1 简介

2009年，新版国家标准《球墨铸铁》附录中列出了QT500-10牌号，并注明其Si≈3.7%。孙国雄教授的解释中明确指出“这是一种利用Si的溶质强化方法。与QT500-7相比，以铁素体基体为基体的球墨铸铁具有以下主要特点：伸长率高、硬度波动范围小、加工性能好。”【1】

2010年袁亚娟发表题为《瑞典研究提出‘第二代球墨铸铁’概念》的文章，详细介绍了Si固溶强化球墨铸铁的由来及特点，指出“第一代球墨铸铁是通过强化组织(获得更高比例的珠光体)来实现高强度的要求，而对冷却速度和成分非常敏感的(第一代)球墨铸铁的硬度很容易波动30～40布氏度，相应的强度和延展性也会发生变化”；认为“Si含量高使球墨铸铁变脆，增加大断面心部形成碎裂石墨的危险性”是“错误的认识”，甚至认为“Si固溶强化不会影响缺口冲击转变温度，也不会降低铁素体的冲击功”；但文章缺乏足够的实例来证明这一点[2]。

2013年张伯明研究员撰写了一篇题为《高硅球墨铸铁研究与应用概况》的文章，全面系统地介绍了德国铸造学会和奥地利铸造学会对高硅球墨铸铁的研究成果。DIN在EN-500-10牌号之后，于2012年3月又增加了三个牌号，分别是EN-18、EN-14和EN-10，而且都是在铸造状态下得到的，技术路线依然是文章介绍了Si含量对力学性能（抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、硬度）的影响，温度对这些球墨铸铁性能的影响，合金元素（主要是几种珠光体稳定化元素和碳化物形成元素）的影响以及对这些球墨铸铁的铸造性能（充型性能和缩孔倾向）和加工性能的影响。[3]

2014年中国铸造协会组织编制了行业标准《固溶强化铁素体球墨铸铁件》，并于2015年3月完成送审稿。标准提出三个牌号，分别是QT450-18、QT500-14、QT600-10，Si含量高达3.2%~4.3%，铸态基体组织为单相铁素体，抗拉强度达到450~，伸长率高达18~10%，同时由于Si在凝固和共析转变中促进了石墨的长大，因此该类铸铁即使在薄壁时也能控制白口铸铁的外观，壁厚敏感性小，加工性能好，引起了人们的重视。

但在球墨铸铁中，Si是提高塑脆转变温度的元素，对于一些可能承受低温冲击载荷的零件(如汽车底盘件)，Si含量的提高会有多大的影响呢?根据笔者所能收集到的资料，结合材料科学与工程研究所的一些资料，对Si固溶体铁素体球墨铸铁在汽车部件上的应用做了一些推测和分析[4]，[5]，希望有关部门能对此做一些系统的研究，但在国内尚未见到相关资料的报道。

天元二手材料研发团队与九州大学合作，对高硅固溶铁素体球墨铸铁的拉伸强度、疲劳强度和冲击性能进行了系统的试验，并将研究成果发表在《铸造工程》2014年期刊上。 [6] 笔者认为这篇文章非常有价值，想介绍一下，并根据其中的一些结论对该类球墨铸铁的应用前景做出预测。

2.日本对硅固溶强化铁素体球墨铸铁拉伸强度、疲劳强度及冲击性能的研究（本节内容全部来自《铸造工程》2014年86卷1期，参见参考文献[6]）。

2.1 实验目标及计划

目的：比较相同抗拉强度的Si固溶强化铁素体球墨铸铁（SSFDI）与普通球墨铸铁（FCD）的性能。

解决方案：通过调整化学成分，得到4组具有两个抗拉强度等级的试样，分别为、、、、、，其中SSFDI的Si含量分别为3.8%、4.4%，而FCD的铁素体与珠光体的比例分别为6:4、2:8。采用300kg中频炉冶炼、球化处理、孕育处理铸造的试块，加工成符合标准要求的各类试件。

2.2 测试结果

2.2.1化学成分：

见表1。SSFDI通过调整Si的含量来达到所需的强度，而FCD是通过调整Si、Mn、Cu的含量来达到所需的强度水平。

表1 四组样品的化学成分（质量%）

2.2.2金相组织：

参见表2和图1。

表2 四组样品的石墨结构

球化率（%）

球数 (pcs/mm2)

平均球径 (μm)

石墨面积率（%）

矩阵 （％）

珍珠岩

铁氧体

96.0

305

20.2

11.5

≈100

96.4

398

16.7

11.2

四十四

保持

95.9

552

14.0

10.0

≈100

94.9

323

18.6

11.1

78

保持

图1 四组样品的金相组织

可以看出，入球数量明显多于其他组，说明生产需要更强的孕育性。

2.2.3静态拉伸强度：

见表3和图2、图3、图4。图3和图4中的数据显示，对于SSFDI，有19组试样的Si含量范围为3.3%~4.65%，对于FCD，有90组试样测量了拉伸强度。

纵向：应力R，MPa；横向：应变，%

Rm：抗拉强度；Rp0.2：0.25屈服强度；

A：伸长率；Z：截面收缩率；

HBW10/3000：布氏硬度；HV0.2ofα-Fe：铁素体维氏硬度-

图2 四组试件的应力-应变曲线

图2至图12的坐标及注释需翻译成中文

表 3 中文符号

从以上图表中我们可以看出：

（a）SSFDI具有较高的屈服强度和较大的屈强比，可高达0.8左右，而FCD仅为0.6左右，这是由于Si的固溶强化作用所致；

（b）SSFDI具有较高的伸长率和较大的截面收缩率，表现出较好的塑性。这是因为SSFDI基体几乎完全是铁素体；

（c）布氏硬度600高于500，SSFDI与FCD相差不大，但维氏硬度SSFDI明显高于FCD，因为Si对铁素体有强化作用；

（d）在静态条件下，SSFDI比FCD具有更好的高强韧性。虽然由于Si固溶体的增加球墨铸铁用废钢的作用，铁素体的塑性略有下降，但Si含量在3.8%～4.4%范围内仍具有较高的塑性变形能。如果以屈服强度作为设计依据，可以用较低等级的SSFDI代替较高等级的FCD，这样可以降低成本。例如的0.2%屈服强度与的相当（见图5）。因此，SSFDI更适用于对强度和伸长率都有要求的零件，以及以变形而不是断裂作为失效准则的零件，例如一些主要承受静载荷的结构件。

图5 FCD和SSFDI的拉伸强度与0.2%屈服强度的关系

纵向：抗拉强度Rm，MPa；横向：0.2%屈服强度Rp0.2，MPa

2.2.4循环疲劳强度：

图6是SSFDI和FCD循环旋转弯曲疲劳试验的SN曲线图。

是的，SSFDI的疲劳强度比FCD高约10%。

纵坐标：应力幅σMpa；横坐标：破坏循环次数Nf

对105~106次应力及疲劳寿命下的疲劳裂纹进行观察，发现初始裂纹出现在25000次循环时，随着循环次数的增加，在几条石墨周围出现裂纹，这些裂纹相互连通并发展直至断裂，在50000次循环时才出现初始裂纹，裂纹缓慢增长直至断裂（图7）。对裂纹截面进行SEM成像可知，疲劳裂纹源为一条尺寸约为80µm的裂纹，粉碎性裂纹处的粗大石墨为一条尺寸约为160µm的微收缩（图8）。对其它应力水平下的疲劳失效试件的截面分析也发现，粉碎性裂纹起始点在70~130µm处，并不是粗大石墨或微收缩，而是50~160µm的微收缩。

图7 裂纹扩展过程(r=) 图8 裂纹源处裂纹表面SEM像

图9给出了裂纹长度、裂纹扩展速度与循环次数的关系，可以看出SSFDI中初始裂纹出现时的循环次数较FCD中略多，裂纹扩展速度较小，但当裂纹长度达到1mm时，扩展速度加快，裂纹周围铁素体的固溶强化被认为是SSFDI裂纹出现较晚、扩展较慢的主要原因。

图9 疲劳裂纹长度a、裂纹扩展速率da/dn与循环次数Nc的关系

左上垂直线：疲劳裂纹长度a，μm；右下垂直线：裂纹扩展比率da/dN，μm/时间；水平线：循环次数Nc

2.2.4 冲击特性

图10为V型缺口冲击吸收能量-温度曲线及脆性断口面积比-温度曲线，为了便于对比，添加了以前试验的三组数据，一组数据的化学成分为：3.8%C-2.2%Si-0.4%Mn-0.02%P-0.01%S-0.46%Cu-0.04%Mg，另两组化学成分分别为：3.21%C-3.36%Si-0.39%Mn-0.042%P-0.007%S-0.031%Mg和3.48%C-4.27%Si-0.30%Mn-0.061%P-0.010%S-0.044%Mg。图11、12分别为有缺口和无缺口的U型缺口冲击吸收能量-温度曲线。

图10 V型缺口冲击功EV-温度T曲线及脆性断口面积比B-温度曲线

图10：上垂直线：夏比冲击功Ev，J/cm^2；下垂直线：脆性断面比B，%；水平线：温度T，℃

图11、图12：垂直：夏比冲击功Eu，J/cm^2；水平：温度T，℃

图11 U型缺口冲击功EU-温度T曲线图12 无缺口冲击功E-温度T曲线

从图10至图12我们可以看出：

（a）塑脆转变温度全部在室温范围内，高于脆性断面面积比为50%（认为是塑脆转变温度）的试样为69℃（其V型缺口冲击吸收能量约为14J），但-11℃（其V型缺口冲击吸收能量约为11J）；

（b）在塑性区，SSFDI具有较大的冲击吸收能，且随温度升高而增大，随着试验温度的升高，冲击吸收能减小并与上升曲线相交，V型缺口、U型缺口与无缺口冲击能的交点温度Tint分别为67℃、60℃和11℃，这一方面说明SSFDI在较高温度下具有较高的冲击吸收能能力（可承受较大的冲击载荷），另一方面说明缺口类型对转变温度影响很大；

（c）珠光体基球墨铸铁QT700的冲击吸收功在40℃以下与相当，但当温度高于40℃时，其冲击吸收功明显高于QT700；

（d）对于高硅铁素体基体的球墨铸铁，P含量对冲击功有很大影响。

事实上，零件断裂是延性断裂还是脆性断裂取决于温度、加载速度、零件几何形状以及材料本身的化学成分、金相组织和内在质量等多种因素。塑脆转变温度并不是材料本身的固定值。并不是所有材料都需要进行冲击试验。冲击试验的意义在于：

（1）对于使用过程中承受强大冲击载荷的零件，用于评价材料吸收较大的冲击能量而不发生断裂的能力；

（2）由于低温对材料的脆性断裂十分敏感，对在低温环境下承受动载荷的材料要进行相当于工作温度的冲击韧性试验，以考核所选材料是否具有足够的低温抗冲击性能，如轨道交通等。

（3）材料的内在质量对冲击韧性的变化很敏感，例如某些微量元素、偏析组织和夹杂物等都能影响冲击韧性指标，因此对一些重要的球墨铸铁零件进行冲击韧性试验，作为材料质量控制的手段，并不直接要求零件承受高能量冲击，如风电铸件。[7]

3、Si固溶体铁素体基体球墨铸铁零件的应用前景

通过分析以上试验结果，Si固溶体铁素体球铁的材料特性及应用范围可概括如下：

（1）韧性好，屈强比高，抗拉强度可达或略高，但屈服强度可达普通球墨铸铁700~牌号的水平，在某些领域可替代QT700及以上牌号。降低成本。由于基体为铁素体，材料具有良好的延伸率；

（2）由于铁素体为固溶强化，材料本身的截面敏感性较小，铸件的硬度差异较小，而且Si的石墨化使得即使在铸件的薄壁中也能防止产生白点，大大提高了切削性能；

（3）由于铁素体是固溶强化的，因此具有较高的疲劳强度；

（4）生产具有抗拉强度的球墨铸铁件不需要添加合金，生产成本比普通球墨铸铁低（一般需添加Cu）；

（5）由于生产过程中孕育充分，即使生产炉料中引入一定量的Mn、Cr、V等促进碳化物的元素，也能生产出基本全为铁素体的球铁，为大量利用工业废钢创造了条件，进一步降低了生产成本；

（6）进一步提高Si不可能获得与珠光体基球墨铸铁相当的较高强度（包括抗拉强度和屈服强度）。从现有的实践经验看，Si的上限应为4.5%~4.6%球墨铸铁用废钢的作用，如果更高，不但伸长率会下降，而且强度也会下降。有资料说“当Si含量达到4.44%时，屈服强度为，抗拉强度为，可以替代QT600-3。如果Si含量稍高一些，一定量的Si固溶铁素体球墨铸铁有可能替代珠光体球墨铸铁QT700-2。”[2]他的第二个猜测可能难以实现，即Si固溶铁素体球墨铸铁不能完全替代珠光体球墨铸铁；

（7）Si对韧脆转变温度影响很大，进而影响球墨铸铁件在低温下的冲击性能。有说法称“Si固溶强化不影响缺口冲击转变温度，不降低铁素体的冲击功”【2】，也令人费解。其实Si对转变温度的影响随处可见，如本文第2部分所提到的，SSFDI的转变温度在室温以上，但-11℃。如文献【8】所介绍，要生产QT400-18AL球墨铸铁，只要（-50℃）冲击功≥12J，采用Si固溶强化，Si含量可控制到2.2%~2.4%；而若（-60℃）冲击功≥12J，Si含量只能控制在1.8%~2.0%，加0.5~0.7%Ni进行固溶强化。 由此可见，在负温条件下应谨慎使用Si固溶体铁素体球墨铸铁。

总之，Si固溶铁素体基体球墨铸铁挖掘了球墨铸铁的潜力，使其具有更高的强度和韧性、更好的加工性能和更低的生产成本，拓宽了球墨铸铁的应用范围。从目前的认识和实践来看，称其为“第二代球墨铸铁”似乎有些夸张，推广应用固溶铁素体球墨铸铁还有很长的路要走。人们关心固溶铁素体球墨铸铁的推广和实践。

2015.5

参考

1.孙国雄：“《球墨铸铁件》等四项国家标准新版解读”，《首届中国铸造标准论坛文集》，2009.4

2.袁亚娟：“瑞典研究提出‘第二代球墨铸铁’概念”，现代铸铁，2010年第6期，91-92

3.张伯明：“高硅球墨铸铁的研究及应用概述”，第六届中国铸造质量标准论坛论文集，2013.5，1-8

4.万仁芳：“浅谈近年来铸铁件的发展”，现代铸铁，2014年第3期，15-24

5.万仁芳：“汽车用铁素体球墨铸铁——从基体强化到硅固溶强化”，铸造工业，2014年5月

6.梅屋卓郎、大城吉泽等：“基体黑铅铸铁的高强度化是其拉伸强度、疲劳强度、冲击强度的提高”，《主工学》，86卷（2014）第1期，36-42

7.陈勉毅等，《汽车金属材料应用手册》，北京理工大学出版社，北京，2002，98

8.丁建中等：“低温铁素体球墨铸铁特性及质量稳定性研究”，铸造，2015.No.3，193-201