汽车主要零部件材料的选用方法分析

朱晓华

摘 要：材料的不断革新是汽车制造业技术进步中最为显著的一项内容，尤其是汽车零部件的选择，直接关系着汽车的耐用性和安全性。本文对汽车零部件材料的选择方法进行分析，并对汽车齿轮类和轴类零件材料的选择方法进行较为详细论述，通过零部件的具体性能选择合适的材料有助于提升汽车可靠性能。

关键词：零部件;选用;汽车

汽车制造、汽车运行和汽车美容都离不开材料。材料是汽车工业发展的重要基础。据统计，世界上每年钢材产量的1/4，橡胶产量的1/2，以及石油产量的1/2均被用于汽车及相关工业[1]。在进行汽车零件的材料选择时，只有做到合理选择，在工作时最大化发挥使其效能，保证汽车的耐用性能，零件的加工工艺性能和经济性会更优越，并保障环境不被污染。本文将对汽车主要零部件的材料选择的方法、步骤，以实例方式具体的分析了汽车主要零部件材料的选用方面内容。

1 汽车零件材料选择的方法和步骤

1.1 按照材料使用性能选择

对零件的工作条件进行分析，保证其使用性能可以发挥出来，对零件的工作条件分析后确定零件具体的使用性能。比如当零件静载的时候，使用性能表现为材料抵抗弹性或塑性变形能力。如果是交变载荷状态下，使用性能则以疲劳抗力为主。

1.2 通过失效分析来确定零件的使用性能

汽车零件应该具有在特定温度下，承受一定载荷状态下保持自身自身几何形态和尺寸的能力，可以使得汽车完成限度之内的机械运动，将力和能量等传递下去。如果汽车零件超过设计的要求时便会发生失效。按照汽车零件可以承受的载荷类型及外部各种条件，汽车零件时效可分为3个大类：①零件表面损伤失效;②断裂失效;③过量变形失效。失效分析的基本步骤是[2-3]：

（1）对发生失效的零件及残骸进行统一收集并拍照记录，寻找零件失效发生的部位，在这个部位取样。

（2）对失效零件的资料进行详细整理和分析，如设计图样、实际加工工艺过程及尺寸、使用情况等，对失效零件从设计、加工、使用各方面进行全面分析。

（3）对所选试样进行宏观（用肉眼或立体显微镜）及微观（用高倍的光学或电子显微镜）的断口分析，必要时对零件的金相剖面进行分析，定位出零件发生失效的地点与方式。

（4）分析与测试样品的成分与性能，包括检验材料成分是否符合要求，分析失效零件上的腐蚀产物、磨屑的成分，检验材料有无内部或表面裂纹和缺陷，材料的组织是否正常，测定与失效方式有关的各项性能指标，并与设计时所依据的性能指标数值做比较。

（5）综合各方面资料，判断并确定失效的具体原因，提出改进措施。

1.3 零件使用性能要求

这一过程是通过定量化的数据分析和计算，将零件的使用性能转化为一些非常直观的数字指标与数值，再参考相关的资料、手册、标准中对于材料使用性能的使用范围规定，按照指标数据对应选材，对于非常规力学性能，如断裂韧度及腐蚀介质中的力学性能等，通过模拟试验取得数据，或从有关专门资料上查到相应数据进行选材。

1.4 根据材料的经济性选材

在满足使用性能的前提下，应首选价格便宜、能够降低生产零件的总成本的材料。有时候虽然选择的材料性能好，材料的价格一般较为昂贵，不过性能好的零件拥有更轻的重量、使用寿命更长、便于维修且费用低，使用起来却更为经济。例如汽车用钢板，若将低碳优质碳素结构钢改为低碳低合金结构钢，虽然提高了钢的成本，但由于钢的强度提高，厚度可以减薄，用材总量、油耗、维修费等都减少，寿命提高，所以反而降低了总成本此外，选材时还应尽量选用资源、生产和供应丰富的材料。

2 典型汽车零件的选材举例

2.1 汽车齿轮的选材

汽车齿轮的作用主要是扭矩的传递，汽车车速的变换及力量方向的改变。当齿轮工作时，其根部由于传递扭矩而承受了较大交变弯曲力。齿轮转动时，由于齿啮合而使得齿轮上承担的接触压应力较大，这个过程所遭受的摩擦和磨损也较大。汽车齿轮在换挡、启动、制动等诸多过程中均会受到一定冲击力。这时齿轮失效常常表现为齿的断裂、齿轮表面的损伤等。

按照齿轮的工作条件与失效方式的情况，汽车的齿轮材料需要具备如下性能：首先，弯曲疲劳强度更高，可以防止轮齿因疲劳而发生断裂。其次，齿心强度与韧性需要達到设计要求，这是为了防止轮齿断裂。再次，轮齿的硬度和耐磨性要足够高，避免齿面发生损伤。最后，齿轮的工艺性能要好，例如齿轮的切削加工性能，热处理时的变形规律，淬透性达到标准等。

汽车齿轮用材主要是合金渗碳钢，如20Cr，20CrMnTi，20MnVB等。这类钢经正火处理后再经渗碳、淬火和低温回火处理后，表面硬度可达55～65HRC，心部硬度为35～45HRC。

合金渗碳钢齿轮加工工艺流程为：材料下料与锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火+低温回火→喷丸→磨削加工→成品。其中，采用正火处理能够使其组织更为均匀，调整齿轮的硬度，使其切削加工性能更佳。渗碳就是将齿面的含碳量相应提升（一般提升至0.8%～1.05%）。淬火的目的是提高齿面硬度，使得齿面的耐磨性与齿轮接触疲劳强度得以提升。低温回火能够有效地降低淬火应力，消除零件的磨削裂纹，提升零件的冲击抗力。喷丸处理能够提升齿轮表面的残余压应力，使得接触疲劳强度得以提升[3]。

2.2 汽车轴类零件的工作条件、失效形式及性能要求

汽车的轴类零件主要是为了传递扭矩及支承传动过程。汽车的轴类零件主要会因为工作疲劳发生断裂及轴颈处磨损等，冲击过载断裂也是常发生的一种现象之一。

汽车的轴类零件材料需要具备的性能有以下几种：第一，抗疲劳强度高，这是为了避免轴类因疲劳而发生断裂;第二，轴类的综合力学性能优越，也就是其屈服强度与抗拉强度要高，韧性要足够强，主要是避免轴类由于塑性变形、过载等情况下的折断和扭断。有时候汽车运行的特殊性，需要轴类材料也应具备相应的特殊性能，比如蠕变抗力、耐腐蚀性等。

（1）汽车发动机曲轴

汽车发动机曲轴在工作时受气缸中周期性变化的气体压力、曲柄连杆机构的惯性力、扭转和弯曲应力，以及扭转振动和冲击力的作用，由于形状复杂，其上的应力分布极不均匀，并且曲轴颈与轴承还会发生滑动摩擦，因此汽车发动机曲轴的主要失效形式是疲劳断裂和轴颈严重磨损[4]。根据汽车发动机曲轴的工作条件和主要失效形式，要求其材料应具备高的强度和一定的冲击韧性，足够的抗弯、扭转和疲劳强度，轴颈表面有高的硬度和耐磨性。

汽车发动机曲轴一般采用优质中碳钢和中碳合金钢，如30，35，35Mn2，40Cr，35CrMo等。这类材料通常采用锻造成型。近年来，也有用铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁等制造，如ZG230-450，QT600-3，KT2450-5，KT2500-4等。这类材料通常采用铸造成型。

锻造曲轴的工艺路线为：下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→轴颈表面淬火+低温回火→精磨→成品。正火处理可细化组织，调整硬度，改善切削加工性;调质处理可获得高的综合力学性能和疲劳强度;局部表面淬火及低温回火可获得局部高硬度和耐磨性。

铸造曲轴的工艺路线为：熔炼→铸造→正火+高温同火→机械加工→轴颈表面淬火+低温同火→成品。这种曲轴质量的关键是铸造质量，要保证球化良好并无铸造缺陷，经正火增加组织中的珠光体含量和细化珠光体片，以提高其强度、硬度和耐磨性，最后用高温回火消除正火风冷所造成的内应力。

（2）汽车半轴

汽车半轴在工作时受发动机传递来的扭转力矩，车轮作用的垂直力和侧向力，牵引力和制动力形成的纵向力，交变弯曲载荷，以及一定的冲击载荷等，因此汽车半轴的主要失效形式是集中于杆部或花键根部的疲劳断裂。根据汽车半轴的工作条件和主要失效形式，要求其材料应具备足够的抗弯强度、疲劳强度和较好的韧性、耐磨性等综合力学性能。

汽车半轴通常采用调质钢。中、小型汽车的半轴材料一般用45，40Cr，而重型汽车用40MnB，40CrNi或40CrMnMo等淬透性较高的合金钢制造。

汽车半轴的工艺路线与汽车发动机曲轴相似，不同之处仅在于花键部位需要进行表面淬火和低温回火处理，以提高硬度和耐磨性。

3 结语

近些年来，我国的汽车材料体系得到长足发展，市场上不断涌现出技术含量较高的新产品，使用在汽车上的高性能铜板、塑料国产化也在加速进行，铝合金（除板材外）与成型技术已经可以满足目前大多数汽车商的需求，而采用的镁合金材料也已经发展到一定的水准，汽车镁铸件的市场规模已经初步形成并快速發展。尤其是在汽车零部件上的材料选用越来越科学化，依照选用的方法和步骤进行选择，汽车齿轮类选材主要是合金渗碳钢，汽车发动机曲轴一般采用优质中碳钢和中碳合金钢，而汽车半轴通常采用调质钢。根据汽车零部件的工作性能选择对应的材料，不但可以提升汽车的稳定性还对驾驶者的安全起到保护作用。

参考文献：

[1]敖炳秋. 浅谈汽车零部件材料及制造工艺的发展趋势[J]. 汽车科技，1996（01）：4-14.

[2]王鉴， 王思， 张楠， 等l. 改性聚丙烯材料在汽车零部件上的应用进展[J]. 炼油与化工， 2011（006）：5-9.

[3]刘道春. 汽车零部件的粉末材料技术及其发展[J]. 柴油机设计与制造， 2011， 17（1）：6-12.

[4]佟国栋. 国内外铝镁材料在汽车零部件上的应用现状及发展趋势[C]// 第五届中国有色合金及特种铸造国际会议论文集. 2007.