汽車零件中金屬材料的選擇及熱處理分析研究

雷淦淇

摘 要：隨著汽車工業的發展和人們的消費水平提高，用戶對汽車的使用壽命要求越來越苛刻，因此對汽車金屬零件材料的選擇要求也越來越高，因此汽車金屬零件的深入了解和研究顯的至關重要。汽車金屬零件構成汽車的主要組成部分，關系到汽車使用性能、維修保養周期以及使用壽命。金屬零件的正確選擇不但影響整車品質，還與整車成本、汽車自身重量等都有密不可分的關系，本文著重從汽車零件的選用原則和經驗，成型及制造難易程度、生產工藝特性，并結合汽車各個系統部位對金屬零件化學性能物理性能要求不同的特點，由淺入深對汽車金屬選用方法及相關熱處理工藝進行探討，旨在為汽車金屬零件開發提供理論指導依據。

關鍵詞：汽車;零件;金屬材料;熱處理;趨勢

1 引言

在構成汽車的三萬多個零件中，其中金屬零件占絕大多數，大至車身鈑金、車架、發動機、變速箱、車橋、鋼圈，小至金屬安裝支架、螺栓螺母等，無不在汽車各個系統中扮演非常重要的角色;選擇過程中不但要考慮零件使用工況，更要結合金屬零件材料自身強度、剛度性能，結合與實車匹配性要求;更要從低成本、輕量化等方面因素綜合考慮，在進行比較深入的失效分析和相應的仿真分析后，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所需使用性能的材料。因此必須要了解產品的工作條件對材料性能的要求。工作條件等的不同，對其零部件性能自然有著不同的要求，具體表現在受載大小、形式及性質的不同，受力狀態、工作溫度、環境介質、摩擦條件等的不同。例如：

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

抗疲勞金屬：保護屬于對于長期服役于交變應力下的零件，需要考察其長期使用的可靠性。如對汽車發動機來說，曲軸是發動機中工作環境最惡劣的零件之一，因此對其材料性能有較高的要求，如在高溫條件下具備較高的機械強度以及疲勞性能。

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具有較強的抗沖擊力，如汽車發動機曲軸，可用優質中碳鋼、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具有較強的抗疲勞性，如汽車板簧，可用彈性高的合金彈簧鋼來制造，如65Mn、65Si2Mn，對于中型或重型汽車，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 工藝易實現性原則

金屬材料的工藝性表示材料加工的難易程度，材料的工藝性能應能滿足生產工藝的要求，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雜，多樣化，列舉如表1：

2.2.3 成本經濟性原則

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，取得最大的成本競爭優勢和經濟效益，使得性能與成本之間達到最優化平衡。

3 汽車零件金屬材料熱處理

3.1 熱處理主要工藝及應用

所謂熱處理是指金屬材料在固態情況下，通過加熱、保溫和冷卻方法，從而使材料內部組織和自身性能發生改變以獲得一種理化性能更加優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 、抗拉強度、韌性與耐磨性以及鋼材的塑性;其中最基礎的就是四把火即：退火、正火、淬火和回火，其主要工藝過程如圖1：

除此之外其它常用的熱處理工藝有固溶熱處理、時效、固溶處理、時效處理、鋼的碳氮共滲、調質處理及釬焊;

3.2 典型汽車金屬零件主動熱處理工藝

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，抗沖擊強度及疲勞耐久性要求均較高，且處于高溫高壓工作環境中，對材料要求非常高，不但要采用高頻淬火強化處理，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化處理工藝，噴丸強化處理后，齒輪的表面硬度可提高HRC1-3個單位，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鋼在汽車車身上的應用比例呈明顯上升趨勢。隨著超高強鋼強度的提升，其塑性進一步下降，導致加工難度越來越大，甚至只能應用于較簡單的零件。因此，為進一步提升車身鈑金件強度，在沖壓過程中引入熱處理概念，將材料在較軟狀態加熱至奧氏體轉變溫度以上，沖壓成型后進行淬火使得奧氏體轉變為大量堅硬的板條狀馬氏體，具有超高強度的同時兼具優良的成型性能，被廣泛應用在車身結構安全件中。目前常用的熱成型鋼為22MnB5，熱成型時加熱溫度一般為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熱處理

在汽車生產工藝中，除了為改善材料或零件性能實施的主動熱處理外，還存在較多被動熱處理情形，亦會對材料性能產生副影響。

①氧割熱處理：采用氧割對零件進行切割時，在切割部位熱源溫度將達到超過鋼板熔化溫度（1420～1570℃），切割部位產生劇烈的融化再結晶活動，類似于對鋼材進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行拉伸試驗，結論如圖2：

通過實驗可知，熱成型零件經氧割熱處理時產生二次淬火，由于空冷冷卻速度不足造成馬氏體轉變驅動力不足，二次淬火后馬氏體組織低于二次淬火前，材料強度顯著降低。

4 熱處理技術的發展方向

傳統的熱處理工藝大都是在常壓下進行，其熱處理效果比較單一。未來熱處理技術將向大力采用多參數熱處理和復合熱處理工藝，采用新的加熱手段、應用新的熱處理材料、同時調整淬火手段和淬火介質，改進淬火方法，從而有針對性地獲得多種性能零件的方向發展。

5 小結

現今汽車材料正朝著多樣化和輕量化方向發展，除傳統金屬材料外，大批高強度輕合金、復合材料也在不斷涌現。在汽車金屬零件選材及熱處理工藝選型上，要緊密結合零部件性能、工藝性、經濟性多方面考慮，因地制宜地選擇熱處理方式，同時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用。

參考文獻：

[1]金問楷.機械加工工藝基礎[M].北京.高等教育出版社，1997.

[2]王運炎.金屬材料與熱處理[M].北京.機械工業出版社，1984.