【热坛学习】高硅碳比灰铸铁形成机理的探讨
注：虽然这是一篇比较老的论文，但至今仍不失其参考性。来源于1999年《铸造设备研究》杂志。经整理分享，仅供参考！
高硅碳比灰铸铁是调整普通灰铸铁中硅与碳的含量使硅碳比达到0.6~0.9，再加以适当的孕育和合金化而获得的具有良好综合性能的高强度灰铸铁。早在二十世纪六十年代初，Walther Hiller等人就已提出了提高灰铸铁的硅碳比可以显著地提高灰铸铁的抗拉强度的看法。八十年代，调整灰铸铁硅碳比的研究受到国内的广泛重视。研究表明，在一定的碳当量范围内调整硅碳比，并配以适当的孕育条件能够得到高强度低应力无白口倾向灰铸铁。
高硅碳比灰铸铁主要有以下特点
① 在相同的碳当量条件下，硅碳比提高，抗拉强度可提高30MPa~60MPa， 且相对强度高，相对硬度低。
② 高硅碳比灰铸铁在不同冷速即不同壁厚处，组织均匀，硬度差△HB小于低硅碳比灰铸铁，硬度分布均匀，断面敏感性低。
③ 高硅碳比铸铁降低了铸铁的白口倾向，减少了疏松、裂纹倾向，铸造性能较好。
④ 在相同碳当量下，硅碳比增加，残余应力有降低趋势，应力倾向也较小。
⑤ 硅碳比提高，弹性性能高，铸件的刚性好。高硅碳比灰铸铁的弹性模量可达100000~150000MPa，耐磨性能可提高百分之三十左右。
奥氏体数量的变化
在相同碳当量条件下，随硅碳比的提高，灰铸铁中的奥氏体枝晶数量增加、灰铸铁强度提高 的结论已被大量的科学试验和广泛的生产实践所证实。但从相图上可知：初生奥氏体数量决定于铁水中的含碳量与共晶点含碳量之差值。差值越大，初生奥氏体越多。硅的提高使共晶点含碳量减少，差值变小故初生奥氏体减少。同时奥氏体的数量还与其析出时生核、生长情况及共晶凝固时的过冷度大小有关。据文献资料，悬浮于铁水中的二氧化硅微颗粒可以作为奥氏体超晶的结晶核心。
含硅1.4%~2.0%的初生奥氏体为面心立方晶格，其（111）面的原子排列为六角形，原子间距为5.12å~5.15å。867℃~1470℃以下的二氧化硅为六方晶格。晶格常数为5.03å。因此，初生奥氏体在二氧化硅颗粒上生长的错配度为1.76%~2.35%。
此位错度很小，说明高溶点是悬浮二氧化硅固体颗粒可以作为奥氏体析出的结晶核心，从而起到细化组织的目的。
图一
有文献认为高硅碳比铸铁会有较大的过冷度。如图一所示含硅较高的铁水按实线间较宽温度范围进行共晶凝固，含硅较低的铁水按虚线间较窄温度范围进行共晶凝固。铸件冷却曲线下移点到奥氏体石墨+共晶温度线的距离表示过冷度，显然高硅碳比铸铁过冷度比较大。为什么高硅碳比铸铁会有较大的过冷度？主要是高硅碳比铸铁冷却曲线上拐点突出，说明奥氏体生长时消耗了大量核心，共晶转变时核心量少有关。另外大量的初生奥氏体枝晶的形核和生长一方面消耗了大量亦可作为石墨结晶核心的二氧化硅颗粒，另一方面又限制了共晶石 墨的及早析出，固态的初生奥氏体枝晶导热性能良好，使结晶析出的潜热沿枝晶很快散发使得石墨共晶在较低的温度下进行，并在枝晶间的富碳液体中大量生核，首先在紧靠枝晶间的富碳处生成石墨核心。
有文献认为在相同的冷却速度下，随含硅量的增加，共晶过冷度减少，最小共晶温度升高。随着含硅量的增加，共晶共生区的位置向右偏移，从而使高硅碳比灰铸铁中的奥氏体枝晶数量增加，提高灰铸铁的强度。
共晶凝固温度范围的扩大
在铁碳合金相图中，稳定的石墨共晶与介稳定的渗碳体共晶平衡温度之差较小，仅为6℃，但在高硅碳比铸铁中，含硅量高，共晶凝固温度范围明显扩大，如图二。
图二
又如图一所示，若铸体冷却曲线超越奥氏体+碳化物共晶温度则铸件出现渗碳体即白口。对低硅碳比铸铁而言，这种可能性比较大，而高硅碳比灰铸铁最后凝固温度往往比介稳定系统共晶线高，所以铸件中不出现渗碳体，达到促进石墨化的目的。
共晶生长速度的改变
图三
图三为在非平衡状态下，共晶温度与冷却速度的关系。由图可见，低硅碳比铸铁与高硅碳比铸铁的临界冷却速度分别为113℃/min℃和160.6℃/min。所谓临界冷却速度即图中曲线折点对应的冷却速度。从图中可以看出，对高硅碳比铸铁而言，即使快速冷却也能石墨化，硅高提高了临界冷却速度，也能解释高硅碳比铸铁件飞刺无白口的现象。
表层铁素体层的形成
众所周知，硅是强烈促进石墨化的元素，在高硅碳比铸铁中较高，通常含量在2.0%~2.8%左右，因而提高了碳的活度和作用，能促使共晶与共析转变按稳定系进行，其实质是高硅碳 比铸铁最先凝固的表面层，析出的是奥氏体枝晶与过冷石墨，同时在硅的作用下，附近基体中的碳易扩散到石墨上聚集，因而形成铁素体层，使铸件表面层软化。另外，硅是偏析性较强的元素，在铸件最先凝固的表层中富硅，使碳在其中的溶解能力降低，在冷却过程中和随后的共析转变中使铸件表面层基体软化。
有资料借助冶金学原理对表层铁素体层的形成给予了解释。认为铁水浇入铸型后，铸件表面与铸型接触而产生激冷，因较快的冷速，使有效的二氧化硅核心增加，从而给表面层奥氏体枝晶大量析出提供了大量的非自发核心，由于奥氏体晶面与石墨的良好的共格对应关系。表面层大量的奥氏体析出使共晶转变时石墨依附于奥氏体枝晶间，故高硅碳比铸铁件在凝固较快的表面层形成大量的奥氏体枝晶与D、E型石墨,其中点状石墨提供了现成的生长面,使共析转变按稳定系进行，即奥氏体转变成铁素体加石墨。由于枝晶间石墨λ≤2δ，所以生成的铁素体连成一片从而使铸铁件表面形成了一层铁素体层。而初生奥氏体的面又作为共晶石墨的生核基底，从而细化石墨组织，减少二次枝晶间距，提高铸铁的机械性能。
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