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1 前言
社会对减排 CO2 有需求，同时也担心世界性资源的供给，这就要求进一步持续降低汽车的环境负荷。在这样的背景之下，电动汽车的生产受到了非常重视，并且计划进一步加强对其系列化的研发工作。
该公司致力于改善 40%的平均燃料经济性，目标是在 2050 财年削减 90%的 CO2 排放量。为此，该公司增加了燃料经济性汽车。与 2005 财年相比，它在这方面做出了努力。2018 年销售的 VC-T 新型可变压缩比发动机，极大地提升了燃料经济性。
积极开展活动以实现碳足迹最小化，稳步降低从生产到销售过程中的 CO2 排放量。以 2022 年削减 30%、2050 年削减 80%为目标。在该活动中，积极引入并普及可再生能源。
在这些背景之下，人们期待着支撑汽车部件制造的材料、热处理以及表面改性技术能够发挥出更大的作用。本文对有利于环保的汽车动力传动系的技术进步进行了介绍，同时也介绍了热处理制造工序的省略情况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、变速箱以及终传动等动力传动系实现了高强度化和轻量化，这使得节能效果比车辆轻量化的节能效果更大。因为所有这些部件都处于高速度旋转的状态，所以即便减重的量相同，也有希望产生更显著的节能效果。
发动机代表性部件连杆实现轻量化，与此同时，曲轴的平衡锤能够减轻重量且小型化，气缸底座可以变得紧凑，从而可以大幅减轻总重量。因为连杆、曲轴等属于高速旋转的部件，它们的轻量化使得旋转效率大幅提升，这有助于提高燃料经济性。另外，若曲柄销直径小型化，那么滑动部位的面积会相应减少，进而将进一步提高旋转效率。
如果变速箱的齿轮强度得以提升，那么传动齿轮的长度就能够缩短，从而实现部件的小型化和紧凑化。在此情况下，前侧构件能够伸展伸直，这样既提高了碰撞安全性能，又减少了回转半径。
实现差动齿轮的高强度化和小型化后，终传动能够实现小型化。这样可以确保与转向装置有间隙，从而提高操作的稳定性；也可以确保与悬挂构件有间隙，进而提高碰撞安全性能。
所以，动力传动系是进一步轻量化优先考虑的部件。
此外，不仅有轻量化这一方面。从发动机到轮胎，存在着往复运动和旋转运动，其中有许多滑动部位。如果能够改善这些滑动部位的摩擦阻力，就会极大地提高燃料经济性。下面将介绍包括降低滑动阻力技术在内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
采用类金刚石涂层技术，使得燃料经济性提高了约 2%。在发动机转速处于某一状态时，凸轮与阀挺杆之间的滑动损失占整个系统的 20%。倘若能够降低该部件的滑动阻力，那么将对提高燃料经济性有极大的帮助。基于此，开始了针对该部位适用 DLC 的研究。
过去，TiN 等硬质皮膜会使用油基润滑剂。随着薄膜的硬质化，凸轮和阀挺杆间的相互表面粗糙度得到了改善，气门摩擦力矩也随之改善。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，气门摩擦降低的历程如 图 1 所示。
DLC 通过离子的气相合成法来合成。它具有类似金刚石的高硬度，同时还具备电气绝缘性和红外透射性等特点。DLC 是碳薄膜的总称。它是在真空中蒸镀碳元素而制造出来的。与金刚石不同，它是一种硬质的非晶质结构，如图 2 所示。目前主流的是通过等离子体 CVD 制造的含氢 DLC 膜。
选择了不含氢的 DLC 膜。如果不含氢，就能够形成油剂与碳元素直接结成数纳米牢固的油膜。同时，还开发了与 DLC 相容的油剂，凭借其协同效应降低了滑动阻力，从而实现了燃料经济性提高 2%。
该技术有望用于其他发动机部件，像活塞销以及活塞环等。同时，还能用于发动机部件之外更广泛范围的滑动部件。
2.3 等离子涂层技术
现在，汽油发动机的气缸体几乎都是用铝铸造生产的。
铝没有铸铁的滑动阻力，差速器和活塞属于高速滑动部分，所以不能直接用铝来制造。因此，考虑的办法是仅让气缸内壁用铸铁制造。一般的制造方式是在铸造铝缸体时，采用插入铸铁套的插入式铸造。进行插入式铸造后，要把铸铁套的内壁加工成正圆。加工后的铸铁套厚度大概为 2 到 3 毫米，在多气缸的发动机中，铸铁套的总重量也相当可观。
开发了一种对铝缸体的气缸孔内壁喷镀铁的技术。这种喷镀膜的厚度约为 200μm。相比铸铁套，它能大幅度减轻重量。如果只是对铝制气缸内壁喷镀铁，粘合力会不足，当活塞高速滑动时，存在剥离的风险。在喷镀之前，实施了特殊的粗糙面加工，其情况如图 3 所示。由于接触面积大幅度增加，通过具有锚定效果的面，能够保证耐滑动皮膜的粘合力。该项技术能把厚度 2.6mm 的铸铁套换成 0.2mm 的喷镀膜，这样能减轻约 2.6kg 的重量。同时，燃烧室的冷却效果得到了提升，转矩改善了 3%，还能使燃料经济性提高 1.5%。此技术可以进行批量生产，并且已搭载在日产 GT-R 上。
2.4 高强度齿轮的开发
齿轮一般采用 JIS 等低合金钢进行渗碳淬火回火热处理。其表面硬度约为 60HRC，内部硬度约为 35HRC。这种渗碳齿轮最为常见的损伤形态是齿根疲劳损伤。为提升齿根疲劳强度，以多种方式改变模数 1.5 斜齿轮的材质，并且使用动力循环齿轮疲劳测试仪进行了啮合疲劳试验。表 1 阐述了齿根疲劳强度提高率与各种材质主要因素之间的关系。从表 1 能看出，添加 Ni、Mo 等昂贵合金元素，借助真空渗碳避免出现异常表面层（不完全淬透层）以提升强度，然而并未达成最初设想的强度提升效果，有效硬化层深度大幅减少。有效硬化层深度的降低，导致高强度齿轮所需要的抗凹坑以及抗壳体碎裂强度等表面压力强度下降。喷丸是一种有效的方法，所以选择了喷丸硬化作为增加齿轮强度的措施。
喷丸硬化是一种加工方法。它使用空气压力喷射小直径钢球。这些钢球被称为叶轮或空气喷嘴。通过撞击齿轮底部附近来赋予表面加工硬化和压缩残余应力。从而提高强度。
着重对喷丸硬化所产生的压缩残余应力进行了研究。对压缩残余应力对齿根疲劳强度的影响进行了调查和分析。结果表明，表面压缩残余应力值与疲劳强度的相关性较低，如图 4 所呈现的那样。并且内部的残余应力指数与齿根疲劳强度的相关性较高。认为压缩残余应力场整体能够起到抑制表面裂纹发生后裂纹扩展的作用。
3 应对环保的汽车部件制造工艺的
技术进步
本章节主要介绍能使企业活动中的碳足迹最小化，且对汽车制造厂减排 CO2 贡献很大的技术。汽车部件制造过程中，有许多工序会使用大量热能，像热处理和涂漆。在此，介绍成功省去热处理工序以及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包含两个工序，一是使用模具成形的锻造成形工序，二是给予强度的调质（淬火、回火）工序。热锻工序时，需将部件加热到约 1200℃，锻造完成后，把部件冷却并运送至热处理设备，接着在热处理设备中再次加热至 900℃左右的奥氏体区域进行淬火，此过程存在加热的浪费。为了消除这种浪费，开发了一种新材料。这种新材料是通过将锻造后的冷却速度控制在 900℃和 500℃之间，能够确保规定强度的非调质钢。它是将 V 添加到碳钢中的材料。锻造后，以恒定的冷却速度进行处理，钒会与钢中的碳结合，变成 VC 在钢中析出。通过析出强化机制，材料的强度得以加强。
开发了控制冷却炉，用于控制锻造后产品的冷却速度。控制冷却除了能节能之外，在冷却后进行喷丸清理，还可以将其运送到机械加工车间，从而大幅度减少了库存。
非调质钢的应用起始于前轮毂。然而，对于曲轴、连杆等原本使用调质碳钢的部件，如今基本上都不再进行热处理。连续调质炉生产线是一种长度很长的设备，能够全部予以撤除，这种撤除行为扩大了工厂的空间。
除此之外，由于应用了新材料，退火和球化退火这两个步骤被省略了，这样就能够撤除更多的炉子。
3.2 真空渗碳技术的扩大应用
应用新材料能够省去锻件的调质过程。然而，对于齿轮等硬化表面所必需的渗碳热处理则不能省略。把气体渗碳方法改成真空渗碳，能够提升渗碳反应的速度，并且因为效率提高，还可以大大降低输入的能量。
真空渗碳是在低压下约 1kPa 进行的。它直接喷射碳化气体，以此来进行渗碳淬火。气体渗碳是在大气压下的渗碳气氛气体炉内进行，是 Fe-C 的平衡反应的渗碳。真空渗碳是在低压炉内把碳化氢气体直接添加到铁表面进行渗碳。所以，真空渗碳效率高，能够在高温下进行渗碳。真空渗碳有另一个优点，那就是设备散热较少，工厂环境良好，并且渗碳时间能够缩短约 30％。这样一来，CO2 的排放量就会减少 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
渗碳热处理对于获得部件表面硬化层是有作用的。然而，依据部件的形状，常规的渗碳技术有时无法抑制应变。对于新型可变压缩比发动机（即 VC-T 发动机）的连杆部件，如图 5 所示，新引进了真空渗碳气体淬火装置。通过对热处理方案进行优化，相关部件得以成功批量生产。此外，能够在通常不存在高温的区域进行渗碳。这样做加速了渗碳的速度，并且极大地缩短了渗碳所需的时间。同时，还可以在线完成从渗碳工序到机械加工工序的转变。
这种下连杆既需要兼顾高疲劳特性，又需要具备耐磨损性，因此需要表面硬度高。然而，渗碳钢材料适用于常规的气体渗碳和油淬火工艺，但其存在下连杆特有的形状特点钢材硬度检测仪，即薄壁与厚壁差大，淬火应变也大，从而无法确保产品性能要求。因此，大同特殊钢开发制造了小型真空渗碳+气体淬火的设备。通过对热处理方案进行优化，确立了低应变渗碳淬火技术。相关部件实现了量产化。
4.2 技术开发概要
该 VC-T 发动机的连杆部件中，上部连杆、曲轴和 C 连杆这三个部件被结合在一起，它们构成了激烈晃动连杆机构的核心部件，同时也是需要兼顾高疲劳强度和高韧性的部件。所以，在选择材料时，选用了外部高硬度、内部韧性高且具有量产实绩的铬钢（渗碳钢），并且在相应部件的热处理过程中，决定采用真空渗碳工艺。但是，现行的真空渗碳装置，其渗碳室较为宽阔。在炉内渗碳的条件下，小部件难以实现均匀化。这种装置适用于油淬火的连杆类部件，因为这类部件的壁厚差较大，应变也较大。
日本没有量产技术的先例。所以，引进了具备小型渗碳室和气体淬火室的小型真空渗碳装置，并且运用最新的热处理模拟技术，开展了适用于相关部件的技术研发工作。
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
气体淬火的应变比油淬火低。因为不使用油，所以能降低废弃物和环境负荷，在欧洲应用较为广泛。然而，与油淬火相比，气体淬火无法获得足够的冷却速度，因此根据部件形状和重量，会有硬度不足的倾向。在欧洲，法律规定可使用 30bar 的高压气体钢材硬度检测仪，而日本规定为 10bar，这使得冷却速度难以得到保证。
在这种情况下，采用热处理模拟技术，同时采用汽车空气阻力测定用的试验流动可视化技术。实施风洞板形状的最优化方案，以及实施部件外观的最优化方案，这样就可以确保所需强度的表面硬度。
气体淬火的应变比油淬火低。下连杆加强筋部与腹板部的壁厚差较大。因为冷却速度有差异，所以不能抑制规定的应变。因此，要在冷却模式方面下功夫。在 Ms 点（马氏体相变开始）的正上方设置温度保持。通过让缝隙的加强筋部（因为薄壁冷却速度快）和腹板部（因为厚壁冷却速度慢）的马氏体化时间变得一致。也就是采用如图 6 所示的分级淬火这种方式。最终成功地降低了应变。
常规方法下，喷吹压力和流速相同的气体时，薄壁的加强筋部冷却速度较快，而厚壁的腹板部冷却速度较慢。这样一来，加强筋部位会率先达到大约 300℃附近的 Ms 点，从而开始马氏体相变。腹板部开始马氏体相变的时间晚于加强筋部位。由于存在这个时间差，应变会集中在加强筋根部，进而存在缝隙宽度扩大的问题。为避免该现象，要让加强筋部和腹板部的 Ms 点在同一时刻通过，所以控制了冷却风速。通过这种改善，能够进一步降低应变。
第一阶段进行油淬火后，接着用气体淬火来降低应变。第二阶段通过气体淬火控制冷却，能够进一步降低应变。图 7 展示了第二阶段降低应变的情况。把油淬火时的缝隙宽度开度设定为 1，采用气体淬火后，可以降低大概三分之一；对气体淬火模式进行优化，还能再降低约七分之一。
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比气体渗碳的高，这样能大幅度减少渗碳所需的时间。并且把渗碳室弄小，运用耐热结构，还能够进一步进行高温渗碳。然而，在高温渗碳过程中，容易导致晶粒变得粗大，有可能成为使强度降低的一个因素，为了避免出现这种情况，就需要采取相应的措施。
引入的渗碳炉能够采用多种温度变化模式。为了探寻能够防止晶粒粗大化的温度变化模式，进行了多次试验。试验结果表明，在渗碳结束后，在达到淬火的奥氏体区域的保持温度之前，将温度冷却到再结晶温度以下的温度区域，也就是进行中间冷却，就可以完全抑制相关部件的晶粒粗大化，这一点从图 8 中可以看出。
通常，为避免晶粒粗大化，在晶粒开始长大之时，为制造具有钉扎效果的化合物，需要添加 Nb 等。然而，即便不添加这些价格昂贵的元素，使用标准的渗碳钢，也能够达成 1050℃的高温渗碳。
该项技术可用于高温渗碳，其渗碳时间比气体渗碳的渗碳时间缩短约六分之一。因为渗碳时间缩短了，所以能让渗碳工序前后的机械加工工序周期合在一起，进而实现机械加工车间的在线化。通过在线化，达到了工序间零库存的效果。与大型渗碳炉相比，小型渗碳减少了设备投资，并且提高了效率。
5 结语
材料技术的发展有助于汽车车体轻量化，热处理技术的发展有助于汽车车体低摩擦化，而车体轻量化和低摩擦化有助于减排 CO2。
要求钢铁材料具备高强度化以及梯度功能的生产技术。不能仅仅要求钢铁材料高强度化，而应在实现高强度化的同时，思考如何突破添加元素资源供应方面的问题以及高成本的问题。今后需要兼顾梯度功能材料的技术，包括母材的高韧性化、表面耐磨损性以及疲劳特性。为此，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需要进一步实现高功能化和节能。
对于制造工艺而言，需要省去热处理工序，同时要大幅度减少交货周期。今后所要求的不是热处理工艺自身的最优，而是钢材制造、锻造以及机械加工整个总工艺的最优。
