汽車(chē)用金屬材料熱處理技術(shù)發(fā)展動(dòng)向

  為了降低汽車(chē)對(duì)環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，必須實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的輕量化，減少化石燃料的消耗，改進(jìn)熱處理?xiàng)l件、提高設(shè)備效率。本文將介紹日本豐田汽車(chē)公司汽車(chē)輕量化及汽車(chē)用金屬材料熱處理的發(fā)展動(dòng)向。

  1 汽車(chē)輕量化動(dòng)向

  在全世界CO2排放量中，包括汽車(chē)在內(nèi)的運(yùn)輸部門(mén)排放的CO2約占2成。汽車(chē)的CO2排放量中，行駛時(shí)的排放量占比近9成。

  車(chē)輛重量與CO2排放量密切相關(guān)，通過(guò)提高汽油、柴油、汽油混合動(dòng)力、傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的效率，可以減少CO2的排放量，任何傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)都與車(chē)輛重量和CO2排放量息息相關(guān)，減輕重量對(duì)CO2減排有很大影響。

  汽車(chē)輕量化主要對(duì)策包括：（1）變更結(jié)構(gòu)；（2）實(shí)現(xiàn)材料的高強(qiáng)度；（3）用輕型材料替代。對(duì)于汽車(chē)，可以采取縮小尺寸；通過(guò)車(chē)體構(gòu)件的高強(qiáng)化，使用薄壁、中空材料；行走部分等使用有色金屬材料等手段。

  1.1 車(chē)體的輕量化

  高強(qiáng)度材料正在用于車(chē)體，特別是結(jié)構(gòu)件，從駕駛員保護(hù)的角度出發(fā)，將這些構(gòu)件分為能量吸收構(gòu)件、變形控制構(gòu)件、形狀維持構(gòu)件，它們分別采用不同強(qiáng)度的鋼種。

  近年，通過(guò)將鋼板加熱后，鍛壓的同時(shí)進(jìn)行淬火處理，成為具有普通鋼板大約4-5倍的抗拉強(qiáng)度的超高張力鋼板（熱鍛材料），即使板厚變薄，也能確保構(gòu)件強(qiáng)度超過(guò)普通鋼板。

  通過(guò)改進(jìn)熱沖壓工藝，高強(qiáng)度材料能用于B立柱、儲(chǔ)物箱等復(fù)雜形狀部件，日本上一代普銳斯車(chē)型熱沖壓材料的使用范圍僅為3%，而第4代熱沖壓材料大幅擴(kuò)展到19%，牢固的車(chē)體在保證安全性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了輕量化。

  1.2 汽車(chē)零部件的輕量化

  1.2.1 連桿

  連桿用于連接柱塞與曲軸，具有將柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成曲軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的功能。因此，連桿等部件的輕量化，不僅影響曲軸等外圍部件的輕量化，還對(duì)減少振動(dòng)/噪音、摩擦損失有較大影響。

  連桿需要承受燃燒時(shí)的爆發(fā)力/沖擊力以及回轉(zhuǎn)慣性力，因此要求具有高抗彎曲強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度。連桿鋼材由鐵素體和珠光體組織構(gòu)成，為了提高強(qiáng)度，必須改善軟質(zhì)鐵素體組織。

  通常采用提高珠光體比率或者珠光體組織單層的手段，但是，這樣會(huì)降低切削性。

  新開(kāi)發(fā)的材料通過(guò)優(yōu)化碳含量、釩含量，優(yōu)化了對(duì)切削性產(chǎn)生不良影響的鐵素體比率以及硬度，實(shí)現(xiàn)了材料的高強(qiáng)化，通過(guò)減小連桿的立柱斷面，使其重量減少了大約17%。

  1.2.2 齒輪

  齒輪大多安裝在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、差動(dòng)裝置中，是將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞到軸的重要部件之一。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率、提高效率，通常要求齒輪具有高強(qiáng)度、小型化的特點(diǎn)。

  以齒輪鋼為例，通過(guò)優(yōu)化硬度、冷鍛性能、采取措施防止?jié)B碳晶粒粗大、優(yōu)化成分/處理?xiàng)l件，開(kāi)發(fā)出提高了低循環(huán)疲勞強(qiáng)度的材料。由此將4-小齒輪型變成2-小齒輪型，通過(guò)簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)，縮小了尺寸，并提高了差動(dòng)裝置的允許扭矩。

  2 熱處理技術(shù)發(fā)展動(dòng)向

  為了降低CO2排放，汽車(chē)用零部件的熱處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是：減少活動(dòng)部分、改進(jìn)熱處理?xiàng)l件、提高設(shè)備效率。

  1）曲軸的高頻淬火

  曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件，為了減小柱塞和連桿運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力，備有配重，是最重的運(yùn)動(dòng)部件。此外，為了提高耐磨性、耐彎曲性、抗扭強(qiáng)度，曲軸銷(xiāo)、主軸頸的滑動(dòng)面、肩角都經(jīng)過(guò)高頻淬火處理。

  將曲軸銷(xiāo)與曲軸的回轉(zhuǎn)中心—主軸頸錯(cuò)開(kāi)，在曲軸銷(xiāo)進(jìn)行高頻淬火時(shí)，常規(guī)設(shè)備是以主軸頸回轉(zhuǎn)為中心，重量超過(guò)560kg的線圈作同步回轉(zhuǎn)（表面淬火），因此，必須使用大型設(shè)備。為此，引進(jìn)機(jī)械手，在淬火時(shí)通過(guò)以曲軸銷(xiāo)回轉(zhuǎn)（機(jī)械手回轉(zhuǎn)淬火）為中心，線圈固定，活動(dòng)部分重量為25kg（常規(guī)設(shè)備的1/22）。從而，縮短了影響生產(chǎn)能力的切換時(shí)間、大幅縮小了設(shè)備尺寸。通過(guò)進(jìn)一步縮短加熱時(shí)間/自回火等，節(jié)省了能源，減少了CO2的總排放量。

  2）齒輪的滲碳處理

  滲碳采用丙烷、乙炔，冷卻時(shí)采用氮?dú)?、氦氣。與氣體滲碳油淬相比，碳分布的再現(xiàn)性好，淬火后進(jìn)行緩冷，因此，減少了部件形狀造成的冷卻不均勻，變形穩(wěn)定。 此外，設(shè)備采用高性能隔熱材料，減少了爐壁熱量損失，通過(guò)縮小爐床/冷卻室的容積，大幅減少了CO2的排放量。

  混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力傳送與分配采用了雙行星齒輪一體式反轉(zhuǎn)齒輪等。

  3）鋁爬行轉(zhuǎn)向節(jié)

  鋁鍛造轉(zhuǎn)向節(jié)的材質(zhì)為A6061-T6鋁合金，與普通鋼轉(zhuǎn)向節(jié)相比，在減輕25%重量的同時(shí)，通過(guò)開(kāi)發(fā)鍛造—熱處理—機(jī)加工生產(chǎn)線，優(yōu)化了熱處理?xiàng)l件。與常規(guī)生產(chǎn)線相比，能量、熱處理時(shí)間基本減半，所占空間減小1/3。

侵權(quán)刪