鐵素體球墨鑄鐵指基體組織以鐵素體為主的球墨鑄鐵，典型牌號(hào)為QT450-10， 具有良好的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。隨著鑄造工業(yè)的發(fā)展，對(duì)球鐵鑄 件的力學(xué)性能要求更高，很多學(xué)者通過(guò)調(diào)節(jié)化學(xué)成分對(duì)其組織和性能進(jìn)行優(yōu)化 。 我國(guó)從2012年引入高硅球墨鑄鐵，唐中權(quán)等人使用硅含量4.3%的高硅球鐵生產(chǎn)高速 列車踏面清掃器本體鑄件，抗拉強(qiáng)度為590 MPa，伸長(zhǎng)率為16%，力學(xué)性能優(yōu)異；有 公司使用硅含量4.5%的高硅球鐵生產(chǎn)車輛制動(dòng)器用制動(dòng)桿的殼體時(shí) ，基體組織為全 鐵素體，抗拉強(qiáng)度為400~650 MPa，伸長(zhǎng)率為10%~12% 。
除化學(xué)成分外，針對(duì)冷卻速度對(duì)球墨鑄鐵組織和性能的影響國(guó)內(nèi)外也有研究。 Branko Bauer研究得出塊狀石墨出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)隨著冷卻速度的降低而增加； Peng Yun-Cheng等人研究發(fā)現(xiàn)冷卻速度越快，球墨鑄鐵的硬度越大、沖擊韌性越低； T.Borsato等人研究發(fā)現(xiàn)，厚大截面球鐵的凝固時(shí)間由10 h縮短為3 h，冷卻速度加 快，伸長(zhǎng)率和疲勞強(qiáng)度分別減小了50%和33%；Mahmoud A.Essam等人研究了冷卻 速度對(duì)柴油機(jī)用球墨鑄鐵組織的影響，得出結(jié)論冷卻速度越慢，珠光體含量越多， 球化率越低；研究發(fā)現(xiàn)厚大斷面球鐵鑄件的伸長(zhǎng)率和抗拉強(qiáng)度隨著凝固速 度減慢呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；研究發(fā)現(xiàn)冷卻速度越快， 硅含量2.5%的 球墨鑄鐵組織中球狀石墨的尺寸越小。
隨著南水北調(diào)、遼西北水利等大型水利工程的實(shí)施，球墨鑄鐵管件的需求量 越來(lái)越大，且向著大型化的趨勢(shì)發(fā)展。大型球鐵管件的主要生產(chǎn)方式為消失模鑄造 工藝，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)消耗大量的能源及生鐵、廢鋼等原材料，在運(yùn)輸、安裝過(guò)程中 也有諸多不便。本文通過(guò)研究相同鑄造條件下不同壁厚處高硅球墨鑄鐵的組織與性 能，研究了冷卻速度對(duì)高硅球墨鑄鐵組織和性能的影響，若在管件性能標(biāo)準(zhǔn)不變的 條件下，盡量減小壁厚，增加高硅球鐵的冷卻速度即可使實(shí)際生產(chǎn)管件的力學(xué)性能 達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，就能減小原材料消耗，降低生產(chǎn)成本，為大型球鐵管件的生產(chǎn)提供參考。
1 試驗(yàn)材料與方法
本試驗(yàn)所 用的試驗(yàn)組高硅球墨鑄鐵及對(duì)照組 QT450-10球墨鑄鐵采用1 t的中頻感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉，使 用消失模鑄造工藝，澆注溫度為 1 492 ℃,負(fù)壓度 0.05 MPa，澆注時(shí)間30 s，球化劑加入量為 1.3%，孕 育劑為75硅鐵，加入量3.5%；為研究冷卻速度對(duì)高硅 球墨鑄鐵的組織與性能的影響，澆注不同壁厚的試樣 以反映球鐵不同的冷卻速度，壁厚越小，冷卻速度越 快。根據(jù)GB/T13295— 2008國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)， DN1000以上的 中大型球墨鑄鐵管件的壁厚均在13.2~35 mm范圍內(nèi)， 因此本試驗(yàn)將試樣壁厚梯度設(shè)置為 12、 18、24、30、 36、42 mm，冷卻速度由快至慢。球墨鑄鐵試樣如圖 1 所示，試樣尺寸如表 1所示。
A試樣QT450-10球鐵與B試樣高硅球墨鑄鐵的化學(xué) 成分如表2所示，由碳當(dāng)量的計(jì)算公式： CE=w（C）+1/3 ［w（Si）+w（P）］，隨著硅含量從2.92%升高到4.59% ， 碳含量從3.52%降低到了2.60%；當(dāng)硅含量為 2.92% 時(shí)，碳當(dāng)量為4.5%，當(dāng)硅含量為4.59%時(shí)，碳當(dāng)量為 4.14%。由Fe-C相圖可知，在平衡條件下，當(dāng)碳當(dāng)量為4.34%時(shí)為共晶成分，但隨著冷卻速度的變化，球墨鑄 鐵的共晶點(diǎn)也會(huì)隨之偏移，因此將試樣的碳當(dāng)量控制 在4%~4.5%。生產(chǎn)中對(duì)鑄態(tài)QT450-10球鐵的化學(xué)成分 要求為碳含量在3.4%~3.9%，硅含量在2.5%~3.0%，試 樣成分滿足設(shè)計(jì)要求。
將從QT450-10和高硅球墨鑄鐵試樣在不同壁厚處 截取并加工為10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣，經(jīng) 研磨、機(jī)械拋光后，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶 液腐蝕10 s，利用Olympus-DSX500光學(xué)顯微鏡（OM） 及ZEISS Ultra Plus場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM）對(duì)石墨形 貌進(jìn)行觀察，并利用ipp-6.0和OLYCIA.m3圖像分析軟 件對(duì)鐵素體相對(duì)含量、石墨球直徑和鐵素體晶粒尺寸 進(jìn)行測(cè)定，參照GB/T 9441— 2009《球墨鑄鐵金相檢 驗(yàn)》對(duì)石墨形態(tài)和大小進(jìn)行分級(jí)評(píng)定。金相觀察后， 利用數(shù)顯布氏硬度儀及維氏硬度計(jì)對(duì)試樣硬度進(jìn)行檢 測(cè)，布氏硬度檢測(cè)載荷大小為750 N，維氏硬度檢測(cè)載 荷大小為300 N。針對(duì)不同壁厚的試樣加工 Φ6~14 mm 的不同尺寸的拉伸試棒，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行 拉伸試驗(yàn)。
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 冷卻速度對(duì)高硅球墨鑄鐵組織的影響
使用不同壁厚對(duì)試樣的冷卻速度進(jìn)行表征，壁厚 越小，冷卻速度越快。硅含量為2.92%的QT450-10球鐵 及硅含量為4.59%的高硅球鐵試樣在不同壁厚下的石墨 形貌如圖2和圖3所示。
通過(guò)ipp-6.0圖像分析軟件計(jì)算，得到石墨球平均直徑和數(shù)量如表3所示。可以看出，硅含量2.92%的 QT450-10球鐵在壁厚42 mm處，球狀石墨平均尺寸約 為45.5 μm，在壁厚 12 mm處約為29.3 μm；硅含量4.59% 的高硅球墨鑄鐵在壁厚42 mm處，球狀石墨平均尺寸約 為29.2 μm，壁厚 12 mm處約為20.4 μm 。QT450-10與高 硅球墨鑄鐵的石墨尺寸均隨著鑄件冷卻速度的增大而 減小，凝固時(shí)間短，碳在鐵液中溶解的過(guò)程較快，使 碳的析出并不充分，硅富集區(qū)石墨的生長(zhǎng)時(shí)間更短， 因此球鐵中球狀石墨的尺寸較小[13-14] 。硅含量2.92%的 QT450-10的單位面積石墨平均數(shù)量在壁厚12 mm處約 為268個(gè)/mm2 ，在壁厚 42 mm處平均約為110個(gè)/mm2； 硅含量4.59%的高硅球墨鑄鐵在壁厚 12 mm處的單位 面積石墨平均數(shù)量約為457個(gè)/mm2 ，在壁厚 42 mm處 平均約為183個(gè)/mm2 。硅元素具有作為石墨球形核核 心的作用，隨著冷卻速度的增加，強(qiáng)化了硅的核心效 果，使石墨球的核心數(shù)量增多，球狀石墨數(shù)量逐漸增加。
硅含量2.92%的QT450-10球鐵及硅含量4.59%的高硅球墨鑄鐵試樣在不同壁厚下的基體組織如圖 4、圖 5所示，硅含量2.92%的QT450-10試樣及硅含量4.59% 的高硅球鐵試樣的基體組織均主要由鐵素體構(gòu)成。從 動(dòng)力學(xué)角度分析，共析轉(zhuǎn)變過(guò)程中奧氏體發(fā)生固態(tài)相變，隨著冷卻速度增加， QT450-10試樣和高硅鐵素體 球鐵試樣石墨分布更加密集，奧氏體與石墨的距離縮 短，奧氏體中的碳極易脫溶而擴(kuò)散到共晶石墨上，而 奧氏體中的碳擴(kuò)散出去后就很容易在奧氏體界面上析出鐵素體的核心，從而有利于鐵素體的形成。在壁厚 為 12 mm時(shí)， QT450-10試樣中存在極少量的珠光體， 這是由于隨著冷卻速度的增加，珠光體沒有足夠的時(shí) 間分解；高硅球鐵試樣中在壁厚 12 mm處沒有珠光體，是由于硅元素的鐵素體化作用抵消了冷卻速度過(guò)快對(duì) 基體組織的影響。
對(duì)不同壁厚下硅含量2.92%的QT450-10試樣和硅含 量4.59%的高硅球鐵試樣的鐵素體含量和晶粒尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使用人工截點(diǎn)法，根據(jù)GB/T6394— 2002金屬平 均晶粒度測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)得結(jié)果如表4所示；可以看出， 在壁厚 12 mm處，硅含量4.59%的高硅球鐵鐵素體平均 晶粒尺寸約為31.947 5 μm，在壁厚42 mm處，高硅球鐵 鐵素體平均晶粒尺寸約為54.866 4 μm；隨著冷卻速度 的增加，高硅球鐵試樣鐵素體晶粒尺寸減小，使得晶粒細(xì)化。
2.2 冷卻速度對(duì)高硅球墨鑄鐵力學(xué)性能的影響
不同壁厚下硅含量 2.92%的QT450-10和硅含量 4.59%的高硅球鐵試樣的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果如表5所 示。可以看出，硅含量2.92%的QT450-10試樣在壁厚 12 mm處抗拉強(qiáng)度為 464 MPa ，在壁厚 42 mm處 為 431 MPa；硅含量4.59%的高硅球墨鑄鐵試樣在壁 厚 12 mm處抗拉強(qiáng)度為 683 MPa ，在壁厚 42 mm 處為 666 MPa；二者的抗拉強(qiáng)度均隨著冷卻速度的增 加而增加，冷卻速度對(duì)屈強(qiáng)比的影響較小。QT450-10 試樣在不同的冷卻速度下硬度值的波動(dòng)最大為HB 3.2， 高硅球墨鑄鐵在不同的冷卻速度下硬度值的波動(dòng)最大 為HB 6.8，不同的冷卻速度對(duì)布氏硬度的影響較小，是 由于試樣中鐵素體的含量均較高。隨著冷卻速度的增加， QT450-10試樣和高硅球墨鑄鐵的伸長(zhǎng)率均呈現(xiàn)增 大的趨勢(shì)。
使用掃描電鏡對(duì)不同壁厚下硅含量2.92%的QT450- 10試樣及硅含量4.59%高硅球墨鑄鐵的拉伸斷口進(jìn)行形 貌觀察，如圖6、圖7所示。
對(duì)于硅含量2.92%的QT450-10球墨鑄鐵試樣， 不同 壁厚下的斷口主要呈現(xiàn)為韌窩形貌，屬于韌性斷裂。 隨著冷卻速度的增加，球狀石墨數(shù)量增加，韌窩數(shù)量 增加，但是韌窩的深度變淺，且存在解理特征，存在 局部穿晶斷裂，因此塑性變差；對(duì)于硅含量4.59%的高硅球墨鑄鐵，不同壁厚下的斷口主要由解理形貌組成， 屬于脆性斷裂。隨著冷卻速度的增加，斷口處產(chǎn)生沿晶 斷裂的趨勢(shì)增加，球狀石墨數(shù)量增加，每一個(gè)韌窩中存 在一個(gè)球狀石墨，韌窩數(shù)量增加， 因此塑性增強(qiáng)。冷卻 速度的增加使得硅對(duì)鐵素體的固溶強(qiáng)化作用增強(qiáng)，使鐵 素體晶格發(fā)生畸變的程度嚴(yán)重，鐵素體塑性變形能力減 弱，韌窩深度變淺，因此QT450-10球鐵試樣的伸長(zhǎng)率 逐漸降低；但隨著冷卻速度的增加，高硅球鐵試樣斷口 處產(chǎn)生更多數(shù)量的韌窩，更少的解理特征，以及全鐵素 體基體，而在壁厚36 mm處解理面積較大，韌窩數(shù)量較 少且深度較淺，此處塑性較差， 因此高硅球鐵試樣的伸 長(zhǎng)率先減小后增加。
3 影響機(jī)制
通過(guò)上述試驗(yàn)可以得出，冷卻速度對(duì)高硅球墨鑄鐵試樣力學(xué)性能有較大影響，為了研究冷卻速度對(duì)高 硅球墨鑄鐵組織和性能的影響機(jī)理，采用掃描電鏡、X 射線衍射圖譜對(duì)硅含量4.59%的高硅球墨鑄鐵和硅含量 2.92%的QT450-10試樣進(jìn)行分析。
表6為不同壁厚下硅含量2.92%QT450-10和硅含量 4.59%高硅球墨鑄鐵試樣的鐵素體顯微硬度； QT450-10 試樣的維氏硬度在壁厚 12 mm處平均值為HV 198.66， 壁厚42 mm處平均值為HV 173.03；高硅球墨鑄鐵試樣 的維氏硬度在壁厚 12 mm處平均值為HV 259.85，壁厚 42 mm處平均值為HV 226.3。隨著冷卻速度的增加，鐵 素體基體的硬度均逐漸增加。
對(duì)不同壁厚下硅含量4.59%的高硅球墨鑄鐵的鐵素 體晶內(nèi)和晶界處某點(diǎn)的硅含量進(jìn)行測(cè)定，選取點(diǎn)位置 如圖8所示；點(diǎn)1和點(diǎn)3為壁厚24 mm時(shí)，高硅球鐵鐵素 體晶界處的取點(diǎn)，點(diǎn)2和點(diǎn)4為鐵素體晶粒內(nèi)的取點(diǎn)， 點(diǎn)5和點(diǎn)7為壁厚36 mm時(shí)，高硅球鐵鐵素體晶界處的取 點(diǎn)，點(diǎn)6和點(diǎn)8為鐵素體晶粒內(nèi)的取點(diǎn)。
圖8中各點(diǎn)的Si元素?cái)?shù)值通過(guò)公式計(jì)算得到不同壁 厚下高硅球墨鑄鐵Si元素的偏析指數(shù)值和其他元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表7所示。
根據(jù)表7可以得出，硅含量4.59%的高硅球墨鑄 鐵在壁厚24 mm處，鐵素體晶粒內(nèi)硅元素的偏析指標(biāo) 值分別為0.83和0.91，晶界處為 1.12和1.09；在壁厚 36 mm處，鐵素體晶粒內(nèi)硅元素的偏析指標(biāo)值分別為 0.94和0.95，晶界處為1.06和1.03?？梢钥闯?，硅含量 4.59%的高硅球墨鑄鐵的硅元素不僅可以固溶于鐵素體 基體中，且在鐵素體晶界上含量高于晶內(nèi)。而一般來(lái) 說(shuō)，球墨鑄鐵中硅是負(fù)偏析元素，即共晶晶粒的晶界 上硅含量低于晶內(nèi) 。出現(xiàn)此現(xiàn)象是由于高硅球墨鑄 鐵在發(fā)生共析反應(yīng)時(shí)，硅元素由于熔點(diǎn)較高，在奧氏 體內(nèi)部率先析出，鐵和碳元素由于熔點(diǎn)較低，在靠近 奧氏體邊界處隨后析出，而鐵素體在奧氏體晶界處形 核，元素在固相中擴(kuò)散較慢，在此過(guò)程中元素分布基 本不變，因此鐵素體晶粒內(nèi)部硅含量較低，晶界處硅 含量較高 。隨著冷卻速度的增加， 高硅球墨鑄鐵的 鐵素體基體晶粒和晶內(nèi)結(jié)構(gòu)細(xì)化，縮小了晶界偏析的 范圍，因此硅元素在鐵素體晶界上的偏析現(xiàn)象逐漸增 強(qiáng)，球墨鑄鐵的強(qiáng)度、硬度逐漸提高。但冷卻速度增 加使高硅球鐵的石墨形貌和基體組織得到了優(yōu)化，因 此偏析對(duì)伸長(zhǎng)率的影響較小。
將不同壁厚下的硅含量2.92%的QT450-10球鐵和硅 含量4.59%的高硅球鐵的X射線衍射圖譜使用jade 6軟件 進(jìn)行分析如圖9、 10所示，可以看出，圖譜中存在四個(gè) 峰，將存在的Fe、C 、Si元素輸入后進(jìn)行尋峰， 20°~30° 之間的峰為石墨， 40°~90°之間的峰只有鐵素體相與之 對(duì)應(yīng)，說(shuō)明硅完全溶于鐵素體中，通過(guò)PDF 卡片進(jìn)行 對(duì)比，三個(gè)峰的晶面指數(shù)從左到右分別為（110） 、 （200）、（ 211 ）， 同一硅含量的不同壁厚下的試樣的圖譜峰晶面指數(shù)不變。
對(duì)不同硅含量的球墨鑄鐵的鐵素體晶格常數(shù)進(jìn) 行計(jì)算，結(jié)果如表8所示。當(dāng)厚度為24 mm時(shí)，硅含 量2.92%的QT450-10球鐵試樣的鐵素體晶格常數(shù)為 0.286 59 nm，當(dāng)厚度為 42 mm時(shí)，試樣的鐵素體晶格 常數(shù)為0.286 61 nm；當(dāng)厚度為 24 mm時(shí)，硅含量4.59% 的高硅球鐵試樣鐵素體晶格常數(shù)為0.286 02 nm，當(dāng)厚 度為42 mm時(shí)，試樣的鐵素體晶格常數(shù)為0.286 59 nm。 純鐵鐵素體的晶格常數(shù)為0.286 64 nm，而硅的原子半 徑小于鐵的原子半徑，大于鐵素體的晶體間隙，硅可 固溶于鐵素體基體中形成置換固溶體而不能形成間隙 固溶體，因此QT450-10和高硅球墨鑄鐵的鐵素體晶 格常數(shù)均小于0.286 64 nm； 隨著冷卻速度的增加，QT450-10和高硅球墨鑄鐵的鐵素體晶格常數(shù)均逐漸 減小，晶格畸變的程度逐漸增加，增加了位錯(cuò)阻力 從而使得強(qiáng)度、 硬度逐漸提高。
4 結(jié)論
（ 1 ）硅含量 4.59%的高硅球墨鑄鐵試樣在壁厚 12 mm處，單位面積石墨球平均數(shù)量約為457 個(gè)/mm2， 平均尺寸約為 20.4 μm，鐵素體晶粒平均尺寸約為 31.9 μm。在壁厚42 mm處，單位面積石墨球平均數(shù)量 約為183個(gè)/mm2 ，平均尺寸約為29.2 μm，鐵素體晶粒平 均尺寸約為54.9 μm 。
（ 2 ）硅含量為 4 . 59% 的高硅球墨鑄鐵在壁 厚 12 mm處抗拉強(qiáng)度為683 MPa ，布氏硬度為 HB 181.2，伸長(zhǎng)率為19%；在壁厚42 mm處時(shí)抗拉強(qiáng)度為666 MPa，布氏硬度為HB 184.7，伸長(zhǎng)率為15%； 隨著冷卻速度增加，抗拉強(qiáng)度逐漸增加，硬度波動(dòng)很 小，伸長(zhǎng)率逐漸升高。在壁厚為 12 mm處，綜合力學(xué) 性能較高。
（3）消失模鑄造高硅球墨鑄鐵試樣隨著冷卻速 度增加，單位面積中石墨球的數(shù)量增加，球狀石墨尺 寸逐漸減??；不同冷卻速度下試樣的基體組織均為鐵 素體，隨著冷卻速度增加，鐵素體晶粒尺寸減小，硅 元素對(duì)基體的細(xì)晶強(qiáng)化作用增強(qiáng)；鐵素體基體的晶格 常數(shù)逐漸減小，硅元素完全置換固溶于鐵素體中形成 固溶強(qiáng)化，但隨著冷卻速度的增加，硅元素在鐵素體 晶界處的偏析現(xiàn)象越來(lái)越明顯，造成鐵素體的畸變程 度增大。因此，高硅球墨鑄鐵的強(qiáng)度和硬度逐漸增 大。
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