汽車發(fā)動機材料的發(fā)展

1、汽車發(fā)動機材料的發(fā)展作者：日期：?汽車發(fā)動機材料的發(fā)展歷史摘要 :本文主要闡述了現(xiàn)代車用發(fā)動機某些零件的材料發(fā)展：如氣缸體和缸套，活塞 , 曲軸和主軸，連桿等零件的材料組成及發(fā)展歷史及將來的發(fā)展方向。一汽車發(fā)動機的發(fā)展歷史目前 ,應用最廣、數(shù)量最多的汽車發(fā)動機為水冷、四沖程往復活塞式內燃機 , 其中汽油機多用于轎車和輕型客貨車上 ,而大客車和中、重型貨車發(fā)動機多為柴油機。少數(shù)轎車和輕型客貨車發(fā)動機也有用柴油機的。此外 ,燃氣發(fā)動機也漸漸地興起，液化石油氣， 壓縮天然氣， 液化天然氣等清潔汽車能源以其良好的經濟性和較低的排放污染物 ,被認為是車用發(fā)動機較為理想的代用燃料，得到廣泛應用。發(fā)動機的一

2、步步改善和進步的同時 ,也對發(fā)動機材料的選擇有了更高的要求。二汽車發(fā)動機零件的材料發(fā)展發(fā)動機材料是汽車設計、品質、質量及競爭力的基礎 ,汽車發(fā)動機技術的發(fā)展在很大程度上取決于發(fā)動機材料的發(fā)展。 汽車發(fā)動機用材料將緊緊地圍繞著環(huán)保、節(jié)能、安全、舒適性和低成本這五個主題展開，因而汽車發(fā)動機材料的發(fā)展也更加多樣化、多元化。1 氣缸體和缸套的材料氣缸體作為發(fā)動機中最重要的部件之一 ,其尺寸較大 ,結構復雜 ,壁厚較薄又很不均勻 ,而且在高溫、高壓及潤滑條件不良且有固體微粒和腐蝕介質工況條件下作高速相對運動 ,零件內部產生很大的機械應力和熱應力,同時承受強烈的摩擦磨損。因此 ,要求氣缸體材料具有良好的綜

3、合性能，即應具有良好的強韌性、導熱性、耐磨性、耐蝕性、加工工藝性能和經濟性。另外,對材料的再循環(huán)性及環(huán)境保護的因素也是要考慮的重要方面。(1) 灰鑄鐵氣缸體材料灰鑄鐵由于具有良好的鑄造工藝性能和機械性能 ,優(yōu)越的耐磨性、減振性和導熱性 ,而且生產方便，價格便宜，在很多工業(yè)領域的鐵系零件中被選定為復雜形狀零件的首選材料 ,特別是交通運輸行業(yè)用作制造發(fā)動機的材料。鑄鐵鑄件一般占各類鑄件總產量的 7%以上；而灰鑄鐵件產量又占鑄鐵件總產量的 75%以上。灰鑄鐵的鑄造性能， 尤其是它的缺口敏感性、 減震性及耐磨性是其他材料不可取代的。(2）蠕墨鑄鐵氣缸體材料鑄鐵機械性能的高低是由其金相組織所決定的。 由

4、于灰鑄鐵中的片狀石墨長且薄，表面平坦 ,端部尖銳 ,在承受負荷時，尖銳的端部易產生應力集中 ,成為鑄件破壞的起點 ,造成鑄件的強度和韌性下降 ;石墨雖然是優(yōu)良的固體潤滑劑，能防止劇烈的磨損，但其平坦的表面易造成石墨脫落， 同時尖銳的端部產生裂紋擴展 , 反而會引起磨損的加劇 ,所以片狀石墨的存在 ,使得為了滿足更高的使用要求而繼續(xù)提高灰鑄鐵強度、韌性和耐磨性變得極為困難。因此 ,從某種意義上來說 ,石墨的形態(tài)決定了鑄鐵件的性能。為迅速提高氣缸體的性能 ,近年來 ,從改善石墨形態(tài)的目的出發(fā) ,蠕墨鑄鐵引起了國內外高度重視。蠕墨鑄鐵的石墨形狀與片狀石墨相比 ,其長度較短而厚 ,端部較圓 ,且表面粗

5、糙， 較圓的端部能抑制裂紋的發(fā)生和擴展 ,粗糙的表面能限制石墨的脫離。 這種獨特的石墨形狀 ,與灰鑄鐵相比 ,能大大提高抗拉強度、抗疲勞強度、彈性模量和耐磨性等性能。（ 3）缸套材料為減輕發(fā)動機質量 ,很多汽油發(fā)動機機體采用鋁合金作材料；而另外設置一個灰鑄鐵缸套作為氣缸的工作面。由于兩種材料具有不同的熱膨脹特性,會影響整個氣缸系統(tǒng)的工作和降低效率。目前已開發(fā)出雙層材料缸套，即內層為鐵 ,外層為鋁合金 ,兩者構成一個整體。石墨鋁基復合材料具有較好的耐磨性、抗磨合性、自潤滑性。采用該材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑄鐵缸套可大大提高發(fā)動機的功率 ,降低線膨脹系數(shù)和油耗 ,改善導熱性。2 活塞和活塞環(huán)的材料活塞及活塞

6、環(huán)位于發(fā)動機的心臟,其工作質量的優(yōu)劣直接影響發(fā)動機的性能。現(xiàn)代發(fā)動機的活塞多采用鋁合金作材料。其主要優(yōu)點是質量輕、 導熱性能好?；钊c活塞環(huán)是一對摩擦副。為使其工作性能達到最佳化 ,在選用原材料和工作面的涂覆材料方面 ,首先應考慮兩者間的匹配性。如 :活塞環(huán)端面進行化學鈍化處理 ,則活塞應選用共晶鋁作材料 ,且對活塞環(huán)槽進行磷化處理。隨著發(fā)動機功率的不斷提高和活塞工作壽命的不斷延長 ,普通的鋁合金活塞難以滿足要求 ,許多性能更好的新材料應用于活塞中。鋁基復合材料的性能已達到使用鑄鐵的水平,而制成活塞和活塞環(huán)后質量大大減輕， 與普通鋁合金材料相比其高溫強度和抗熱疲勞性能明顯提高，并具有較低的線膨

7、脹系數(shù)?？商岣呋钊褂脡勖?,降低油耗和廢氣排放量 ,提高發(fā)動機功率。這種材料具有比鋁高 4 倍 ,比銅高 5 倍的傳熱系數(shù) ,以及相對密度低、質量輕、制取成本不高等特點 ,既可減小質量 40 ,又可散熱制冷，可有效地增加發(fā)動機輸出功率 ,改進工作效率。活塞環(huán)是易損件 ,在工作中與缸套摩擦劇烈 ,其摩擦損失 ,占發(fā)動機總摩擦損失的 0%70%,因此減輕摩擦和降低磨損是提高效率、 延長壽命的重要途徑。 研究表明 ,在活塞環(huán) (尤其是壓縮環(huán) )工作面上涂覆一層耐磨微小顆粒物質可提高其耐磨性能和載荷能力。 例如：對柴油機壓縮環(huán)施以鉻和陶瓷涂層，其耐磨強度較普通環(huán)提高0.51.5 倍。有了這種涂層 ,

8、活塞環(huán)的工作面將永久存留一層潤滑油膜。有的活塞環(huán)的表面覆的不是氧化錳類的微小顆粒，而是極精細的鉆石微小顆粒,這可進一步提高環(huán)的耐磨強度。以鋁合金為主流活塞材料應具有低密度、高導熱性、高溫疲勞強度、低膨脹系數(shù)、減磨性能和良好的工藝性能。除鋁合金 ,能同時滿足以上要求的材料極少，所以至今活塞材料的主流還是鋁合金。盡管如此 ,具有分散顆粒的陶瓷材料和驟冷凝固粉末的高強度鋁材是目前有前途的活塞材料。曲軸和主軸承蓋螺栓的材料曲軸是發(fā)動機的脊梁。 曲軸形狀復雜、受力復雜、應力集中嚴重 ,要求盡可能高的彎曲剛度和扭轉剛度,同時軸頸在很高的比壓下發(fā)生滑動摩擦。因此曲軸應同時滿足高強度、 高剛度、耐磨和輕巧的要

9、求 ,然而這些要求是矛盾的。曲軸也是發(fā)動機中較重的零件之一,減輕曲軸的重量具有很大的誘惑力。但曲軸特殊的結構和工作狀況、對剛度的要求及其在發(fā)動機里的重要地位,材料的變更始終未能超出普碳鋼、合金鋼、微合金鋼和鑄鐵的范疇。鍛鋼曲軸熱處理鍛鋼曲軸,這類曲軸多采用精鍛中碳鋼或中碳合金鋼 ,需要采用調質（或正火)熱處理來提高強度并改善加工性能。鍛造曲軸由于需要熱處理,工藝較復雜，需要時間多,而且能源消耗較大。另外 ,國外采用鈣鋼經鍛造余熱淬火后,增加淬透性 ,以提高硬度、抗拉強度、沖擊韌性和延伸率,從而降低毛坯成本。連桿材料的發(fā)展(）調質鋼調質鋼是傳統(tǒng)的連桿材料，到目前為止 ,我國仍大部分沿用這類材料。

10、它們的傳統(tǒng)工藝是下料鍛造 -正火調質機加工，此工藝過程周期常、能耗高、氧化脫碳嚴重。對這類鋼的另一方面的工作是強化 ,即進行表面化學熱處理或噴丸強化 ,這類鋼由于強韌性高、 質量易保證 ,在我國還能沿用一段時間 ,但由于其工藝較繁、耗能較大、成本較高，從新材料的發(fā)展看， 將逐漸被其它新材料所取代。（ 2) 非調質鋼非調質鋼是在中碳鋼的基礎上添加釩、鈦、鈮等微合金元素,通過控制軋制或控制鍛造過程的冷卻速度,使其在基體組織中彌散析出碳、氮的化合物使其得到強化。非調質鋼由于其添加的是微合金元素,因此材料的成本不高 ,作為一種廉價的節(jié)能鋼種，非調質鋼正在逐步的取代調質鋼,國外已經幾乎完全采用非調質鋼生

11、產連桿。早在20世紀 6年代，美國就在鋼的基礎上提高錳含量并添加微合金元素，鍛造后不經過調制處理即應用于轎車發(fā)動機連桿的制造中。到98 年，日本已有7%的連桿和曲軸、歐洲各國有3%-50的汽車發(fā)動機連桿、曲軸和前軸應用非調質鋼制造。2 世紀 8 年代初，我國開始研究非調質鋼 ,取得了一些進展，但與世界先進水平相比，仍有一定差距，如目前研究的非調質鋼韌性還不夠高，只能代替調質碳鋼。(） 粉末冶金材料粉末冶金材料是集材料生產 -加工技術 -零件制造于一體 ,與其它制造技術相比 , 它的最大優(yōu)點是材料的利用率高、 制造加工能耗低， 經濟效益顯著。 我國粉末冶金技術與國際先進水平相比差距較大， 燒結鍛

12、造技術落后， 專用的粉末冶金壓機及燒結爐的應用還不普遍，金屬粉末的品種少、質量差且不穩(wěn)定 ,另外燒結保護氣體還需進一步地研究改進。目前 ,國內粉末冶金鍛造連桿的研制還未見報道 ,因此 ,提高我國粉末冶金技術水平 ,研制連桿這類比較重要的零件是亟需解決的問題。(4) 金屬基復合材料減輕連桿的重量可減少發(fā)動機振動和減小慣性力。 因而 ,人們越來越廣泛使用輕質材料來制造連桿。為了減輕重量，通常采用鋁、鎂等輕金屬作為基體材料，用不銹鋼纖維、陶瓷纖維或晶須作強化材料，制成金屬基復合材料。目前，國際上已經研究和正在研制的金屬基復合材料連桿包括： 日本豐田技術研究所研制的不銹鋼纖維強化鋁合金連桿、 碳化硅晶

13、須和顆粒強化鋁合金連桿和氧化鋁纖維強化鋁合金連桿。這種連桿的重量輕 ,比鋼質連桿能減輕大約 30,抗拉強度和疲勞強度高 ,線膨脹系數(shù)小，可滿足連桿工作時性能的要求。而且由于復合材料連桿的輕量化 ,允許其它一些與連桿相關的零件（如曲軸、軸承等 )減輕重量，并可省去為減少噪音和振動所加的平衡重量， 連桿和其它相關零件重量的減輕還可改善發(fā)動機靈敏度響應性。 但是，金屬基復合材料價格較高， 成本問題是他的積癥所在。由于工藝復雜， 加工過程的成本往往大于強化材料的費用而成為成本中的主要部分，這就使它的應用范圍受到很大的限制 ,在國際上還沒有很大的發(fā)展。但這類材料作為連桿材料時，其性能明顯比前述各類材料都優(yōu)越，因此 ,一旦解決了成本問題 ,它將是連桿的主要材料。三結論汽車工業(yè)是我國國民經濟的支柱產業(yè)之一,對實現(xiàn)我國“保增長、擴內需、調節(jié)構”的經濟計劃將起著十分重要的作用。隨著世界工業(yè)的進步,汽車也漸漸走人了普通百姓的眼里， 成為街頭巷尾人人相談的話題。了解汽車的發(fā)展史是一個非常必要而且有意義的事。 汽車發(fā)動機也還有很大的進步空間，這就依賴于新材料的發(fā)現(xiàn)與制造 ,只有制作材料得到改進，發(fā)動機的性能才會提高。1 李朝輝，楊新樺汽車新技術重慶 :重慶大學出版社 ,20042 褚東寧 ,馮美斌 . 汽車發(fā)動機材料技術發(fā)展動態(tài)，0103 鄭乃金汽車排放控制技術發(fā)展