硅固溶強(qiáng)化鐵素體基球墨鑄鐵性能研究進(jìn)展

耿國鋒　未永斌

關(guān)鍵詞：黑色金屬及其合金;球墨鑄鐵;高硅球鐵;Si固溶強(qiáng)化;性能

中圖分類號(hào)：TG255 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI： 10.7535/hbgykj.2023yx01009

1 Si固溶強(qiáng)化鐵素體基球墨鑄鐵的發(fā)展歷程

球墨鑄鐵發(fā)展歷程中始終伴隨著對(duì)Si元素的重新認(rèn)識(shí)。1949年MILLIS第一個(gè)球鐵專利中曾認(rèn)為“Si含量大于2.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）顯著降低韌性、拉伸強(qiáng)度和延展性”，這常常被總結(jié)為“Si使球鐵變脆”[1]。隨著后人對(duì)Si元素的深入研究，Si含量得以提高至4.3%，從而發(fā)展出了高硅球鐵。

傳統(tǒng)的球墨鑄鐵材料通常通過提高M(jìn)n，Cu，Sn等元素的含量從而提高珠光體的含量來提高強(qiáng)度[2]。其提高強(qiáng)度的方式為提高硬質(zhì)相（珠光體、滲碳體）的含量，在該強(qiáng)化機(jī)理下，延伸率隨強(qiáng)度的提高而降低。因此，要想在傳統(tǒng)球墨鑄鐵力學(xué)性能基礎(chǔ)上同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性，需要尋找新的強(qiáng)化機(jī)理下的新方法。區(qū)別于硬質(zhì)相珠光體強(qiáng)化的傳統(tǒng)球墨鑄鐵，高硅球鐵的強(qiáng)化機(jī)理是通過提高硅含量實(shí)現(xiàn)Si固溶強(qiáng)化。Si原子半徑（117 pm）小于鐵原子半徑（124 pm），Si原子溶于鐵素體中形成置換固溶體，通過晶格畸變實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化效果。1980年，為了提高EN-GJS-500-7球鐵性能的均勻性及機(jī)械加工性能，Volvo公司開始了對(duì)高Si含量球鐵的研究[3]。研究發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)的第一代鐵素體-珠光體混合基體的球墨鑄鐵，提高球鐵中的Si含量不僅使球鐵具有更好的性能均勻性和加工性能，還具有更好的綜合力學(xué)性能，即在同等抗拉強(qiáng)度下可以有更好的斷后延伸率。2009年，RICHARD[1]提出Si固溶強(qiáng)化鐵素體基球墨鑄鐵（solution strengthenedferritic ductile iron， SSFDI）屬于“第2 代球墨鑄鐵”（第2代球墨鑄鐵還包括等溫淬火球墨鑄鐵，即ADI）。由于其Si含量可以達(dá)到4%以上（一般不超過5%），因此，也常常被簡(jiǎn)稱為高硅球鐵（highsilicon iron，HSI）[4-5]。球墨鑄鐵材料本身具有價(jià)格便宜、鑄造性能好、機(jī)械加工性優(yōu)良、比鋁合金更優(yōu)秀的比強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)[6]，而以高硅球鐵為代表的第2代球墨鑄鐵的出現(xiàn)更強(qiáng)化了這些優(yōu)勢(shì)。2011年歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 1563—2018《Founding—Spheroidal graphite cast irons》中增加了3個(gè)固溶強(qiáng)化鐵素體球鐵的牌號(hào)，力學(xué)性能指標(biāo)分別為“450-18”“500-14”“600-10”。國際標(biāo)準(zhǔn)BS ISO 1083—2018《Spheroidal graphite cast irons—Classification》以及國標(biāo)GB/T 1348—2019《球墨鑄鐵件》也分別于2018年和2019年增加了這3個(gè)Si固溶強(qiáng)化鐵素體基球鐵牌號(hào)。

據(jù)估算，約20%的含有珠光體組織的傳統(tǒng)球墨鑄鐵能夠被高硅球鐵取代[7]。風(fēng)電領(lǐng)域的鑄件已經(jīng)開始大量應(yīng)用高硅球鐵。全球風(fēng)電鑄件的市場(chǎng)容量預(yù)計(jì)為300萬t/a，10%的鑄件已經(jīng)開始使用高硅球鐵生產(chǎn)，這一比例有可能增加到30%[7]。法國企業(yè)研發(fā)了高硅球鐵材質(zhì)輸水管道[8]。在德國，高硅球鐵已經(jīng)被應(yīng)用在連鑄坯、軋輥和差速器殼等領(lǐng)域[9-11]。雖然高硅球鐵熔煉時(shí)要消耗更多的Si鐵，但有德國工廠的報(bào)道顯示高硅球鐵的實(shí)際材料成本降低了5%[9]。高硅球鐵的屈服強(qiáng)度比傳統(tǒng)球鐵提高了20%，這將有利于鑄件輕量化設(shè)計(jì)[9]。隨著Si含量的上升，球鐵的鑄造性能變化不明顯，因此原有的澆注工藝工裝有可能不需要改變[9]。

德國鑄造雜志Giesserei把第2代球墨鑄鐵稱為21世紀(jì)鑄造科技成果中最重要的一個(gè)[12]，其重要性位列快速成型（鑄造3D打印）、數(shù)字模擬、無機(jī)黏結(jié)劑等熱門鑄造新技術(shù)之上。由中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì)編制的《鑄造行業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》[13]中，鑄鐵行業(yè)排在第1位的“重點(diǎn)項(xiàng)目”是“高性能鑄鐵材料與工藝”，而排在該項(xiàng)目第1位的內(nèi)容正是“高強(qiáng)度高塑性球墨鑄鐵材料研究”。然而與國外相比，目前中國企業(yè)在對(duì)高硅球鐵研究與應(yīng)用的重視程度上還有差距[12]。前人雖然綜述了Si強(qiáng)化鐵素體球墨鑄鐵的進(jìn)展[12]，但其側(cè)重點(diǎn)在于對(duì)企業(yè)案例的介紹，沒有對(duì)重要力學(xué)性能的機(jī)理研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析及展望。本文主要對(duì)高硅球鐵的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，具體包括高硅球鐵的拉伸性能、沖擊性能、斷裂韌性、疲勞性能、導(dǎo)熱和熱膨脹性能、機(jī)械加工性能，期待能為高硅球鐵的研究和推廣應(yīng)用提供有益的參考。

2 高硅球鐵的性能研究

2.1 拉伸性能

許多實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了高硅球鐵的綜合拉伸性能比傳統(tǒng)球鐵更好。圖1所示為不同Si含量對(duì)高硅球鐵抗拉強(qiáng)度的影響。

目前高硅球鐵的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)中，Si含量一般在2%～6%變化。由圖1可見，DOMMASCHK[2]和STETS等[9]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)Si含量為4.3%時(shí)，高硅球鐵的抗拉強(qiáng)度達(dá)到極值620 MPa，而后隨著Si含量上升而降低。筆者認(rèn)為高硅球鐵的Si含量最高為4.3%，該Si含量也恰好滿足了600-10牌號(hào)的高硅球鐵的抗拉性能。LAINE等[14]的實(shí)驗(yàn)結(jié)合模擬結(jié)果認(rèn)為Si含量為4.9%時(shí)，對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度達(dá)到極大值，為660 MPa。GONZ?LEZMART?NEZ等[15]和KANNO[16]實(shí)驗(yàn)中Si的最高加入量為5%，對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度高達(dá)700 MPa以上。

當(dāng)Si含量為4.5%時(shí)，高硅球鐵的屈服強(qiáng)度達(dá)到極值550 MPa，而后隨著Si含量的繼續(xù)上升而降低[2]。也有研究結(jié)果顯示Si含量高至5%[16]，高硅球鐵的屈服強(qiáng)度單調(diào)提高至560 MPa。如圖2所示，比較了傳統(tǒng)球鐵和高硅球鐵的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，同等抗拉強(qiáng)度下高硅球鐵的屈服強(qiáng)度明顯高于傳統(tǒng)球鐵。圖2中實(shí)線和虛線分別為國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中所示的高硅球鐵和傳統(tǒng)球鐵的強(qiáng)度數(shù)值擬合線，其斜率表示屈強(qiáng)比。傳統(tǒng)球鐵的屈強(qiáng)比為0.52，低于高硅球鐵的0.79，個(gè)別文獻(xiàn)中高硅球鐵的屈強(qiáng)比數(shù)值可達(dá)0.83。高硅球鐵擁有更高的屈強(qiáng)比，從而提高了該材料的強(qiáng)度利用率，也為輕量化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件，但應(yīng)當(dāng)注意其安全系數(shù)相對(duì)更低了。

圖3所示為文獻(xiàn)中球鐵室溫延伸率隨Si含量的變化曲線[2，14，16]。由圖 3 可見，當(dāng)Si含量約為4.3%時(shí)，高硅球鐵的延伸率下降速率均有不同程度的提高。這常被認(rèn)為是高硅球鐵的常溫脆性[9，17]。圖4所示不同溫度條件下球鐵的延伸率[2，16]。其中4.3%的Si含量對(duì)應(yīng)高硅球鐵600-10牌號(hào)，500-14為高硅球鐵牌號(hào)，500-7為傳統(tǒng)球鐵牌號(hào)。由圖4可見，當(dāng)溫度在400～500 ℃時(shí)，高硅球鐵和傳統(tǒng)球鐵的延伸率都出現(xiàn)了5%以下的極小值。這常被稱為球鐵的400 ℃高溫脆性。

對(duì)于高硅球鐵脆性的原因尚沒有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，脆性現(xiàn)象尚不能完全消除，已有的一些研究也只能在一定程度上緩解脆性問題。其中最主要的是Mg偏聚導(dǎo)致的高溫脆性以及高硅含量的脆性相導(dǎo)致的常溫脆性。

1）Mg的影響

Mg原子在1 000 ℃時(shí)開始從奧氏體中析出并在晶界聚集[18]，這可能是導(dǎo)致400 ℃脆性的原因。當(dāng)殘余Mg含量超過0.045%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）就會(huì)產(chǎn)生顯著負(fù)面影響[19]，有研究者建議Mg含量控制指標(biāo)為ω（Mg）+4.5ω （S）<0.07%[20]。當(dāng)Mg含量較高時(shí)，可以通過加入一定量的P來固定多余Mg形成Mg₃P₂[20]，當(dāng)Mg含量為0.045%，P的加入量滿足ω（Mg）/ω（P）<1.5時(shí)，400 ℃延伸率可達(dá)9%以上[16]。除了P以外，與其同主族的Sb也可以與Mg反應(yīng)生成Mg₃Sb₂。Sb與Mg的結(jié)合力比P更強(qiáng)，有較低的濃度積[Mg][Sb]，因此Sb含量和殘余量可以更小。小于0.1%的Sb能顯著提升高硅球鐵在450 ℃和550 ℃高溫環(huán)境下的斷后伸長(zhǎng)量[18]，但450 ℃時(shí)的斷后伸長(zhǎng)量仍是極小值，并不能完全消除脆性。有研究顯示Ce能夠聯(lián)合La等元素共同與殘余Mg相互作用降低Mg對(duì)脆性的影響[18，21]。除了控制各相關(guān)元素含量之外，通過加快鑄件整體或局部的冷卻速度也可改善機(jī)械性能。高硅球鐵在金屬型中凝固過程較快，這使得其在400 ℃時(shí)的延伸率仍可達(dá)到10%以上[22]?？焖倮鋮s一方面可以通過細(xì)晶強(qiáng)化改善機(jī)械性能，另一方面可以通過增加晶界面積以及抑制元素?cái)U(kuò)散來防止Mg等有害元素和物質(zhì)在晶界的大量聚集。

2）高硅含量脆性相的影響

硅-鐵有序相有2種：α1相（也稱DO3相）和α2相（也稱B2相）[23]。α1，α2相中Si含量高于平均Si含量，與鐵素體相相比是硬脆的。α1，α2相尺寸通常較小且不易被常用的硝酸酒精腐蝕，需要用高放大倍數(shù)顯微鏡+ 彩色腐蝕或TEM 透射電鏡觀察[18，24-25]。Si在純鐵中的溶解度為3%，Si含量高于3%時(shí)將發(fā)生調(diào)幅分解生成硅含量較低的α鐵素體相和硅-鐵有序相α1，α2相[26]。而美國金屬學(xué)會(huì)ASM International出版的鐵硅二元相圖顯示常溫下Si在純鐵中溶解度約為5%[27]，當(dāng)Si含量大于5%時(shí)會(huì)有α1，α2相析出，這也可能是導(dǎo)致高硅脆性的原因之一[28]。然而也有文獻(xiàn)中的鐵硅二元相圖顯示Si在純鐵中的溶解度為9.5%[29]。 WEI?等[24]通過TEM 觀察定性地發(fā)現(xiàn)Si含量為5.36%樣品中含有更多的脆性硅-鐵有序相B2相，并含有少量DO3相，結(jié)合高硅鋼相關(guān)文獻(xiàn)[26，30]分析，這被認(rèn)為是脆性轉(zhuǎn)變的主要原因。脆性相傾向于在靠近石墨處形成從而可能促進(jìn)了裂紋源在該處形成[23]，掃描電鏡觀察檢測(cè)也顯示靠近石墨球處Si含量明顯較高[16]?；诖嘈韵嗬碚?，若想要進(jìn)一步增加固溶強(qiáng)化鐵素體基球墨鑄鐵的性能，可能的方法之一是用其他可實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化的合金元素來部分替代Si元素[24]。Georg Fischer 公司開發(fā)了用于汽車零部件的SiboDur-500球鐵，在受靜載荷和循環(huán)載荷以及碰撞和撞擊載荷工況下表現(xiàn)優(yōu)于僅用Si固溶強(qiáng)化的球鐵[31]。

3）石墨球狀態(tài)的影響

除了以上所述致脆機(jī)理之外，石墨球的狀態(tài)也是可能的影響因素。石墨球的數(shù)量與圓整度正相關(guān)，與石墨球尺寸負(fù)相關(guān)[16，32]。在傳統(tǒng)球鐵中，石墨球的數(shù)量以及球化率一般被認(rèn)為能夠影響球鐵的性能。但是有些研究顯示，當(dāng)Si含量高達(dá)4%以上時(shí)，石墨球數(shù)量可達(dá)400個(gè)/mm²，拉伸性能受到石墨球數(shù)量、球化率的影響較小[16，32]，至關(guān)重要的是通過工藝條件控制鑄件中的夾雜物[7，33]。WEI?等[24]研究證明隨Si含量從4%升高到5%，石墨球的圓整度和石墨球數(shù)量都有所提高[10，24]，而拉伸性能中的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在此Si含量范圍內(nèi)有明顯的極大值。因此，雖然石墨球狀態(tài)影響高硅球鐵的力學(xué)性能，但脆性轉(zhuǎn)變與石墨球的狀態(tài)沒有明顯關(guān)系。厚大斷面處出現(xiàn)的碎塊狀石墨曾被認(rèn)為與Si含量高有關(guān)[5，15]，但碎塊狀石墨對(duì)高硅球鐵的脆性沒有顯著影響[34]。 但也有研究者認(rèn)為碎塊狀石墨不是Si含量過高造成的[1]。Ce能夠促進(jìn)高硅球鐵中碎塊石墨的形成從而導(dǎo)致高溫脆性[35]，加入常用的防球化衰退元素Sb使得ω（Sb）/ω（Ce）>0.7能夠避免碎塊狀石墨出現(xiàn)[36]。但是Sb富集在石墨球周圍阻礙碳的擴(kuò)散使得已生成的碳化物不易分解[37]，從而可能導(dǎo)致鑄態(tài)下基體組織中珠光體含量升高[18]，需經(jīng)過退火后可得到單一鐵素體基體。雖然在高硅球鐵中石墨球的狀態(tài)不是拉伸性能的主要影響因素，但是保持優(yōu)良的石墨球狀態(tài)仍是球墨鑄鐵獲得良好力學(xué)性能的基本條件。

4）微量元素的影響

此外，微量合金元素可能改變基體組織從而影響性能。總含量小于1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的合金元素幾乎不會(huì)對(duì)高硅鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率產(chǎn)生影響[2]，當(dāng)Si含量為4%且含有1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）Mn元素的情況下，球鐵基體組織為純鐵素體。在此基礎(chǔ)上增加0.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的Cr時(shí)，基體出現(xiàn)0.5% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的珠光體[2]。RIEBISCH 等[38]研究了Cr，Mn，Mo，Nb這4種促進(jìn)碳化物形成的元素對(duì)高硅球鐵的影響。結(jié)果顯示Cr元素促進(jìn)碳化物生成效果最強(qiáng)，0.3%的Cr元素即可使高硅球鐵基體中珠光體含量達(dá)到10%以上，Cr含量小于0.1%時(shí)則不會(huì)產(chǎn)生明顯的珠光體。Mo元素含量小于 0.25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)，在各種冷卻速率下都不會(huì)使基體產(chǎn)生珠光體。Mn和Nb促碳化物形成效果相對(duì)較弱，只含有0.5%的Mn或0.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Nb都不會(huì)對(duì)高硅球鐵的拉伸性能產(chǎn)生顯著影響。這就使得用價(jià)格低廉的廢鋼為原料來生產(chǎn)高硅球鐵成為可能[39]。

2.2 沖擊性能

雖然延伸率和沖擊性能都能夠反映塑韌性，但二者并沒有直接的聯(lián)系。國內(nèi)外的球墨鑄鐵件各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并沒有對(duì)高硅球鐵沖擊性能進(jìn)行規(guī)定，但對(duì)于部分可能需要承受沖擊載荷的球墨鑄鐵產(chǎn)品具有參考價(jià)值。

圖5所示為傳統(tǒng)球鐵400-15，500-7以及高硅球鐵450-18，500-14在-40～100 ℃時(shí)的夏比沖擊功[2]。通過圖 5可以發(fā)現(xiàn)，無論傳統(tǒng)球鐵還是高硅球鐵，當(dāng)抗拉強(qiáng)度大于400 MPa時(shí)其室溫和低溫夏比沖擊功都將顯著降低。將常用的傳統(tǒng)500-7球鐵和500-14高硅球鐵進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，二者的-20 ℃低溫沖擊功相近，但500-14高硅球鐵的室溫沖擊功低至3 J[2，9]。也有設(shè)計(jì)者們認(rèn)為夏比沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不能準(zhǔn)確描述實(shí)際的沖擊情況[7]。KANNO[16]從鑄態(tài)Y型試塊和圓柱形試塊取樣研究了Si含量為2.5%～5%時(shí)的無缺口沖擊功。結(jié)果顯示無缺口沖擊功在Si含量為3.8%～4.2%時(shí)發(fā)生驟降，由原來的150 J驟降至20 J，然而如圖1中所示的該研究中的延伸率在此Si含量范圍內(nèi)仍可達(dá)到16%以上，且在繼續(xù)增加Si含量至5%的過程中也并沒有發(fā)生延伸率顯著驟降的現(xiàn)象。

2.3 斷裂韌性

夏比沖擊實(shí)驗(yàn)反映了材料在高速?zèng)_擊快速應(yīng)變條件下對(duì)裂紋的敏感性，實(shí)驗(yàn)過程相對(duì)簡(jiǎn)便，但適用工況有限。風(fēng)電鑄件等領(lǐng)域還需要檢測(cè)斷裂韌性指標(biāo)以反映鑄件防裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。高硅球鐵較傳統(tǒng)球鐵有更高的屈強(qiáng)比，因此更有必要對(duì)其斷裂韌性進(jìn)行檢測(cè)。球鐵的靜態(tài)斷裂韌性KIC 隨Si含量的升高而線性降低。當(dāng)Si含量從1.75%升高到3.5%，球鐵的靜態(tài)斷裂韌性由100 MPa·m0.5 線性降低至40 MPa·m0.5[2]。然而高硅球鐵在循環(huán)載荷下的動(dòng)態(tài)斷裂韌性Kth 優(yōu)于傳統(tǒng)球鐵[12]。

2.4 疲勞強(qiáng)度

高硅球鐵的疲勞強(qiáng)度優(yōu)于傳統(tǒng)球鐵[12]。STETS等[9]實(shí)驗(yàn)測(cè)得500-14和500-7的疲勞強(qiáng)度分別為280 MPa和257 MPa。TORRE 等[40]測(cè)得500-14牌號(hào)（ω（Si）=3.78%）高硅球鐵進(jìn)行的疲勞強(qiáng)度可達(dá)358 MPa，顯著高于傳統(tǒng)球鐵的170 MPa，這使得高硅球鐵比傳統(tǒng)球鐵更適合應(yīng)用在汽車鑄件這樣需要承受循環(huán)載荷的領(lǐng)域。在球墨鑄鐵中，過大的石墨球尺寸將顯著降低球鐵的疲勞強(qiáng)度[41]。

洋蔥結(jié)構(gòu)的石墨球的外層松散可以成為疲勞裂紋源。傳統(tǒng)的鐵素體基球鐵的裂紋源就來自石墨球外層以及石墨-鐵素體基體界面處[42]。然而，迄今為止對(duì)球鐵中石墨球形成機(jī)理的研究仍在不斷深入[43-44]，球鐵中由石墨起源的裂紋及其控制方式也有待進(jìn)一步研究。

2.5 熱導(dǎo)率

球墨鑄鐵作為一種復(fù)合材料，對(duì)其熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響的因素包括化學(xué)成分、石墨球形狀以及基體組織[45]。合金元素（如Si，Mn，Cr，Mo，W）通常能降低鐵素體的熱導(dǎo)率，Si是其中影響最強(qiáng)的元素[46]。

圖6所示為純鐵素體基體球鐵在不同硅含量及不同溫度下的熱導(dǎo)率。由圖6可見，球墨鑄鐵的熱導(dǎo)率隨溫度200～300 ℃升高時(shí)出現(xiàn)一個(gè)極大值，其原因尚不明確[45]。隨著Si含量的增加，球鐵的導(dǎo)熱性能有所降低[47]。這意味著高硅球鐵鑄件凝固時(shí)的溫度梯度比傳統(tǒng)球鐵更大，為層狀凝固提供了有利條件。因此，冒口的設(shè)計(jì)應(yīng)相應(yīng)改進(jìn)以適應(yīng)更大的集中縮孔[5]。

2.6 熱循環(huán)體積變化

MATSUSHITA 等 [48]研究了高硅球鐵和傳統(tǒng)球鐵經(jīng)過室溫至600 ℃之間熱循環(huán)后的體積變化。傳統(tǒng)球鐵的基體組織含有部分珠光體組織。熱循環(huán)過程中，滲碳體不斷分解成石墨和鐵素體從而導(dǎo)致石墨化膨脹。然而，高硅球鐵一般具有純鐵素體基體組織，熱循環(huán)后不再發(fā)生石墨化膨脹。但是研究發(fā)現(xiàn)熱循環(huán)后高硅球鐵的體積可能先降低后再維持不變。這可能是由于殘余少量的滲碳體分解后的石墨填充既有石墨球旁的空隙。

2.7 機(jī)械加工性能

隨著Si含量提高，碳原子的活度提高，活動(dòng)能力更強(qiáng)，更傾向于聚集形成穩(wěn)定的石墨態(tài)而不是亞穩(wěn)態(tài)的碳化物。提高Si含量將使鐵碳二元相圖發(fā)生顯著變化，其中共晶碳含量降低、共晶溫度提高、共析溫度區(qū)間擴(kuò)大[2，49]。因此，高硅球鐵更容易獲得單一鐵素體組織。這就使高硅球鐵鑄件力學(xué)性能均勻性得到提高，且各種尺度下硬脆的滲碳體相的消失提高了高硅球鐵的機(jī)械加工性能。得益于均勻的基體組織，高硅球鐵的機(jī)械加工性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)球鐵。STETS等[9]對(duì)比了傳統(tǒng)球鐵與高硅球鐵的機(jī)械加工性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，抗拉強(qiáng)度級(jí)別分別為500 MPa和600 MPa條件下，用于機(jī)械加工高硅球鐵的刀具壽命比傳統(tǒng)球鐵分別提高了70%和100%。

3 問題與研究展望

3.1 面臨的問題

1）當(dāng)前限制球墨鑄鐵性能進(jìn)一步提高的因素主要是常溫及高溫脆性，主流的機(jī)理分別為硅-鐵脆性相致脆以及Mg在晶界偏聚致脆。由此發(fā)展的緩解脆性的措施主要有減少殘余Mg含量、添加P，Sb元素固定殘余Mg元素、細(xì)化晶粒以及可能的多元素固溶強(qiáng)化等。如圖7所示，這些措施在一定程度上進(jìn)一步發(fā)展了高硅球鐵的綜合拉伸性能，抗拉強(qiáng)度和延伸率均在高硅球鐵標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)的基礎(chǔ)上有所提高。

有公司數(shù)據(jù)以及相關(guān)研究顯示，牌號(hào)為600-10高硅球鐵的延伸率可達(dá)到20%左右[5，50]。然而當(dāng)前的致脆機(jī)理仍不完善。雖然硅含量高于其在鐵中溶解度時(shí)將析出高硅脆性相，但是硅在鐵中的溶解度仍然沒有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。Mg致高溫脆性機(jī)理也仍不能完全消除高溫脆性。當(dāng)前高于70%的鑄件仍是砂型鑄造，因此通過進(jìn)一步提高冷卻速度來緩解高硅脆性在生產(chǎn)上難度極大。總之，致脆機(jī)理仍有待進(jìn)一步研究，Si固溶強(qiáng)化球墨鑄鐵的綜合力學(xué)性能也仍將隨著致脆機(jī)理認(rèn)識(shí)的深入而進(jìn)步。

2）高硅球鐵的夏比沖擊韌性低于傳統(tǒng)球鐵，且室溫和-20 ℃低溫下，抗拉強(qiáng)度高于400 MPa時(shí)夏比沖擊韌性會(huì)顯著降低。雖然夏比沖擊實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為不能完全反映實(shí)際工況，但目前仍是標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)之一。這也限制了高硅球鐵的應(yīng)用。高硅球鐵的靜態(tài)斷裂韌性也低于傳統(tǒng)球鐵。然而，高硅球鐵在循環(huán)載荷下的動(dòng)態(tài)斷裂韌性以及疲勞強(qiáng)度都高于傳統(tǒng)球鐵，這對(duì)于承受循環(huán)載荷鑄件的輕量化設(shè)計(jì)是有利的。

3）高硅球鐵的熱導(dǎo)率低于傳統(tǒng)球鐵，這提高了鑄件凝固溫度梯度，更容易產(chǎn)生集中縮孔缺陷。集中縮孔更有利于冒口補(bǔ)縮從而降低收縮缺陷發(fā)生的概率，生產(chǎn)過程中的補(bǔ)縮工藝應(yīng)相應(yīng)調(diào)整以適應(yīng)更大的集中縮孔。由于幾乎沒有石墨化膨脹，高硅球鐵熱循環(huán)后體積穩(wěn)定性高，這使得其在熱循環(huán)工況下的熱應(yīng)力更小。對(duì)于需要經(jīng)過退火熱處理的球鐵件來說，高硅球鐵退火后的體積變化小于傳統(tǒng)球鐵，因此模具尺寸的設(shè)計(jì)也應(yīng)相應(yīng)地改變。

3.2 研究展望

高硅球鐵仍有巨大的發(fā)展?jié)摿?，主要體現(xiàn)在機(jī)理研究和應(yīng)用2個(gè)方面。

1）機(jī)理研究方面 目前對(duì)高硅球鐵機(jī)理研究主要集中在常用的拉伸性能方面，其他機(jī)械性能方面的研究以及優(yōu)化較少。對(duì)于Si在鐵素體中的溶解度仍沒有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，富硅脆性相的析出規(guī)律仍不明確。Mg致脆性機(jī)理也不能夠完全消除脆性現(xiàn)象。雖然脆性機(jī)理認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一，但仍可從多元素復(fù)合固溶強(qiáng)化以及固溶+細(xì)晶復(fù)合強(qiáng)化2個(gè)方面來嘗試進(jìn)一步提升高硅球鐵的拉伸性能。

2）應(yīng)用方面 成本往往是產(chǎn)品開發(fā)要考慮的重要因素之一。生產(chǎn)工藝開發(fā)人員應(yīng)當(dāng)從全生命周期的角度去認(rèn)識(shí)高硅球鐵。雖然高硅球鐵生產(chǎn)過程中增加了含Si原料的用量，但是還應(yīng)綜合考慮其他影響最終成本的因素，例如：不用熱處理即可能得到純鐵素體組織，機(jī)械加工刀具壽命提高近一倍可節(jié)約機(jī)加工成本，較高的屈強(qiáng)比有利于鑄件輕量化設(shè)計(jì)以及高硅球鐵材料能夠高效回收利用等等。