汽車主要零部件材料的選用方法分析

朱曉華

摘 要：材料的不斷革新是汽車制造業(yè)技術(shù)進步中最為顯著的一項內(nèi)容，尤其是汽車零部件的選擇，直接關(guān)系著汽車的耐用性和安全性。本文對汽車零部件材料的選擇方法進行分析，并對汽車齒輪類和軸類零件材料的選擇方法進行較為詳細論述，通過零部件的具體性能選擇合適的材料有助于提升汽車可靠性能。

關(guān)鍵詞：零部件;選用;汽車

汽車制造、汽車運行和汽車美容都離不開材料。材料是汽車工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計，世界上每年鋼材產(chǎn)量的1/4，橡膠產(chǎn)量的1/2，以及石油產(chǎn)量的1/2均被用于汽車及相關(guān)工業(yè)[1]。在進行汽車零件的材料選擇時，只有做到合理選擇，在工作時最大化發(fā)揮使其效能，保證汽車的耐用性能，零件的加工工藝性能和經(jīng)濟性會更優(yōu)越，并保障環(huán)境不被污染。本文將對汽車主要零部件的材料選擇的方法、步驟，以實例方式具體的分析了汽車主要零部件材料的選用方面內(nèi)容。

1 汽車零件材料選擇的方法和步驟

1.1 按照材料使用性能選擇

對零件的工作條件進行分析，保證其使用性能可以發(fā)揮出來，對零件的工作條件分析后確定零件具體的使用性能。比如當零件靜載的時候，使用性能表現(xiàn)為材料抵抗彈性或塑性變形能力。如果是交變載荷狀態(tài)下，使用性能則以疲勞抗力為主。

1.2 通過失效分析來確定零件的使用性能

汽車零件應該具有在特定溫度下，承受一定載荷狀態(tài)下保持自身自身幾何形態(tài)和尺寸的能力，可以使得汽車完成限度之內(nèi)的機械運動，將力和能量等傳遞下去。如果汽車零件超過設(shè)計的要求時便會發(fā)生失效。按照汽車零件可以承受的載荷類型及外部各種條件，汽車零件時效可分為3個大類：①零件表面損傷失效;②斷裂失效;③過量變形失效。失效分析的基本步驟是[2-3]：

（1）對發(fā)生失效的零件及殘骸進行統(tǒng)一收集并拍照記錄，尋找零件失效發(fā)生的部位，在這個部位取樣。

（2）對失效零件的資料進行詳細整理和分析，如設(shè)計圖樣、實際加工工藝過程及尺寸、使用情況等，對失效零件從設(shè)計、加工、使用各方面進行全面分析。

（3）對所選試樣進行宏觀（用肉眼或立體顯微鏡）及微觀（用高倍的光學或電子顯微鏡）的斷口分析，必要時對零件的金相剖面進行分析，定位出零件發(fā)生失效的地點與方式。

（4）分析與測試樣品的成分與性能，包括檢驗材料成分是否符合要求，分析失效零件上的腐蝕產(chǎn)物、磨屑的成分，檢驗材料有無內(nèi)部或表面裂紋和缺陷，材料的組織是否正常，測定與失效方式有關(guān)的各項性能指標，并與設(shè)計時所依據(jù)的性能指標數(shù)值做比較。

（5）綜合各方面資料，判斷并確定失效的具體原因，提出改進措施。

1.3 零件使用性能要求

這一過程是通過定量化的數(shù)據(jù)分析和計算，將零件的使用性能轉(zhuǎn)化為一些非常直觀的數(shù)字指標與數(shù)值，再參考相關(guān)的資料、手冊、標準中對于材料使用性能的使用范圍規(guī)定，按照指標數(shù)據(jù)對應選材，對于非常規(guī)力學性能，如斷裂韌度及腐蝕介質(zhì)中的力學性能等，通過模擬試驗取得數(shù)據(jù)，或從有關(guān)專門資料上查到相應數(shù)據(jù)進行選材。

1.4 根據(jù)材料的經(jīng)濟性選材

在滿足使用性能的前提下，應首選價格便宜、能夠降低生產(chǎn)零件的總成本的材料。有時候雖然選擇的材料性能好，材料的價格一般較為昂貴，不過性能好的零件擁有更輕的重量、使用壽命更長、便于維修且費用低，使用起來卻更為經(jīng)濟。例如汽車用鋼板，若將低碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼改為低碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，雖然提高了鋼的成本，但由于鋼的強度提高，厚度可以減薄，用材總量、油耗、維修費等都減少，壽命提高，所以反而降低了總成本此外，選材時還應盡量選用資源、生產(chǎn)和供應豐富的材料。

2 典型汽車零件的選材舉例

2.1 汽車齒輪的選材

汽車齒輪的作用主要是扭矩的傳遞，汽車車速的變換及力量方向的改變。當齒輪工作時，其根部由于傳遞扭矩而承受了較大交變彎曲力。齒輪轉(zhuǎn)動時，由于齒嚙合而使得齒輪上承擔的接觸壓應力較大，這個過程所遭受的摩擦和磨損也較大。汽車齒輪在換擋、啟動、制動等諸多過程中均會受到一定沖擊力。這時齒輪失效常常表現(xiàn)為齒的斷裂、齒輪表面的損傷等。

按照齒輪的工作條件與失效方式的情況，汽車的齒輪材料需要具備如下性能：首先，彎曲疲勞強度更高，可以防止輪齒因疲勞而發(fā)生斷裂。其次，齒心強度與韌性需要達到設(shè)計要求，這是為了防止輪齒斷裂。再次，輪齒的硬度和耐磨性要足夠高，避免齒面發(fā)生損傷。最后，齒輪的工藝性能要好，例如齒輪的切削加工性能，熱處理時的變形規(guī)律，淬透性達到標準等。

汽車齒輪用材主要是合金滲碳鋼，如20Cr，20CrMnTi，20MnVB等。這類鋼經(jīng)正火處理后再經(jīng)滲碳、淬火和低溫回火處理后，表面硬度可達55～65HRC，心部硬度為35～45HRC。

合金滲碳鋼齒輪加工工藝流程為：材料下料與鍛造→正火→機械加工→滲碳→淬火+低溫回火→噴丸→磨削加工→成品。其中，采用正火處理能夠使其組織更為均勻，調(diào)整齒輪的硬度，使其切削加工性能更佳。滲碳就是將齒面的含碳量相應提升（一般提升至0.8%～1.05%）。淬火的目的是提高齒面硬度，使得齒面的耐磨性與齒輪接觸疲勞強度得以提升。低溫回火能夠有效地降低淬火應力，消除零件的磨削裂紋，提升零件的沖擊抗力。噴丸處理能夠提升齒輪表面的殘余壓應力，使得接觸疲勞強度得以提升[3]。

2.2 汽車軸類零件的工作條件、失效形式及性能要求

汽車的軸類零件主要是為了傳遞扭矩及支承傳動過程。汽車的軸類零件主要會因為工作疲勞發(fā)生斷裂及軸頸處磨損等，沖擊過載斷裂也是常發(fā)生的一種現(xiàn)象之一。

汽車的軸類零件材料需要具備的性能有以下幾種：第一，抗疲勞強度高，這是為了避免軸類因疲勞而發(fā)生斷裂;第二，軸類的綜合力學性能優(yōu)越，也就是其屈服強度與抗拉強度要高，韌性要足夠強，主要是避免軸類由于塑性變形、過載等情況下的折斷和扭斷。有時候汽車運行的特殊性，需要軸類材料也應具備相應的特殊性能，比如蠕變抗力、耐腐蝕性等。

（1）汽車發(fā)動機曲軸

汽車發(fā)動機曲軸在工作時受氣缸中周期性變化的氣體壓力、曲柄連桿機構(gòu)的慣性力、扭轉(zhuǎn)和彎曲應力，以及扭轉(zhuǎn)振動和沖擊力的作用，由于形狀復雜，其上的應力分布極不均勻，并且曲軸頸與軸承還會發(fā)生滑動摩擦，因此汽車發(fā)動機曲軸的主要失效形式是疲勞斷裂和軸頸嚴重磨損[4]。根據(jù)汽車發(fā)動機曲軸的工作條件和主要失效形式，要求其材料應具備高的強度和一定的沖擊韌性，足夠的抗彎、扭轉(zhuǎn)和疲勞強度，軸頸表面有高的硬度和耐磨性。

汽車發(fā)動機曲軸一般采用優(yōu)質(zhì)中碳鋼和中碳合金鋼，如30，35，35Mn2，40Cr，35CrMo等。這類材料通常采用鍛造成型。近年來，也有用鑄鋼、球墨鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵及合金鑄鐵等制造，如ZG230-450，QT600-3，KT2450-5，KT2500-4等。這類材料通常采用鑄造成型。

鍛造曲軸的工藝路線為：下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→半精加工→軸頸表面淬火+低溫回火→精磨→成品。正火處理可細化組織，調(diào)整硬度，改善切削加工性;調(diào)質(zhì)處理可獲得高的綜合力學性能和疲勞強度;局部表面淬火及低溫回火可獲得局部高硬度和耐磨性。

鑄造曲軸的工藝路線為：熔煉→鑄造→正火+高溫同火→機械加工→軸頸表面淬火+低溫同火→成品。這種曲軸質(zhì)量的關(guān)鍵是鑄造質(zhì)量，要保證球化良好并無鑄造缺陷，經(jīng)正火增加組織中的珠光體含量和細化珠光體片，以提高其強度、硬度和耐磨性，最后用高溫回火消除正火風冷所造成的內(nèi)應力。

（2）汽車半軸

汽車半軸在工作時受發(fā)動機傳遞來的扭轉(zhuǎn)力矩，車輪作用的垂直力和側(cè)向力，牽引力和制動力形成的縱向力，交變彎曲載荷，以及一定的沖擊載荷等，因此汽車半軸的主要失效形式是集中于桿部或花鍵根部的疲勞斷裂。根據(jù)汽車半軸的工作條件和主要失效形式，要求其材料應具備足夠的抗彎強度、疲勞強度和較好的韌性、耐磨性等綜合力學性能。

汽車半軸通常采用調(diào)質(zhì)鋼。中、小型汽車的半軸材料一般用45，40Cr，而重型汽車用40MnB，40CrNi或40CrMnMo等淬透性較高的合金鋼制造。

汽車半軸的工藝路線與汽車發(fā)動機曲軸相似，不同之處僅在于花鍵部位需要進行表面淬火和低溫回火處理，以提高硬度和耐磨性。

3 結(jié)語

近些年來，我國的汽車材料體系得到長足發(fā)展，市場上不斷涌現(xiàn)出技術(shù)含量較高的新產(chǎn)品，使用在汽車上的高性能銅板、塑料國產(chǎn)化也在加速進行，鋁合金（除板材外）與成型技術(shù)已經(jīng)可以滿足目前大多數(shù)汽車商的需求，而采用的鎂合金材料也已經(jīng)發(fā)展到一定的水準，汽車鎂鑄件的市場規(guī)模已經(jīng)初步形成并快速發(fā)展。尤其是在汽車零部件上的材料選用越來越科學化，依照選用的方法和步驟進行選擇，汽車齒輪類選材主要是合金滲碳鋼，汽車發(fā)動機曲軸一般采用優(yōu)質(zhì)中碳鋼和中碳合金鋼，而汽車半軸通常采用調(diào)質(zhì)鋼。根據(jù)汽車零部件的工作性能選擇對應的材料，不但可以提升汽車的穩(wěn)定性還對駕駛者的安全起到保護作用。

參考文獻：

[1]敖炳秋. 淺談汽車零部件材料及制造工藝的發(fā)展趨勢[J]. 汽車科技，1996（01）：4-14.

[2]王鑒， 王思， 張楠， 等l. 改性聚丙烯材料在汽車零部件上的應用進展[J]. 煉油與化工， 2011（006）：5-9.

[3]劉道春. 汽車零部件的粉末材料技術(shù)及其發(fā)展[J]. 柴油機設(shè)計與制造， 2011， 17（1）：6-12.

[4]佟國棟. 國內(nèi)外鋁鎂材料在汽車零部件上的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[C]// 第五屆中國有色合金及特種鑄造國際會議論文集. 2007.