汽車發(fā)動機材料的發(fā)展

汽車發(fā)動機材料的發(fā)展歷史摘要：本文主要闡述了現代車用發(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75%以上;而灰鑄鐵件產量又占鑄鐵件總產量的75%以上?；诣T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,降低線膨脹系數和油耗,改善導熱性。2活塞和活塞環(huán)的材料加微合金元素，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1984年，日本已有75%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。20世紀80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。（3）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)，20103鄭乃金.汽車排放控制技術發(fā)展趨勢.汽車技術,19964曹正.汽車發(fā)動機連桿材料的現狀及發(fā)展趨勢，20075陳建新：發(fā)動機機械加工件新技術及應用，20106洪慎章：發(fā)展中的汽車連桿粉末鍛造