QT600-10 硅固溶强化球墨铸铁，于2009 年由Indexator 公司首次提出，并在2012 年列入欧洲标准，主要用于差速器、动力机械曲轴、凸轮轴、连接轴、连杆、齿轮、离合器片、液压缸体等核心零部件[1-3]。这种以铁素体为基体和Si 固溶的设计理念大幅提升了球墨铸铁的屈服强度和伸长率，并使得该材料能够以铸态直接服役[4]。同时由于较少受到碳化物与珠光体形成元素的影响，生产时可以放宽元素含量的范围，使得生产成本得到显著降低，GB/T 1348—2019《球墨铸铁件》已经将QT600-10 牌号合金列入其中[5]。另外，Si 对铁素体的固溶强化效果要高于其他固溶元素，屈服强度可提高20%以上，屈强比可从0.6 升至0.8[4]。再加上QT600-10 以单相铁素体为基体，基体硬度较低，且更少受到冷却速度的影响，所以铸件本体硬度更为均匀，硬度差从50～90 HBW降低到现在的30 HBW 水平，从而在加工时可以提高20%切削性能，减少50%刀具磨损，大大降低机加工环节的费用[6]。
随着产品轻量化的快速发展，铸件减重是关键，在维持同等结构承载能力要求下，提升QT600-10的屈强比将有助于铸件壁厚减薄，实现铸件减重。研究表明Cu 的添加有助于改善QT600-10 的屈强比[5]，这是因为在球墨铸铁的共晶转变过程中，Cu可以促进石墨化，减少或消除游离渗碳体的生成；在共析转变时，Cu 可以促进珠光体的形成，抑制铁素体的形成；Cu 对基体起固溶强化、沉淀硬化作用；Cu 还是适中的石墨化元素，可以有效减少共晶碳化物的生成[7-11]。因此，在球墨铸铁中，Cu 通常被视作有益的添加元素。尽管Cu 的单价比Fe 等元素贵，但从废铁中回收Cu 的技术已趋向高纯化、低成本，获得了越来越多的应用[12]，故冶炼球墨铸铁过程中Cu 的添加采用废铁中回收的Cu，而无需使用纯铜，并不带来额外的成本增加。
Cu 在铸铁中的最大溶解度为3.5%(质量分数)，但在某些元素影响下，Cu 的固溶度会大幅降低，如当Mg 含量约为0.04%时，Cu 的最大固溶度不超过1%，超过此浓度的Cu 将以Mg2Cu 析出相的形式存在，降低铸铁的强度并损害加工性能[13]。另外，当Pb、Ti、Al 等反球化元素存在时，Cu 会促进片状石墨的生成[14-15]。再加上工厂生产条件下诸多干扰因素的存在，例如杂质元素的控制水平、铸造过程中的对流均匀程度等，因此，根据长期工厂经验，铸态QT600-10 中Cu 含量不能超过0.2%(质量分数)。但是这一经验参数极大地影响了Cu 对铸态QT600-10 屈强比的调控作用。
本文针对Cu 含量经验参数的合理性进行研究，利用中频感应熔炼炉在稳定工厂生产条件下制备了具有不同Cu 含量的铸态QT600-10 球墨铸铁，并对其组织形貌、元素分布、硬度及拉伸性能等进行分析。研究结果有助于铸态QT600-10 球墨铸铁成分优化并为铸造过程质量控制提供实验依据。
1 实验材料与方法
在中频感应电炉中，按照20%(质量分数，下同)高纯生铁、20%低锰废钢和60%的QT400 回炉料配料熔炼，通过冲入法球化孕育，出铁温度控制在1 480℃，1%的球化剂和0.7%的一次孕育剂，浇注时添加0.1%硅钡随流孕育；浇注温度控制在1 390～1 360 ℃。表1 为设计的含有不同Cu 含量的终铁液化学成分。对铁液调质后浇注，通过QSN750-II 光谱仪分析得到实际合金化学成分，方案1～3 中Cu含量分别为0.016%，0.233%和0.456%，如表2 所示。
表1 不同Cu含量QT600-10的设计化学成分
Tab.1 The designed chemical compositions of QT600-10 with different Cu contents(mass fraction/%)
表2 不同Cu 含量QT600-10 的实测化学成分
Tab.2 The actual chemical compositions of QT600-10 with different Cu contents(mass fraction/%)
铸件下线后，取铸件本体冒口位置，根据GB/T1348-2019《球墨铸铁件》标准，使用Smartzoom5 光学显微镜观察铸件冒口位置的金相组织；使用TESCAN-Mira3 扫描电子显微镜(SEM)对铸件进行更高倍数的显微组织表征，并利用其配备的X 射线能谱仪(EDS)对铁素体基体和石墨球中各元素的分布情况进行研究。采用Wilson BH3000 布氏硬度计检测铸件冒口位置的硬度；Y 形单铸试块车削后，使用30T 万能拉伸试验机测试其力学性能。
2 实验结果与讨论
2.1 材料组织
铸态QT600-10 金相组织如图1 所示。通过ZEN 软件对腐蚀前3 张金相图片(图1a,c,e)分析，3 种方案的石墨大小均为6 级；石墨球化等级均为2级，V 与VI 形石墨之和均大于80%(体积分数)，金相组织满足产品设计要求；通过金相显微镜100 倍视野下可以观察到Cu 含量增加未对石墨形态、尺寸及数量造成影响。
图1 铸态QT600-10 的金相组织：(a)方案1-腐蚀前，(b)方案1-腐蚀后，(c)方案2-腐蚀前，(d)方案2-腐蚀后，(e)方案3-腐蚀前，(f)方案3-腐蚀后
Fig.1 Microstructures of as-cast QT600-10:(a)sample 1-before corrosion,(b)sample 1-after corrosion,(c)sample 2-before corrosion,(d)sample 2-after corrosion,(e)sample 3-before corrosion,(f)sample 3-after corrosion
在硝酸酒精腐蚀后，通过光学显微镜观察，3 种方案下基体仍为铁素体(图1b,d,f)，这主要是因为高含量的Si、较低含量的P、Mn、Cu、Sn、Cr 是形成铁素体的关键。但是随着Cu 含量增加，珠光体的含量有所增加。根据实际化学成分测算珠光体指数PX，其中PX 的数值用式(1)表示：
根据式(1)可得PX 分别为-5.87%，-4.01%，-2.19%。因此，3 种方案下珠光体含量都很低，对力学性能负面影响有限。
铸态QT600-10 更高倍数的电子显微镜(SEM)显微组织和元素分布情况如图2 所示。由图2a～c 可知，QT600-10 铸件中石墨球的球化度较好，在基体中的分布较为弥散、均匀，且Cu 含量增加未对石墨形态、尺寸及数量造成明显影响，同时Cu 含量增加并未导致铸件中出现有害相。由图2d～f 可以观察到，石墨球内部的同心圆年轮状结构[16-17]趋势明显，而少见片状[15]，表明石墨的球状生长情况较好，相比偏向片状或不规则状的球化不良的石墨球，这种完整的石墨球可以更好地作为裂纹抑制(crack arrester)相，从而增强球墨铸铁整体的韧性等力学性能[23]。石墨球内部同心圆年轮状结构的放大图如图3 所示，其对应图2e 中用白色虚线方框标出的石墨球。
图2 QT600-10 高倍显微组织和元素分布：(a～c)方案1、2、3 的显微组织，(d～f)方案1、2、3 的EDS 线扫描结果及点扫描示意位置，(g～i)方案1、2、3 下EDS 面扫描结果
Fig.2 Microstructures and elemental distributions of QT600-10 under high magnification:(a～c)microstructures of samples 1,2,3,(d～f)EDS line scanning results and the illustrating positions of the EDS point scanning of samples 1,2,3,(g～i)EDS mapping results of samples 1,2,3
图3 铸态QT600-10 中石墨球内部同心圆年轮状形貌
Fig.3 Annual-ring-like concentric circle morphology inside the graphite balls of as-cast QT600-10
由图2d～f 中的EDS 线扫描结果可知，铁素体基体富Fe 贫C，石墨球富C 贫Fe，有一定量的Si固溶于铁素体基体区域，形成固溶强化，其他各种杂质元素则以更少的比重固溶于铁素体；而在石墨球区域，这些元素的浓度都接近于0。另外，对图2d～f 中黄色数字处进行了EDS 点扫描，其结果如表3 所示。图2g～i 的EDS 面扫描范围为图2d～f 所示的区域，可以发现Cu 元素也富集于铁素体区域，而在石墨球中的分布更少，这说明Cu 也对铁素体基体带来了固溶强化作用。
表3 QT600-10的EDS点扫描结果
Tab.3 EDS point scanning results of QT600-10(mass fraction/%)
由表3 中的EDS 点扫描结果可以看出，对于所有方案，Mg、Sn 等杂质元素的含量均远小于0.08%，同时，对比方案1～3 可知，随着Cu 含量增加，铁素体基体中其他固溶元素的含量基本不变，而固溶的Cu 含量从约0.2%上升至约0.8%，表明Cu 含量的增加未引发新相出现，几乎全部固溶进了铁素体，这说明了Cu 的固溶度和固溶强化效应被最大化利用。
2.2 力学性能
QT600-10 球墨铸铁的强度、屈强比、伸长率和硬度随Cu 含量的变化趋势如图4 所示，具体数据如表4 所示，其中图4 中所有点采用的数值均为表4 中相应物理量的平均数值，表4 中“1#”～“9#”表示样品编号，且同一方案下的3 个样品为全同的重复样。在合理的误差范围内，可认为Cu 含量增加未导致屈服强度、抗拉强度明显变化，这是因为其变化率在0.5%以内，而不同重复样之间强度数值的波动具有偶然因素，但是屈强比由0.815 提高至0.825，变化率在1%以上，故可认为Cu 含量的增加使屈强比得到了提高。同时发现，虽然随着Cu 含量增加，伸长率有所下降，但是当Cu 含量为0.456%时，其伸长率依然达到16.29%，保持在了较高水平。另外，随着Cu 含量的增加，QT600-10 的硬度得到了显著提高。由于Cu 在铁素体中以置换式固溶原子的形式存在，其原子半径、剪切模量等均与Fe 不同，所以在Fe 的晶格中会出现额外的弹性应力场，阻碍位错运动，提高了位错开始大量塑性滑移所需的Peierls-Nabarro力，从而提升硬度[18]。诸多研究[19-21]均发现，包括球墨铸铁在内的合金材料中，在固溶强化机制下，硬度H 往往与固溶元素的浓度C 成线性关系，可用式(2)描述：
图4 QT600-10 力学性能随不同方案(铜含量)的变化趋势：(a)屈服强度、抗拉强度，(b)屈强比，(c)伸长率，(d)布氏硬度
Fig.4 The correlation between Cu content and the mechanical properties of QT600-10:(a)yield strength and tensile strength,(b)yield ratio,(c)elongation,(d)Brinell hardness
表4 QT600-10 拉伸力学性能
Tab.4 Tensile properties of QT600-10
式中，H0 为无固溶时的硬度；k 为线性关系的斜率，表征该种固溶元素对合金硬度增加的能力。本研究中铸态QT600-10 球墨铸铁的硬度随Cu 含量增加的趋势显然与这种线性关系吻合。
固溶的Cu 含量增加对屈强比的提升可以作如下解释，固溶强化对屈服强度的提升比对抗拉强度的提升更为明显，因为固溶强化是合金整体的均匀强化机制，主要依靠位错与晶格之间的作用，位错之间相互作用带来的加工硬化较少，故对抗拉强度影响并不明显[22]。在抗拉强度提升幅度更小的情况下，屈服强度提升幅度更多便可以显著增加屈强比，有利于铸件的减重。图4a 可以看出屈服强度的提升幅度比抗拉强度的提升幅度更大。综上，质量分数为0.456%的Cu 初始添加量尚未到引发有害相变的浓度，且有助于提升QT600-10 的综合力学性能，尤其有利于屈强比的提升，实现铸件轻量化发展。
3 结论
(1)Cu 含量不应超过0.2%的经验参数并不合理，当Cu 含量上限拓宽至0.456%时，Cu 含量的增加未对石墨形态、尺寸及数量造成明显影响，也未导致铸件中出现有害相，而是几乎全部固溶进了铁素体中。
(2)在Cu 含量上限拓宽至0.456%时，Cu 含量的增加可以提升铸态QT600-10 的屈服强度、屈强比和硬度，并保持较高的伸长率，Cu 的固溶强化作用是关键。故可以将Cu 含量上限拓宽至0.456%，更好地发挥Cu 的固溶强化能力。
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