摩托车用金属材料发展趋势

三点水

安全、环保、节能是摩托车发展永恒的主题。面对激烈的市场竞争，摩托车企业要求所使用的各种材料成本低、质量小、污染少并可循环利用，为此国内外许多科研单位、摩托车企业投入大量的人力、物力对新材料进行研究。本文简要谈一下摩托车用金属材料近年来的发展趋势。
    　　1．钢铁材料需要经过各种强化处理

    在摩托车使用的各种材料中，钢铁材料占摩托车总质量的60%~70%，约占生产成本的25%。在钢铁材料中，结构钢所占的比例最大，约占钢铁材料总质量的1/3。目前，结构钢主要用于摩托车发动机、传动系和变速系的构件，也用于转向系和悬架系等。近年来，摩托车气门、气缸、活塞环等力学性能要求高使用环境又比较恶劣的零件，广泛使用了合金铸铁、马氏体Cr-S钢、奥氏体Cr-Mn-Ni和Cr-Ni合金钢等。

    钢铁的密度为7.8×103kg/m3在机械制造用材料中属于密度较大的一类。它的成本较低，同时可以通过热处理等方式提高强度。与铝合金、镁合金相比，钢材具有较高的比强度，这就是摩托车零部件至今仍以钢材为主的一个重要原因。

    汽车、摩托车变速器的齿轮，从上世纪90年代初开始普及喷丸强化处理，如今喷丸已发展成为一种普通的强化技术被广泛采用。另外，在材料方面近年来开发了降低渗碳异常层的新型高强度渗碳钢、20CrMnTiH、16MnCrH、20MnCrH、17Cr2Ni2MoH、20CrNiMoH、20CrMoH等，保证了变速齿轮使用寿命在1万h以上。

    2．铝合金应用范围在不断扩大

    铝合金是应用较早且技术相对成熟的一种轻量化材料。随着汽车、摩托车工业的发展，在摩托车结构方面铝合金替代钢铁的趋势日益明显，以日本为例，2002年平均每辆摩托车用铝量高达24kg。目前，铝合金主要应用在摩托车发动机箱体、缸体、缸盖、缸盖罩、车轮轮辐等部位，约占整个摩托车用铝量的80%。

    近年来，许多科研机构都在研究高强度铝合金，如采用粉末冶金法生产高强度铝合金，其抗拉强度和屈服强度均大于700Mpa，远高于用传统铸造方法生产的铝合金。通过显微镜观察，采用粉末冶金法生产的铝合金比采用熔铸法生产的铝合金金相组织更细，合金元素能过饱和固溶，可减少宏观偏析。另外，由于使用了粉末锻造技术、温压技术和喷射成型技术等，采用粉末冶金法生产的铝合金强度得到进一步提高，因此有望在摩托车发动机连杆、气缸体等强度要求高的零件上使用。目前，由于价格和技术等方面的原因，高强度铝合金的应用尚有一定局限性。但随着科技不断进步、原材料成本下降，高强度铝合金将会大量应用于摩托车。

    3．镁合金应用前景非常光明

    镁本身的硬度很低，可是与其它金属形成合金并经过热处理后，其强度可以和铝合金媲美。镁的密度比铝的密度小，它可在使用铝后质量减小的基础上再减小10%~12%。自2000年以来，镁在摩托车上的应用一直处于快速发展阶段。目前，镁合金在国产摩托车上的用量平均每辆不足3kg，但是摩托车使用镁合金的量正以年均增长1%~2%的速度发展，镁合金的开发与应用已成为摩托车材料技术发展的一个重要方向。现阶段，镁合金主要用于制造摩托车发动机箱体、箱盖、消声器、车轮及一些覆盖件等，与传统金属材料相比，镁合金节能效果好、强度高、噪声小。

    目前，摩托车行业常用的镁合金材料以铸造镁合金为主，如AM、AZ、AS系列铸造镁合金，其中以AZ91D用量最大。制约镁合金在摩托车上大量使用的最主要因素仍是技术问题，以结构件为例，由于对镁合金的特性缺乏深层次的了解，镁合金零件的防蚀技术未取得突破，镁合金的性能数据（尤其是工艺性能数据）缺乏，镁合金零件的设计、使用经验不足等，使镁在摩托车上的用量暂时还难与铝匹敌。但是随着上述问题的解决，镁合金在摩托车上的应用潜力很大，前景非常光明。

    4．粉末冶金材料首选高密度、铁基型

    由于粉末冶金材料具有节能、节材、环保且适合大批量生产等诸多优点，所以在摩托车上的使用量在快速增长。目前，国产摩托车平均每辆使用粉末冶金0.8~1.2kg，在国外则高达2.0~3.5kg，两者的差距反映出我国粉末冶金工业相对落后的事实。但是，随着我国摩托车工业向规模化发展，这一差距在不断缩小。

    粉末冶金材料包括各种以粉末冶金方法制成的金属和合金以及非金属/金属纤维等复合材料。粉末冶金材料按在摩托车上的用途可分为减摩材料、结构材料和多孔材料3类，其中以结构材料使用居多。开发高性能粉末冶金材料特别是铁基材料，是粉末冶金的发展方向和研究重点。对于不同碳含量的铁基粉末材料，加入合金元素可活化烧结、球化孔隙、固溶强化细化晶粒。如加入Cu、Ni、Mo、，可提高强度、硬度和淬透性；加入Cr、Mn、V，能提高强度、硬度和淬透性，使烧结态抗拉强度达800Mpa，热处理后达1100Mpa；而加入Mn、V、Mo合金后的粉末冶金制件热处理后强度可达1200Mpa。

    虽然有很多可变参数对粉末冶金件的品质产生影响，但影响最大的是密度。密度提高，粉末冶金材料的物理和力学性能都有所提高，故摩托车采用粉末冶金件的密度从过去的(6.4~6.6)×103kg/m3发展为(7.0~7.4)×103kg/m3，甚至达到(7.4~7.9)×103kg/m3。选用粉末冶金材料时应尽量选择高密度牌号，如Fe-Ni-C、Fe-Cu-C原材料，主要用来制造摩托车中间传动齿轮、油泵内外转子、左右棘爪、离合器推杆和离合器顶凸轮等零件。

    粉末冶金材料的主要优势是生产成本低，但在生产规模、产品品质和研究与开发方面仍需大力加强和提高。从我国资源及经济性考虑，在粉末冶金材料性能可满足设计要求的情况下，应尽量选用铁基型。

    5．不锈钢成为摩托车轻量化的新选择

    近年来，不锈钢正成为摩托车的一种新型轻量化材料。不锈钢在摩托车上的应用时间虽然不短，但主要用于制造摩托车排气系统零件（如排气管），作为轻量化的材料应用于结构件的试验与研究是近几年才开始的。现阶段具有轻量化潜力的主要为高强奥氏体不锈钢，如AISI300系列含氮的高强度奥氏体不锈钢，以及GH132（0Cr15Ni25Ti2MoAIVB）钢。采用AISI301L（0.02%C-17.3%Cr-7.0%Ni-1.0%Mn-0.15%N）等高强度不锈钢板试制的防撞弓形梁、挡板等零部件，减小质量幅度一般可达5%左右。

    目前，不锈钢应用的主要障碍是成本问题，这是由于不锈钢中Ni、Cr等合金元素含量较高，大量应用尚存在资源紧缺等问题。降低成本的途径主要有2个，一是选用价格相对较低的材料，如AISI204M因镍含量较低价格比AISI301L便宜；二是通过优化设计与工艺优化，如减少零件数目、取消防蚀处理和表面处理等，来抵消一部分材料增加的费用。

    6．结束语

    我国摩托车工业正在快速发展，为了应对这种形势的需要，在金属材料、强化领域正在推行利用硼钢等低等级钢材、简化热处理工序、缩短高温渗碳的周期、节省能源、推行工艺复合化等，从金属材料、工艺综合考虑的研发将变得十分重要。另外，要解决好轻量化与车辆安全的矛盾，提高零件的力学性能，从而提高零件的附加值和竞争力。

    材料作为21世纪的支柱，目前已显示出5个方面的发展趋势：从铁基合金向非铁基合金，从金属材料非金属材料，从结构材料向功能材料，从多维材料向低维材料，从单一材料向复合材料、成分和结构由简单向复杂化等变化。为了适应未来摩托车的发展，应不断地运用新技术、新工艺和新装备，研发出性能优良、节省能源和资源、成本较低的摩托车用新型材料。