铜对汽车差速器壳体QT500-7力学性能的影响

王令，李志华

格特拉克（江西）传动系统有限公司 江西南昌 330013

1 序言

差速器壳体是汽车差速器的重要组成部分，主要起到连接差速器各零件的作用，如行星齿轮、半轴齿轮、从动锥齿轮、调整垫片、轴承及行星齿轮轴等，因此对连接各零件的差速器壳体的力学性能有很高的要求。球墨铸铁因具有较高的强度、硬度，同时具有良好的韧性，在机械制造行业中的得到广泛应用[1-3]。某汽车选择球墨铸铁QT500-7作为差速器壳体材料，但在生产中发现球墨铸铁QT500-7的力学性能不合格，不能满足使用要求。通过现场观察和分析，主要从材料的化学成分加以改进，通过添加铜以改善材料的显微组织和力学性能，满足使用要求。

2 试验方法

球墨铸铁在采用镁做球化剂的情况下，铜的加入量应控制在0.4%（质量分数，下同）以下；若铜的加入量在0.5%～0.8%，球墨铸铁的硬度能得到显著的提高，但同时铜与镁会形成Cu-Mg合金，削弱镁的有效球化作用，降低球墨铸铁的加工性能[4]。在使用稀土镁作为球化剂的情况下，铜的加入不受限制，但不应超过1.5%，否则铜会凝聚偏析在球状石墨周围。生产稀土镁球墨铸铁时，2.0%以下的铜，对球化率、球化数目、球径大小没有显著变化；铜对球墨铸铁基体组织有强珠光体化的作用，大约是镍的10倍，加入1.5%的铜，可使珠光体的含量达到100%[5]。

铜的熔点为1083℃，沸点2566℃，在铁液中是非常稳定的，因此必须在球化处理前加入铜，否则易产生厚片状石墨，或周边球化，中心部位为厚片状石墨组织，且易出现心部蜂窝状疏松。

试验采用同一批原材料生铁，经脱硫工序后，应用中频感应电炉熔化，在此试验过程中将力学性能不合格的QT500-7球墨铸铁作为1#试样，2#试样作为对比试验，加入0.4%的铜，然后进行球化和孕育处理，浇注成标准试块后，进行材料相关性能检测。

3 结果与讨论

3.1 化学成分分析

应用SPECTRD LAB LAVM10光谱仪对两个标准试块进行化学成分分析，检测结果见表1。从表1可看出，1#和2#试块除铜元素外，其他元素含量基本一致，且2#试块的铜含量为0.41%，与试样前的加入量0.4%相近。

表1 QT500-7的化学成分（质量分数） （%）

3.2 力学性能分析

应用拉伸试验机对1#和2#标准试块（每种试块取两个标样）进行拉伸试验，其检测结果见表2。从表2可看出，加Cu后的标准试样抗拉强度、屈服强度以及硬度都有很大的提高，伸长率略有下降，参照GB/T 1348—2009《球墨铸铁件》，未加Cu的1#试块不符合技术要求，添加0.4%Cu的2#试块符合QT500-7的技术要求。这是因为在共析转变过程中，铜的加入使固溶在奥氏体中的碳以共析渗碳体析出，从而促进珠光体的形成，抑制游离碳化物的生成，细化组织，降低断口组织的敏感性，提高QT500-7材料的力学性能。

表2 QT500-7的力学性能

3.3 金相分析

将抛光后的试样采用4%的硝酸酒精浸蚀后，按GB/T 9441—2009《球墨铸铁金相检验》检测1#和2#试块的珠光体数量，如图1所示。由图1可知，1#材料为没有添加铜元素的QT500-7，珠光体含量在15%左右，铁素体含量约为88%，且珠光体分布不均匀；2#材料为添加0.41%铜元素的QT500-7的金相组织，珠光体含量在55%左右，铁素体含量约为45%，且珠光体分布较均匀。这是因为铜能降低球墨铸铁的共析转变温度，每增加1%的铜，可降低共析温度6～10℃，共析温度的降低扩大了珠光体形成区间，促进珠光体形成和细化（当珠光体的片层间距从0.4μm降至0.35μm时，强度提高25～35 MPa），还固溶强化了珠光体中的铁素体，同时减少或抑制铁素体的形成。铜的加入使QT500-7材料的整体硬度和强度提高，力学性能提升。

图1 金相组织

4 结束语

在QT500-7中加入0.41%的铜，可促进珠光体形成和细化，组织分布更均匀，并且提高了材料的力学性能。