安全、環(huán)保、節(jié)能是摩托車發(fā)展永恒的主題。面對激烈的市場競爭，摩托車企業(yè)要求所使用的各種材料成本低、質(zhì)量小、污染少并可循環(huán)利用，為此國內(nèi)外許多科研單位、摩托車企業(yè)投入大量的人力、物力對新材料進(jìn)行研究。本文簡要談一下摩托車用金屬材料近年來的發(fā)展趨勢。
1．鋼鐵材料需要經(jīng)過各種強(qiáng)化處理
在摩托車使用的各種材料中，鋼鐵材料占摩托車總質(zhì)量的60%~70%，約占生產(chǎn)成本的25%。在鋼鐵材料中，結(jié)構(gòu)鋼所占的比例*大，約占鋼鐵材料總質(zhì)量的1/3。目前，結(jié)構(gòu)鋼主要用于摩托車發(fā)動機(jī)、傳動系和變速系的構(gòu)件，也用于轉(zhuǎn)向系和懸架系等。近年來，摩托車氣門、氣缸、活塞環(huán)等力學(xué)性能要求高使用環(huán)境又比較惡劣的零件，廣泛使用了合金鑄鐵、馬氏體Cr-S鋼、奧氏體Cr-Mn-Ni和Cr-Ni合金鋼等。
鋼鐵的密度為7.8×103kg/m3在機(jī)械制造用材料中屬于密度較大的一類。它的成本較低，同時(shí)可以通過熱處理等方式提高強(qiáng)度。與鋁合金、鎂合金相比，鋼材具有較高的比強(qiáng)度，這就是摩托車零部件至今仍以鋼材為主的一個(gè)重要原因。
汽車、摩托車變速器的齒輪，從上世紀(jì)90年代初開始普及噴丸強(qiáng)化處理，如今噴丸已發(fā)展成為一種普通的強(qiáng)化技術(shù)被廣泛采用。另外，在材料方面近年來開發(fā)了降低滲碳異常層的新型高強(qiáng)度滲碳鋼、20CrMnTiH、16MnCrH、20MnCrH、17Cr2Ni2MoH、20CrNiMoH、20CrMoH等，保證了變速齒輪使用壽命在1萬h以上。
2．鋁合金應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大
鋁合金是應(yīng)用較早且技術(shù)相對成熟的一種輕量化材料。隨著汽車、摩托車工業(yè)的發(fā)展，在摩托車結(jié)構(gòu)方面鋁合金替代鋼鐵的趨勢日益明顯，以日本為例，2002年平均每輛摩托車用鋁量高達(dá)24kg。目前，鋁合金主要應(yīng)用在摩托車發(fā)動機(jī)箱體、缸體、缸蓋、缸蓋罩、車輪輪輻等部位，約占整個(gè)摩托車用鋁量的80%。
近年來，許多科研機(jī)構(gòu)都在研究高強(qiáng)度鋁合金，如采用
粉末冶金法生產(chǎn)高強(qiáng)度鋁合金，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均大于700Mpa，遠(yuǎn)高于用傳統(tǒng)鑄造方法生產(chǎn)的鋁合金。通過顯微鏡觀察，采用粉末冶金法生產(chǎn)的鋁合金比采用熔鑄法生產(chǎn)的鋁合金金相組織更細(xì)，合金元素能過飽和固溶，可減少宏觀偏析。另外，由于使用了粉末鍛造技術(shù)、溫壓技術(shù)和噴射成型技術(shù)等，采用粉末冶金法生產(chǎn)的鋁合金強(qiáng)度得到進(jìn)一步提高，因此有望在摩托車發(fā)動機(jī)連桿、氣缸體等強(qiáng)度要求高的零件上使用。目前，由于價(jià)格和技術(shù)等方面的原因，高強(qiáng)度鋁合金的應(yīng)用尚有一定局限性。但隨著科技不斷進(jìn)步、原材料成本下降，高強(qiáng)度鋁合金將會大量應(yīng)用于摩托車。
3．鎂合金應(yīng)用前景非常光明
鎂本身的硬度很低，可是與其它金屬形成合金并經(jīng)過熱處理后，其強(qiáng)度可以和鋁合金媲美。鎂的密度比鋁的密度小，它可在使用鋁后質(zhì)量減小的基礎(chǔ)上再減小10%~12%。自2000年以來，鎂在摩托車上的應(yīng)用一直處于快速發(fā)展階段。目前，鎂合金在國產(chǎn)摩托車上的用量平均每輛不足3kg，但是摩托車使用鎂合金的量正以年均增長1%~2%的速度發(fā)展，鎂合金的開發(fā)與應(yīng)用已成為摩托車材料技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向�，F(xiàn)階段，鎂合金主要用于制造摩托車發(fā)動機(jī)箱體、箱蓋、消聲器、車輪及一些覆蓋件等，與傳統(tǒng)金屬材料相比，鎂合金節(jié)能效果好、強(qiáng)度高、噪聲小。
目前，摩托車行業(yè)常用的鎂合金材料以鑄造鎂合金為主，如AM、AZ、AS系列鑄造鎂合金，其中以AZ91D用量*大。制約鎂合金在摩托車上大量使用的*主要因素仍是技術(shù)問題，以結(jié)構(gòu)件為例，由于對鎂合金的特性缺乏深層次的了解，鎂合金零件的防蝕技術(shù)未取得突破，鎂合金的性能數(shù)據(jù)（尤其是工藝性能數(shù)據(jù)）缺乏，鎂合金零件的設(shè)計(jì)、使用經(jīng)驗(yàn)不足等，使鎂在摩托車上的用量暫時(shí)還難與鋁匹敵。但是隨著上述問題的解決，鎂合金在摩托車上的應(yīng)用潛力很大，前景非常光明。
4．
粉末冶金材料*高密度、鐵基型 由于粉末冶金材料具有節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保且適合大批量生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以在摩托車上的使用量在快速增長。目前，國產(chǎn)摩托車平均每輛使用粉末冶金0.8~1.2kg，在國外則高達(dá)2.0~3.5kg，兩者的差距反映出我國粉末冶金工業(yè)相對落后的事實(shí)。但是，隨著我國摩托車工業(yè)向規(guī)模化發(fā)展，這一差距在不斷縮小。
粉末冶金材料包括各種以粉末冶金方法制成的金屬和合金以及非金屬/金屬纖維等復(fù)合材料。粉末冶金材料按在摩托車上的用途可分為減摩材料、結(jié)構(gòu)材料和多孔材料3類，其中以結(jié)構(gòu)材料使用居多。開發(fā)高性能粉末冶金材料特別是鐵基材料，是粉末冶金的發(fā)展方向和研究重點(diǎn)。對于不同碳含量的鐵基粉末材料，加入合金元素可活化燒結(jié)、球化孔隙、固溶強(qiáng)化細(xì)化晶粒。如加入Cu、Ni、Mo、，可提高強(qiáng)度、硬度和淬透性；加入Cr、Mn、V，能提高強(qiáng)度、硬度和淬透性，使燒結(jié)態(tài)抗拉強(qiáng)度達(dá)800Mpa，熱處理后達(dá)1100Mpa；而加入Mn、V、Mo合金后的粉末冶金制件熱處理后強(qiáng)度可達(dá)1200Mpa。
雖然有很多可變參數(shù)對粉末冶金件的品質(zhì)產(chǎn)生影響，但影響*大的是密度。密度提高，粉末冶金材料的物理和力學(xué)性能都有所提高，故摩托車采用粉末冶金件的密度從過去的(6.4~6.6)×103kg/m3發(fā)展為(7.0~7.4)×103kg/m3，甚至達(dá)到(7.4~7.9)×103kg/m3。選用粉末冶金材料時(shí)應(yīng)盡量選擇高密度牌號，如Fe-Ni-C、Fe-Cu-C原材料，主要用來制造摩托車中間傳動齒輪、油泵內(nèi)外轉(zhuǎn)子、左右棘爪、離合器推桿和離合器頂凸輪等零件。
粉末冶金材料的主要優(yōu)勢是生產(chǎn)成本低，但在生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品品質(zhì)和研究與開發(fā)方面仍需大力加強(qiáng)和提高。從我國資源及經(jīng)濟(jì)性考慮，在粉末冶金材料性能可滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，應(yīng)盡量選用鐵基型。
5．不銹鋼成為摩托車輕量化的新選擇
近年來，不銹鋼正成為摩托車的一種新型輕量化材料。不銹鋼在摩托車上的應(yīng)用時(shí)間雖然不短，但主要用于制造摩托車排氣系統(tǒng)零件（如排氣管），作為輕量化的材料應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件的試驗(yàn)與研究是近幾年才開始的�，F(xiàn)階段具有輕量化潛力的主要為高強(qiáng)奧氏體不銹鋼，如AISI300系列含氮的高強(qiáng)度奧氏體不銹鋼，以及GH132（0Cr15Ni25Ti2MoAIVB）鋼。采用AISI301L（0.02%C-17.3%Cr-7.0%Ni-1.0%Mn-0.15%N）等高強(qiáng)度不銹鋼板試制的防撞弓形梁、擋板等零部件，減小質(zhì)量幅度一般可達(dá)5%左右。
目前，不銹鋼應(yīng)用的主要障礙是成本問題，這是由于不銹鋼中Ni、Cr等合金元素含量較高，大量應(yīng)用尚存在資源緊缺等問題。降低成本的途徑主要有2個(gè)，一是選用價(jià)格相對較低的材料，如AISI204M因鎳含量較低價(jià)格比AISI301L便宜；二是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化，如減少零件數(shù)目、取消防蝕處理和表面處理等，來抵消一部分材料增加的費(fèi)用。
6．結(jié)束語
我國摩托車工業(yè)正在快速發(fā)展，為了應(yīng)對這種形勢的需要，在金屬材料、強(qiáng)化領(lǐng)域正在推行利用硼鋼等低等級鋼材、簡化熱處理工序、縮短高溫滲碳的周期、節(jié)省能源、推行工藝復(fù)合化等，從金屬材料、工藝綜合考慮的研發(fā)將變得十分重要。另外，要解決好輕量化與車輛安全的矛盾，提高零件的力學(xué)性能，從而提高零件的附加值和競爭力。
材料作為21世紀(jì)的支柱，目前已顯示出5個(gè)方面的發(fā)展趨勢：從鐵基合金向非鐵基合金，從金屬材料非金屬材料，從結(jié)構(gòu)材料向功能材料，從多維材料向低維材料，從單一材料向復(fù)合材料、成分和結(jié)構(gòu)由簡單向復(fù)雜化等變化。為了適應(yīng)未來摩托車的發(fā)展，應(yīng)不斷地運(yùn)用新技術(shù)、新工藝和新裝備，研發(fā)出性能優(yōu)良、節(jié)省能源和資源、成本較低的摩托車用新型材料。
