有关硅钼球铁的一些问题_李传拭

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 Carbon and Silicon on Growth and Scaling of Cast Iron》,公布了西拉尔铸铁的化学成分及生产工艺的要点。

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及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、以及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FeO·Cr2O3、FeO·Al2O3 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A c1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，而且还有触及铸件表面的石墨片。