在汽車(chē)制造過(guò)程中，從設(shè)計(jì)新產(chǎn)品、改款舊產(chǎn)品，到維修、更換零件，都會(huì)涉及零件的選材、熱處理工藝的確定和熱處理工序安排等問(wèn)題。這對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率，降低成本有著重要的意義。

汽車(chē)齒輪的選材

齒輪是機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的重要零件之一，主要用于傳遞動(dòng)力，改變運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。齒輪的選材要從齒輪的工作條件、失效形式及其對(duì)材料的性能要求等方面綜合考慮。

01、汽車(chē)齒輪的工作條件

汽車(chē)齒輪主要安裝在變速器和差速器中。在變速器中，通過(guò)齒輪改變發(fā)動(dòng)機(jī)、曲軸和主軸齒輪的速比；在差速器中，通過(guò)齒輪增加轉(zhuǎn)矩，調(diào)節(jié)左右輪的轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力均通過(guò)齒輪傳給主軸，推動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行。所以，汽車(chē)齒輪受力較大，受沖擊頻繁，對(duì)其耐磨性、疲勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)度以及沖擊韌性等的要求比一般機(jī)床齒輪高。齒輪工作時(shí)的受力情況為：由于傳遞轉(zhuǎn)矩，齒根承受很大的交變彎曲應(yīng)力；換檔、起動(dòng)或咬合不均勻時(shí)，輪齒承受一定沖擊載荷；因加工、安裝不當(dāng)或齒、軸變形等引起的齒面接觸不良，以及外來(lái)灰塵、金屬屑等硬質(zhì)微粒的侵入都會(huì)成為附加載荷而使工作條件惡化。因此齒輪的工作條件和受力情況是較復(fù)雜的。

02、汽車(chē)齒輪的主要失效形式

根據(jù)齒輪的工作條件，其主要失效形式是疲勞斷裂、齒面接觸疲勞破壞、齒面磨損以及過(guò)載斷裂。汽車(chē)齒輪的主要失效形式及失效表現(xiàn)見(jiàn)表。

表 汽車(chē)齒輪的主要失效形式及失效表現(xiàn)

03、對(duì)汽車(chē)齒輪的性能要求

根據(jù)工作條件及失效形式的分析，可以對(duì)齒輪材料提出如下性能要求。

① 較高的彎曲疲勞強(qiáng)度，特別是齒根處要有足夠的強(qiáng)度。

② 較高的齒面硬度和耐磨性。

③ 較高的心部強(qiáng)度和足夠的沖擊韌性。

④ 熱處理變形小。

04、典型汽車(chē)齒輪的選材

在我國(guó)應(yīng)用最多的汽車(chē)齒輪用材是合金滲碳鋼20Cr和20CrMnTi，經(jīng)滲碳、淬火和低溫回火等熱處理強(qiáng)化后使用。滲碳后表面碳含量大大提高，以保證淬火后得到高硬度、高耐磨性和高接觸疲勞強(qiáng)度。由于合金元素提高了淬透性，淬火、低溫回火后可使心部獲得較高的強(qiáng)度和足夠的沖擊韌性。為了進(jìn)一步提高齒輪的使用壽命，滲碳、淬火、低溫回火后，還可以采用噴丸處理，增大表面壓應(yīng)力，有利于提高齒面和齒根的疲勞強(qiáng)度，并清除氧化皮。

合金滲碳鋼齒輪的生產(chǎn)工藝路線(xiàn)一般為:下料→鍛造→正火→切削加工→滲碳、淬火及低溫回火→噴丸→磨削加工。

汽車(chē)軸類(lèi)零件的選材

軸是汽車(chē)上的最重要零件之一，主要用于支撐傳動(dòng)零件（如齒輪、凸輪等）傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。根據(jù)軸類(lèi)零件的工作條件和失效形式，對(duì)其材料有以下性能要求。

①良好的綜合力學(xué)性能，足夠的強(qiáng)度、硬度、塑性和一定的韌性，以防止過(guò)載斷裂和沖擊斷裂。

②足夠的淬透性，熱處理后表面要有高硬度、高耐磨性，以防磨損失效。

③較高的疲勞強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)力集中敏感性低，以防疲勞斷裂。

④良好的可加工性，價(jià)格便宜。

軸類(lèi)零件的選材既要考慮材料的強(qiáng)度，也要考慮沖擊韌性和表面耐磨性。因此軸一般用鍛造或軋制的低、中碳鋼或合金鋼制造。

由于碳鋼比合金鋼便宜，并且有一定的綜合力學(xué)性能，對(duì)應(yīng)力集中敏感'性小，所以一般軸類(lèi)零件使用碳鋼較多。常用的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼有35鋼、40鋼、45鋼、50鋼等，其中45鋼最常用。為改善其性能，這類(lèi)鋼一般要經(jīng)過(guò)正火、調(diào)質(zhì)或表面淬火熱處理。

合金鋼比碳鋼具有更好的力學(xué)性能和熱處理工藝性，但對(duì)應(yīng)力集中敏感性較高，價(jià)格也較高，所以，當(dāng)載荷較大并要求限制軸的外形、尺寸和重量，或軸頸的耐磨性要求高時(shí)，可采用合金鋼。常用的合金鋼有20Cr、40Cr、40CrNi、2OCrMnTi、40MnB須采用相應(yīng)的熱處理才能充分發(fā)揮其作用。

除了上述碳鋼和合金鋼外，還可以采用球墨鑄鐵和高強(qiáng)度灰鑄鐵作為軸的材料，特別是曲軸的材料。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的選材

曲軸是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中形狀復(fù)雜的重要零件之一，如下圖所示。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的作用是輸出動(dòng)力，并帶動(dòng)其他部件運(yùn)動(dòng)。曲軸在工作中受到彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、拉壓、沖擊及交變應(yīng)力的作用。曲軸的形狀極不規(guī)則，其上的應(yīng)力分布極不均勻，曲軸頸與軸承還發(fā)生滑動(dòng)摩擦。曲軸的主要失效形式是疲勞斷裂和軸頸嚴(yán)重磨損兩種。根據(jù)曲軸的工作條件和失效形式，要求曲軸應(yīng)其備以下性能。

① 較高的強(qiáng)度和一定的沖擊韌性

② 足夠的抗彎、抗扭轉(zhuǎn)和疲勞強(qiáng)度

③ 足夠的剛度

④ 軸頸表面有較高的硬度和耐磨性

實(shí)際生產(chǎn)中，按照制造工藝，將汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸分為鍛造曲軸和鑄造曲軸。鍛造曲軸一般采用優(yōu)質(zhì)中碳鋼和中碳合金鋼制造，如30、35、35Mn2、40Cr、35CrMo等，經(jīng)模鍛、調(diào)質(zhì)、切削加工后對(duì)軸頸部進(jìn)行表面津火。鑄造曲軸主要由鑄鋼、球墨鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵及合金鑄鐵等制造，如ZG230-450、QT600-3、KTZ450-5，KTZ500-4等。鑄造曲軸經(jīng)鑄造、高溫正火、高溫回火、切削加工后，對(duì)軸頸部要進(jìn)行氣體滲碳、淬火、回火處理。

汽車(chē)彈簧的選材

不同的彈簧用途不同：如汽車(chē)、拖拉機(jī)、火車(chē)中使用的懸掛彈簧，主要起緩沖或減振作用；汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣門(mén)彈簧，在外力去除后能自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)位置，起到復(fù)位作用；鐘表、玩具中的發(fā)條起儲(chǔ)存和釋放能量的作用。

對(duì)彈簧材料的主要性能要求是：高的彈性極限和高的屈強(qiáng)比，高的疲勞強(qiáng)度以及一定的塑性和韌性。一些特殊彈簧還要求有良好的耐熱性和耐蝕性。

中碳鋼和高碳鋼都可制作彈簧，但因其淬透性和強(qiáng)度較低，只能用來(lái)制造截面較小、受力較小的彈簧。合金彈簧鋼則可制造截面較大、屈服極限較高的重要彈簧。

1、汽車(chē)板簧的選材

汽車(chē)板簧用于緩沖和吸振，承受很大的交變應(yīng)力和沖擊載荷。其主要失效形式為剛度不足引起的過(guò)度變形或疲勞斷裂。因此對(duì)汽車(chē)板簧材料的要求是要有較高的屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。

汽車(chē)板簧一般選用彈性高的合金彈簧鋼制造，如65Mn、60Si2Mn鋼等。對(duì)于中型或重型汽車(chē)，板簧還采用50CrMn，55SiMnVB鋼；對(duì)于中型載貨汽車(chē)用的大截面積板簧，則采用55SiMnV、55SiMnVNb鋼制造。

板簧一般采用的加工工藝路線(xiàn)為：熱軋鋼板沖裁下料→壓力成形→淬火、中溫回火→噴丸處理。噴丸強(qiáng)化處理也是對(duì)板簧進(jìn)行表面強(qiáng)化的重要手段，目的是為了提高板簧的疲勞強(qiáng)度。

2、氣門(mén)彈簧的選材

氣門(mén)彈簧是一種壓縮螺旋彈簧，其用途是在凸輪、搖臂或挺桿的聯(lián)合作用下，使氣門(mén)打開(kāi)和關(guān)閉。氣門(mén)彈簧受力不是很大，可采用悴透性比較好、晶粒細(xì)小、有一定耐熱性的50CrVA鋼制造。其加工工藝路線(xiàn)為：冷卷成形→淬火、中溫回火→噴丸處理→兩端磨平。

箱體類(lèi)零件的選材

一般箱體類(lèi)零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有不規(guī)則的外形和內(nèi)腔，且壁厚不均勻。這類(lèi)零件包括各種機(jī)械設(shè)備的橫梁、支架、底座、齒輪箱、軸承座、閥體、泵體等，在汽車(chē)上的應(yīng)用主要有氣缸體、氣缸蓋、變速器殼體、驅(qū)動(dòng)橋殼等，質(zhì)量相差很大，從幾千克到數(shù)十噸。工作條件相差也很大，其中有的基礎(chǔ)件以承受壓力為主，如內(nèi)燃機(jī)氣缸體、氣缸蓋，并要求有較好的剛度和減摩性；有的要承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉壓和沖擊載荷，如汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)橋。總的說(shuō)來(lái)，箱體類(lèi)零件受力不大，但要求有良好的剛度和密封性。

根據(jù)箱體類(lèi)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求，通常以鑄件作為毛坯，且以鑄造性能良好、價(jià)格低廉，并具有良好耐壓、耐磨、減摩性的灰鑄鐵為主。對(duì)于質(zhì)量要求不嚴(yán)格的一般內(nèi)燃機(jī)的氣缸蓋、氣缸體可采用灰鑄鐵；對(duì)于受力復(fù)雜或受沖擊載荷的零件則采用鑄鋼、可鍛鑄鐵或球墨鑄鐵制造，如汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)橋殼。風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)、小轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體、氣缸蓋可選用質(zhì)輕、導(dǎo)熱良好的鋁合金制造。

對(duì)鑄鐵件應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力退火或時(shí)效處理，鑄鋼件常采用完全退火或正火處理。

其他零件的選材

發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的選材

發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)是在氣缸內(nèi)完成的。氣缸內(nèi)與活塞接觸的內(nèi)壁面，由于直接承受燃?xì)獾臎_刷，并與活塞存在一定壓力的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使氣缸內(nèi)壁受到強(qiáng)烈的摩擦。氣缸內(nèi)壁的過(guò)量磨損是造成發(fā)動(dòng)機(jī)大修的主要原因之一。因此，氣缸體一般采用普通鑄鐵或鋁合金制造，而氣缸工作面則用耐磨材料制成缸套鑲?cè)霘飧變?nèi)。

常用缸套材料為耐磨合金鑄鐵，主要有高磷鑄鐵、硼鑄鐵、合金鑄鐵等。為了提高缸套的耐磨性，可以用鍍鉻、表面淬火、噴鍍金屬鉬或其他耐磨合金等辦法對(duì)缸套進(jìn)行表面處理。

活塞組的選材

活塞、活塞銷(xiāo)和活塞環(huán)等零件組成活塞組，與缸體、缸蓋配合形成一個(gè)容積變化的密閉空間，以完成內(nèi)燃機(jī)的工作過(guò)程，在工作中承受燃?xì)獾淖饔昧Σ⑼ㄟ^(guò)連桿將力傳給曲軸輸出。活塞組工作條件十分苛刻，在高溫、高壓燃?xì)鈼l件下工作，工作溫度最高可達(dá)1000℃以上，并在氣缸內(nèi)作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生很大的慣性載荷。活塞在傳力給連桿時(shí)，還承受著交變的側(cè)壓力。對(duì)活塞材料的性能要求是熱強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性好，吸熱性差，膨脹系數(shù)小，減摩性、耐磨性、耐蝕性和工藝性好。

常用的活塞材料是鋁硅合金。鋁合金的特點(diǎn)是導(dǎo)熱性好、密度小；硅的作用是使膨脹系數(shù)減小，耐磨性、耐蝕性、硬度、剛度和強(qiáng)度提高。鋁硅合金活塞需進(jìn)行固溶處理及人工時(shí)效處理，以提高表面硬度。

連桿的選材

連桿是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要零件。其作用是連接活塞和曲軸，并將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，把作用在活塞上的力傳遞給曲軸以輸出功率。

連桿工作時(shí)受到復(fù)雜的拉、壓應(yīng)力的作用，還要承受氣體做功時(shí)的沖擊載荷。其主要失效形式是疲勞斷裂和過(guò)量變形。因此要求連桿材料必須具有良好的綜合力學(xué)性能及高的疲勞強(qiáng)度。

通常連桿材料選用綜合力學(xué)性能好的中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr、40MnB等。合金鋼雖具有很高的強(qiáng)度，但對(duì)應(yīng)力集中很敏感。所以，在連桿外形、過(guò)渡圓角等方面需嚴(yán)格要求，還應(yīng)注意表面加工質(zhì)量，以提高疲勞強(qiáng)度，否則高強(qiáng)度合金鋼的應(yīng)用并不能達(dá)到預(yù)期效果。

氣門(mén)的選材

對(duì)氣門(mén)的要求是保證燃燒室的氣密性。氣門(mén)材料應(yīng)選用耐熱、耐蝕、耐磨的材料。進(jìn)、排氣門(mén)工作條件不同，材料的選擇也不同。進(jìn)氣門(mén)一般可用40Cr、35CrSi、38CrSi、35CrMo、42Mn2V等合金鋼制造；而排氣門(mén)則要求用高鉻耐熱鋼制造。采用4Cr10Si2Mo作為氣門(mén)材料，可承受的工作溫度為550~650℃；采用4Cr14Ni14W2Mo作為氣門(mén)材料，可承受的工作溫度為650~900℃。

汽車(chē)沖壓零件的選材

在汽車(chē)零件中，沖壓零件種類(lèi)繁多，約占總零件數(shù)的50%~60%。汽車(chē)沖壓零件采用的材料有鋼板和鋼帶，鋼板包括熱軋鋼板和冷軋鋼板。

熱軋鋼板主要用來(lái)制造一些承受一定載荷的結(jié)構(gòu)件，如保險(xiǎn)杠、制動(dòng)盤(pán)、縱梁等。這些零件不僅要求鋼板具有一定的剛度、強(qiáng)度，而且還要求具有良好的沖壓成形性能。冷軋鋼板主要用來(lái)制造形狀復(fù)雜、受力較小的機(jī)械外殼、駕駛室車(chē)身等覆蓋零件。這些零件對(duì)鋼板的強(qiáng)度要求不高，但卻要求具有優(yōu)良的表面質(zhì)量和良好的沖壓性能，以保證較高的成品合格率。

近年開(kāi)發(fā)的加工性能良好、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度高的薄鋼板（高強(qiáng)度鋼板），由于其可降低汽車(chē)自重，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，在汽車(chē)上獲得了廣泛應(yīng)用。高強(qiáng)度鋼板已用于制造橫梁、邊梁、保險(xiǎn)杠、車(chē)頂、車(chē)門(mén)、前包圍、后包圍、行李箱、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等。

附 鋼鐵材料在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)零件上的應(yīng)用

附 鋼鐵材料在汽車(chē)底盤(pán)及車(chē)身零件上的應(yīng)用

參考資料《汽車(chē)材料與金屬加工》