汽車用金屬材料熱處理技術(shù)發(fā)展動向

  為了降低汽車對環(huán)境的影響，實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展，必須實現(xiàn)汽車的輕量化，減少化石燃料的消耗，改進熱處理條件、提高設(shè)備效率。本文將介紹日本豐田汽車公司汽車輕量化及汽車用金屬材料熱處理的發(fā)展動向。

  1 汽車輕量化動向

  在全世界CO2排放量中，包括汽車在內(nèi)的運輸部門排放的CO2約占2成。汽車的CO2排放量中，行駛時的排放量占比近9成。

  車輛重量與CO2排放量密切相關(guān)，通過提高汽油、柴油、汽油混合動力、傳動齒輪機構(gòu)的效率，可以減少CO2的排放量，任何傳動齒輪機構(gòu)都與車輛重量和CO2排放量息息相關(guān)，減輕重量對CO2減排有很大影響。

  汽車輕量化主要對策包括：（1）變更結(jié)構(gòu)；（2）實現(xiàn)材料的高強度；（3）用輕型材料替代。對于汽車，可以采取縮小尺寸；通過車體構(gòu)件的高強化，使用薄壁、中空材料；行走部分等使用有色金屬材料等手段。

  1.1 車體的輕量化

  高強度材料正在用于車體，特別是結(jié)構(gòu)件，從駕駛員保護的角度出發(fā)，將這些構(gòu)件分為能量吸收構(gòu)件、變形控制構(gòu)件、形狀維持構(gòu)件，它們分別采用不同強度的鋼種。

  近年，通過將鋼板加熱后，鍛壓的同時進行淬火處理，成為具有普通鋼板大約4-5倍的抗拉強度的超高張力鋼板（熱鍛材料），即使板厚變薄，也能確保構(gòu)件強度超過普通鋼板。

  通過改進熱沖壓工藝，高強度材料能用于B立柱、儲物箱等復雜形狀部件，日本上一代普銳斯車型熱沖壓材料的使用范圍僅為3%，而第4代熱沖壓材料大幅擴展到19%，牢固的車體在保證安全性的同時，實現(xiàn)了輕量化。

  1.2 汽車零部件的輕量化

  1.2.1 連桿

  連桿用于連接柱塞與曲軸，具有將柱塞的往復運動轉(zhuǎn)變成曲軸回轉(zhuǎn)運動的功能。因此，連桿等部件的輕量化，不僅影響曲軸等外圍部件的輕量化，還對減少振動/噪音、摩擦損失有較大影響。

  連桿需要承受燃燒時的爆發(fā)力/沖擊力以及回轉(zhuǎn)慣性力，因此要求具有高抗彎曲強度和抗疲勞強度。連桿鋼材由鐵素體和珠光體組織構(gòu)成，為了提高強度，必須改善軟質(zhì)鐵素體組織。

  通常采用提高珠光體比率或者珠光體組織單層的手段，但是，這樣會降低切削性。

  新開發(fā)的材料通過優(yōu)化碳含量、釩含量，優(yōu)化了對切削性產(chǎn)生不良影響的鐵素體比率以及硬度，實現(xiàn)了材料的高強化，通過減小連桿的立柱斷面，使其重量減少了大約17%。

  1.2.2 齒輪

  齒輪大多安裝在傳動機構(gòu)、差動裝置中，是將發(fā)動機動力傳遞到軸的重要部件之一。為了提高發(fā)動機的輸出功率、提高效率，通常要求齒輪具有高強度、小型化的特點。

  以齒輪鋼為例，通過優(yōu)化硬度、冷鍛性能、采取措施防止?jié)B碳晶粒粗大、優(yōu)化成分/處理條件，開發(fā)出提高了低循環(huán)疲勞強度的材料。由此將4-小齒輪型變成2-小齒輪型，通過簡化裝置結(jié)構(gòu)，縮小了尺寸，并提高了差動裝置的允許扭矩。

  2 熱處理技術(shù)發(fā)展動向

  為了降低CO2排放，汽車用零部件的熱處理技術(shù)的發(fā)展趨勢是：減少活動部分、改進熱處理條件、提高設(shè)備效率。

  1）曲軸的高頻淬火

  曲軸是發(fā)動機的主要部件，為了減小柱塞和連桿運動產(chǎn)生的慣性力，備有配重，是最重的運動部件。此外，為了提高耐磨性、耐彎曲性、抗扭強度，曲軸銷、主軸頸的滑動面、肩角都經(jīng)過高頻淬火處理。

  將曲軸銷與曲軸的回轉(zhuǎn)中心—主軸頸錯開，在曲軸銷進行高頻淬火時，常規(guī)設(shè)備是以主軸頸回轉(zhuǎn)為中心，重量超過560kg的線圈作同步回轉(zhuǎn)（表面淬火），因此，必須使用大型設(shè)備。為此，引進機械手，在淬火時通過以曲軸銷回轉(zhuǎn)（機械手回轉(zhuǎn)淬火）為中心，線圈固定，活動部分重量為25kg（常規(guī)設(shè)備的1/22）。從而，縮短了影響生產(chǎn)能力的切換時間、大幅縮小了設(shè)備尺寸。通過進一步縮短加熱時間/自回火等，節(jié)省了能源，減少了CO2的總排放量。

  2）齒輪的滲碳處理

  滲碳采用丙烷、乙炔，冷卻時采用氮氣、氦氣。與氣體滲碳油淬相比，碳分布的再現(xiàn)性好，淬火后進行緩冷，因此，減少了部件形狀造成的冷卻不均勻，變形穩(wěn)定。 此外，設(shè)備采用高性能隔熱材料，減少了爐壁熱量損失，通過縮小爐床/冷卻室的容積，大幅減少了CO2的排放量。

  混合動力系統(tǒng)的動力傳送與分配采用了雙行星齒輪一體式反轉(zhuǎn)齒輪等。

  3）鋁爬行轉(zhuǎn)向節(jié)

  鋁鍛造轉(zhuǎn)向節(jié)的材質(zhì)為A6061-T6鋁合金，與普通鋼轉(zhuǎn)向節(jié)相比，在減輕25%重量的同時，通過開發(fā)鍛造—熱處理—機加工生產(chǎn)線，優(yōu)化了熱處理條件。與常規(guī)生產(chǎn)線相比，能量、熱處理時間基本減半，所占空間減小1/3。

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