典型汽车零件的选材

     

汽车齿轮的选材

   

齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一，主要用于传递动力，改变运动速度和运动方向。齿轮的选材要从齿轮的工作条件、失效形式及其对材料的性能要求等方面综合考虑。

汽车齿轮主要安装在变速器和差速器中。在变速器中，通过齿轮改变发动机、曲轴和主轴齿轮的速比；在差速器中，通过齿轮增加转矩，调节左右轮的转速。发动机的动力均通过齿轮传给主轴，推动汽车运行。所以，汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，对其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等的要求比一般机床齿轮高。齿轮工作时的受力情况为：由于传递转矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；换档、起动或咬合不均匀时，轮齿承受一定冲击载荷；因加工、安装不当或齿、轴变形等引起的齿面接触不良，以及外来灰尘、金属屑等硬质微粒的侵入都会成为附加载荷而使工作条件恶化。因此齿轮的工作条件和受力情况是较复杂的。

根据齿轮的工作条件，其主要失效形式是疲劳断裂、齿面接触疲劳破坏、齿面磨损以及过载断裂。汽车齿轮的主要失效形式及失效表现见表。

表 汽车齿轮的主要失效形式及失效表现

根据工作条件及失效形式的分析，可以对齿轮材料提出如下性能要求。

① 较高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有足够的强度。

② 较高的齿面硬度和耐磨性。

③ 较高的心部强度和足够的冲击韧性。

④ 热处理变形小。

在我国应用最多的汽车齿轮用材是合金渗碳钢20Cr和20CrMnTi，经渗碳、淬火和低温回火等热处理强化后使用。渗碳后表面碳含量大大提高，以保证淬火后得到高硬度、高耐磨性和高接触疲劳强度。由于合金元素提高了淬透性，淬火、低温回火后可使心部获得较高的强度和足够的冲击韧性。为了进一步提高齿轮的使用寿命，渗碳、淬火、低温回火后，还可以采用喷丸处理，增大表面压应力，有利于提高齿面和齿根的疲劳强度，并清除氧化皮。

合金渗碳钢齿轮的生产工艺路线一般为:下料→锻造→正火→切削加工→渗碳、淬火及低温回火→喷丸→磨削加工。

     

汽车轴类零件的选材

   

轴是汽车上的最重要零件之一，主要用于支撑传动零件（如齿轮、凸轮等）传递运动和动力。根据轴类零件的工作条件和失效形式，对其材料有以下性能要求。

①良好的综合力学性能，足够的强度、硬度、塑性和一定的韧性，以防止过载断裂和冲击断裂。

②足够的淬透性，热处理后表面要有高硬度、高耐磨性，以防磨损失效。

③较高的疲劳强度，对应力集中敏感性低，以防疲劳断裂。

④良好的可加工性，价格便宜。

轴类零件的选材既要考虑材料的强度，也要考虑冲击韧性和表面耐磨性。因此轴一般用锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造。

由于碳钢比合金钢便宜，并且有一定的综合力学性能，对应力集中敏感'性小，所以一般轴类零件使用碳钢较多。常用的优质碳素结构钢有35钢、40钢、45钢、50钢等，其中45钢最常用。为改善其性能，这类钢一般要经过正火、调质或表面淬火热处理。

合金钢比碳钢具有更好的力学性能和热处理工艺性，但对应力集中敏感性较高，价格也较高，所以，当载荷较大并要求限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性要求高时，可采用合金钢。常用的合金钢有20Cr、40Cr、40CrNi、2OCrMnTi、40MnB须采用相应的热处理才能充分发挥其作用。

除了上述碳钢和合金钢外，还可以采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作为轴的材料，特别是曲轴的材料。

     

汽车发动机曲轴的选材

   

曲轴是汽车发动机中形状复杂的重要零件之一，如下图所示。汽车发动机曲轴的作用是输出动力，并带动其他部件运动。曲轴在工作中受到弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击及交变应力的作用。曲轴的形状极不规则，其上的应力分布极不均匀，曲轴颈与轴承还发生滑动摩擦。曲轴的主要失效形式是疲劳断裂和轴颈严重磨损两种。根据曲轴的工作条件和失效形式，要求曲轴应其备以下性能。

① 较高的强度和一定的冲击韧性

② 足够的抗弯、抗扭转和疲劳强度

③ 足够的刚度

④ 轴颈表面有较高的硬度和耐磨性

实际生产中，按照制造工艺，将汽车发动机曲轴分为锻造曲轴和铸造曲轴。锻造曲轴一般采用优质中碳钢和中碳合金钢制造，如30、35、35Mn2、40Cr、35CrMo等，经模锻、调质、切削加工后对轴颈部进行表面津火。铸造曲轴主要由铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁等制造，如ZG230-450、QT600-3、KTZ450-5，KTZ500-4等。铸造曲轴经铸造、高温正火、高温回火、切削加工后，对轴颈部要进行气体渗碳、淬火、回火处理。

     

汽车弹簧的选材

   

不同的弹簧用途不同：如汽车、拖拉机、火车中使用的悬挂弹簧，主要起缓冲或减振作用；汽车发动机中的气门弹簧，在外力去除后能自动恢复到原来位置，起到复位作用；钟表、玩具中的发条起储存和释放能量的作用。

对弹簧材料的主要性能要求是：高的弹性极限和高的屈强比，高的疲劳强度以及一定的塑性和韧性。一些特殊弹簧还要求有良好的耐热性和耐蚀性。

中碳钢和高碳钢都可制作弹簧，但因其淬透性和强度较低，只能用来制造截面较小、受力较小的弹簧。合金弹簧钢则可制造截面较大、屈服极限较高的重要弹簧。

汽车板簧用于缓冲和吸振，承受很大的交变应力和冲击载荷。其主要失效形式为刚度不足引起的过度变形或疲劳断裂。因此对汽车板簧材料的要求是要有较高的屈服强度和疲劳强度。

汽车板簧一般选用弹性高的合金弹簧钢制造，如65Mn、60Si2Mn钢等。对于中型或重型汽车，板簧还采用50CrMn，55SiMnVB钢；对于中型载货汽车用的大截面积板簧，则采用55SiMnV、55SiMnVNb钢制造。

板簧一般采用的加工工艺路线为：热轧钢板冲裁下料→压力成形→淬火、中温回火→喷丸处理。喷丸强化处理也是对板簧进行表面强化的重要手段，目的是为了提高板簧的疲劳强度。

气门弹簧是一种压缩螺旋弹簧，其用途是在凸轮、摇臂或挺杆的联合作用下，使气门打开和关闭。气门弹簧受力不是很大，可采用悴透性比较好、晶粒细小、有一定耐热性的50CrVA钢制造。其加工工艺路线为：冷卷成形→淬火、中温回火→喷丸处理→两端磨平。

     

箱体类零件的选材

   

一般箱体类零件结构复杂，具有不规则的外形和内腔，且壁厚不均匀。这类零件包括各种机械设备的横梁、支架、底座、齿轮箱、轴承座、阀体、泵体等，在汽车上的应用主要有气缸体、气缸盖、变速器壳体、驱动桥壳等，质量相差很大，从几千克到数十吨。工作条件相差也很大，其中有的基础件以承受压力为主，如内燃机气缸体、气缸盖，并要求有较好的刚度和减摩性；有的要承受弯曲、扭转、拉压和冲击载荷，如汽车的驱动桥。总的说来，箱体类零件受力不大，但要求有良好的刚度和密封性。

根据箱体类零件的结构特点和使用要求，通常以铸件作为毛坯，且以铸造性能良好、价格低廉，并具有良好耐压、耐磨、减摩性的灰铸铁为主。对于质量要求不严格的一般内燃机的气缸盖、气缸体可采用灰铸铁；对于受力复杂或受冲击载荷的零件则采用铸钢、可锻铸铁或球墨铸铁制造，如汽车的驱动桥壳。风冷发动机、小轿车发动机的气缸体、气缸盖可选用质轻、导热良好的铝合金制造。

对铸铁件应进行去应力退火或时效处理，铸钢件常采用完全退火或正火处理。

     

其他零件的选材

   

发动机的工作循环是在气缸内完成的。气缸内与活塞接触的内壁面，由于直接承受燃气的冲刷，并与活塞存在一定压力的高速相对运动，使气缸内壁受到强烈的摩擦。气缸内壁的过量磨损是造成发动机大修的主要原因之一。因此，气缸体一般采用普通铸铁或铝合金制造，而气缸工作面则用耐磨材料制成缸套镶入气缸内。

常用缸套材料为耐磨合金铸铁，主要有高磷铸铁、硼铸铁、合金铸铁等。为了提高缸套的耐磨性，可以用镀铬、表面淬火、喷镀金属钼或其他耐磨合金等办法对缸套进行表面处理。

活塞、活塞销和活塞环等零件组成活塞组，与缸体、缸盖配合形成一个容积变化的密闭空间，以完成内燃机的工作过程，在工作中承受燃气的作用力并通过连杆将力传给曲轴输出。活塞组工作条件十分苛刻，在高温、高压燃气条件下工作，工作温度最高可达1000℃以上，并在气缸内作高速往复运动，产生很大的惯性载荷。活塞在传力给连杆时，还承受着交变的侧压力。对活塞材料的性能要求是热强度高，导热性好，吸热性差，膨胀系数小，减摩性、耐磨性、耐蚀性和工艺性好。

常用的活塞材料是铝硅合金。铝合金的特点是导热性好、密度小；硅的作用是使膨胀系数减小，耐磨性、耐蚀性、硬度、刚度和强度提高。铝硅合金活塞需进行固溶处理及人工时效处理，以提高表面硬度。

连杆是汽车发动机中的重要零件。其作用是连接活塞和曲轴，并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，把作用在活塞上的力传递给曲轴以输出功率。

连杆工作时受到复杂的拉、压应力的作用，还要承受气体做功时的冲击载荷。其主要失效形式是疲劳断裂和过量变形。因此要求连杆材料必须具有良好的综合力学性能及高的疲劳强度。

通常连杆材料选用综合力学性能好的中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、40MnB等。合金钢虽具有很高的强度，但对应力集中很敏感。所以，在连杆外形、过渡圆角等方面需严格要求，还应注意表面加工质量，以提高疲劳强度，否则高强度合金钢的应用并不能达到预期效果。

对气门的要求是保证燃烧室的气密性。气门材料应选用耐热、耐蚀、耐磨的材料。进、排气门工作条件不同，材料的选择也不同。进气门一般可用40Cr、35CrSi、38CrSi、35CrMo、42Mn2V等合金钢制造；而排气门则要求用高铬耐热钢制造。采用4Cr10Si2Mo作为气门材料，可承受的工作温度为550~650℃；采用4Cr14Ni14W2Mo作为气门材料，可承受的工作温度为650~900℃。

在汽车零件中，冲压零件种类繁多，约占总零件数的50%~60%。汽车冲压零件采用的材料有钢板和钢带，钢板包括热轧钢板和冷轧钢板。

热轧钢板主要用来制造一些承受一定载荷的结构件，如保险杠、制动盘、纵梁等。这些零件不仅要求钢板具有一定的刚度、强度，而且还要求具有良好的冲压成形性能。冷轧钢板主要用来制造形状复杂、受力较小的机械外壳、驾驶室车身等覆盖零件。这些零件对钢板的强度要求不高，但却要求具有优良的表面质量和良好的冲压性能，以保证较高的成品合格率。

近年开发的加工性能良好、屈服强度和抗拉强度高的薄钢板（高强度钢板），由于其可降低汽车自重，提高燃油经济性，在汽车上获得了广泛应用。高强度钢板已用于制造横梁、边梁、保险杠、车顶、车门、前包围、后包围、行李箱、发动机罩等。

附 钢铁材料在汽车发动机零件上的应用

附 钢铁材料在汽车底盘及车身零件上的应用

参考资料《汽车材料与金属加工》