灰鑄鐵強(qiáng)度，主要是靠控制石墨的形態(tài)、數(shù)量，以及減小共晶團(tuán)的尺寸，但增強(qiáng)基體組織的作用也不可小覷。
就球墨鑄鐵而言，所有牌號(hào)對(duì)伸長(zhǎng)率都有嚴(yán)格的要求。由表1可見(jiàn)，珠光體中固溶的硅量增多，伸長(zhǎng)率相應(yīng)地有所降低，硅含量超過(guò)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(yàn)報(bào)告中，都可見(jiàn)到類(lèi)似的數(shù)據(jù)。
于是，逐漸形成了“鑄鐵中的硅含量太高，會(huì)導(dǎo)致延性、韌性降低”的觀念。實(shí)際上，有些試驗(yàn)數(shù)據(jù)中只考慮硅含量的改變，忽略了其他因素的影響，無(wú)意中夸大了硅的“脆化”作用。
3 硅在鑄鐵中的其他作用
硅在鑄鐵中的作用是多方面的，除“促進(jìn)石墨化”和“固溶強(qiáng)化”外，硅還有不少重要的作用，在此，簡(jiǎn)單介紹兩個(gè)：
1）溶于液態(tài)鑄鐵中的硅，使鐵液抗氧化能力大為增強(qiáng)，而且硅還可以使氮在鐵液中的溶解度降低。各種鑄造合金中，只有鑄鐵才能夠用沖天爐、氧氣回轉(zhuǎn)爐這類(lèi)熔煉設(shè)備，在富氧、富氮的氣氛中熔煉，正是由于硅的這種作用。
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(zhǎng)性能都大為改善。早期，各國(guó)耐熱鑄鐵的標(biāo)準(zhǔn)中，就都有了硅系耐熱鑄鐵的牌號(hào)。近年來(lái)，出于節(jié)能的考慮，各種內(nèi)燃機(jī)提高了排氣的溫度，各國(guó)汽車(chē)行業(yè)中，都很重視耐熱硅鉬球墨鑄鐵件的應(yīng)用。
4 硅固溶強(qiáng)化作用的應(yīng)用
近年來(lái)，硅在球墨鑄鐵中的固溶強(qiáng)化作用已經(jīng)逐漸受到廣泛關(guān)注，但事實(shí)上，我國(guó)三十多年前已在灰鑄鐵固溶強(qiáng)化方面做了一定的研究和應(yīng)用。
1）硅在灰鑄鐵中的固溶強(qiáng)化作用
牌號(hào)HT250以上的灰鑄鐵，基體組織都是珠光體。為了確保強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，生產(chǎn)中，通常都要加入銅、錫、銻之類(lèi)的合金元素。而珠光體由鐵素體與滲碳體間夾而成，其中，鐵素體約占90％；如果適當(dāng)?shù)靥岣哞T鐵中的硅含量，使其在鐵素體中能起到固溶強(qiáng)化作用，而又不至于出現(xiàn)單純鐵素體組織，當(dāng)然可以節(jié)省合金元素，同時(shí)也就簡(jiǎn)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)）鐘雪友等人就進(jìn)行了這方面的研究和試驗(yàn)工作。他們?cè)诨诣T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(qiáng)度就可以保持在300 MPa以上。上世紀(jì)八十年代，這項(xiàng)工藝曾在多家鑄造廠得到確認(rèn)并在生產(chǎn)中應(yīng)用。
2）硅在球墨鑄鐵中的固溶強(qiáng)化作用
生產(chǎn)球墨鑄鐵件時(shí)，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(guò)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10多種牌號(hào)，抗拉強(qiáng)度可以在350～900 MPa之間改變，低伸長(zhǎng)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(hào)的球墨鑄鐵件都是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)性能符合要求來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一般說(shuō)來(lái)，生產(chǎn)這類(lèi)球墨鑄鐵件時(shí)，應(yīng)力求通過(guò)控制鑄鐵的化學(xué)成分和生產(chǎn)過(guò)程中的各項(xiàng)工藝條件，使鑄件的鑄態(tài)組織符合要求，以避免費(fèi)時(shí)、耗能的熱處理工序。
在工藝控制不足以確保鑄鐵強(qiáng)度的情況下，加入少量銅、鎳之類(lèi)的合金元素，也是常用的應(yīng)對(duì)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(duì)球墨鑄鐵認(rèn)識(shí)的逐漸深入，十多年前，歐洲就開(kāi)始注意到硅在球墨鑄鐵中強(qiáng)化鐵素體的作用，瑞典的研究工作發(fā)現(xiàn)：用途很廣的500－7牌號(hào)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(qiáng)度在500MPa的條件下提高伸長(zhǎng)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(chǔ)上，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 1083《球墨鑄鐵分類(lèi)》2004年修訂時(shí)，補(bǔ)充了一項(xiàng)“高硅球墨鑄鐵”的牌號(hào)JS500－10。
歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1563《球墨鑄鐵件》2011年修訂時(shí)，補(bǔ)充了3項(xiàng)“固溶強(qiáng)化鐵素體球墨鑄鐵”牌號(hào)，見(jiàn)表2。
表2 固溶強(qiáng)化鐵素體球墨鑄鐵的牌號(hào)和力學(xué)性能要求（不同鑄件壁厚的低值）
2012年，德國(guó)Herbert L?blich發(fā)表了有關(guān)硅固溶強(qiáng)化的鐵素體球墨鑄鐵力學(xué)性能的研究報(bào)告。2013年，日本九州大學(xué)和日之出水道機(jī)器公司技術(shù)開(kāi)發(fā)部也對(duì)此進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
5 結(jié)束語(yǔ)
硅是地殼中蘊(yùn)藏量豐富的元素，無(wú)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(duì)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。
近年來(lái)，為了遵循可持續(xù)發(fā)展的理念，除了對(duì)鑄鐵件功能的要求日益增強(qiáng)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(guó)鑄造行業(yè)都非常重視改進(jìn)鑄鐵材質(zhì)方面的研究、開(kāi)發(fā)工作，尤其是硅在鑄鐵作用及其機(jī)理的研究與應(yīng)用工作，有待鑄造同仁進(jìn)一步挖掘。