1前言
由于减排CO2的社会需求及对世界性资源供给的担心，要求进一步持续降低汽车的环境负荷。在这种背景下，日本日产汽车公司非常重视电动汽车的生产，并计划进一步加强系列化的研发工作。
该公司通过增加燃料经济性汽车，与财年相比，旨在改善40%的平均燃料经济性，将财年削减CO2排放量90%作为目标。年销售的VC-T新型可变压缩比发动机，大幅度改善了燃料经济性。
日产汽车公司积极开展碳足迹最小化的活动，稳步减少从生产到销售的CO2排放量，将年削减30%，年削减80%作为目标。在该项活动中积极引入和普及可再生能源。
在这些背景下，期待支撑汽车部件制造的材料、热处理和表面改性技术做出更大的贡献。本文介绍了有利于环保的汽车动力传动系的技术进步，热处理制造工序的省略以及制造工艺的技术进步。
2动力传动系的技术进步2.1动力传动系技术
发动机、变速箱、终传动等动力传动系的高强度化和轻量化，获得比车辆轻量化更大的节能效果。由于所有这些部件都在高速度旋转，因此，即使减重相同，也有望产生更大的节能效果。
发动机代表性部件连杆实现轻量化的同时，曲轴的平衡锤也可以减轻重量和小型化，气缸底座可以紧凑化，导致可以大幅度减轻总重量。由于连杆、曲轴等是高速旋转的部件，它们的轻量化使得旋转效率大幅度提高，有助于提高燃料经济性。此外，若曲柄销直径小型化，滑动部位面积相应减少，将进一步提高旋转效率。
如果变速箱的齿轮高强度化，可以缩短传动齿轮的长度，实现部件的小型紧凑。这时，前侧构件可以伸直，提高了碰撞安全性能，减少了回转半径。
如果实现差动齿轮的高强度化和小型化，终传动小型化成为可能，可确保与转向装置的间隙，提高操作稳定性；可确保与悬挂构件的间隙，提高碰撞安全性能。
因此，动力传动系的轻量化，不仅可减轻车体重量，还对提高其他性能有很大贡献，因此，它们是进一步轻量化优先考虑的部件。
此外，不仅仅是轻量化，从发动机到轮胎的往复、旋转运动，有许多滑动部位，如果可以改善这部分的摩擦阻力，将大大提高燃料经济性，下面介绍了包括降低滑动阻力技术的提高燃料经济性的技术应用案例。
2.2通过DLC涂层降低滑动阻力
采用类金刚石（Diamond-likecarbon：DLC）涂层技术，实现了提高约2%的燃料经济性。发动机转速为rpm时，凸轮、阀挺杆间的滑动损失相当于整个系统的20%，如果降低该部件的滑动阻力，将极大有助于提高燃料经济性。因此，开始了对该部位适用DLC的研究。
过去，TiN等硬质皮膜使用油基润滑剂，但随着薄膜的硬质化，改善了凸轮和阀挺杆间的相互表面粗糙度，气门摩擦力矩得到改善。并在采用DLC的同时，通过使用MoS2等固体润滑剂，进一步成功地降低了摩擦力矩，降低气门摩擦的历程如图1所示。
DLC利用离子的气相合成法合成，类似金刚石的高硬度，具有电气绝缘性和红外透射性等，是碳薄膜的总称。DLC在真空中蒸镀碳元素而制造，不像金刚石，是硬质的非晶质的结构，如图2所示。主流是通过等离子体CVD的含氢DLC膜。
日本日产汽车公司选择了不含氢的DLC膜。如不含氢，形成油剂与碳元素直接结成数纳米牢固的油膜。还开发了与DLC相容的油剂，以其协同效应使滑动阻力降低，实现了燃料经济性提高2%。
该技术还有望用于其他发动机部件，例如活塞销和活塞环等，以及发动机部件之外的更广范围的滑动部件。
2.3等离子涂层技术
发动机结构体的气缸盖和气缸体是用铸铁制作。由于要求发动机本身轻量化，逐渐将气缸体置换成铝制。现在，汽油发动机的气缸盖和气缸体几乎都是用铝铸造生产。
但是，铝没有铸铁的滑动阻力，差速器、活塞是高速滑动部分，不能直接使用铝制造。因此，考虑的方法是仅气缸内壁用铸铁制造。通常的制造方法是在铸造铝缸体时，插入铸铁套的插入式铸造。插入式铸造后，铸铁套的内壁机械加工为正圆。加工后的铸铁套厚度约2-3mm，在多气缸的发动机中，铸铁套的合计重量也相当重。
因此，开发了对铝缸体的气缸孔内壁喷镀铁的技术。喷镀膜厚度约μm，相对铸铁套，可以大幅度减轻重量。如果仅对铝制气缸内壁喷镀铁，粘合力不足，活塞高速滑动，有剥离的风险。日产汽车公司在喷镀前实施了特殊的粗糙面加工，如图3所示。随着接触面积的大幅度增加，通过具有锚定效果的面，可以保证耐滑动皮膜的粘合力。通过该项技术，将厚度2.6mm的铸铁套置换为0.2mm的喷镀膜，减轻重量约2.6kg。而且，燃烧室的冷却效果也得到改善，转矩改善3%，可以提高燃料经济性1.5%。该技术可实现批量生产，并搭载在日产GT-R上。
2.4高强度齿轮的开发
齿轮通常是使用JISSCrH、SCMH等低合金钢进行渗碳淬火回火热处理，表面硬度约60HRC，内部硬度约35HRC。这种渗碳齿轮最常见的损伤形态是齿根疲劳损伤。日产汽车公司为了提高这种齿根疲劳强度，以各种方式变化模数1.5斜齿轮的材质，用动力循环齿轮疲劳测试仪进行了啮合疲劳试验。表1概述了齿根疲劳强度提高率与各种材质主要因素的关系。从表1可知，添加Ni、Mo等昂贵合金元素，通过真空渗碳防止出现异常表面层（不完全淬透层）来提高强度，没有达到当初设想的强度提高的效果，有效硬化层深度极端减少。有效硬化层深度的降低，使高强度齿轮所需的抗凹坑和抗壳体碎裂强度等表面压力强度降低。而喷丸是有效的方法，因此，选择了喷丸硬化作为增加齿轮强度的措施。
喷丸硬化是使用称为叶轮或空气喷嘴的空气压力喷射小直径钢球，通过其撞击齿轮底部附近，赋予表面加工硬化和压缩残余应力，提高强度的加工方法。
日产汽车公司着重喷丸硬化的压缩残余应力，调查和分析了压缩残余应力对齿根疲劳强度的影响。结果显示，表面压缩残余应力值与疲劳强度的相关性很低，如图4所示，包括内部的残余应力指数与齿根疲劳强度的相关性高。认为这是压缩残余应力场整体有助于抑制表面裂纹发生后的裂纹扩展。
3应对环保的汽车部件制造工艺的技术进步本章节主要介绍有助于企业活动中碳足迹最小化，对汽车制造厂减排CO2做出很大贡献的技术。在汽车部件的制造过程中，有许多工序使用大量的热能，例如热处理和涂漆。在此，介绍成功省略热处理工序和提高工序效率的事例。
3.1调质钢的扩大应用
锻造部件的制造过程由使用模具成形的锻造成形工序和给予强度的调质（淬火、回火）工序组成。在热锻工序中，将部件加热至约1℃，锻造后，将其冷却并运送到热处理设备，在热处理设备中再次加热到℃左右的奥氏体区域淬火，这是一个浪费的加热过程。为了消除这种浪费，开发了通过将锻造后的冷却速度控制在℃和℃之间，可以确保规定强度的非调质钢新材料，这是将V添加到碳钢中的材料。锻造后，用恒定的冷却速度处理，钒与钢中的碳结合，并变成VC在钢中析出，通过析出强化机制，材料的强度得到加强。
日产汽车公司还开发了控制锻造后产品冷却速度的控制冷却炉。除了节能外，控制冷却后如进行喷丸清理，可以运送到机械加工车间，大幅度减少了库存。
非调质钢的应用从前轮毂开始，但曲轴、连杆等使用调质碳钢的部件，现在基本都不进行热处理。连续调质炉生产线是非常长的设备，可以全部撤除，这扩大了工厂的空间。
除此之外，通过应用新材料，省略了退火和球化退火，可以撤除更多的炉子。
3.2真空渗碳技术的扩大应用
通过应用新材料可以省略锻件的调质过程。但齿轮等硬化表面所必要的渗碳热处理不能省略。通过将气体渗碳方法改为真空渗碳，可以提高渗碳反应速度，由于效率提高还可以大幅度降低输入的能量。
真空渗碳是在约1kPa的低压下，直接喷射碳化气体，进行渗碳淬火的方法。气体渗碳是在大气压下的渗碳气氛气体的炉内进行的，是Fe-C的平衡反应的渗碳。真空渗碳是在低压炉内将碳化氢气体直接添加到铁表面的渗碳。因此，真空渗碳效率高，可以在高温下进行渗碳。真空渗碳的另一个优点是设备散热少，工厂环境良好，渗碳时间缩短约30％。其结果是CO2排放量减少50％。
4应对环保的动力传动系新产品与制造工艺的技术进步4.1新型可变压缩比发动机
渗碳热处理作为获得部件表面硬化层的工艺是有用的，但根据部件形状，常规的渗碳技术有时不能抑制应变。对新型可变压缩比发动机（以下称VC-T发动机）的连杆部件，如图５所示，新引入了真空渗碳气体淬火装置，通过优化热处理方案，相关部件成功批量生产。此外，可以在常规没有的高温区域渗碳，加速了渗碳速度，大大缩短了渗碳时间，可以在线实现渗碳工序到机械加工工序。
这种下连杆要求兼顾高疲劳特性和耐磨损性，所以需要表面硬度高。但是，渗碳钢材料适用于常规的气体渗碳、油淬火工艺，存在下连杆特有的薄壁与厚壁差大的形状，淬火应变大，不能确保产品性能要求的问题。因此，使用了大同特殊钢开发制造的小型真空渗碳+气体淬火的设备，通过优化热处理方案，确立了低应变渗碳淬火技术，相关部件的量产化获得成功。
4.2技术开发概要
在该VC-T发动机的连杆部件中，将上部连杆、曲轴和C连杆三个部件结合，成为激烈晃动连杆机构的核心部件，是要求兼顾高疲劳强度和高韧性的部件。因此，作为材料，选择了外部高硬度、内部韧性高、具有量产实绩的铬钢（渗碳钢），并在相应部件的热处理中，决定采用真空渗碳工艺。但是，现行的真空渗碳装置，渗碳室宽阔，在炉内渗碳条件下，小部件不易均匀化，适用于油淬火的连杆类部件，壁厚差大，应变大。
作为量产技术，日本没有先例。因此，引入配备了小型渗碳室和气体淬火室的小型真空渗碳装置，采用最新的热处理模拟技术，进行了适用于相关部件的技术开发。
技术开发有以下两个要点：
1）气体淬火降低热处理应变；
2）高温渗碳使热处理时间缩短和减少设备投资。
4.3气体淬火降低热处理应变
与油淬火相比，气体淬火应变低，而且因为不使用油，可降低废弃物和环境负荷，在欧洲应用较广泛。但是，与油淬火相比，气体淬火不能获得充分的冷却速度，所以根据部件形状、部件重量有硬度不足的倾向。在欧洲，法律规定可以使用30bar的高压气体，而日本规定为10bar，难以保证冷却速度。
在这种情况下，采用热处理模拟技术和日产汽车公司的汽车空气阻力测定用的试验流动可视化技术，并实施风洞板形状和部件外观的最优化方案，可以确保所需强度的表面硬度。
相对于油淬火，气体淬火应变低，但下连杆加强筋部与腹板部的壁厚差大，由于冷却速度的差，不能抑制规定的应变。因此，在冷却模式上下功夫，在Ms点（马氏体相变开始）正上方设温度保持，通过使缝隙的加强筋部（因薄壁冷却速度快）和腹板部（因厚壁冷却速度慢）的马氏体化时间一致，即采用如图6所示的分级淬火，成功地降低了应变。
在常规方法中，喷吹相同压力、相同流速的气体，薄壁的加强筋部冷却速度快，厚壁的腹板部冷却速度慢。这样，加强筋部位率先达到位于℃附近的Ms点，开始马氏体相变。腹板部晚于该部位开始马氏体相变。由于该时间差，应变集中在加强筋根部，存在缝隙宽度扩大的问题。为避免该现象，使加强筋部和腹板部的Ms点同一时刻通过，控制了冷却风速。通过这一改善可以进一步降低应变。
第一阶段油淬火后，采用气体淬火降低应变，第二阶段气体淬火控制冷却，可以进一步降低应变。图7是第二阶段降低应变的图示。将油淬火的缝隙宽度开度作为1，采用气体淬火化，可以降低约三分之一，通过优化气体淬火模式，可以降低约七分之一。
4.4高温渗碳缩短热处理时间，减少设备投资
真空渗碳的处理温度高于气体渗碳，可以大幅缩短渗碳时间。而且将渗碳室小型化，采用耐热结构，可以进一步高温渗碳。但是，在高温渗碳中，容易引起晶粒粗大化，有可能成为强度降低的一个因素，为了防止出现这一问题，需要采取措施。
引入的渗碳炉可以采用各种温度变化模式，为了找到可以防止晶粒粗大化的温度变化模式，反复进行了试验。试验结果显示，渗碳结束后，在达到淬火的奥氏体区域的保持温度之前，冷却到再结晶温度以下的温度区域，即进行中间冷却，可以完全抑制相关部件的晶粒粗大化，如图8所示。
通常，为了防止晶粒粗大化，在晶粒开始长大时，为了制造具有钉扎效果的化合物，需要添加Nb等。但是不添加这些昂贵的元素，使用标准的渗碳钢，也可以实现℃的高温渗碳。
采用该项技术可以进行高温渗碳，渗碳时间可以比气体渗碳缩短约六分之一。由于渗碳时间的缩短，可以使渗碳工序前后机械加工工序的周期合起来，实现机械加工车间的在线化。通过在线化，实现了工序间的零库存，而相对于大型渗碳炉，小型渗碳减少了设备投资，提高了效率。
5结语材料技术和热处理技术的发展将有助于汽车车体轻量化、低摩擦化，进而减排CO2。
针对材料，要求钢铁材料高强度化和梯度功能的生产技术。不能只要求钢铁材料的高强度化，要在高强度化时，考虑如何突破添加元素资源供应和高成本问题。今后更加需要兼顾梯度功能材料的技术，即母材的高韧性化、表面耐磨损性和疲劳特性，为此需要涂层技术、表面加工硬化技术、渗碳和高频淬火的表面硬化技术进一步高功能化和节能。
针对制造工艺，需要省略热处理工序，并要求大幅度缩短交货周期，今后要求的不是热处理工艺本身的最佳，而是钢材制造、锻造、机械加工总工艺的最佳。
来源：世界金属导报
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