汽车用金属材料热处理技术发展动向

  为了降低汽车对环境的影响，实现社会的可持续发展，必须实现汽车的轻量化，减少化石燃料的消耗，改进热处理条件、提高设备效率。本文将介绍日本丰田汽车公司汽车轻量化及汽车用金属材料热处理的发展动向。

  1 汽车轻量化动向

  在全世界CO2排放量中，包括汽车在内的运输部门排放的CO2约占2成。汽车的CO2排放量中，行驶时的排放量占比近9成。

  车辆重量与CO2排放量密切相关，通过提高汽油、柴油、汽油混合动力、传动齿轮机构的效率，可以减少CO2的排放量，任何传动齿轮机构都与车辆重量和CO2排放量息息相关，减轻重量对CO2减排有很大影响。

  汽车轻量化主要对策包括：（1）变更结构；（2）实现材料的高强度；（3）用轻型材料替代。对于汽车，可以采取缩小尺寸；通过车体构件的高强化，使用薄壁、中空材料；行走部分等使用有色金属材料等手段。

  1.1 车体的轻量化

  高强度材料正在用于车体，特别是结构件，从驾驶员保护的角度出发，将这些构件分为能量吸收构件、变形控制构件、形状维持构件，它们分别采用不同强度的钢种。

  近年，通过将钢板加热后，锻压的同时进行淬火处理，成为具有普通钢板大约4-5倍的抗拉强度的超高张力钢板（热锻材料），即使板厚变薄，也能确保构件强度超过普通钢板。

  通过改进热冲压工艺，高强度材料能用于B立柱、储物箱等复杂形状部件，日本上一代普锐斯车型热冲压材料的使用范围仅为3%，而第4代热冲压材料大幅扩展到19%，牢固的车体在保证安全性的同时，实现了轻量化。

  1.2 汽车零部件的轻量化

  1.2.1 连杆

  连杆用于连接柱塞与曲轴，具有将柱塞的往复运动转变成曲轴回转运动的功能。因此，连杆等部件的轻量化，不仅影响曲轴等外围部件的轻量化，还对减少振动/噪音、摩擦损失有较大影响。

  连杆需要承受燃烧时的爆发力/冲击力以及回转惯性力，因此要求具有高抗弯曲强度和抗疲劳强度。连杆钢材由铁素体和珠光体组织构成，为了提高强度，必须改善软质铁素体组织。

  通常采用提高珠光体比率或者珠光体组织单层的手段，但是，这样会降低切削性。

  新开发的材料通过优化碳含量、钒含量，优化了对切削性产生不良影响的铁素体比率以及硬度，实现了材料的高强化，通过减小连杆的立柱断面，使其重量减少了大约17%。

  1.2.2 齿轮

  齿轮大多安装在传动机构、差动装置中，是将发动机动力传递到轴的重要部件之一。为了提高发动机的输出功率、提高效率，通常要求齿轮具有高强度、小型化的特点。

  以齿轮钢为例，通过优化硬度、冷锻性能、采取措施防止渗碳晶粒粗大、优化成分/处理条件，开发出提高了低循环疲劳强度的材料。由此将4-小齿轮型变成2-小齿轮型，通过简化装置结构，缩小了尺寸，并提高了差动装置的允许扭矩。

  2 热处理技术发展动向

  为了降低CO2排放，汽车用零部件的热处理技术的发展趋势是：减少活动部分、改进热处理条件、提高设备效率。

  1）曲轴的高频淬火

  曲轴是发动机的主要部件，为了减小柱塞和连杆运动产生的惯性力，备有配重，是最重的运动部件。此外，为了提高耐磨性、耐弯曲性、抗扭强度，曲轴销、主轴颈的滑动面、肩角都经过高频淬火处理。

  将曲轴销与曲轴的回转中心—主轴颈错开，在曲轴销进行高频淬火时，常规设备是以主轴颈回转为中心，重量超过560kg的线圈作同步回转（表面淬火），因此，必须使用大型设备。为此，引进机械手，在淬火时通过以曲轴销回转（机械手回转淬火）为中心，线圈固定，活动部分重量为25kg（常规设备的1/22）。从而，缩短了影响生产能力的切换时间、大幅缩小了设备尺寸。通过进一步缩短加热时间/自回火等，节省了能源，减少了CO2的总排放量。

  2）齿轮的渗碳处理

  渗碳采用丙烷、乙炔，冷却时采用氮气、氦气。与气体渗碳油淬相比，碳分布的再现性好，淬火后进行缓冷，因此，减少了部件形状造成的冷却不均匀，变形稳定。 此外，设备采用高性能隔热材料，减少了炉壁热量损失，通过缩小炉床/冷却室的容积，大幅减少了CO2的排放量。

  混合动力系统的动力传送与分配采用了双行星齿轮一体式反转齿轮等。

  3）铝爬行转向节

  铝锻造转向节的材质为A6061-T6铝合金，与普通钢转向节相比，在减轻25%重量的同时，通过开发锻造—热处理—机加工生产线，优化了热处理条件。与常规生产线相比，能量、热处理时间基本减半，所占空间减小1/3。

侵权删