第1章 汽車零件的材料與熱處理特點(diǎn)

1.1汽車用鋼的要求與選材

通常汽車約由三萬多個零件組成，材質(zhì)以金屬材料為主。其中，鋼鐵材料約占汽車總質(zhì)量的80％左右，非鐵金屬材料占3％～4.7％。汽車中的鋼鐵材料主要包括鋼板（約占50％)、新型彈簧鋼（懸架系統(tǒng)用硅鋼板)、低合金微調(diào)質(zhì)鋼（含有V、Ti、Nb)、高性能鋼板、鍍覆鋼板、齒輪用鋼等。非鐵金屬材料主要有鋁合金、鋁基復(fù)合材料、鎂合金材料和鈦合金材料等，可用于制造車輪、氣門座圈、排氣系統(tǒng)部件等。另外，還有鐵基粉末冶金材料，可用于制造軸承、進(jìn)排氣門、凸輪、齒輪和支架等。

由于鋼鐵材料具有強(qiáng)度高、成本低、加工難度小、生產(chǎn)工藝成熟（易鑄造、易成形、易切削加工和易焊接)、容易回收和再利用等優(yōu)點(diǎn)，故成為汽車制造中最重要的材料。

非鐵金屬材料中的輕金屬具有材質(zhì)輕、導(dǎo)電性好等特性，在汽車制造中應(yīng)用量呈上升趨勢，如鋁、鎂、鈦等材料可減輕汽車質(zhì)量，是提高節(jié)能性和環(huán)保型的首選材料，另外，具有比強(qiáng)度和比剛度均高、易加工成形、阻尼減振性和電磁屏蔽性強(qiáng)、廢料易回收等特點(diǎn)。因此，非鐵金屬材料是汽車制造業(yè)必不可少的材料。

汽車材料的選用應(yīng)符合以下要求:承受正常工作所產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變，具有低的材料成本和加工成本，不破壞環(huán)境并可回收。

1.1.1汽車用鋼的種類

用于制造汽車的鋼材品種主要包括型鋼、熱軋中板、熱軋薄板、鋼帶、優(yōu)質(zhì)鋼材和鋼管等，其中以薄板與優(yōu)質(zhì)鋼材為主。

熱軋鋼板主要用于載貨汽車車架縱梁、橫梁、車廂橫梁、車輪輪輻，轎車車輪輪輞與輪輻等。熱軋薄板用于制造車身，其要求鋼板成形性能良好、表面質(zhì)量好。轎車車身采用電鍍鋅板、熱鍍鋅板等。優(yōu)質(zhì)鋼材包括碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、彈簧鋼、易切削鋼、冷鐓鋼、耐熱鋼等，其中以齒輪鋼用量較大。表1-1為我國汽車用鋼鐵材料種類及其比例。

表1-1我國汽車用鋼鐵材料種類及其比例 （％)

1.冷軋板、帶

冷軋鋼帶是制造汽車覆蓋件與車體內(nèi)部加強(qiáng)板、防護(hù)板、連接板以及梁等最主要的材料，其他應(yīng)用板材多為冷軋板及鍍鋅板，轎車的冷軋板用量為450～550kg。

冷軋板在客車上用作蒙皮，在小型和微型客車上主要用于外覆蓋件與加強(qiáng)板和梁等。

冷軋板在載貨汽車上用作外蓋板、頂蓋板、翼子板、保險(xiǎn)杠以及內(nèi)板等。

2.熱軋板

轎車采用熱軋薄板制造墊板、支架、沖擊橋殼以及輪輞和輪輻等；客車用熱軋薄板制造各種支架和底座等；載貨汽車用熱軋薄板制造車架和車廂橫、縱梁等。

1.1.2高強(qiáng)度鋼板及應(yīng)用

該類鋼板是指經(jīng)過固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、晶粒細(xì)化強(qiáng)化和應(yīng)變組織強(qiáng)化的組合設(shè)計(jì)，并能滿足強(qiáng)度和加工性能要求的材料，其強(qiáng)度與相對密度的比值高于相應(yīng)的傳統(tǒng)材料，通常將抗拉強(qiáng)度在370MPa以上的熱軋鋼板和340MPa級以上的冷軋鋼板稱為高強(qiáng)度鋼板。

1.分類

高強(qiáng)度鋼板可按沖壓級別、生產(chǎn)工藝、強(qiáng)化機(jī)理和屈服強(qiáng)度進(jìn)行分類，通常按生產(chǎn)工藝分為冷軋高強(qiáng)度鋼板和熱軋高強(qiáng)度鋼板。冷軋高強(qiáng)度鋼板用于汽車車身零件，如車門、發(fā)動機(jī)外罩板和內(nèi)罩板以及車身結(jié)構(gòu)件等；熱軋高強(qiáng)度鋼板則用于制造載貨車橫縱梁、車輪、制動盤等。

2.高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用

汽車外板，如發(fā)動機(jī)機(jī)罩、車門、行李架、側(cè)圍外板等，應(yīng)用了340MPa級烘烤硬化型鋼板（BH鋼板)和440MPa級高強(qiáng)度材料，車身骨架部件采用440MPa和590MPa級別的高強(qiáng)度材料，結(jié)構(gòu)支撐件材料的級別已達(dá)800～1000MPa，制造前后保險(xiǎn)杠、橫縱梁和柱等。車身主要部位采用熱成形鋼板可大大提高車身強(qiáng)度。有資料指出，高強(qiáng)度鋼板在汽車上的使用率將超過70％。

1.1.3汽車零件結(jié)構(gòu)及加工工藝特點(diǎn)對材料的技術(shù)要求

表1-2為汽車部件分類及對鋼材的技術(shù)要求。

表1-2汽車部件分類及對鋼材的技術(shù)要求

1.車身對鋼材的要求

汽車用鋼材（包括熱軋鋼板、冷軋鋼板和鍍層板等)是汽車上的主要原材料，減輕汽車自重的高強(qiáng)度鋼板主要用于汽車外殼和結(jié)構(gòu)件，主要有汽車表面用鋼板和汽車車體用鋼板。汽車車身使用的材料主要有薄鋼板、鍍鋅薄鋼板、薄鋁板、合金板等。

2.車輪對鋼材的要求

汽車車輪輪輞經(jīng)下料卷圈、閃光對焊、水冷、去飛邊、擴(kuò)口、滾形擴(kuò)展、打充氣孔等工序完成；輪輻則經(jīng)過正拉深、反拉深、鐓形整形、沖孔、修邊、沖螺栓孔、擠球形翻邊等工序完成，最后采用CO₂保護(hù)焊將輪輞和輪輻組裝成車輪。

3.齒輪對鋼材的要求

為解決齒輪損傷問題，對齒輪用鋼進(jìn)行二硫化鉬的涂覆等潤滑處理，同時應(yīng)采用高強(qiáng)度和無需潤滑處理的材料等。

4.連桿對鋼材的要求

要求連桿具有良好的綜合力學(xué)性能，其應(yīng)采用調(diào)質(zhì)鋼制造，也可采用非調(diào)質(zhì)鋼等代替碳素結(jié)構(gòu)鋼來制造汽車發(fā)動機(jī)連桿。

5.彈簧對鋼材的要求

從傳統(tǒng)材料的1000MPa級向1200～1300MPa級的高強(qiáng)度化方向發(fā)展，在實(shí)現(xiàn)彈簧高強(qiáng)度化的過程中，同時要考慮到永久變形性、疲勞強(qiáng)度、腐蝕環(huán)境下的疲勞壽命等，即高彈性與高的疲勞極限的有機(jī)結(jié)合，通常選用的材料有65Mn、60Si2MnA、50CrVA等。氣門彈簧的鋼絲疲勞壽命要求達(dá)到2300萬次，因此對彈簧鋼絲的生產(chǎn)穩(wěn)定性要求十分苛刻。

6.氣門對鋼材的要求

要求氣門材料在工作條件下，耐熱、耐腐蝕、抗氧化及耐磨，且具有良好的導(dǎo)熱性，即具有良好的綜合力學(xué)性能。

7.冷鐓件對鋼材的要求

汽車用緊固件（如螺栓、螺釘和螺母等)的工作條件較差，工作應(yīng)力明顯提高，要求緊固件用鋼具有更高的強(qiáng)度。常用冷鐓鋼的強(qiáng)度級別為700～1000MPa，目前其要求提高到了1100MPa以上，同時也提出了抗延伸破壞性能、耐蝕性和加工性能等方面的要求。

對于抗拉強(qiáng)度超過1200MPa的螺栓，在靜態(tài)應(yīng)力作用下，經(jīng)過一定時間會出現(xiàn)延遲斷裂，為此需要采取減少晶界偏析、細(xì)化晶粒和提高回火溫度等措施。

1.1.4汽車主要零件的選材

1.發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋和缸套

考慮到發(fā)動機(jī)的缸體、缸蓋要承受燃燒過程中高溫、高壓和高速運(yùn)動件的振蕩力和摩擦磨損，同時要承受重力以及螺栓擰緊時局部巨大的壓應(yīng)力等作用，其應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、良好的鑄造性能和機(jī)械加工性能，缸體材料多采用灰鑄鐵（HT200或HT250)和鋁合金等。輕型化和小型車的缸體、缸蓋多采用鋁合金，用鑄鋁件代替鑄鐵件。

缸套采用耐磨材料，一般采用高磷鑄鐵、硼鑄鐵、合金鑄鐵等耐磨鑄鐵等制造，采用鍍鉻、表面淬火、噴鍍金屬或其他耐磨合金的方法對缸套進(jìn)行表面處理，目的是提高其耐磨性。

2.發(fā)動機(jī)曲軸

發(fā)動機(jī)曲軸在工作中承受彎曲、扭曲、剪切、拉壓、沖擊等交變應(yīng)力的作用，其主要失效形式為疲勞斷裂和軸頸磨損等，鍛造曲軸和鑄造曲軸采用的材料是不同的，鍛造曲軸一般采用中碳鋼和中碳合金鋼制造，如30、45、35Mn2、35CrMo、40Cr等。鑄造曲軸多采用鑄鋼、球墨鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵及合金鑄鐵等，如ZG230-450、QT600-3、QT700-2、KTZ450-06、KTZ550-04等。

3.活塞組件

在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，活塞組件受到周期性變化的高溫高壓燃?xì)獾淖饔茫涔ぷ鳒囟雀哌_(dá)2000℃，同時在氣缸內(nèi)高速往復(fù)運(yùn)動時產(chǎn)生很大的慣性力，并承受交變側(cè)向力，工作條件十分苛刻。

（1)活塞材料 要求活塞材料具有耐熱性和導(dǎo)熱性好，吸熱少，膨脹系數(shù)小，減摩性、耐磨性、耐蝕性和工藝性好的特點(diǎn)。由于鋁合金導(dǎo)熱性好、密度小，而硅能使膨脹系數(shù)減小，提高耐磨性和耐蝕性，并能提高強(qiáng)度、硬度和剛度等，故活塞材料常選用硅鋁合金，并進(jìn)行固溶處理和時效處理。

（2)活塞環(huán)材料 要求耐磨性與耐熱性好、韌性佳、易磨合，并具有良好的加工性能。目前活塞環(huán)多采用以珠光體為基體的灰鑄鐵，或采用在灰鑄鐵中加入一定數(shù)量的銅、鉻、鉬、鎢等元素的合金鑄鐵，也可采用球墨鑄鐵或可鍛鑄鐵。為了提高活塞環(huán)的使用壽命，還要進(jìn)行鍍鉻、噴鉬、磷化、氧化等表面處理，目前應(yīng)用十分廣泛的為表面鍍鉻，可提高壽命2～3倍。

（3)活塞銷材料 要求具有足夠的剛度、強(qiáng)度和耐磨性，并具有較高的疲勞強(qiáng)度和韌性，一般選用20、20Cr、18CrMnTi等低碳合金鋼（滲碳鋼)，并進(jìn)行滲碳或液體碳氮共滲的表面處理，以滿足其工作需要。

4.氣門

氣門在發(fā)動機(jī)內(nèi)工作時，承受較大的機(jī)械載荷、熱負(fù)荷和相當(dāng)大的沖擊，要求具有良好的密封性，因此要求材料具有耐熱性、耐磨性、耐蝕性等特點(diǎn)。因進(jìn)、排氣門的工作條件不同（進(jìn)氣門工作溫度為300～400℃，排氣門則達(dá)到650～850℃)，故選用的材料不同。按QC/T 469—2002《汽車發(fā)動機(jī)氣門技術(shù)條件》可知，進(jìn)氣門采用合金結(jié)構(gòu)鋼和部分馬氏體耐熱鋼，而排氣門則選用馬氏體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼以及高溫合金等。

5.齒輪

汽車用齒輪數(shù)量較多，其受力較大、沖擊頻繁，主要失效形式為齒面磨損、疲勞斷裂、齒面接觸疲勞破損等，故要求材料具有很高的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，并具有良好的沖擊韌度和耐磨性。目前國內(nèi)汽車齒輪用材多選用20Cr、20CrMnTi等合金滲碳鋼，并進(jìn)行滲碳、淬火以及低溫回火處理等，個別采用等溫淬火球墨鑄鐵材料制造。

6.螺栓、鉚釘?shù)冗B接零件

螺栓、鉚釘?shù)冗B接零件主要起連接、緊固、定位等作用，連接零件不同，工作條件和受力也不同，故材料的選用是不同的。通常螺栓、鉚釘?shù)冗B接零件采用一般冷鐓鋼材，而高強(qiáng)度螺栓采用回火馬氏體鋼和貝氏體鋼。

7.半軸

半軸主要承受扭轉(zhuǎn)力矩和一定的沖擊載荷，要求其材料具有較高的綜合力學(xué)性能，即具有很高的抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和良好的韌性。通常半軸采用調(diào)質(zhì)鋼，并進(jìn)行噴丸處理及滾壓凸緣根部圓角強(qiáng)化處理。一般中小型汽車半軸采用45和40Cr鋼，重型汽車則采用40MnB、40CrNi、40CrMnMo等淬透性較高的合金鋼。

汽車主要零件（發(fā)動機(jī)與底盤)的材料選用情況見表1-3。

表1-3汽車主要零件（發(fā)動機(jī)與底盤)的材料選用情況

（續(xù))