第二节　低合金高强度球墨铸铁

物质的通性是强度与硬度是协同的关系，硬度与韧塑性是相悖的关系。球墨铸铁也不例外，普通球墨铸铁的基体由珠光体、铁素体构成，其强度、硬度、韧塑性都在一定的范围之内。欲突出升高其强度又不过多地损低其韧塑性，只有两个途径：一是在原有元素之外，附加其他适量的“特殊合金元素”；二是采取不寻常的热处理工艺。两种途径都是改变原来的珠光体、铁素体为强度、硬度较高，韧塑性适当的显微基体组织，这类金属基体非上贝氏体、下贝氏体莫属，当然也不能不允许少量其他次要的组织共存（如屈氏体、马氏体、索氏体）。为达此目的，对于Mo、W、Cu、Ni等元素应取其一或其二适宜的加入量，其中Mo是延缓奥氏体相变（即右移S曲线）最有力的元素，可单独使用Mo，或Mo-Cu组合或Ni-Mo组合，都可在铸态尤其是在热处理之后便得到最理想的贝氏体为主的金属基体，而达到高强度兼中等韧性要求。

一、铜钼合金球墨铸铁

如前所述，二者可通过适当的工艺形成贝氏体为主的金属基体，其中铜钼合金球墨铸铁化学成分为：C 3.4％，Si 2.7％，Mn 0.64％，Cu 1.1％，Mo 0.8％，Mg 0.116％，S 0.016％，P 0.056％。钼合金球墨铸铁的化学成分为：C 3.4％，Si 2.46％，Mn 0.79％，Mo 1.19％，Mg 0.116％，S 0.016％，P 0.056％。分别测试二者的铸态和热处理后的力学性能（室温），结果如表3-2所示。

表3-2　钼及铜钼合金球墨铸铁力学性能及显微组织

对比两种合金球墨铸铁，可以发现二者的力学性能与显微组织相差不多，适当增加钼元素含量（相应降低铜含量）会提高一定的力学性能。

二、镍钼合金球墨铸铁

这种合金球墨铸铁在北美一些铸造工厂是经等温淬火之后用于机械工业中的曲轴、连杆、齿轮类产品。为了在等温淬火前铸件能迅速完全地奥氏体化，要求铸态没有碳化物。因此须控制Mn含量≤0.3％。为保证等温淬火过程中不产生一点共析体（珠光体或索氏体）而转变成贝氏体组织，用Mo和Ni适当地配合是必需的，但Mo含量不能多。因为可加入适量的铜，依靠Ni、Mo、Cu使奥氏体相变温度下移和共析转变迟缓（即S曲线右移），才能确保奥氏体在300～400℃发生等温转变，以获得预期的组织和性能。等温淬火的球墨铸铁的力学性能高于正火和铸态性能很多，国外对这种铸铁统称为ADI（austenpered ductile iron）。

化学成分：C 3.5％～3.8％，Ni 1％～1.5％，Si 2.4％～2.6％，Mn≤0.3％，Mo 0.2％～0.4％，Mg≥0.08％，S≤0.03％，P≤0.1％。等温淬火工艺：850～920℃保温2h，迅速淬入亚硝酸盐溶液中（320～400℃），保温2～3h，然后空气中冷却。室温拉伸强度980～1274MPa，延伸率1％～2％，布氏硬度300～400，冲击韧性值40～80J/cm²，断裂韧性值（K_IC）75～105MN/m^3/2，比普通铁素体球铁的断裂韧性值高一倍多，后者仅是35～54MN/m^3/2。

三、低钨合金球墨铸铁

国内外较少见有关的研究报告，笔者在提高铁素体基体球墨铸铁的中等温度（350～690℃）的强度，并防止和克服铁素体球铁在中温时容易发生脆性（蓝脆）的过程中，曾研究过钨的作用。由于钨元素与碳原子的化合能力次于钛和钼，而且钨在铁素体球铁基体内会有一定的溶解度（在20℃，无碳的纯铁体中能溶解33％）。此外，钨原子很重，对于阻碍其他元素的扩散起到有力的作用。

低钨合金球墨铸铁化学成分为：C 3.06％，W 0.61％～0.83％，Si 3.06％，Mn 0.91％，S 0.012％，P 0.10％，Mg 0.113％。测试其铸态及热处理后的力学性能及显微组织，如表3-3所示。

表3-3　低钨合金球墨铸铁力学性能及显微组织

含钨0.6％～0.8％的铁水很不易获得铸态100％的铁素体基体组织，而倾向于铸态形成细珠光体+铁素体的基体组织。经过高温退火热处理后，获得固溶0.6％～0.8％钨的铁素体基体球铁比普通铁素体球铁的强度提高100～150MPa。尤其是400MPa以上的屈服强度对于结构设计很有意义，屈服强度的提高与钨元素大原子的固溶强化有直接关系。