1. 前言
　　2009年，新版《球墨铸铁件》国家标准的附录中，列出了QT500-10这一牌号，并标明其Si≈3.7%。孙国雄教授的解读明确指出“这是一种用Si进行溶质强化铁素体基体的球铁，与QT500-7相比，主要特点为延伸率高，硬度波动范围小，加工性能好。”【1】
　　2010年，袁亚娟发表了一篇题为“瑞典Larker Richard研究提出‘第二代球墨铸铁’概念”的文章，较详细地介绍了Si固溶强化球铁的起因和特点，指出“第一代球铁是以组织强化(获得较高份额的珠光体量)来达到高强度要求的”，“（第一代）这种对冷速和成分都很敏感的球铁硬度很容易波动30~40个布氏硬度，相应的强度和延展性也会变化”；认为“高Si量使球铁变脆和增加大断面心部形成碎块状石墨的危险”是“错误的认识”，甚至认为“Si固溶强化不影响缺口冲击转变温度，不减少铁素体的冲击功”；但文章中缺少足够的事例予以证实【2】。
　　2013年，张伯明研究员撰文“概述高硅球墨铸铁的研究与应用”，全面而系统地介绍了德国铸造学会与奥地利铸造学会联手研究高硅球墨铸铁的成果。指出ISO标准在2004年补充了ISO 1083/JS/500-10牌号后，2012年3月DIN EN1563又增加了3个牌号，即EN-GJS450-18、EN-GJS500-14和EN-GJS600-10，而且都是在铸态下获得，其技术路线仍是提高Si量，强化铁素体。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，介绍了温度对这几种球铁性能的影响、合金元素（主要是几种珠光体稳定元素和碳化物形成元素）的影响以及这几种球铁的铸造性能（充型性能和缩孔倾向）和加工性能。【3】
　　2014年，中铸协组织了行业标准《固溶强化铁素体球墨铸铁件》的编写，并于2015年3月完成了送审稿。该标准提出了3个牌号，即QT450-18、QT500-14、QT600-10，其Si量高达3.2%~4.3%，铸态基体组织为单相铁素体，而抗拉强度达到450~600Mpa，延伸率高达18~10%。同时由于Si在凝固和共析转变时有促进石墨生长的作用，因此这类铸铁即使在薄壁处也能控制白口出现，铸件的壁厚敏感性小，加工性能良好。一时间Si固溶强化铁素体球铁引起了人们的瞩目。
　　但是，在球铁中，Si又是提高塑性-脆性转变温度的一种元素。Si量提高对一些可能承受低温冲击负荷的零件（如汽车底盘零件）会产生多大影响呢？笔者根据能收集到的一些资料，对Si固溶铁素体球铁应用于汽车零件做过一些推测和分析【4】、【5】，并希望有关部门对此能做一些系统研究，但一直未见国内有相关资料报道。
　　日本日之出水道机器公司的研发团队与九州大学联合，对高Si固溶铁素体球铁的抗拉强度、疲劳强度、冲击特性进行了系统实验，并将研究成果发表在《铸造工学》2014年第1期上?！?】笔者认为很有价值，特将此文作一介绍，并根据该文的一些结论对这类球铁的应用前景作一展望。
　　2. 日本对于硅固溶强化铁素体球墨铸铁抗拉强度、疲劳强度和冲击特性的研究(本节内容全部来自《铸造工学》第86卷2014年第1号，见参考文献[6])。
　　2.1试验目的和方案
　　目的：对抗拉强度在同一等级的Si固溶强化铁素体球铁（以下记作SSFDI）和普通球铁（以下记作FCD）的有关性能进行对比。
　　方案：采用调整化学成分的方法，获得抗拉强度分别为500Mpa和600Mpa两级共4组试样，即SSFDI500、FCD500、SSFDI600、FCD600，其中SSFDI的Si量分别是3.8%和4.4%，而FCD的铁素体与珠光体的比例分别为6:4和2:8。用300kg中频炉熔炼，球化处理并孕育处理后浇成30X50X250的试块，用作加工成各类符合标准要求的试样。
　　2.2试验结果
　　2.2.1化学成分：
　　见表1。SSFDI是通过调整Si量来分别达到500Mpa或600Mpa的强度，FCD则是通过调整Si、Mn、Cu量来达到所要求的强度级别。0

表1     4组试样的化学成分（mass%）

　　2.2.2金相组织：
　　见表2和图1。
　　表2      4组试样的石墨组织

　　2.2.3静态抗拉强度：
　　见表3和图2、图3、图4。图3和图4的数据，对SSFDI，有Si量从3.3%到4.65%范围内的共19组试样的测定值，对FCD则有抗拉强度从400Mpa到700Mpa的共90组试样测定值。

　　Rm：抗拉强度；Rp0.2：0.25屈服强度；
　　A：延伸率；Z：断面收缩率；
　　HBW10/3000：布氏硬度；HV0.2of α-Fe：铁素体的维氏硬度-
　　图2   4组试样的应力-应变曲线
　　图2～12的坐标、注解需译成中文
　　表3符号用中文注解

　　从以上图、表可以看出：
　　(a)、SSFDI有更高的屈服强度和更高的屈强比，屈强比可高达0.8左右，而FCD仅0.6左右，这是因为Si的固溶强化所致；
　　(b)、SSFDI有更高的延伸率和更大的断面收缩率，呈现出了更好的塑性。这是因为SSFDI基体几乎全是铁素体；
　　(c)、布氏硬度600级高于500级，，且SSFDI 和FCD差别不大，但维氏硬度SSFDI明显高于FCD，这是因为Si强化了铁素体的缘故；

　　(d)、静态下SSFDI有比FCD更优良的高强韧性。虽然由于Si固溶量的增加使铁素体的塑性略有下降，但Si量在3.8%~4.4%范围内依然有较高的塑性变形能。如果以屈服强度作为设计基准，则可以用较低牌号的SSFDI来代替高牌号的FCD，这样可降低成本。例如SSFDI500的0.2%屈服强度就同FCD700的相当（见图5）。因此SSFDI更适用于对强度和延伸率都有要求的零件，以及以变形而非断裂作为失效标准的零件，如主要承受静载荷的一些结构件。

　　图5   FCD和SSFDI的抗拉强度与0.2%屈服强度关系图
　　纵：抗拉强度Rm，Mpa；横：0.2%屈服强度Rp0.2，Mpa
　　2.2.4循环疲劳强度：
　　图6是SSFDI和FCD的循环旋转-弯曲疲劳试验的S-N曲线图。无论是500Mpa级还
　　是600Mpa级，都是SSFDI的疲劳强度比FCD的要高10%左右。

　　纵：应力振幅σMpa；横：循环到失效时的次数Nf
　　观察了在应力为308Mpa、疲劳寿命在105~106次时SSFDI500和FCD500的疲劳裂纹情况，发现FCD500在25000周时就出现初始亀裂，随着循环次数的增加，在若于个石墨周围都发生了亀裂，这些亀裂相互连接使亀裂发展直至断裂。而SSFDI500是在50000周时才出现初始亀裂，而且是一个亀裂慢慢长大直至断裂(图7)。对裂纹断面进行SEM映像分析，发现FCD500的疲劳亀裂源是一个大小约80?m的粗大石墨，而SSFDI500的亀裂源则是一处大小约160?m的显微缩松(图8)。对其他应力水平下疲劳破坏的试样断面分析，也可看出作为亀裂起点，对FCD500是70~130?m的粗大石墨或显微缩松，而SSFDI500是50~160?m大小的显微缩松。

　　图7亀裂扩散过程 (r=308Mpa)                          图8亀裂源裂纹表面的SEM图象

　　图9是亀裂长度、亀裂传播速度同循环次数的关系?？梢钥闯鯯SFDI比FCD初始亀裂出现时循环次数要稍多一些，亀裂传播速度要小一些。但当亀裂长度达到1mm时，传播速度就都很快。亀裂周围铁素体固溶强化，被认为是SSFDI亀裂产生晚、传播速度慢的主要原因。

　　图9疲劳裂纹长度a、、裂纹生长比率da/dn和循环次数Nc之间的关系图
　　左上纵：疲劳裂纹长度a，?m；右下纵：裂纹生长比率da/dN，?m/次；横：循环次数Nc

　　2.2.4冲击特性
　　图10是SSFDI500和FCD500的V型缺口冲击吸收功-温度曲线和脆性断口面积比-温度曲线。为了比较，还增加了以前试验的3组数据，一组FCD700数据，其化学成份为3.8%C-2.2%Si-0.4%Mn-0.02%P-0.01%S-0.46%Cu-0.04%Mg，另两组化学成份分别为：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、图12则分别是SSFDI500和FCD500的U型缺口冲击吸收功-温度曲线和无缺口冲击功-温度曲线。

图10  V型缺口冲击功EV-温度T曲线和脆性断口面积比B-温度曲线

图10上纵：夏比冲击功Ev，J/cm^2；下纵：脆性断面比B，%；横：温度T，℃

图11、图12：纵：夏比冲击功Eu，J/cm^2；横：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-图12可以看出：
　?。╝）、SSFDI500塑-脆性转变温度全在常温范围内，比FCD500的要高。在脆性断面面积率为50%时(认为是塑-脆性转变温度)SSFDI500的温度是69℃(其V型缺口冲击吸收功约14J)，而FCD500是-11℃(V型缺口冲击吸收功约11J)；
　　(b)、在塑性区，SSFDI有更大的冲击吸收功，冲击吸收功随温度提高而增大，而FCD500随着试验温度的升高，冲击吸收功会下降，与一直上升的SSFDI500曲线有一个交点，交点处温度记为Tint。V型缺口、U型缺口、无缺口冲击功的交点温度Tint分别为67℃、60℃和11℃，这一方面说明SSFDI在较高温度下有更高的冲击吸收功(能承受更大的冲击载荷)，另方面说明缺口型式对转变温度影响很大；
　　(c)、珠光体基体球铁QT700在40℃以下与SSFDI500的冲击吸收功相当，当大于40℃时则SSFDI500要高得多；
　　(d)、同为高硅铁素体基体球铁，P量对冲击功影响极大。
　　实际上零件是韧断还是脆断，取决于温度、加载速度、零件的几何形状以及材料本身的化学成份、金相组织和内在质量等多重因素，塑-脆性转变温度并不是材料本身的一个固定不变的值。并不是对所有材料都要进行冲击试验，对材料进行冲击试验，其意义在于：
　　（1）、对于在服役中承受强冲击载荷的零件，用以评价材料吸收大的冲击能而不发生断裂的能力；
　?。?）、由于低温对材料产生脆断十分敏感，因此对于在低温环境承受动载荷的材料进行与工作温度相当的冲击韧性试验，以评定所选用材料是否有足够的低温冲击抗力，如轨道交通的部分零件；
　?。?）、材料的内在质量对冲击韧性的变化比较敏感，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，因此对某些重要球铁件进行冲击韧性检验，目的在于作为一种材质的质量控制手段，并不是零件对大能量冲击抗力有直接的要求，如风电铸件?！?】
　　3.Si固溶铁素体基体球铁件应用展望
　　对以上试验结果加以分析，可以把Si固溶铁素体球铁的材质特点和应用范围作如下归纳：
　　(1)、有良好的强韧性和很高的屈强比，其抗拉强度可达600Mpa或再高一点，但屈服强度可以达到普通球铁700~800Mpa牌号的水平，在某些领域可代替QT700以降低成本。又由于具有铁素体基体，材料有很好的延伸率；
　　(2)、由于铁素体得到了固溶强化，因此材质本身断面敏感性小，铸件硬度差小，Si的石墨化作用又使得即使在铸件薄壁处也不会出现白口，大大改善了切削加工性能；
　　(3)、同样是因为铁素体得到了固溶强化，使其有更高的疲劳强度；
　　(4)、生产抗拉强度达600Mpa的球铁件不需要加任何合金，较之普通球铁(一般需加Cu)有更低的生产成本；
　　(5)、由于生产过程中进行了充分的孕育，因此即使生产炉料中带入了一定量的Mn、Cr、V等促进碳化物的元素，也能生产出基本上是全铁素体的球铁，为大量使用工业废钢创造了条件，进一步降低了生产成本；
　　(6)、不太可能通过进一步增Si的方法获得可与珠光体基体球铁嫓美的更高的强度(包括抗拉强度和屈服强度)。从现有实践经验看，Si的上限应在4.5%~4.6%左右，再高了，不仅延伸率下降，强度也会下降。Larker Richard称“当Si量达到4.44%时，屈服强度为557Mpa，抗拉强度为677Mpa，可替代QT600-3，再稍微高一点Si量有可能代替全珠光体球铁QT700-2。”【2】他的后一句推测可能难以实现，也就是说，Si固溶铁素体球铁不可能完全替代珠光体球铁；
　　(7)、Si对塑-脆性转变温度影响很大，进而影响到球铁件在低温下的冲击性能。Larker Richard称“Si固溶强化不影响缺口冲击转变温度，不减少铁素体的冲击功”【2】也令人费解。事实上Si对转变温度的影响随处可见，如本文第2部分所述，SSFDI的转变温度都在常温以上，而FCD500是-11℃。又如文献【8】介绍，生产QT400-18AL牌号球铁，只要满足(-50℃)时冲击功≥12J，可用Si固溶强化Si量可控制为2.2%~2.4%；而若要满足(-60℃)时冲击功≥12J，则Si量只能控制在1.8%~2.0%，另加0.5~0.7%的Ni进行固溶强化。由此可见，Si固溶铁素体球铁用于负温工况下要特别谨慎。
　　总之，Si固溶铁素体基体球铁挖掘了球铁的潜力，使球铁具有更高的强韧性、更好的加工性能和更低的生产成本，拓宽了球铁的应用范围。但仅从目前的认识和实践，称之为“第二代球铁”似乎有些夸张，在推应固溶铁素体球铁的应用上，还有很长的路要走。希望业内有更多的人关注固溶铁素体球铁的推广实践活动。
　　2015.5
　　参考文献
　　1、 孙国雄：“新版《球墨铸铁件》等四项国家标准解读”，《首届中国铸造标准论坛文集》，2009.4
　　2、 袁亚娟：“瑞典Larker Richard研究提出‘第二代球墨铸铁’的概念”，《现代铸铁》2010№6，91-92
　　3、 张伯明：“概述高硅球墨铸铁的研究与应用”，《第六届中国铸造质量标准论坛文集》，2013.5，1-8
　　4、 万仁芳：“浅谈近年来铸铁件的发展”，《现代铸铁》2014 №3，15-24
　　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》2014，5月会刊
　　6、 梅谷柘郎、大城佳作等：“高Siフェライト基地黑鉛铸铁の引張強さ，疲労強度，冲击強さ”，《鋳造工学》，第86卷 (2014) 第1号，36-42
　　7、 陈勉已等编著：“汽车金属材料应用手册”，北京理工大学出版社，北京，2002年，98
　　8、 丁建中等：“低温铁素体球墨铸铁的特性及质量稳定性研究”，《铸造》2015.№3，193-201