雷淦淇

摘 要：隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和人們的消費(fèi)水平提高，用戶對(duì)汽車的使用壽命要求越來(lái)越苛刻，因此對(duì)汽車金屬零件材料的選擇要求也越來(lái)越高，因此汽車金屬零件的深入了解和研究顯的至關(guān)重要。汽車金屬零件構(gòu)成汽車的主要組成部分，關(guān)系到汽車使用性能、維修保養(yǎng)周期以及使用壽命。金屬零件的正確選擇不但影響整車品質(zhì)，還與整車成本、汽車自身重量等都有密不可分的關(guān)系，本文著重從汽車零件的選用原則和經(jīng)驗(yàn)，成型及制造難易程度、生產(chǎn)工藝特性，并結(jié)合汽車各個(gè)系統(tǒng)部位對(duì)金屬零件化學(xué)性能物理性能要求不同的特點(diǎn)，由淺入深對(duì)汽車金屬選用方法及相關(guān)熱處理工藝進(jìn)行探討，旨在為汽車金屬零件開(kāi)發(fā)提供理論指導(dǎo)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽車;零件;金屬材料;熱處理;趨勢(shì)

1 引言

在構(gòu)成汽車的三萬(wàn)多個(gè)零件中，其中金屬零件占絕大多數(shù)，大至車身鈑金、車架、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、車橋、鋼圈，小至金屬安裝支架、螺栓螺母等，無(wú)不在汽車各個(gè)系統(tǒng)中扮演非常重要的角色;選擇過(guò)程中不但要考慮零件使用工況，更要結(jié)合金屬零件材料自身強(qiáng)度、剛度性能，結(jié)合與實(shí)車匹配性要求;更要從低成本、輕量化等方面因素綜合考慮，在進(jìn)行比較深入的失效分析和相應(yīng)的仿真分析后，最終確定金屬材料的選型及加工工藝。

2 汽車零件中金屬材料的選擇要求及原則

2.1 汽車零件中金屬材料的選擇要求

汽車金屬零件合理的選材首要件是要滿足零部件服役時(shí)所需使用性能的材料。因此必須要了解產(chǎn)品的工作條件對(duì)材料性能的要求。工作條件等的不同，對(duì)其零部件性能自然有著不同的要求，具體表現(xiàn)在受載大小、形式及性質(zhì)的不同，受力狀態(tài)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)、摩擦條件等的不同。例如：

耐腐蝕金屬材料：對(duì)于長(zhǎng)期接觸腐蝕介質(zhì)的材料來(lái)說(shuō)，多選用不銹鋼和鍍鋅材料。不銹鋼材料中，鎳（Ni）、鉻（Cr）按固定化學(xué)成分配比得到固溶體電位突變式升高效應(yīng)，是提高材料耐蝕性關(guān)鍵原理，因此保證不銹鋼的合金成分是保障材料耐蝕性的關(guān)鍵要素。鍍鋅材料通過(guò)鋼板表面物理附加純鋅層或形成鋅鐵合金的形式，通過(guò)鋅元素對(duì)鋼材基體形成陰極保護(hù)防腐，其防腐性能主要取決于鋅層厚度及鍍鋅工藝質(zhì)量。

抗疲勞金屬：保護(hù)屬于對(duì)于長(zhǎng)期服役于交變應(yīng)力下的零件，需要考察其長(zhǎng)期使用的可靠性。如對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作環(huán)境最惡劣的零件之一，因此對(duì)其材料性能有較高的要求，如在高溫條件下具備較高的機(jī)械強(qiáng)度以及疲勞性能。

2.2 汽車零件中金屬材料的選擇原則

2.2.1 使用持久性原則：

①具有較強(qiáng)的耐磨性，如汽車變速箱齒輪，可用材料合金滲碳鋼20Cr或20CrMnTi等;

②具有較強(qiáng)的抗沖擊力，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，可用優(yōu)質(zhì)中碳鋼、中碳合金鋼、鑄鋼、球墨鑄鐵、珠光體可鍛造鑄鐵及合金鑄鐵，如ZG230-450、QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等。

③具有較強(qiáng)的抗疲勞性，如汽車板簧，可用彈性高的合金彈簧鋼來(lái)制造，如65Mn、65Si2Mn，對(duì)于中型或重型汽車，板簧還采用50CrMn、55SiMnVB、55 SiMnMoV、55 SiMnMoVNB等。

④具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，排氣管、三元催化器可使用SUS304不銹鋼制造。車身外板、地板等易劃傷部分，可使用鍍鋅鋼板制造。

④具有較強(qiáng)的塑性;如汽車車身金屬覆蓋件，可用延展性、可塑性和拉延率較大的材料：35CrMOA、08AL等等。

2.2.2 工藝易實(shí)現(xiàn)性原則

金屬材料的工藝性表示材料加工的難易程度，材料的工藝性能應(yīng)能滿足生產(chǎn)工藝的要求，加工工藝不僅影響零件的成型，還影響其最終性能。汽車金屬材料加工工藝路線復(fù)雜，多樣化，列舉如表1：

2.2.3 成本經(jīng)濟(jì)性原則

考慮零件性能需求及材料特性，采用最適合且低成本的材料，把零件成本降至最優(yōu)，取得最大的成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益，使得性能與成本之間達(dá)到最優(yōu)化平衡。

3 汽車零件金屬材料熱處理

3.1 熱處理主要工藝及應(yīng)用

所謂熱處理是指金屬材料在固態(tài)情況下，通過(guò)加熱、保溫和冷卻方法，從而使材料內(nèi)部組織和自身性能發(fā)生改變以獲得一種理化性能更加優(yōu)越的金屬材料的熱加工工藝;其主要目的是為了提高鋼材的硬度 、抗拉強(qiáng)度、韌性與耐磨性以及鋼材的塑性;其中最基礎(chǔ)的就是四把火即：退火、正火、淬火和回火，其主要工藝過(guò)程如圖1：

除此之外其它常用的熱處理工藝有固溶熱處理、時(shí)效、固溶處理、時(shí)效處理、鋼的碳氮共滲、調(diào)質(zhì)處理及釬焊;

3.2 典型汽車金屬零件主動(dòng)熱處理工藝

①汽車齒輪：汽車齒輪的工作比較惡劣，特別是變速箱及車橋中的主齒輪，抗沖擊強(qiáng)度及疲勞耐久性要求均較高，且處于高溫高壓工作環(huán)境中，對(duì)材料要求非常高，不但要采用高頻淬火強(qiáng)化處理，還要采取滲碳淬火方式，為了更大程度上提高齒輪的疲勞耐久性，通常還需要噴丸處理等表面強(qiáng)化處理工藝，噴丸強(qiáng)化處理后，齒輪的表面硬度可提高HRC1-3個(gè)單位，使用壽命可提高7-11倍;

其工藝路線為：

下料→鍛造→正火→粗加工、半精加工→滲碳→高頻淬火+低溫回火→噴丸→校正花鍵孔→精磨齒。

②車身熱成型零件：輕量化以及安全性能提升的需求使得超高強(qiáng)鋼在汽車車身上的應(yīng)用比例呈明顯上升趨勢(shì)。隨著超高強(qiáng)鋼強(qiáng)度的提升，其塑性進(jìn)一步下降，導(dǎo)致加工難度越來(lái)越大，甚至只能應(yīng)用于較簡(jiǎn)單的零件。因此，為進(jìn)一步提升車身鈑金件強(qiáng)度，在沖壓過(guò)程中引入熱處理概念，將材料在較軟狀態(tài)加熱至奧氏體轉(zhuǎn)變溫度以上，沖壓成型后進(jìn)行淬火使得奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅繄?jiān)硬的板條狀馬氏體，具有超高強(qiáng)度的同時(shí)兼具優(yōu)良的成型性能，被廣泛應(yīng)用在車身結(jié)構(gòu)安全件中。目前常用的熱成型鋼為22MnB5，熱成型時(shí)加熱溫度一般為890℃以上。熱成型鋼俗稱硼鋼，加入了硼元素，使TTT曲線上半部分右移，減緩了奧氏體向珠光體等低強(qiáng)度相的裝變，增加了鋼材的淬透性。

3.3 典型汽車金屬零件被動(dòng)熱處理

在汽車生產(chǎn)工藝中，除了為改善材料或零件性能實(shí)施的主動(dòng)熱處理外，還存在較多被動(dòng)熱處理情形，亦會(huì)對(duì)材料性能產(chǎn)生副影響。

①氧割熱處理：采用氧割對(duì)零件進(jìn)行切割時(shí)，在切割部位熱源溫度將達(dá)到超過(guò)鋼板熔化溫度（1420～1570℃），切割部位產(chǎn)生劇烈的融化再結(jié)晶活動(dòng)，類似于對(duì)鋼材進(jìn)行了一次重新淬火熱處理。取某熱成型鋼氧割后各部位樣品進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)論如圖2：

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，熱成型零件經(jīng)氧割熱處理時(shí)產(chǎn)生二次淬火，由于空冷冷卻速度不足造成馬氏體轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力不足，二次淬火后馬氏體組織低于二次淬火前，材料強(qiáng)度顯著降低。

4 熱處理技術(shù)的發(fā)展方向

傳統(tǒng)的熱處理工藝大都是在常壓下進(jìn)行，其熱處理效果比較單一。未來(lái)熱處理技術(shù)將向大力采用多參數(shù)熱處理和復(fù)合熱處理工藝，采用新的加熱手段、應(yīng)用新的熱處理材料、同時(shí)調(diào)整淬火手段和淬火介質(zhì)，改進(jìn)淬火方法，從而有針對(duì)性地獲得多種性能零件的方向發(fā)展。

5 小結(jié)

現(xiàn)今汽車材料正朝著多樣化和輕量化方向發(fā)展，除傳統(tǒng)金屬材料外，大批高強(qiáng)度輕合金、復(fù)合材料也在不斷涌現(xiàn)。在汽車金屬零件選材及熱處理工藝選型上，要緊密結(jié)合零部件性能、工藝性、經(jīng)濟(jì)性多方面考慮，因地制宜地選擇熱處理方式，同時(shí)排除熱處理的副作用，讓汽車金屬材料以最適宜的形式得以應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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