進(jìn)入鐵器時代，是人類文明開始快速發(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)展卻又反過來拉動鑄造行業(yè)，使之進(jìn)入了現(xiàn)代化的新時代。
近年來，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，世界各國各類鑄件的總產(chǎn)量為10，083萬t，其中，灰鑄鐵件4,599.6萬t、占45.6％，球墨鑄鐵件2,516.7萬t、占24.9％，可鍛鑄鐵件127.5萬t、占1.3％。也就是說，目前世界各類鑄件的總產(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)入鐵器時代起，鑄造同仁就也離不了硅，人類對硅的認(rèn)識也隨著經(jīng)驗(yàn)的積累和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷深化；但是，時至今日，我們對硅在鑄鐵中的作用，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，就會有更多的碳被排擠出來。
我們從鐵碳相圖中不難理解：鐵液為過共晶成分時，硅含量高，凝固過程中，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，凝固過程中，硅富集于初生奧氏體中。共晶轉(zhuǎn)變時，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，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，在其脫碳退火的過程中，硅促進(jìn)碳在奧氏體中擴(kuò)散，對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，以比較硅對力學(xué)性能的影響，結(jié)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，以供對比。
由表1可見，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，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。
很長時間以來，我國鑄造同仁還沒有充分認(rèn)識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，一般對伸長率也不要求；而且，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，所有牌號對伸長率都有嚴(yán)格的要求。由表1可見，珠光體中固溶的硅量增多，伸長率相應(yīng)地有所降低，硅含量超過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)報告中，都可見到類似的數(shù)據(jù)。
于是，逐漸形成了“鑄鐵中的硅含量太高，會導(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，簡單介紹兩個：
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、抗熱生長性能都大為改善。早期，各國耐熱鑄鐵的標(biāo)準(zhǔn)中，就都有了硅系耐熱鑄鐵的牌號。近年來，出于節(jié)能的考慮，各種內(nèi)燃機(jī)提高了排氣的溫度，各國汽車行業(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，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，同時也就簡化了操作。
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。他們在灰鑄鐵碳當(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，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，抗拉強(qiáng)度可以在350～900 MPa之間改變，低伸長率則可相應(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)性能符合要求來實(shí)現(xiàn)的。一般說來，生產(chǎn)這類球墨鑄鐵件時，應(yīng)力求通過控制鑄鐵的化學(xué)成分和生產(chǎn)過程中的各項(xiàng)工藝條件，使鑄件的鑄態(tài)組織符合要求，以避免費(fèi)時、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、鎳之類的合金元素，也是常用的應(yīng)對措施，但是，這樣做，既提高了生產(chǎn)成本，還要耗用珍貴的資源。
隨著對球墨鑄鐵認(rèn)識的逐漸深入，十多年前，歐洲就開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，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 1083《球墨鑄鐵分類》2004年修訂時，補(bǔ)充了一項(xiàng)“高硅球墨鑄鐵”的牌號JS500－10。
歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1563《球墨鑄鐵件》2011年修訂時，補(bǔ)充了3項(xiàng)“固溶強(qiáng)化鐵素體球墨鑄鐵”牌號，見表2。
表2 固溶強(qiáng)化鐵素體球墨鑄鐵的牌號和力學(xué)性能要求（不同鑄件壁厚的低值）
2012年，德國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)開發(fā)部也對此進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
5 結(jié)束語
硅是地殼中蘊(yùn)藏量豐富的元素，無匱乏之虞，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，為了遵循可持續(xù)發(fā)展的理念，除了對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，各國鑄造行業(yè)都非常重視改進(jìn)鑄鐵材質(zhì)方面的研究、開發(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。