《汽车材料》-第4章　典型零件选用及热处理

４.１汽车零件选材现状与趋势发动机和传动系统零件这两部分包括的零件很多，其中有大量的齿轮和各种轴，同时还有在高温下工作的零件(进/排气阀、活塞等)，它们的用材都比较重要，目前一般都是根据使用经验来选材。对于不同类型的汽车和不同的生产厂，发动机和传动系统的选材是不相同的。根据零件的具体工作条件及实际的失效方式，通过大量的计算和试验选出合适的材料。随着能源和原材料供应的日趋短缺，人们对汽车节能降耗的要求越来越高，而减轻自重可提高汽车的重量利用系数，减少材料消耗和燃油消耗，这在资源、能源的节约和经济价值方面具有非常重要的意义。下一页返回４.１汽车零件选材现状与趋势减轻自重所选用的材料，比传统的用材应该更轻且能保证使用性能。比如，用铝合金或镁合金代替铸铁，重量可减轻至原来的１/４~１/３，但并不影响其使用性能。采用新型的高强度的钢板材代替普通的低碳钢板材生产汽车的冲压件，可以使用比较薄的板材，减轻自重，但一点都不降低构件的强度。在车身和某些不太重要的结构件中，采用塑料或纤维增强复合材料代替钢材，也可以降低自重，减少能耗。上一页返回４.２零件选材原则４.２.１使用性原则使用性是指材料所能提供的使用性能指标对零件功能和寿命的满足程度。按使用性原则选材的主要依据是材料的力学性能(使用性能)指标和零件的工作情况。首先应分析零件所受载荷的大小和性质，应力的大小、性质及分布情况，它们是选材的基本依据。在满足强度或刚度要求的前提下，尽量考虑其他因素，如工作的繁重程度，摩擦磨损程度，工作温度和工作环境状况，零件的重要程度，安装部位对零件尺寸和质量的限制等。下一页返回４.２零件选材原则４.２.２工艺性原则材料的工艺性是指材料加工的难易程度。材料具有良好的工艺性能，则可保证在一定生产条件下，按一定的工艺路线方便而又经济地制造出满足使用性要求的合格零件。具体来讲，选材应考虑零件形状复杂程度，材料加工的可能性和方便性，零件生产的批量等。４.２.３经济性原则材料及其加工的经济性是选材的重要条件。它要求在保证零件使用性能的前提下，尽可能优化设计方案，选用廉价材料并降低其加工和使用过程中的费用。此外，还应考虑材料的供应和管理问题，选材时应尽量减少品种规格，以便采购和管理。上一页返回４.３铁碳合金的热处理铁碳合金在固态下通过加热、保温、冷却的方式，使其表面或整体组织改变，从而获得所需性能的一种工艺方法。根据加热和冷却方法的不同，常用热处理可分为:对工件整体进行穿透加热的热处理工艺称为整体热处理，包括退火、正火、淬火、回火等；仅对工件表层进行的热处理称为表面热处理，包括表面淬火、化学热处理等。根据热处理在零件加工过程中的工序位置及作用不同，热处理还可分为预备热处理和最终热处理。为消除坯料或半成品的某些缺陷或为后续的切削加工和最终热处理作组织准备的热处理称为预备热处理；而为使工件获得所要求的使用性能的热处理称为最终热处理。下一页返回４.３铁碳合金的热处理４.３.１退火将工件加热到适当温度，保温一定时间，随后缓慢冷却(炉冷、灰冷、砂冷、坑冷等)的热处理工艺称为退火。按照物理冶金特点，可将退火工艺分为如下两类:第一类退火工艺包括扩散退火、去应力退火等，其工艺特点是通过控制加热温度和保温时间，使工件内在冶金及冷热加工过程中产生的不平衡组织(如成分偏析、形变强化、内应力等)过渡到平衡状态，其主要目的是使组织与成分均匀化、消除形变强化或消除内应力。上一页下一页返回４.３铁碳合金的热处理第二类退火工艺包括完全退火、球化退火、等温退火等，其主要目的是改变工件的组织和性能。这类工艺的特点是通过控制加热温度、保温时间以及冷却速度等工艺参数来改变钢中的珠光体、铁素体和碳化物的组织形态及分布，从而改变其性能，如降低硬度、提高塑性、细化晶粒、改善机械加工性能等。４.３.２正火工件加热到某一温度以上，保温适当的时间后，在空气中冷却的热处理工艺成为正火。正火的主要应用范围是过共析钢及合金钢，通过正火可以消除网状的渗碳体，细化片状的珠光体组织，有利于在球化退火中获得细小均匀的球状渗碳体，以改善钢的组织和性能。上一页下一页返回４.３铁碳合金的热处理对某些低碳钢和低合金钢，由于退火组织中铁素体量多，切削时易粘刀。通过正火处理，可适当提高硬度，以改善钢件的切削性能。正火后工件组织较细，综合力学性能好于退火组织。所以对于某些要求不很高的结构或大型件，正火可作为最终热处理而直接使用。对某些大型件或形状复杂件，当淬火有开裂危险时，可用正火代替淬火、回火处理。４.３.３淬火将工件加热到某一温度以上，保温一段时间，然后急冷(如水冷、油冷、盐碱冷等)获得含有大量的Ｃ在α—Ｆｅ中的过饱和的固溶体(马氏体)的热处理工艺。上一页下一页返回４.３铁碳合金的热处理淬火是强化工件的最重要的热处理工艺。淬火的主要目的是为了获得马氏体，并与回火相配合，使工件具有不同的力学性能。如高碳钢淬火加低温回火，可获得高硬度和高耐磨性；中碳钢淬火加高温回火，可得到强度、塑性和韧性均较好的综合力学性能。铁碳合金在冷却时形成马氏体(而不形成其他组织)的能力可理解为材料的淬透性。淬透性的大小可用在一定条件下淬硬层的深度表示。影响淬透性的主要因素是临界冷却速度的大小，而影响临界冷却速度的关键是铁碳合金的含碳量和合金元素的种类与含量。选择材料的淬透性，是工程用材料选择的重要依据之一。上一页下一页返回４.３铁碳合金的热处理４.３.４回火回火就是把已经淬火的工件重新加热到某一温度，适当保温后，冷却到室温的热处理工艺。工件淬火后，一般很少直接使用，都应当紧接着进行回火处理。其目的在于降低脆性，减少或消除内应力，防止变形和开裂；稳定组织，稳定形状和尺寸；通过不同回火方法，来调整工件的强度、硬度，获得所需要的塑性和韧性。实际中有低温回火、中温回火、高温回火三种回火方法。低温回火主要是降低工件的淬火应力和减少脆性，并保持高硬度和高耐磨性；中温回火是为了获得高的弹性极限和高的屈服强度，同时具有一定的韧性和抗疲劳能力；高温回火则是在获得较高强度的同时，还有较好的塑性和韧性，生产中将淬火后紧接着进行高温回火的热处理的工艺称为调质处理。上一页下一页返回４.３铁碳合金的热处理４.３.５表面热处理对于承受弯曲、扭转、摩擦或冲击的零件，常常要求其表面和内部具有不同性能。表面要求具有高的硬度、耐磨性和疲劳强度，而内部具有足够的韧性和塑性。此时，就需要采用表面热处理来满足要求。(１)表面淬火。铁碳合金的表面淬火是通过快速加热，使工件表层奥氏体化，在内部组织尚未发生改变时，立即淬火冷却，使表层获得高硬度、高耐磨性的马氏体组织，而内部仍保持原来的塑性和韧性都较好的退火、正火或调质状态的组织。表面淬火加热可采用感应加热、火焰加热、激光加热等不同的加热方法。目前生产中广泛应用的是感应加热。上一页下一页返回４.３铁碳合金的热处理(２)化学热处理。化学热处理是将工件置于特定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，从而通过改变表层的化学成分和组织来改变其性能的