汽车零件中金属材料的选择及热处理分析研究

1 引言

在构成汽车的三万多个零件中，其中金属零件占绝大多数，大至车身钣金、车架、发动机、变速箱、车桥、钢圈，小至金属安装支架、螺栓螺母等，无不在汽车各个系统中扮演非常重要的角色；选择过程中不但要考虑零件使用工况，更要结合金属零件材料自身强度、刚度性能，结合与实车匹配性要求；更要从低成本、轻量化等方面因素综合考虑，在进行比较深入的失效分析和相应的仿真分析后，最终确定金属材料的选型及加工工艺。

2 汽车零件中金属材料的选择要求及原则

2.1 汽车零件中金属材料的选择要求

汽车金属零件合理的选材首要件是要满足零部件服役时所需使用性能的材料。因此必须要了解产品的工作条件对材料性能的要求。工作条件等的不同，对其零部件性能自然有着不同的要求，具体表现在受载大小、形式及性质的不同，受力状态、工作温度、环境介质、摩擦条件等的不同。例如：

耐腐蚀金属材料：对于长期接触腐蚀介质的材料来说，多选用不锈钢和镀锌材料。不锈钢材料中，镍（Ni）、铬（Cr）按固定化学成分配比得到固溶体电位突变式升高效应，是提高材料耐蚀性关键原理，因此保证不锈钢的合金成分是保障材料耐蚀性的关键要素。镀锌材料通过钢板表面物理附加纯锌层或形成锌铁合金的形式，通过锌元素对钢材基体形成阴极保护防腐，其防腐性能主要取决于锌层厚度及镀锌工艺质量。

抗疲劳金属：保护属于对于长期服役于交变应力下的零件，需要考察其长期使用的可靠性。如对汽车发动机来说，曲轴是发动机中工作环境最恶劣的零件之一，因此对其材料性能有较高的要求，如在高温条件下具备较高的机械强度以及疲劳性能。

2.2 汽车零件中金属材料的选择原则

2.2.1 使用持久性原则：

①具有较强的耐磨性，如汽车变速箱齿轮，可用材料合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi等；

②具有较强的抗冲击力，如汽车发动机曲轴，可用优质中碳钢、中碳合金钢、铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻造铸铁及合金铸铁，如 ZG230-450、QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等。

③具有较强的抗疲劳性，如汽车板簧，可用弹性高的合金弹簧钢来制造，如65Mn、65Si2Mn，对于中型或重型汽车，板簧还采用50CrMn、55SiMnVB、55 SiMnMoV、55 SiMnMoVNB等。

④具有较强的耐腐蚀性，排气管、三元催化器可使用SUS304不锈钢制造。车身外板、地板等易划伤部分，可使用镀锌钢板制造。

④具有较强的塑性；如汽车车身金属覆盖件，可用延展性、可塑性和拉延率较大的材料：35CrMOA、08AL等等。

2.2.2 工艺易实现性原则

金属材料的工艺性表示材料加工的难易程度，材料的工艺性能应能满足生产工艺的要求，加工工艺不仅影响零件的成型，还影响其最终性能。汽车金属材料加工工艺路线复杂，多样化，列举如表1：

2.2.3 成本经济性原则

考虑零件性能需求及材料特性，采用最适合且低成本的材料，把零件成本降至最优，取得最大的成本竞争优势和经济效益，使得性能与成本之间达到最优化平衡。

3 汽车零件金属材料热处理

3.1 热处理主要工艺及应用

所谓热处理是指金属材料在固态情况下，通过加热、保温和冷却方法，从而使材料内部组织和自身性能发生改变以获得一种理化性能更加优越的金属材料的热加工工艺；其主要目的是为了提高钢材的硬度 、抗拉强度、韧性与耐磨性以及钢材的塑性；其中最基础的就是四把火即：退火、正火、淬火和回火，其主要工艺过程如图1：

除此之外其它常用的热处理工艺有固溶热处理、时效、固溶处理、时效处理、钢的碳氮共渗、调质处理及钎焊；

表1金属零件性能要求 工艺路线介绍 常用材料造型简单的冲压钣金零件工艺路线 落料→成型/拉延→切边冲孔→零件 DC01、DC03、ST37-2G、HC420/780DP、HC420LA造型复杂的冲压钣金零件工艺路线①落料→拉延→二次拉延→切边→整形→冲孔→零件冲孔②落料→加热→热冲压→激光边切孔→零件DC04、DC06、210P1、HC340/590DP、HC340LA、22MnB5性能不高的金属机加工零件工艺路线 毛坯→正火或退火→切削加工→零件 15、20、45、40Cr性能要求较高的金属机加工零件工艺路线毛坯→预先热处理（正火或退火）→粗加工→最终热处理（淬火、回火或渗碳处理等）→粗加工→零件 40CrNi、40CrMn、35CrMo性能要求较高的精密金属机加工零件工艺路线毛坯→预先热处理（正火或退火）→粗加工→最终热处理（淬火、回火或渗碳处理等）→半精加工→稳定化处理或氮化→精加工→稳定化处理→零件T8/T8A、T9、T10/T10A、T11、T12、T13、Cr12MoV

文章来源：《材料热处理学报》 网址: http://www.clrclxbzz.cn/qikandaodu/2021/0118/445.html