第1章 汽车零件的材料与热处理特点
1.1汽车用钢的要求与选材
通常汽车约由三万多个零件组成，材质以金属材料为主。其中，钢铁材料约占汽车总质量的80％左右，非铁金属材料占3％～4.7％。汽车中的钢铁材料主要包括钢板（约占50％)、新型弹簧钢（悬架系统用硅钢板)、低合金微调质钢（含有V、Ti、Nb)、高性能钢板、镀覆钢板、齿轮用钢等。非铁金属材料主要有铝合金、铝基复合材料、镁合金材料和钛合金材料等，可用于制造车轮、气门座圈、排气系统部件等。另外，还有铁基粉末冶金材料，可用于制造轴承、进排气门、凸轮、齿轮和支架等。
由于钢铁材料具有强度高、成本低、加工难度小、生产工艺成熟（易铸造、易成形、易切削加工和易焊接)、容易回收和再利用等优点，故成为汽车制造中最重要的材料。
非铁金属材料中的轻金属具有材质轻、导电性好等特性，在汽车制造中应用量呈上升趋势，如铝、镁、钛等材料可减轻汽车质量，是提高节能性和环保型的首选材料，另外，具有比强度和比刚度均高、易加工成形、阻尼减振性和电磁屏蔽性强、废料易回收等特点。因此，非铁金属材料是汽车制造业必不可少的材料。
汽车材料的选用应符合以下要求:承受正常工作所产生的应力与应变，具有低的材料成本和加工成本，不破坏环境并可回收。
1.1.1汽车用钢的种类
用于制造汽车的钢材品种主要包括型钢、热轧中板、热轧薄板、钢带、优质钢材和钢管等，其中以薄板与优质钢材为主。
热轧钢板主要用于载货汽车车架纵梁、横梁、车厢横梁、车轮轮辐，轿车车轮轮辋与轮辐等。热轧薄板用于制造车身，其要求钢板成形性能良好、表面质量好。轿车车身采用电镀锌板、热镀锌板等。优质钢材包括碳素结构钢、合金结构钢、弹簧钢、易切削钢、冷镦钢、耐热钢等，其中以齿轮钢用量较大。表1-1为我国汽车用钢铁材料种类及其比例。
表1-1我国汽车用钢铁材料种类及其比例 （％)
1.冷轧板、带
冷轧钢带是制造汽车覆盖件与车体内部加强板、防护板、连接板以及梁等最主要的材料，其他应用板材多为冷轧板及镀锌板，轿车的冷轧板用量为450～550kg。
冷轧板在客车上用作蒙皮，在小型和微型客车上主要用于外覆盖件与加强板和梁等。
冷轧板在载货汽车上用作外盖板、顶盖板、翼子板、保险杠以及内板等。
2.热轧板
轿车采用热轧薄板制造垫板、支架、冲击桥壳以及轮辋和轮辐等；客车用热轧薄板制造各种支架和底座等；载货汽车用热轧薄板制造车架和车厢横、纵梁等。
1.1.2高强度钢板及应用
该类钢板是指经过固溶强化、析出强化、晶粒细化强化和应变组织强化的组合设计，并能满足强度和加工性能要求的材料，其强度与相对密度的比值高于相应的传统材料，通常将抗拉强度在370MPa以上的热轧钢板和340MPa级以上的冷轧钢板称为高强度钢板。
1.分类
高强度钢板可按冲压级别、生产工艺、强化机理和屈服强度进行分类，通常按生产工艺分为冷轧高强度钢板和热轧高强度钢板。冷轧高强度钢板用于汽车车身零件，如车门、发动机外罩板和内罩板以及车身结构件等；热轧高强度钢板则用于制造载货车横纵梁、车轮、制动盘等。
2.高强度钢板的应用
汽车外板，如发动机机罩、车门、行李架、侧围外板等，应用了340MPa级烘烤硬化型钢板（BH钢板)和440MPa级高强度材料，车身骨架部件采用440MPa和590MPa级别的高强度材料，结构支撑件材料的级别已达800～1000MPa，制造前后保险杠、横纵梁和柱等。车身主要部位采用热成形钢板可大大提高车身强度。有资料指出，高强度钢板在汽车上的使用率将超过70％。
1.1.3汽车零件结构及加工工艺特点对材料的技术要求
表1-2为汽车部件分类及对钢材的技术要求。
表1-2汽车部件分类及对钢材的技术要求
1.车身对钢材的要求
汽车用钢材（包括热轧钢板、冷轧钢板和镀层板等)是汽车上的主要原材料，减轻汽车自重的高强度钢板主要用于汽车外壳和结构件，主要有汽车表面用钢板和汽车车体用钢板。汽车车身使用的材料主要有薄钢板、镀锌薄钢板、薄铝板、合金板等。
2.车轮对钢材的要求
汽车车轮轮辋经下料卷圈、闪光对焊、水冷、去飞边、扩口、滚形扩展、打充气孔等工序完成；轮辐则经过正拉深、反拉深、镦形整形、冲孔、修边、冲螺栓孔、挤球形翻边等工序完成，最后采用CO2保护焊将轮辋和轮辐组装成车轮。
3.齿轮对钢材的要求
为解决齿轮损伤问题，对齿轮用钢进行二硫化钼的涂覆等润滑处理，同时应采用高强度和无需润滑处理的材料等。
4.连杆对钢材的要求
要求连杆具有良好的综合力学性能，其应采用调质钢制造，也可采用非调质钢等代替碳素结构钢来制造汽车发动机连杆。
5.弹簧对钢材的要求
从传统材料的1000MPa级向1200～1300MPa级的高强度化方向发展，在实现弹簧高强度化的过程中，同时要考虑到永久变形性、疲劳强度、腐蚀环境下的疲劳寿命等，即高弹性与高的疲劳极限的有机结合，通常选用的材料有65Mn、60Si2MnA、50CrVA等。气门弹簧的钢丝疲劳寿命要求达到2300万次，因此对弹簧钢丝的生产稳定性要求十分苛刻。
6.气门对钢材的要求
要求气门材料在工作条件下，耐热、耐腐蚀、抗氧化及耐磨，且具有良好的导热性，即具有良好的综合力学性能。
7.冷镦件对钢材的要求
汽车用紧固件（如螺栓、螺钉和螺母等)的工作条件较差，工作应力明显提高，要求紧固件用钢具有更高的强度。常用冷镦钢的强度级别为700～1000MPa，目前其要求提高到了1100MPa以上，同时也提出了抗延伸破坏性能、耐蚀性和加工性能等方面的要求。
对于抗拉强度超过1200MPa的螺栓，在静态应力作用下，经过一定时间会出现延迟断裂，为此需要采取减少晶界偏析、细化晶粒和提高回火温度等措施。
1.1.4汽车主要零件的选材
1.发动机缸体、缸盖和缸套
考虑到发动机的缸体、缸盖要承受燃烧过程中高温、高压和高速运动件的振荡力和摩擦磨损，同时要承受重力以及螺栓拧紧时局部巨大的压应力等作用，其应具有较高的强度、良好的铸造性能和机械加工性能，缸体材料多采用灰铸铁（HT200或HT250)和铝合金等。轻型化和小型车的缸体、缸盖多采用铝合金，用铸铝件代替铸铁件。
缸套采用耐磨材料，一般采用高磷铸铁、硼铸铁、合金铸铁等耐磨铸铁等制造，采用镀铬、表面淬火、喷镀金属或其他耐磨合金的方法对缸套进行表面处理，目的是提高其耐磨性。
2.发动机曲轴
发动机曲轴在工作中承受弯曲、扭曲、剪切、拉压、冲击等交变应力的作用，其主要失效形式为疲劳断裂和轴颈磨损等，锻造曲轴和铸造曲轴采用的材料是不同的，锻造曲轴一般采用中碳钢和中碳合金钢制造，如30、45、35Mn2、35CrMo、40Cr等。铸造曲轴多采用铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁等，如ZG230-450、QT600-3、QT700-2、KTZ450-06、KTZ550-04等。
3.活塞组件
在发动机运转过程中，活塞组件受到周期性变化的高温高压燃气的作用，其工作温度高达2000℃，同时在气缸内高速往复运动时产生很大的惯性力，并承受交变侧向力，工作条件十分苛刻。
（1)活塞材料 要求活塞材料具有耐热性和导热性好，吸热少，膨胀系数小，减摩性、耐磨性、耐蚀性和工艺性好的特点。由于铝合金导热性好、密度小，而硅能使膨胀系数减小，提高耐磨性和耐蚀性，并能提高强度、硬度和刚度等，故活塞材料常选用硅铝合金，并进行固溶处理和时效处理。
（2)活塞环材料 要求耐磨性与耐热性好、韧性佳、易磨合，并具有良好的加工性能。目前活塞环多采用以珠光体为基体的灰铸铁，或采用在灰铸铁中加入一定数量的铜、铬、钼、钨等元素的合金铸铁，也可采用球墨铸铁或可锻铸铁。为了提高活塞环的使用寿命，还要进行镀铬、喷钼、磷化、氧化等表面处理，目前应用十分广泛的为表面镀铬，可提高寿命2～3倍。
（3)活塞销材料 要求具有足够的刚度、强度和耐磨性，并具有较高的疲劳强度和韧性，一般选用20、20Cr、18CrMnTi等低碳合金钢（渗碳钢)，并进行渗碳或液体碳氮共渗的表面处理，以满足其工作需要。
4.气门
气门在发动机内工作时，承受较大的机械载荷、热负荷和相当大的冲击，要求具有良好的密封性，因此要求材料具有耐热性、耐磨性、耐蚀性等特点。因进、排气门的工作条件不同（进气门工作温度为300～400℃，排气门则达到650～850℃)，故选用的材料不同。按QC/T 469—2002《汽车发动机气门技术条件》可知，进气门采用合金结构钢和部分马氏体耐热钢，而排气门则选用马氏体耐热钢、奥氏体耐热钢以及高温合金等。
5.齿轮
汽车用齿轮数量较多，其受力较大、冲击频繁，主要失效形式为齿面磨损、疲劳断裂、齿面接触疲劳破损等，故要求材料具有很高的强度和疲劳强度，并具有良好的冲击韧度和耐磨性。目前国内汽车齿轮用材多选用20Cr、20CrMnTi等合金渗碳钢，并进行渗碳、淬火以及低温回火处理等，个别采用等温淬火球墨铸铁材料制造。
6.螺栓、铆钉等连接零件
螺栓、铆钉等连接零件主要起连接、紧固、定位等作用，连接零件不同，工作条件和受力也不同，故材料的选用是不同的。通常螺栓、铆钉等连接零件采用一般冷镦钢材，而高强度螺栓采用回火马氏体钢和贝氏体钢。
7.半轴
半轴主要承受扭转力矩和一定的冲击载荷，要求其材料具有较高的综合力学性能，即具有很高的抗弯强度、疲劳强度和良好的韧性。通常半轴采用调质钢，并进行喷丸处理及滚压凸缘根部圆角强化处理。一般中小型汽车半轴采用45和40Cr钢，重型汽车则采用40MnB、40CrNi、40CrMnMo等淬透性较高的合金钢。
汽车主要零件（发动机与底盘)的材料选用情况见表1-3。
表1-3汽车主要零件（发动机与底盘)的材料选用情况
（续)
