汽车轻量化是一种什么概念

结构钢

钢铁材料的用量虽逐年减少，但高强度钢的用量却有相当大的增加。高强度结构钢使零件设计得更紧凑和小型化，有助于汽车的轻量化。

(1) 弹簧

悬架弹簧轻量化的最有效方法是提高弹簧的设计许用应力。但是为了实现这种高应力下的轻量化，材料的高强度化是不可少的。在传统的Si-Mn弹簧钢的基础上通过降低C并添加Ni、Cr、Mo和V等合金元素，开发出强度和韧性都很高的钢种，设计许用应力可达1270MPa，这种弹簧钢的应用可实现40%的轻量化。在传统的Cr-V系弹簧钢中添加Nb可提高钢的抗延迟断裂性能，结合改进的奥氏体轧制成型，可使钢的拉伸强度达到1800MPa的水平。

气门弹簧用的Si-Cr钢中添加V，通过晶粒细化确保韧性，由增C提高强度。这样改进后，弹簧的高周疲劳强度约提高8%，可实现15%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。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。

（作者：包英男）