铝镁钛合金材料在汽车发动机中的应用

铝、镁、钛合金材料在汽车发动机中的应用
世界铝业协会的报告指出，汽车质量每减少10%，燃油消耗可以降低6%—8%。

由此可见减轻汽车自重是实现汽车节约能源，降低燃油消耗，减少尾气排放的重要措施。

汽车轻量化是当代汽车发展的一个重要课题，其基本要求是：
(1)在保证汽车质量和功能不受影响的前提下，最大限度地减轻各零部件的质量，降低燃耗，减少排放污染。

(2)在使汽车减轻质量、降低燃耗、减少排放的同时，努力谋求它的高输出功率、高响应性、低噪声、低振动、良好的操纵性、高可靠性和高舒适性等。

(3)在汽车轻量化的同时，汽车的价格应当下降或保持在合理水平，具有商业竞争能力，即汽车的轻量化技术必须是兼顾质量、性能、价格的技术。

通常占汽车总质量比重较大的部分有发动机、底盘、车身、内外装备等，所占比例如表1所示。

汽车各部分的质量是相互关联的，发动机是汽车的心脏，其质量不容忽视。

如果减轻发动机质量，底盘质量就能相应减轻，而减轻车身零部件的质量，支承它的车架、车桥、车轮、悬架等行走系的负荷就会降低，其质量和尺寸可相应减小，从而使发动机和制动器的质量和尺寸也可相应减小。

但汽车轻量化是具有前提条件的，即在保证汽车整体质量和性能不受影响的前提下，应最大限度地减轻各零部件的质量，努力谋求高输出功率、低噪声、低振动和良好的操纵性、高可靠性等，降低燃油消耗，减少排放污染。

为此，各国的汽车制造厂家为了使发动机轻量化、高速化、高功率化，并且有较高的耐久性，做了大量的工作，大量新材料被应用进来。

1铝合金在汽车发动机上的应用
铝是生产汽车的优良材料。

铝代替传统的钢铁制造汽车，可使整车重量减轻30%—40%，研究表明，汽车上每使用1kg铝，便可降低自重2.25kg，减重效应高达125%，同时，在汽车整个使用寿命期内，可减少废气排放20kg。

即用铝的减重和排放效果比为1：2.25：20。

铝回收利用简便，是钢铁以外能最大限度回收利用的材料，几乎90%的汽车用铝可回收并循环使用，在世界环保意识高涨的今天，能高度回收利用的材料和制品日益受到重视。

因此，铝材对促进汽车轻量化，降低能源消耗和改善人类生存环境贡献很大。

各国的汽车制造厂家为了使发动机轻量化、高速化、高功率化，并且有较高的耐久性，在汽车发动机上越来越多地使用铝合金材料。

如铝质发动机体、铝质缸盖、铝质进气歧管。

铝具有高导热性和耐腐蚀性，单位重量导热性几乎比铁大3倍，用于制造发动机缸体、缸盖、进气歧管和活塞等零件，既减重效果明显，又可能提高发动机的压缩比，减少热应力，提高热效率和发动机的功率，表2为铝铸件与铸铁件重量比较。

汽缸体是发动机里最重的零件，采用轻质的材料可以大幅度减轻发动机的重量。

铝缸体和缸盖比原用材料轻30%—40%，铝6缸发动机比同类铸铁缸体轻32%左右，V6发动机轻50%左右。

轿车发动机铝缸盖和铝缸体处于增长趋势，如奔驰公司开发的微型轿车用0M660共轨直喷柴油机(排量0.799L)，
Cu3压铸铝；日本丰田开发的SUV车用AZ系列汽油机(排量2.0L/2.4L)
采用Si—Cu系列的GD—AlSi
9
Cu3压铸铝的密度为2.75g/cm3，仅为铸铁的30%左右，可见减的机体也是用压铸铝制造的。

GD—AlSi
9
重的幅度较大。

目前，北美轿车市场上铝质发动机占有率几乎接近100%。

在国产轿车中，虽然大多采用了铝质发动机缸盖和进气歧管，而发动机铝缸体的比例不大，轿车发动机用铝低于国外水平。

2镁合金在汽车发动机上的应用
镁合金是最轻的金属结构材料，其密度为1.75-1.90g/cm3。

镁合金的张度和弹性模量较低，但它有高的比张度和比刚度，在相同重量的构件中，选用镁合金可使构件获得更高的刚度。

镁合金有很高的阻尼容量和良好的减振性能，可承受较大的冲击震动负荷，适用于制造承受冲击载荷和振动的零部件。

镁合金的熔点比铝合金低，压铸成型性能好。

镁合金铸件的抗拉张度与铝合金铸件相当，一般可达250MPa，最高可达600MPa以上。

屈服张度、延伸率与铝合金相比也相差不大。

镁合金还具有良好的耐腐蚀性能、电磁屏蔽性能、防辐射性能，可进行高精度机械加工。

镁合金具有良好的压铸成型性能，压铸件比厚最小可达0.5mm，适合制造汽车各类压铸件。

为适应发动机零件工作温度较高的需要，近年来欧美等国家先后开发出了Mg-A1-Ca，Mg-A1-Ca-Re 等高强度抗蠕变镁合金，以及MR1201S，MRl202S与MR1203S等高温镁合金。

欧洲正在使用和研制的镁合金汽车零部件有60多种，单车用镁合金913-2013g。

北美正在使用和研制的镁合金汽车零部件有100多种，是世界上汽车用镁合金量最大的地区，单车用镁合金518-2613g。

日本三菱铝业公司与澳大利亚工业科技部合作开发一种超轻质量的镁发动机。

我国研制新型压铸镁合金，其成分与德国的
TL2VW030成分相当，但杂质含量低，除具有较高强度、硬度和韧性外，还有较高抗蚀性能。

目前，我国汽车上使用镁压铸件只有桑塔纳轿车的变速器壳体和壳盖。

使用镁合金压铸件对实现汽车的轻量化、高速、节能等整体功能效果明显，镁压铸件每年以20%—25%的速度增加。

我国汽车行业和压铸业应用战略眼光看待这种趋势，研制和生产镁合金压铸件。

当前，制约镁在汽车中大量应用的最主要因素是技术问题。

就结构件而言，由于存在诸如对镁材料的特性缺乏深层次的理解，镁零件的防蚀技术未取得突破，镁材料的性能数据缺乏(尤其缺少工艺性能数据)和镁零件的设计与使用经验不足等问题，使镁在汽车中的普及程度暂时还难以与铝匹敌。

据此估计，近期内它在国内汽车用材中所占的比例不会超过1%。

3钛合金在汽车发动机上的应用
钛合金是一种新型结构材料，钛的密度为4.15g/cm3，比铁小很多；钛的熔点1668℃，比铁还要高；热胀系数小，作为耐热材料很有潜力；其制成的钛合金抗拉强度可达1500MPa，可与超高强度钢媲美，其比强度是常用工程材料中最高的；钛合金可在550℃以下工作，优于铝合金及一般钢。

因此它在航空、航天、汽车、造船等工业部门获得日益广泛的应用，发展迅猛。

由于钛及其合金的优异抗蚀性能，良好的力学性能，以及合格的组织相容性，使它用于制作假体装置等生物材料。

钛的耐蚀性比不锈钢好，密度是铁的1／2，韧性也与钢铁相当，在航空业被普遍采用，是与铝、复合材料相并列的“材料三大支柱”之一。

其缺点是成本高，加工性能差，切削、焊接、表面处理都较难。

钛合金化后可提高高温强度、加工性、焊接和耐蚀性。

钛合金适于制造汽车发动机气门弹簧、气门和发动机连杆。

用钛合金制造板簧与用抗拉强度达2100MPa的高强度钢相比，可降低自重20%。

钛合金在汽车发动机上应用的实例。

(1)钛合金连杆。

意大利的新型法拉利(Fer-rari)315LV8与Acura的NSX发动机首次使用了钛合金连杆，比钢制连杆轻15%—20%。

(2)钛合金发动机气门。

用钛合金等制成的气门比钢制气门轻30%—40%，可提高极限转速20%。

排气门因采用了Ti224Si合金提高了高温强度，但排气温度在于750t以上时，强度、抗氧化性不稳定。

另外，钛合金很早就被用于制作行驶时间较短的赛车上的发动机气门，而值得关注的是，近年来某些厂家正在将这种气门安装在数量较少的批量生产的汽车发动机上。

据报道，该产品采用了掺有TiB的钛合金烧结材料和特殊的粉末冶金技术，可以实现降低价格的目标。

用这种方法，制造进气门也许问题不大，但排气门的使用温度一般是高于750t的，这一温度已经超过了钛合金的使用温度上限。

在这样的条件下，可以认为其高频疲劳寿命的衰减速度主要取决于高温氧化强度。

蠕变断裂强度暂且不论，就疲劳强度而言，很难确认是由于掺人TiB的效果而得以使其显著增强。

但这些正在被实际使用的气门毕竟为我们提供了确凿的疲劳强度数据。

(3)钛合金弹簧类。

Ti213V211C23A1等合金的开发，可望用于发动机气门弹簧、悬架弹簧上。

钛合金利用的最大难点是成本高。

其次，提高加工性、耐久性及表面处理技术的开发，再生技术的建立也是很必要的。

钛和钛合金应用的最大阻力来自于其高价格，所以钛合金的研制和生产工艺的开发重点都在于降低成本。

日本丰田开发了低成本钛基复合材料，该复合材料以Ti26A124V合金为基体，以TiB为增强体，用粉末冶金法生产。

该复合材料成本低、性能优良，已在发动机连杆上得到应用。

4结语
综上所述，在目前的汽车发动机制造中，最重要的轻量化材料仍是铝合金材料。

铝以优良的性能、良好的生产工艺性和高的材料再生性，已在世界汽车工业获得广泛应用。

镁、钛等轻质合金也在发动机部分零件的制造上有着各自的优势，但由于成本因素目前还未成为业内主流，但相信在未来的汽车工业中一定有他们的一席之地。