铁素体球墨铸铁指基体组织以铁素体为主的球墨铸铁，典型牌号为QT450-10， 具有良好的力学性能，被广泛应用到工业生产中。随着铸造工业的发展，对球铁铸 件的力学性能要求更高，很多学者通过调节化学成分对其组织和性能进行优化 。 我国从2012年引入高硅球墨铸铁，唐中权等人使用硅含量4.3%的高硅球铁生产高速 列车踏面清扫器本体铸件，抗拉强度为590 MPa，伸长率为16%，力学性能优异；有 公司使用硅含量4.5%的高硅球铁生产车辆制动器用制动杆的壳体时 ，基体组织为全 铁素体，抗拉强度为400~650 MPa，伸长率为10%~12% 。

       除化学成分外，针对冷却速度对球墨铸铁组织和性能的影响国内外也有研究。 Branko Bauer研究得出块状石墨出现的风险随着冷却速度的降低而增加；  Peng Yun-Cheng等人研究发现冷却速度越快，球墨铸铁的硬度越大、冲击韧性越低；  T.Borsato等人研究发现，厚大截面球铁的凝固时间由10 h缩短为3 h，冷却速度加 快，伸长率和疲劳强度分别减小了50%和33%；Mahmoud A.Essam等人研究了冷却 速度对柴油机用球墨铸铁组织的影响，得出结论冷却速度越慢，珠光体含量越多，  球化率越低；研究发现厚大断面球铁铸件的伸长率和抗拉强度随着凝固速 度减慢呈现先上升后下降的趋势；研究发现冷却速度越快， 硅含量2.5%的 球墨铸铁组织中球状石墨的尺寸越小。

       随着南水北调、辽西北水利等大型水利工程的实施，球墨铸铁管件的需求量 越来越大，且向着大型化的趋势发展。大型球铁管件的主要生产方式为消失模铸造 工艺，生产过程中会消耗大量的能源及生铁、废钢等原材料，在运输、安装过程中 也有诸多不便。本文通过研究相同铸造条件下不同壁厚处高硅球墨铸铁的组织与性 能，研究了冷却速度对高硅球墨铸铁组织和性能的影响，若在管件性能标准不变的 条件下，尽量减小壁厚，增加高硅球铁的冷却速度即可使实际生产管件的力学性能 达到使用标准，就能减小原材料消耗，降低生产成本，为大型球铁管件的生产提供参考。

1   试验材料与方法

       本试验所 用的试验组高硅球墨铸铁及对照组 QT450-10球墨铸铁采用1 t的中频感应炉进行熔炼，使 用消失模铸造工艺，浇注温度为 1  492  ℃,负压度 0.05 MPa，浇注时间30 s，球化剂加入量为 1.3%，孕 育剂为75硅铁，加入量3.5%；为研究冷却速度对高硅 球墨铸铁的组织与性能的影响，浇注不同壁厚的试样 以反映球铁不同的冷却速度，壁厚越小，冷却速度越 快。根据GB/T13295— 2008国家标准，  DN1000以上的 中大型球墨铸铁管件的壁厚均在13.2~35 mm范围内，  因此本试验将试样壁厚梯度设置为 12、 18、24、30、 36、42 mm，冷却速度由快至慢。球墨铸铁试样如图 1 所示，试样尺寸如表 1所示。

       A试样QT450-10球铁与B试样高硅球墨铸铁的化学 成分如表2所示，由碳当量的计算公式：  CE=w（C）+1/3 ［w（Si）+w（P）］，随着硅含量从2.92%升高到4.59% ， 碳含量从3.52%降低到了2.60%；当硅含量为 2.92% 时，碳当量为4.5%，当硅含量为4.59%时，碳当量为 4.14%。由Fe-C相图可知，在平衡条件下，当碳当量为4.34%时为共晶成分，但随着冷却速度的变化，球墨铸 铁的共晶点也会随之偏移，因此将试样的碳当量控制 在4%~4.5%。生产中对铸态QT450-10球铁的化学成分 要求为碳含量在3.4%~3.9%，硅含量在2.5%~3.0%，试 样成分满足设计要求。

       将从QT450-10和高硅球墨铸铁试样在不同壁厚处 截取并加工为10 mm×10 mm×10 mm的金相试样，经 研磨、机械抛光后，采用质量分数为4%的硝酸酒精溶 液腐蚀10 s，利用Olympus-DSX500光学显微镜（OM） 及ZEISS Ultra Plus场发射扫描电镜（SEM）对石墨形 貌进行观察，并利用ipp-6.0和OLYCIA.m3图像分析软 件对铁素体相对含量、石墨球直径和铁素体晶粒尺寸 进行测定，参照GB/T 9441— 2009《球墨铸铁金相检 验》对石墨形态和大小进行分级评定。金相观察后，  利用数显布氏硬度仪及维氏硬度计对试样硬度进行检 测，布氏硬度检测载荷大小为750 N，维氏硬度检测载 荷大小为300 N。针对不同壁厚的试样加工 Φ6~14 mm 的不同尺寸的拉伸试棒，使用万能试验机对试样进行 拉伸试验。

2   试验结果与讨论

2.1   冷却速度对高硅球墨铸铁组织的影响

       使用不同壁厚对试样的冷却速度进行表征，壁厚 越小，冷却速度越快。硅含量为2.92%的QT450-10球铁 及硅含量为4.59%的高硅球铁试样在不同壁厚下的石墨 形貌如图2和图3所示。

       通过ipp-6.0图像分析软件计算，得到石墨球平均直径和数量如表3所示。可以看出，硅含量2.92%的 QT450-10球铁在壁厚42 mm处，球状石墨平均尺寸约 为45.5 μm，在壁厚 12 mm处约为29.3 μm；硅含量4.59% 的高硅球墨铸铁在壁厚42 mm处，球状石墨平均尺寸约 为29.2 μm，壁厚 12 mm处约为20.4 μm 。QT450-10与高 硅球墨铸铁的石墨尺寸均随着铸件冷却速度的增大而 减小，凝固时间短，碳在铁液中溶解的过程较快，使 碳的析出并不充分，硅富集区石墨的生长时间更短， 因此球铁中球状石墨的尺寸较小[13-14] 。硅含量2.92%的 QT450-10的单位面积石墨平均数量在壁厚12 mm处约 为268个/mm2 ，在壁厚 42 mm处平均约为110个/mm2； 硅含量4.59%的高硅球墨铸铁在壁厚 12 mm处的单位 面积石墨平均数量约为457个/mm2 ，在壁厚 42 mm处 平均约为183个/mm2 。硅元素具有作为石墨球形核核 心的作用，随着冷却速度的增加，强化了硅的核心效 果，使石墨球的核心数量增多，球状石墨数量逐渐增加。

       硅含量2.92%的QT450-10球铁及硅含量4.59%的高硅球墨铸铁试样在不同壁厚下的基体组织如图 4、图 5所示，硅含量2.92%的QT450-10试样及硅含量4.59% 的高硅球铁试样的基体组织均主要由铁素体构成。从 动力学角度分析，共析转变过程中奥氏体发生固态相变，随着冷却速度增加，  QT450-10试样和高硅铁素体 球铁试样石墨分布更加密集，奥氏体与石墨的距离缩 短，奥氏体中的碳极易脱溶而扩散到共晶石墨上，而 奥氏体中的碳扩散出去后就很容易在奥氏体界面上析出铁素体的核心，从而有利于铁素体的形成。在壁厚 为 12 mm时， QT450-10试样中存在极少量的珠光体， 这是由于随着冷却速度的增加，珠光体没有足够的时 间分解；高硅球铁试样中在壁厚 12 mm处没有珠光体，是由于硅元素的铁素体化作用抵消了冷却速度过快对 基体组织的影响。

       对不同壁厚下硅含量2.92%的QT450-10试样和硅含 量4.59%的高硅球铁试样的铁素体含量和晶粒尺寸进行统计，使用人工截点法，根据GB/T6394— 2002金属平 均晶粒度测定标准，测得结果如表4所示；可以看出，  在壁厚 12 mm处，硅含量4.59%的高硅球铁铁素体平均 晶粒尺寸约为31.947 5 μm，在壁厚42 mm处，高硅球铁 铁素体平均晶粒尺寸约为54.866 4 μm；随着冷却速度 的增加，高硅球铁试样铁素体晶粒尺寸减小，使得晶粒细化。

2.2   冷却速度对高硅球墨铸铁力学性能的影响

       不同壁厚下硅含量 2.92%的QT450-10和硅含量 4.59%的高硅球铁试样的力学性能检测结果如表5所 示。可以看出，硅含量2.92%的QT450-10试样在壁厚 12  mm处抗拉强度为 464  MPa ，在壁厚 42  mm处 为 431  MPa；硅含量4.59%的高硅球墨铸铁试样在壁 厚 12  mm处抗拉强度为 683  MPa ，在壁厚 42  mm 处为 666 MPa；二者的抗拉强度均随着冷却速度的增  加而增加，冷却速度对屈强比的影响较小。QT450-10 试样在不同的冷却速度下硬度值的波动最大为HB 3.2， 高硅球墨铸铁在不同的冷却速度下硬度值的波动最大 为HB 6.8，不同的冷却速度对布氏硬度的影响较小，是 由于试样中铁素体的含量均较高。随着冷却速度的增加， QT450-10试样和高硅球墨铸铁的伸长率均呈现增 大的趋势。

       使用扫描电镜对不同壁厚下硅含量2.92%的QT450- 10试样及硅含量4.59%高硅球墨铸铁的拉伸断口进行形 貌观察，如图6、图7所示。

       对于硅含量2.92%的QT450-10球墨铸铁试样， 不同 壁厚下的断口主要呈现为韧窝形貌，属于韧性断裂。 随着冷却速度的增加，球状石墨数量增加，韧窝数量 增加，但是韧窝的深度变浅，且存在解理特征，存在 局部穿晶断裂，因此塑性变差；对于硅含量4.59%的高硅球墨铸铁，不同壁厚下的断口主要由解理形貌组成， 属于脆性断裂。随着冷却速度的增加，断口处产生沿晶 断裂的趋势增加，球状石墨数量增加，每一个韧窝中存 在一个球状石墨，韧窝数量增加， 因此塑性增强。冷却 速度的增加使得硅对铁素体的固溶强化作用增强，使铁 素体晶格发生畸变的程度严重，铁素体塑性变形能力减 弱，韧窝深度变浅，因此QT450-10球铁试样的伸长率 逐渐降低；但随着冷却速度的增加，高硅球铁试样断口 处产生更多数量的韧窝，更少的解理特征，以及全铁素 体基体，而在壁厚36 mm处解理面积较大，韧窝数量较 少且深度较浅，此处塑性较差， 因此高硅球铁试样的伸 长率先减小后增加。

3   影响机制

       通过上述试验可以得出，冷却速度对高硅球墨铸铁试样力学性能有较大影响，为了研究冷却速度对高 硅球墨铸铁组织和性能的影响机理，采用扫描电镜、X 射线衍射图谱对硅含量4.59%的高硅球墨铸铁和硅含量 2.92%的QT450-10试样进行分析。

       表6为不同壁厚下硅含量2.92%QT450-10和硅含量 4.59%高硅球墨铸铁试样的铁素体显微硬度；  QT450-10 试样的维氏硬度在壁厚 12 mm处平均值为HV  198.66， 壁厚42 mm处平均值为HV  173.03；高硅球墨铸铁试样 的维氏硬度在壁厚 12 mm处平均值为HV 259.85，壁厚 42 mm处平均值为HV 226.3。随着冷却速度的增加，铁 素体基体的硬度均逐渐增加。

       对不同壁厚下硅含量4.59%的高硅球墨铸铁的铁素 体晶内和晶界处某点的硅含量进行测定，选取点位置 如图8所示；点1和点3为壁厚24 mm时，高硅球铁铁素 体晶界处的取点，点2和点4为铁素体晶粒内的取点， 点5和点7为壁厚36 mm时，高硅球铁铁素体晶界处的取 点，点6和点8为铁素体晶粒内的取点。

       图8中各点的Si元素数值通过公式计算得到不同壁 厚下高硅球墨铸铁Si元素的偏析指数值和其他元素的质量分数如表7所示。

       根据表7可以得出，硅含量4.59%的高硅球墨铸 铁在壁厚24 mm处，铁素体晶粒内硅元素的偏析指标 值分别为0.83和0.91，晶界处为 1.12和1.09；在壁厚 36 mm处，铁素体晶粒内硅元素的偏析指标值分别为 0.94和0.95，晶界处为1.06和1.03。可以看出，硅含量 4.59%的高硅球墨铸铁的硅元素不仅可以固溶于铁素体 基体中，且在铁素体晶界上含量高于晶内。而一般来 说，球墨铸铁中硅是负偏析元素，即共晶晶粒的晶界 上硅含量低于晶内  。出现此现象是由于高硅球墨铸 铁在发生共析反应时，硅元素由于熔点较高，在奥氏 体内部率先析出，铁和碳元素由于熔点较低，在靠近 奥氏体边界处随后析出，而铁素体在奥氏体晶界处形 核，元素在固相中扩散较慢，在此过程中元素分布基 本不变，因此铁素体晶粒内部硅含量较低，晶界处硅 含量较高  。随着冷却速度的增加， 高硅球墨铸铁的 铁素体基体晶粒和晶内结构细化，缩小了晶界偏析的 范围，因此硅元素在铁素体晶界上的偏析现象逐渐增 强，球墨铸铁的强度、硬度逐渐提高。但冷却速度增 加使高硅球铁的石墨形貌和基体组织得到了优化，因 此偏析对伸长率的影响较小。

       将不同壁厚下的硅含量2.92%的QT450-10球铁和硅 含量4.59%的高硅球铁的X射线衍射图谱使用jade 6软件 进行分析如图9、 10所示，可以看出，图谱中存在四个 峰，将存在的Fe、C 、Si元素输入后进行寻峰，  20°~30° 之间的峰为石墨， 40°~90°之间的峰只有铁素体相与之 对应，说明硅完全溶于铁素体中，通过PDF 卡片进行 对比，三个峰的晶面指数从左到右分别为（110） 、 （200）、（ 211 ）， 同一硅含量的不同壁厚下的试样的图谱峰晶面指数不变。

       对不同硅含量的球墨铸铁的铁素体晶格常数进 行计算，结果如表8所示。当厚度为24 mm时，硅含 量2.92%的QT450-10球铁试样的铁素体晶格常数为 0.286 59 nm，当厚度为 42 mm时，试样的铁素体晶格 常数为0.286 61 nm；当厚度为 24 mm时，硅含量4.59% 的高硅球铁试样铁素体晶格常数为0.286 02 nm，当厚 度为42 mm时，试样的铁素体晶格常数为0.286 59 nm。 纯铁铁素体的晶格常数为0.286 64 nm，而硅的原子半 径小于铁的原子半径，大于铁素体的晶体间隙，硅可 固溶于铁素体基体中形成置换固溶体而不能形成间隙 固溶体，因此QT450-10和高硅球墨铸铁的铁素体晶 格常数均小于0.286 64 nm； 随着冷却速度的增加，QT450-10和高硅球墨铸铁的铁素体晶格常数均逐渐 减小，晶格畸变的程度逐渐增加，增加了位错阻力 从而使得强度、  硬度逐渐提高。

4   结论

（ 1 ）硅含量 4.59%的高硅球墨铸铁试样在壁厚 12 mm处，单位面积石墨球平均数量约为457 个/mm2， 平均尺寸约为 20.4  μm，铁素体晶粒平均尺寸约为 31.9 μm。在壁厚42 mm处，单位面积石墨球平均数量 约为183个/mm2 ，平均尺寸约为29.2 μm，铁素体晶粒平 均尺寸约为54.9 μm 。

（ 2 ）硅含量为 4 . 59% 的高硅球墨铸铁在壁 厚 12  mm处抗拉强度为683 MPa ，布氏硬度为 HB 181.2，伸长率为19%；在壁厚42 mm处时抗拉强度为666 MPa，布氏硬度为HB  184.7，伸长率为15%； 随着冷却速度增加，抗拉强度逐渐增加，硬度波动很 小，伸长率逐渐升高。在壁厚为 12 mm处，综合力学 性能较高。

（3）消失模铸造高硅球墨铸铁试样随着冷却速 度增加，单位面积中石墨球的数量增加，球状石墨尺 寸逐渐减小；不同冷却速度下试样的基体组织均为铁 素体，随着冷却速度增加，铁素体晶粒尺寸减小，硅 元素对基体的细晶强化作用增强；铁素体基体的晶格 常数逐渐减小，硅元素完全置换固溶于铁素体中形成 固溶强化，但随着冷却速度的增加，硅元素在铁素体 晶界处的偏析现象越来越明显，造成铁素体的畸变程 度增大。因此，高硅球墨铸铁的强度和硬度逐渐增 大。