汽车发动机材料的发展

汽车发动机材料的发展历史摘要：本文主要阐述了现代车用发动机某些零件的材料发展：如气缸体和缸套，活塞，曲轴和主轴，连杆等零件的材料组成及发展历史及将来的发展方向。一汽车发动机的发展历史目前，应用最广、数量最多的汽车发动机为水冷、四冲程往复活塞式内燃机，其中汽油机多用于轿车和轻型客货车上，而大客车和中、重型货车发动机多为柴油机。少数轿车和轻型客货车发动机也有用柴油机的。此外，燃气发动机也渐渐地兴起，液化石油气，压缩天然气，液化天然气等清洁汽车能源以其良好的经济性和较低的排放污染物，被认为是车用发动机较为理想的代用燃料，得到广泛应用。发动机的一步步改善和进步的同时，也对发动机材料的选择有了更高的要求。二汽车发动机零件的材料发展发动机材料是汽车设计、品质、质量及竞争力的基础,汽车发动机技术的发展在很大程度上取决于发动机材料的发展。汽车发动机用材料将紧紧地围绕着环保、节能、安全、舒适性和低成本这五个主题展开,因而汽车发动机材料的发展也更加多样化、多元化。1气缸体和缸套的材料气缸体作为发动机中最重要的部件之一,其尺寸较大,结构复杂,壁厚较薄又很不均匀,而且在高温、高压及润滑条件不良且有固体微粒和腐蚀介质工况条件下作高速相对运动,零件内部产生很大的机械应力和热应力,同时承受强烈的摩擦磨损。因此,要求气缸体材料具有良好的综合性能,即应具有良好的强韧性、导热性、耐磨性、耐蚀性、加工工艺性能和经济性。另外,对材料的再循环性及环境保护的因素也是要考虑的重要方面。（1）灰铸铁气缸体材料灰铸铁由于具有良好的铸造工艺性能和机械性能,优越的耐磨性、减振性和导热性,而且生产方便,价格便宜,在很多工业领域的铁系零件中被选定为复杂形状零件的首选材料,特别是交通运输行业用作制造发动机的材料。铸铁铸件一般占各类铸件总产量的75%以上;而灰铸铁件产量又占铸铁件总产量的75%以上。灰铸铁的铸造性能,尤其是它的缺口敏感性、减震性及耐磨性是其他材料不可取代的。（2）蠕墨铸铁气缸体材料铸铁机械性能的高低是由其金相组织所决定的。由于灰铸铁中的片状石墨长且薄,表面平坦,端部尖锐,在承受负荷时,尖锐的端部易产生应力集中,成为铸件破坏的起点,造成铸件的强度和韧性下降;石墨虽然是优良的固体润滑剂,能防止剧烈的磨损,但其平坦的表面易造成石墨脱落,同时尖锐的端部产生裂纹扩展,反而会引起磨损的加剧,所以片状石墨的存在,使得为了满足更高的使用要求而继续提高灰铸铁强度、韧性和耐磨性变得极为困难。因此,从某种意义上来说,石墨的形态决定了铸铁件的性能。为迅速提高气缸体的性能,近年来,从改善石墨形态的目的出发,蠕墨铸铁引起了国内外高度重视。蠕墨铸铁的石墨形状与片状石墨相比,其长度较短而厚,端部较圆,且表面粗糙,较圆的端部能抑制裂纹的发生和扩展,粗糙的表面能限制石墨的脱离。这种独特的石墨形状,与灰铸铁相比,能大大提高抗拉强度、抗疲劳强度、弹性模量和耐磨性等性能。（3）缸套材料为减轻发动机质量,很多汽油发动机机体采用铝合金作材料;而另外设置一个灰铸铁缸套作为气缸的工作面。由于两种材料具有不同的热膨胀特性,会影响整个气缸系统的工作和降低效率。目前已开发出双层材料缸套,即内层为铁,外层为铝合金,两者构成一个整体。石墨铝基复合材料具有较好的耐磨性、抗磨合性、自润滑性。采用该材料代替传统的铸铁缸套可大大提高发动机的功率,降低线膨胀系数和油耗,改善导热性。2活塞和活塞环的材料活塞及活塞环位于发动机的心脏,其工作质量的优劣直接影响发动机的性能。现代发动机的活塞多采用铝合金作材料。其主要优点是质量轻、导热性能好。活塞与活塞环是一对摩擦副。为使其工作性能达到最佳化,在选用原材料和工作面的涂覆材料方面,首先应考虑两者间的匹配性。如:活塞环端面进行化学钝化处理,则活塞应选用共晶铝作材料,且对活塞环槽进行磷化处理。随着发动机功率的不断提高和活塞工作寿命的不断延长,普通的铝合金活塞难以满足要求,许多性能更好的新材料应用于活塞中。铝基复合材料的性能已达到使用铸铁的水平,而制成活塞和活塞环后质量大大减轻,与普通铝合金材料相比其高温强度和抗热疲劳性能明显提高,并具有较低的线膨胀系数。可提高活塞使用寿命,降低油耗和废气排放量,提高发动机功率。这种材料具有比铝高4倍,比铜高5倍的传热系数,以及相对密度低、质量轻、制取成本不高等特点,既可减小质量40%,又可散热制冷,可有效地增加发动机输出功率,改进工作效率。活塞环是易损件,在工作中与缸套摩擦剧烈,其摩擦损失,占发动机总摩擦损失的60%~70%,因此减轻摩擦和降低磨损是提高效率、延长寿命的重要途径。研究表明,在活塞环(尤其是压缩环)工作面上涂覆一层耐磨微小颗粒物质可提高其耐磨性能和载荷能力。例如:对柴油机压缩环施以铬和陶瓷涂层,其耐磨强度较普通环提高0.5~1.5倍。有了这种涂层,活塞环的工作面将永久存留一层润滑油膜。有的活塞环的表面覆的不是氧化锰类的微小颗粒,而是极精细的钻石微小颗粒,这可进一步提高环的耐磨强度。以铝合金为主流活塞材料应具有低密度、高导热性、高温疲劳强度、低膨胀系数、减磨性能和良好的工艺性能。除铝合金,能同时满足以上要求的材料极少,所以至今活塞材料的主流还是铝合金。尽管如此,具有分散颗粒的陶瓷材料和骤冷凝固粉末的高强度铝材是目前有前途的活塞材料。3曲轴和主轴承盖螺栓的材料曲轴是发动机的脊梁。曲轴形状复杂、受力复杂、应力集中严重,要求尽可能高的弯曲刚度和扭转刚度,同时轴颈在很高的比压下发生滑动摩擦。因此曲轴应同时满足高强度、高刚度、耐磨和轻巧的要求,然而这些要求是矛盾的。曲轴也是发动机中较重的零件之一,减轻曲轴的重量具有很大的诱惑力。但曲轴特殊的结构和工作状况、对刚度的要求及其在发动机里的重要地位,材料的变更始终未能超出普碳钢、合金钢、微合金钢和铸铁的范畴。锻钢曲轴——热处理锻钢曲轴,这类曲轴多采用精锻中碳钢或中碳合金钢,需要采用调质(或正火)热处理来提高强度并改善加工性能。锻造曲轴由于需要热处理,工艺较复杂,需要时间多,而且能源消耗较大。另外,国外采用钙钢经锻造余热淬火后,增加淬透性,以提高硬度、抗拉强度、冲击韧性和延伸率,从而降低毛坯成本。4连杆材料的发展（1）调质钢调质钢是传统的连杆材料，到目前为止，我国仍大部分沿用这类材料。它们的传统工艺是下料－锻造－正火－调质－机加工，此工艺过程周期常、能耗高、氧化脱碳严重。对这类钢的另一方面的工作是强化，即进行表面化学热处理或喷丸强化，这类钢由于强韧性高、质量易保证，在我国还能沿用一段时间，但由于其工艺较繁、耗能较大、成本较高，从新材料的发展看，将逐渐被其它新材料所取代。（2）非调质钢非调质钢是在中碳钢的基础上添加钒、钛、铌等微合金元素，通过控制轧制或控制锻造过程的冷却速度，使其在基体组织中弥散析出碳、氮的化合物使其得到强化。非调质钢由于其添加的是微合金元素，因此材料的成本不高，作为一种廉价的节能钢种，非调质钢正在逐步的取代调质钢，国外已经几乎完全采用非调质钢生产连杆。早在20世纪60年代，美国就在钢的基础上提高锰含量并添加微合金元素，锻造后不经过调制处理即应用于轿车发动机连杆的制造中。到1984年，日本已有75%的连杆和曲轴、欧洲各国有3%-50%的汽车发动机连杆、曲轴和前轴应用非调质钢制造。20世纪80年代初，我国开始研究非调质钢，取得了一些进展，但与世界先进水平相比，仍有一定差距，如目前研究的非调质钢韧性还不够高，只能代替调质碳钢。（3）粉末冶金材料粉末冶金材料是集材料生产－加工技术－零件制造于一体，与其它制造技术相比，它的最大优点是材料的利用率高、制造加工能耗低，经济效益显著。我国粉末冶金技术与国际先进水平相比差距较大，烧结锻造技术落后，专用的粉末冶金压机及烧结炉的应用还不普遍，金属粉末的品种少、质量差且不稳定，另外烧结保护气体还需进一步地研究改进。目前，国内粉末冶金锻造连杆的研制还未见报道，因此，提高我国粉末冶金技术水平，研制连杆这类比较重要的零件是亟需解决的问题。（4）金属基复合材料减轻连杆的重量可减少发动机振动和减小惯性力。因而，人们越来越广泛使用轻质材料来制造连杆。为了减轻重量，通常采用铝、镁等轻金属作为基体材料，用不锈钢纤维、陶瓷纤维或晶须作强化材料，制成金属基复合材料。目前，国际上已经研究和正在研制的金属基复合材料连杆包括：日本丰田技术研究所研制的不锈钢纤维强化铝合金连杆、碳化硅晶须和颗粒强化铝合金连杆和氧化铝纤维强化铝合金连杆。这种连杆的重量轻，比钢质连杆能减轻大约30%，抗拉强度和疲劳强度高，线膨胀系数小，可满足连杆工作时性能的要求。而且由于复合材料连杆的轻量化，允许其它一些与连杆相关的零件（如曲轴、轴承等）减轻重量，并可省去为减少噪音和振动所加的平衡重量，连杆和其它相关零件重量的减轻还可改善发动机灵敏度响应性。但是，金属基复合材料价格较高，成本问题是他的积症所在。由于工艺复杂，加工过程的成本往往大于强化材料的费用而成为成本中的主要部分，这就使它的应用范围受到很大的限制，在国际上还没有很大的发展。但这类材料作为连杆材料时，其性能明显比前述各类材料都优越，因此，一旦解决了成本问题，它将是连杆的主要材料。三结论汽车工业是我国国民经济的支柱产业之一，对实现我国“保增长、扩内需、调节构”的经济计划将起着十分重要的作用。随着世界工业的进步，汽车也渐渐走人了普通百姓的眼里，成为街头巷尾人人相谈的话题。了解汽车的发展史是一个非常必要而且有意义的事。汽车发动机也还有很大的进步空间，这就依赖于新材料的发现与制造，只有制作材料得到改进，发动机的性能才会提高。1李朝辉，杨新桦汽车新技术重庆：重庆大学出版社，20042褚东宁，冯美斌．汽车发动机材料技术发展动态，20103郑乃金.汽车排放控制技术发展趋势.汽车技术,19964曹正.汽车发动机连杆材料的现状及发展趋势，20075陈建新：发动机机械加工件新技术及应用，20106洪慎章：发展中的汽车连杆粉末锻造技术20077徐红光，蒋素琴.发动机连杆制造材料及特点分析.天津汽车，20078李永祥，毕晓勤：金属基复合材料及其在发动机制造中的应用，20019吕莉雯等主编：轿车零部件新材料及其应用.北京理工大学出版社,199610徐维新等主编：现代汽车新技术.上海科学技术出版社,1999