符合汽车轻量化要求的金属材料

技术分类: 工程材料    作者:张英才 一汽集团汽车材料研究所副总  发表时间:2007-11-27
的轻量化。通过有限元分析,螺旋弹簧内、外侧应力均匀分布的柠檬形断面弹簧钢丝得以开发,使弹簧实现7%的轻量化。
  
  提高弹簧疲劳强度的有效途径是对弹簧进行喷丸和氮化处理。弹簧的喷丸,除了传统的应力喷丸之外又发展了双级喷丸。喷丸和氮化也可以复合使用。
  
  (2) 齿轮
  汽车发动机有高功率化的趋势,而传动器有紧凑小型化的倾向。这势必加大传动齿轮的负荷,从而对齿轮钢的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度的要求也相应提高。
  
  提高钢中Ni、Cr、Mo等合金元素的含量可以提高齿轮钢的淬透性和强度,但单纯靠合金元素来强化齿轮钢会使钢的切削性能变坏、热处理工艺复杂,原材料成本和生产成本都会大幅度提高。齿轮渗碳时,为了防止或减少异常层的出现,降低钢中的Si和P含量,Mo量增加到0.35%~0.45%,并采用经改良的碳氮共渗工艺。改进的钢种可使齿轮实物的冲击寿命提高3~5倍,若在上述降低表面异常层钢种加上强力喷丸,可使齿轮疲劳极限提高20%~30%。
  
  齿轮钢中的非金属夹杂物是疲劳裂纹的起点,会降低强力喷丸的强化效果,为此开发了高纯净度齿轮钢。例如对SCM420HZ钢,将氧浓度降到9ppm以下、磷浓
度降到90ppm以下时,与前述降低表面异常层的低Si高Mo钢相比,齿轮齿根弯曲疲劳寿命提高10%~17%,接触疲劳寿命提高25%。
  
  高强度铸铁
  铸铁由于其性能和成本方面的诸多优点,在汽车材料中仍然占有一席之地。铸铁材料的进步更使之在汽车上的应用出现了新亮点。
  
  (1) 球墨铸铁
  铁素体球墨铸铁拉伸强度可达500MPa,韧性也较高,因此多用于底盘零件,有的车型甚至用作转向节等保安件。
  
  珠光体球墨铸铁强度更高,在一些零件上可代替锻钢件。带平衡块的4缸轿车发动机曲轴采用球墨铸铁加圆角滚压强化,已成为美、德、法等国汽车厂家的标准工艺。因球铁的密度比钢约小10%,所以以球铁代钢可以产生一定的轻量化效果。
  
  奥贝球铁(ADI-Austempered Ductile Iron)具有很高的强度和韧塑性,按美国和德国标准制造的奥贝球铁牌号,其最高强度级别达到1400MPa,超过了调质钢和渗碳钢的强度水平。可以用ADI代替钢制造汽车轮毂、全轮驱动双联杆、转向节臂、发动机正时齿轮、曲轴和连杆等。经实物测量,代替锻钢制造曲轴可以降重10%,代替铝合金制造载货车轮毂每只可降重0.5kg。
  
  (2) 蠕墨铸铁
  蠕墨铸铁(Vermicular graphite cast iron)又称紧密石墨铸铁(Compacted graphite cast iron),其机械-物理性能和铸造工艺性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间,很适合制造强度要求较高和要承受热循环负荷的零件,如气缸体、气缸盖、排气歧管和制动鼓等。
  
  蠕墨铸铁的发现与球铁同时,但由于蠕化工艺控制难度较大而应用受到限制,Sinter Cast工艺控制系统为蠕铁的应用开辟了广阔的前景。Ford汽车公司从1996年开始应用这套系统生产发动机气缸体。据称蠕铁气缸体比灰铸铁气缸体降重16%,而结构刚度则提高12%~25%。采用蠕铁制造气缸体还可改善摩擦磨损性能、降低振动和噪音、改善排放。  
  
  粉末冶金材料
  
  粉末冶金材料成分自由度大和粉末烧结工艺的近净形特点,其在汽车上的应用有增加的趋势,特别是铁基粉末烧结材料在要求较高强度的复杂结构件上的应用越来越多。
  
  组装式粉末冶金空心凸轮轴是近年来的新产品,它是由铁基粉末冶金材料制成凸轮,然后用烧结或机械的办法固定在空心钢管上组成。与常规的锻钢件或铸铁件相比,可降重25%~30%。此种凸轮轴已在高速汽油机上使用,随着柴油机凸轮轴服役工况的日益苛刻,粉末冶金空心凸轮轴有推向柴油机的趋势。
  
  粉末锻造连杆已经成功应用,近年开发的一次烧结粉末冶金连杆技术的生产成本较低,可实现11%的轻量化。德国Opel公司装在2.0L的OHC发动机上行驶30万km的效果未见异常。

































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