第二節 低合金高強度球墨鑄鐵
物質的通性是強度與硬度是協同的關系，硬度與韌塑性是相悖的關系。球墨鑄鐵也不例外，普通球墨鑄鐵的基體由珠光體、鐵素體構成，其強度、硬度、韌塑性都在一定的范圍之內。欲突出升高其強度又不過多地損低其韌塑性，只有兩個途徑：一是在原有元素之外，附加其他適量的“特殊合金元素”；二是采取不尋常的熱處理工藝。兩種途徑都是改變原來的珠光體、鐵素體為強度、硬度較高，韌塑性適當的顯微基體組織，這類金屬基體非上貝氏體、下貝氏體莫屬，當然也不能不允許少量其他次要的組織共存（如屈氏體、馬氏體、索氏體）。為達此目的，對于Mo、W、Cu、Ni等元素應取其一或其二適宜的加入量，其中Mo是延緩奧氏體相變（即右移S曲線）最有力的元素，可單獨使用Mo，或Mo-Cu組合或Ni-Mo組合，都可在鑄態尤其是在熱處理之后便得到最理想的貝氏體為主的金屬基體，而達到高強度兼中等韌性要求。
一、銅鉬合金球墨鑄鐵
如前所述，二者可通過適當的工藝形成貝氏體為主的金屬基體，其中銅鉬合金球墨鑄鐵化學成分為：C 3.4％，Si 2.7％，Mn 0.64％，Cu 1.1％，Mo 0.8％，Mg 0.116％，S 0.016％，P 0.056％。鉬合金球墨鑄鐵的化學成分為：C 3.4％，Si 2.46％，Mn 0.79％，Mo 1.19％，Mg 0.116％，S 0.016％，P 0.056％。分別測試二者的鑄態和熱處理后的力學性能（室溫），結果如表3-2所示。
表3-2 鉬及銅鉬合金球墨鑄鐵力學性能及顯微組織
對比兩種合金球墨鑄鐵，可以發現二者的力學性能與顯微組織相差不多，適當增加鉬元素含量（相應降低銅含量）會提高一定的力學性能。
二、鎳鉬合金球墨鑄鐵
這種合金球墨鑄鐵在北美一些鑄造工廠是經等溫淬火之后用于機械工業中的曲軸、連桿、齒輪類產品。為了在等溫淬火前鑄件能迅速完全地奧氏體化，要求鑄態沒有碳化物。因此須控制Mn含量≤0.3％。為保證等溫淬火過程中不產生一點共析體（珠光體或索氏體）而轉變成貝氏體組織，用Mo和Ni適當地配合是必需的，但Mo含量不能多。因為可加入適量的銅，依靠Ni、Mo、Cu使奧氏體相變溫度下移和共析轉變遲緩（即S曲線右移），才能確保奧氏體在300～400℃發生等溫轉變，以獲得預期的組織和性能。等溫淬火的球墨鑄鐵的力學性能高于正火和鑄態性能很多，國外對這種鑄鐵統稱為ADI（austenpered ductile iron）。
化學成分：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％。等溫淬火工藝：850～920℃保溫2h，迅速淬入亞硝酸鹽溶液中（320～400℃），保溫2～3h，然后空氣中冷卻。室溫拉伸強度980～1274MPa，延伸率1％～2％，布氏硬度300～400，沖擊韌性值40～80J/cm2，斷裂韌性值（KIC）75～105MN/m3/2，比普通鐵素體球鐵的斷裂韌性值高一倍多，后者僅是35～54MN/m3/2。
三、低鎢合金球墨鑄鐵
國內外較少見有關的研究報告，筆者在提高鐵素體基體球墨鑄鐵的中等溫度（350～690℃）的強度，并防止和克服鐵素體球鐵在中溫時容易發生脆性（藍脆）的過程中，曾研究過鎢的作用。由于鎢元素與碳原子的化合能力次于鈦和鉬，而且鎢在鐵素體球鐵基體內會有一定的溶解度（在20℃，無碳的純鐵體中能溶解33％）。此外，鎢原子很重，對于阻礙其他元素的擴散起到有力的作用。
低鎢合金球墨鑄鐵化學成分為：C 3.06％，W 0.61％～0.83％，Si 3.06％，Mn 0.91％，S 0.012％，P 0.10％，Mg 0.113％。測試其鑄態及熱處理后的力學性能及顯微組織，如表3-3所示。
表3-3 低鎢合金球墨鑄鐵力學性能及顯微組織
含鎢0.6％～0.8％的鐵水很不易獲得鑄態100％的鐵素體基體組織，而傾向于鑄態形成細珠光體+鐵素體的基體組織。經過高溫退火熱處理后，獲得固溶0.6％～0.8％鎢的鐵素體基體球鐵比普通鐵素體球鐵的強度提高100～150MPa。尤其是400MPa以上的屈服強度對于結構設計很有意義，屈服強度的提高與鎢元素大原子的固溶強化有直接關系。