有关硅钼球铁的一些问题

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1、有关Si-Mo球墨铸铁的一些问题中国铸造协会资深顾问李传拭（在上海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850C 的高温下作业。为了有助于现场工作的同仁对其有更好的了解，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

2、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。0多年前，英国铸铁研究学会（BCIRA） 就开发了碳含量1.82.2%、硅含量为57%、锰含量0.50.8%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 St eel Ins titute 杂志（Vol. 23）发表 了论文Effec ts of Carbon and Silicon on Grow th and Scaling of Cas t Iron，公布了西拉尔铸铁的化 学成分及生产工艺的要

3、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260C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850C、甚至900C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46%。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

4、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46%，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56%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 Fei,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0.62.0%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

5、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0.51.0%。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。早期的内燃机，燃烧效率不高，排出的废气温度约在500C左右，排气歧管一般都用灰铸铁制造。随着技 术的进步，内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，档次较高的内燃机排 气温度超过了800C，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

6、的排气温度超过了900C, 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950C，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1000C，又要改用高镍奥 氏体不锈钢。在内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

7、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

8、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

9、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）2、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

10、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。图1 铁基铸件表面氧化的示意图FesOsFezCh层增厚FeQ4层增焊在570C以上的高温下，铁基铸件表面的氧化膜为三层结构。内层（贴近金属本体）为FeO,中间层为Fe304, 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，

11、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。如果铸件的内部氧化， 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。符号氧原子铁原子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内部扩散、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

12、 不很高时，铸件的表面上形成FeO Cr2O3、FeO A12O3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内部。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OIX0. 01IIiii048121620合金元素含量（）（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

13、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540C以下比较稳定。超过540C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。650C以上，石墨化的速度提高。在700C以上，石墨化在短时间 内就可以完成。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。由于铸件内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

14、温下长时间保持，因石墨化而致的体积生长约在 0.250.5%之间。完全铁素体基体的球墨铸铁件，在820C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Ac提高到870C以上。因此，在作业温度不超过850C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范围，铸 铁周期性地发生铁素体一奥氏体、奥氏体一铁素体的相变。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

15、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760C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碳含量，3. 993. 782. 513. 322. 193. 10硅含量，1. 603. 273. 431. 381. 165. 61加热时的临界温度，C755835800815875935冷却时的临界温度，C655795

16、7408758109203）铸铁内部氧化所致的体积膨胀 前面已经提到，铸铁件的内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 铸件内部氧化的重要因素。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。 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内部的通道。因此，灰 铸铁是易于发生内部氧化，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，内部的氧化就 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，可以有效地抑制内部的氧化。提高铸铁的硅含 量后，铸铁本身抗氧化能力又大为增强，这