球墨铸铁具有优良的铸造性、加工性、耐磨性、减震性、淬透性和导热性等优点,广泛应用于工业领域。近几十年,球墨铸铁的用量逐年增加,已经成为工业领域不可或缺的材料。随着球墨铸铁在工业装备上的应用日益广泛,对其性能也提出了更高的要求。卡瓦是页岩气勘探和开发所使用的机械装备中的一个重要零件,其芯部要求具有较高的强韧性,在受力膨胀时不会破裂;其齿部要求具有很高的硬度,工作时可以顺利地咬入套管;并且对其整体要求有良好的加工性能,经铣削后为碎屑,方便排出。球墨铸铁是制备卡瓦的备选材料,但是传统的球墨铸铁无法满足卡瓦的使用要求。低速轨道车辆的碳钢车轮与轨道之间摩擦严重,车轮在运行过程中产生大量的摩擦热,易与闸瓦发生抱死现象。这促使研究人员寻找新的材料来改善轨道车轮的耐磨性和导热性,具有优良导热性能和力学性能的球墨铸铁被寄予厚望。本文针对上述重大需求,选用综合性能良好的QT450-10球墨铸铁作为试验母材。首先,采用不同的热处理工艺对球墨铸铁的基体进行强化,以提高其性能,满足不同的使用要求。然后,分别采用在铁液中通入氮气和氨气的方法强化球墨铸铁,为制备高氮球墨铸铁进行了初步的探索。对以上强化方法进行对比后,采用热处理工艺对大断面球墨铸铁轨道车轮进行强化研究。主要研究成果如下:（1）对QT450-10球墨铸铁进行不同温度奥氏体化并分别在水和15%～17%UCONA水溶液二种淬火介质中进行淬火处理,对淬火后的球墨铸铁试样进行不同温度的回火处理。结果表明,淬火强化后球墨铸铁试样基体中的马氏体含量随淬火温度的升高而增加,在UCONA水溶液淬火后球墨铸铁基体中马氏体的含量高于水淬后基体中马氏体的含量。其中,经880℃奥氏体化后在UCONA水溶液中淬火后,基体中出现细小针状马氏体,此时基体中马氏体含量达到94.0%,最高硬度值579.0 HBW。不同温度回火处理后,索氏体含量随回火温度的升高而增加,相同回火温度下UCONA水溶液淬火后球墨铸铁基体中索氏体含量大于水淬后球墨铸铁。经880℃奥氏体化在UCONA水溶液淬火和570 ℃回火后,球墨铸铁的基体中出现粒状的回火索氏体。其综合力学性能最佳,抗拉强度为974.0 MPa,屈服强度为681.8 MPa,伸长率为7.5%。（2）采用砂型铸造法制备QT450-10球墨铸铁卡瓦,然后对其进行920℃正火和80 kHz表面高频淬火处理。强化后的卡瓦芯部基体为珠光体,抗拉强度达到900.0 MPa,伸长率为8.0-10.0%;卡瓦齿部组织以马氏体为主,并出现块状的渗碳体,硬度达到56.0-60.0 HRC。（3）在球墨铸铁的熔炼过程向铁液中分别通入氮气和氨气二种方法进行氮元素强化,然后进行孕育球化处理制备成高氮球墨铸铁,其氮含量最高值达到0.0100%。铁液中氮深度的增加具有固溶强化的作用,并且促进了球墨铸铁基体中珠光体的形成。氮元素合金化后球墨铸铁的抗拉强度和伸长率分别达到532.5 MPa和9.5%,相比于未经氮合金化处理的球墨铸铁分别提高了 18.2%和22.1%。随着通气时间的增加,球墨铸铁的石墨形态变异,基体中的铁素体减少,渗碳体增多,脆性增大。（4）采用不同温度和淬火介质对大断面球墨铸铁件（球墨铸铁轨道车轮）进行淬火+回火处理,研究了强化后的球墨铸铁车轮组织和力学性能。经880℃奥氏体化在UCONA水溶液中淬火和570℃回火后,大断面球墨铸铁件的基体中索氏体中达到97.0%,各部位组织和性能均匀。抗拉强度达到971.5 MPa,屈服强度为798.0 MPa,伸长率为6.8%,断面硬度为271.7 HBW,表面硬度为292.0 HBW,部分力学性能接近碳钢车轮。在不同载荷（50、60和70 N）和不同滑动速度（500、750和1000 r/min）二种条件下对强化后的球墨铸铁车轮进行摩擦磨损试验,并与碳钢车轮进行对比研究。随着磨损试验载荷的增加,强化后球墨铸铁轨道交通车轮材料的磨损机制由粘着转变为磨粒磨损。在不同的滑动摩擦速度下球墨铸铁车轮的主要磨损机理为粘着磨损。由于球墨铸铁具有优良的导热性能,使其在摩擦过程中能够及时将摩擦热散掉,保证球墨铸铁车轮踏面材料不会出现过度软化而大量剥落,在相同试验条件下磨损率仅为碳钢车轮材料磨损率的28.7%-52.1%。因此,球墨铸铁车轮具有比碳钢车轮更长的磨损寿命。