有关硅钼球铁的一些问题_李传拭.doc

WORD有关Si-Mo 球墨铸铁的一些问题中国铸造协会资深顾问传拭（在铸造展会期间论坛发表演讲） 硅钼球墨铸铁是一种价格比较低廉、应用面较广的耐热材料，用以制成的铸件可以长时 间在不超过850℃的高温下作业为了有助于现场工作的对其有更好的了解，想在这里 就有关的问题作简要的介绍一、Si-Mo 球墨铸铁的由来1、硅在灰铸铁中的应用19 世纪，继英国之后，一些工业国家都相继完成了工业革命，促进了生产力的快速发 展20 世纪起，各产业部门的生产技术不断进步，增强了对耐热材料的需求20 世纪初期，灰铸铁是最重要的铸造合金，用量是其他各种铸造合金总和的若干倍各种在高温条件下作业的部件，从炉用部件到当时的汽轮机壳体，都用灰铸铁制造因此，首先考虑的问题是，如何改善灰铸铁的耐热性能80 多年前，英国铸铁研究学会（BCIRA）就开发了碳含量1.8～2.2％、硅含量为5～7％、锰含量0.5～0.8％的西拉尔（Silal）耐热铸铁，1931 年，BCIRA 的A. L. Norbury 和E. Morgan在Journal of the Iron and Steel Institute 杂志（Vol. 23）发表了论文《Effects of Carbonand Silicon on Growth and Scaling of Cast Iron》,公布了西拉尔铸铁的化学成分与生产工艺的要点。

这种灰铸铁中，基体组织以铁素体为主，石墨形态以D 型为主，由于硅对铁素体的固溶强化作用，铁素体的硬度较高、强度也明显提高由于基体组织是铁素体，常温下，这种铸铁的抗拉强度可能略低于常规的珠光体灰铸铁，但脆性反而高一些，承受冲击载荷的能力也较差，但是，在260℃以上其抗拉强度和抗冲击能力都高于常规的灰铸铁提高了铸铁中的硅含量后，不仅铸铁的高温强度提高，更为重要的是，显著增强了铸铁在高温下的抗氧化能力和抗热生长能力，铸件可以在850℃、甚至900℃的高温下作业不久以后，为了改善西拉尔铸铁的常温力学性能，将硅含量修订为4～6％这样的成分，一直沿用至今早期，西拉尔铸铁是世界知名的耐热铸铁2、由西拉尔铸铁到Si-Mo 球墨铸铁20 世纪40 年代，球墨铸铁问世，为铸铁的发展开创一个新的纪元随着球墨铸铁的推广应用，50 年代就有人研究将西拉尔铸铁的经验用于球墨铸铁将球墨铸铁中的硅含量提高到4～6％，铸铁的抗氧化能力、抗热生长能力都显著改善，60 年代，一些工业国家就已在生产中应用 硅含量5～6％的球墨铸铁抗氧化能力很好，但是，硅含量超过5％以后，铁素体有一部分会转变为脆性相Fe3Si，使韧性大幅度下降，出于兼顾二者的折衷考虑，耐热球墨铸铁的硅含量一般都不超过5％。

提高了硅含量的球墨铸铁中，加入0.6～2.0％的钼，可以提高常温下的强度和韧性，高温力学性能的改善尤为明显，钼含量从0.2％逐步增加到2.5％，铸铁的蠕变性能也逐步改善但是，从价值工程的观点看来，最相宜的加入量为0.5～1.0％从20 世纪70 年代起，Si-Mo 球墨铸铁就是一种常用的耐热铸造合金，其用途很广 早期的燃机，燃烧效率不高，排出的废气温度约在500℃左右，排气歧管一般都用灰铸铁制造随着技术的进步，燃机排气温度逐渐提高，排气歧管的材质也随之不断改进80 年代以后，档次较高的燃机排气温度超过了800℃，所用的排气歧管和涡轮增压器，灰铸铁、蠕墨铸铁、硅铸铁等材质都不能适应要求于是，Si-Mo 球墨铸铁大行其道，广泛用于世界各国的汽车行业，其需求量猛增90 年代以后，一些汽车发动机的排气温度超过了900℃，Si-Mo 球墨铸铁不能胜任了，开始用高镍奥氏体球墨铸铁2000 年代早期，高档汽车发动机的排气温度又越过了950℃，排气歧管和涡轮增压器不得不改用铁素体耐热钢2005 年以后，为了进一步提高燃油的燃烧效率，排气温度超过了1000℃，又要改用高镍奥氏体不锈钢在燃机燃烧效率不断提高的条件下，Si-Mo 球墨铸铁在汽车行业的应用是有所减少了，而且还有继续减少的趋向。

但是，在柴油机方面的应用仍然很多，而且，其他方面对耐热铸件的需求量也非常可观，Si-Mo 球墨铸铁仍然是一种重要的铸造合金二、Si-Mo 球墨铸铁的化学成分与其对力学性能的影响Si-Mo 球墨铸铁中的主要合金元素是硅，钼是为改善铸铁而加入的辅助合金元素，在硅、钼含量确定之后，对碳、锰、磷、硫等元素的含量也应该予以严格的控制1、硅 在Si-Mo 球墨铸铁中，硅是重要的组分，其在球墨铸铁中的作用是多方面的，主要是提高抗氧化能力和降低热生长率，同时还可以使铁素体固溶强化其负面作用是，硅含量太高时导致铸铁脆化1）促进石墨化、抑制渗碳体的析出 在铸铁中，硅固溶于奥氏体中的溶解度约为2％，在铁素体中的溶解度可高达18.5％铸铁中，硅是促进石墨化作用最强的合金元素，其促进石墨化的能力大致是镍的3 倍、铜的5 倍无论在液态铸铁或固态铸铁中，铁与硅结合的能力比与碳结合的能力强增加铸铁中的硅含量，可以使铁-碳平衡图中铁-石墨系的共晶转变温度略有提高，铁-渗碳体系的共晶转变温度明显降低，从而使二者之间的间隔显著扩大对二者的共析转变温度也有类似的影响 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愈高，能溶解的碳量相应地愈低，就会有更多的碳脱溶析出。

铁液为过共晶成分时，硅含量高，凝固过程中，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，硅含量为4％左右的铸铁，基体组织大体上全是铁素体在加入了钼，而且用于制造薄壁铸件的条件下，组织中就可能含有少量的珠光体和碳化物Si-Mo 球墨铸铁中，硅含量较高，因而，薄壁铸件中形成碳化物的倾向较低，这对于制造排气歧管之类的薄壁铸件是很适宜的2）提高铸铁的抗氧化能力 一般说来，耐热铸件的作业条件是，在高温下、长时间与氧化性气体（主要是O2 、H2O、CO2）接触在这种条件下，铁基铸件的表面层会被氧化高温气体介质中有时还含有硫化物，硫对铁的作用也属于氧化反应耐热铸件应具有在高温下抗氧化的能力，也就是高温下的化学稳定性铁在高温下的氧化从表面开始，先形成一层薄氧化膜，然后逐渐增厚由于铸铁件的基本成分是铁，其氧化过程实际上是铁被氧化的过程。

在570℃以上的高温下，铁基铸件表面的氧化膜为三层结构层（贴近金属本体）为FeO，中间层为Fe3O4，外层为Fe2O3氧化过程中，氧原子以扩散的方式通过氧化膜进入铁中，使铁氧化，铸铁中的铁原子则向氧化膜方面扩散铁逐层被氧化成FeO，FeO 逐层被氧化成Fe3O4 ，Fe3O4 又逐层被氧化成Fe2O3结果是各氧化层不断增厚，金属本体逐渐减薄（见图1）铸铁的氧化过程中，在金属本体逐渐减薄的同时，由于氧化膜的密度小于铁，铸件的体积却反而会增加铸件外表面产生的氧化皮，是可能剥落的如果铸件的部氧化，则产生的氧化皮不可能剥落，结果是导致铸件的体积增大，这就是因氧化而致的热生长图1 铁基铸件表面氧化的示意图要提高铸铁的抗氧化能力，必须使其中含有能形成致密氧化膜的合金元素，而且这种氧化膜还应与金属本体结合紧密，从而抑制外界的氧原子通过氧化膜向铸件部扩散、以与铁原子向氧化膜扩散 如果铸铁中含有加入铝、硅、铬等元素，形成的氧化膜的成分和结构都有变化，可以增强铸铁的抗氧化能力铬、铝含量高时，铸件的表面上形成致密的Cr2O3 或Al2O3 氧化膜，有良好的保护作用铬、铝含量不很高时，铸件的表面上形成FeOCr2O3、FeOAl2O3 等尖晶石型氧化物，能与铁结合牢固，也有一定的保护作用。

硅含量较高的铸铁中，氧化膜的主要组成成分是铁橄榄石（Fe2SiO4），致密程度大为改善，能抑制外界的氧原子通过表面进入铸铁部就提高铸铁的抗氧化能力而言，硅是很强的抗氧化元素，其作用能力大约是铬的3 倍几种常用合金元素对铁氧化速率的影响见图2图2 常用合金元素对铁氧化速度的影响（3）减少铸件的热生长 铸铁件热生长的定义是：铸件长时间暴露于高温下，或在反复加热、冷却作用下所产生的永久性体积增大热生长不仅使铸铁的强度降低，还可能损坏与之接触的其他部件铸铁发生热生长的原因，可以简要地归纳为以下三个方面1）高温下珠光体中的渗碳体分解、析出石墨所致的体积膨胀 球墨铸铁中的珠光体在540℃以下比较稳定超过540℃以后，其中的渗碳体就会逐渐分解，碳以石墨的形态析出，通过扩散方式沉积在石墨球上650℃以上，石墨化的速度提高在700℃以上，石墨化在短时间就可以完成石墨化的结果就导致铸铁的体积膨胀基体组织全部为珠光体的球墨铸铁件，因石墨化而致的体积生长，按计算，大约是1％由于铸件部存在疏松和其他细小的孔隙，实际铸件因石墨化而致的生长低于此值有研究报告称：珠光体组织的球墨铸铁件，在高温下长时间保持，因石墨化而致的体积生长约在0.25～0.5％之间。

完全铁素体基体的球墨铸铁件，在820℃以下保持，实际上不可能因石墨化而产生体积增长Si-Mo 球墨铸铁中，硅含量提高到4％左右，不仅基体组织基本上是铁素体，珠光体很少，而且可以使铁-石墨系的共析转变温度Ac1提高到870℃以上因此，在作业温度不超过850℃的条件下，不必担心铸件因石墨化而产生热生长的问题2）相变所致的体积膨胀 铸件作业过程中，即使是铁素体基体的球墨铸铁，如果所处的温度不断通过铸铁共析转变温度围，铸铁周期性地发生铁素体→奥氏体、奥氏体→铁素体的相变加热到基体组织为奥氏体时，少量石墨溶入奥氏体，留下一些微小的孔隙冷却时，奥氏体中的碳又以石墨的形态析出，但不会析出在原来留下的孔隙中，从而造成石墨化膨胀长时间反复经历这种转变，铁就会有可观的体积膨胀，导致很坏的后果因此，常规的铁素体球墨铸铁的作业温度，一般都不能高于共析转变温度（约在760℃左右）提高铸铁中的硅含量，可以使其共析转变温度提高，铸铁作业的温度也可相应地提高，参见表1表1 硅含量对共析转变温度的影响3）铸铁部氧化所致的体积膨胀前面已经提到，铸铁件的部氧化是导致热生长的主要原因之一，而铸铁组织中石墨的形态和数量又是影响铸件部氧化的重要因素。

灰铸铁的显微组织中，石墨呈分散的片状，实际上是相互连接的团簇体，而且还有触与铸件表面的石墨片石墨是碳质材料，在高温、氧化性气氛下易于氧化，这样，就逐渐形成了氧进入铸件部的通道因此，灰铸铁是易于发生部氧化，所导致的热生长率也高石墨片越粗大、数量越多、连续性越好，部的氧化就越严重球墨铸铁中的石墨球是互不相连的，也没有联通外界的通道，可以有效地抑制部的氧化提高铸铁的硅含量后，铸铁本身抗氧化能力又大为增强，这方面就更不成问题了Si-Mo 球墨铸铁件中，可能导致部氧化的因素是：在反复加热、冷却的条件下，可能产生延伸到铸件表面的细微裂纹4）硅对铁素体的固溶强化作用在球墨铸铁中，硅固溶于铁素体，有抑制渗碳体析出、促进铁素体形成、提高铸铁抗氧化能力等作用，此外，固溶于铁素体的硅能使铁素体强化、改善球墨铸铁的力学性能将球墨铸铁中的硅含量提高到3.8～4.5％，可以得到全铁素体组织由于硅对铁素体的固溶强化作用，抗拉强度可以略高于600MPa，而且屈服强度、伸长率都有较大幅度的提高但是，硅含量超过4.5％以后，铸铁即显现脆性，伸长率随硅含量的增高而急剧下降由于铸铁组织全部为。