浅谈铝质材料在轻轿车发动机连杆上的应用

铸铁连杆成功地取代部分锻钢连杆，极大地激发了人们用粉未冶金锻造法制造发动机连 杆的兴趣。粉末冶金锻造是将常规的粉末冶金工艺与精密锻造工艺相结合而发展起来的一项 颇具竞争力的少、无切削工艺。２０世纪７０年代中期，德国ＰＯＲＳＨＥ公司率先在其生产的标准 系列汽车上使用粉未锻造连杆，日本丰田汽车公司则于８０年代初开始采用，至１９９２年其产量 已达２５０万根。美国Ｆ（）ＲＤ公司从１ ９８７年开始大量采用粉末锻造连杆，其１９９２年的产量为 ４００万根。德国ＢＭｗ公司于１９９１年开始在其新设计的８缸发动机上采用粉锻连杆，当年的 产量即达到６５万根。世界各大汽车公司纷纷采用粉锻连杆代替传统的锻钢连杆，与粉锻连杆 优异的使用性能和低廉的生产成本是分不开的。粉锻连杆的重量偏差一般低于０．５％，远小于 锻钢连杆的３％～５％和铸铁连杆的３％～４％，重量为锻钢连杆的８０％～９０％，生产成本仅为 锻钢连杆的７０％左右Ｃ５ＪＣ６Ｋ７ ＪＣ８３。
传统的连杆生产均采用中低碳结构钢模锻成坯后，再经过拉铣镗磨等传统工序加工成型。
由于引入了现代的连杆盖裂解新工艺，这种传统锻钢连杆的用材已从中低碳结构钢扩展至高
碳钢，且制造成本有所降低。但总的说来，锻钢连杆的重量较重，重量偏差较大（锻钢连杆的重
量偏差一般为其重量的３％～５％），制造成本也较高。尽管如此，由于这种连杆的生产工艺比
受力如表５。该发动机连杆杆部最小截面积实测值约２１０ｒａｍ２，则其最大应力幅为８４Ｎ／ｒａｍ２。
以减重５０％作为设计目标，铝合金的比重仅２．７，而钢铁材料的比重为７．８，则铝连杆的截面
２４——
表４ 几种典型的碳化硅增强铝基复合材料及其基体的拉伸性能数据
基体
增强体含量
（Ｖ％）
弹性模量
（１０３Ｎ／ｒａｍ２）
屈服强度
（Ｎ／ｒａｍ２）
抗拉强度
（Ｎ／ｍｍ２）
延伸率 （％）
６０６１Ｔ６ ６０６ｌＴ６ ６０６ｌＴＧ ７００ｌＴ６ ７０。１Ｔ６
７００１］１６ ｆ
４０
４０
—
１５
（）
１３８ ９３ ６９ １ ３１ １０７ ６９
随着车用发动机向高速化、轻量化方向发展，人们对连杆等运动件提出了更高的轻量化要 求。如今，人们已突破连杆用材仅限于钢铁材料的现状，开始研究采用轻质工程材料制造车用 发动机连杆的新技术。德国一所大学几年前曾采用碳纤维增强工程塑料制造发动机连杆，其重 量仅为锻钢连秆的４８％，但价格是锻钢连杆的６．７倍。因生产成本居高不下，这种连杆在汽车 行业大批量应用的前景还十分遥远”］。
工程上用于结构件的比钢铁材料轻的金属材料有铝、镁和钛的舍金及以其为基体的各种 复合材料。仅从比强度和比模量等性能参数看．适用于制作发动机连杆的材料依次是钛、镁、铝 和铁。对于汽车工业而言，价格是制约轻质台金应用的最主要因素。在上述几种轻质合金中， 铝的比价格最低廉，因此也最具有应用前景。
２国内外技术发展概况及趋势
３．２碳化硅增强铝基复合材料 金属基复合材料是以金属或合金为基体，以纤维、晶须或颗粒为增强体的复合材料。由于 这种材料具有强度和弹性模曩高、高温性能好、耐磨性优异等优点，在航空航天、汽车制造等领 域的应用前景十分广阔。目前金属基复台材料发展有铝基、镁基、钛基、铜基等，其中以铝基发 展最快并成为当前金属基复合材料发展和研究工作的主流。金属基复合材料的制备方法有粉 末冶金法、挤压铸造法、喷射沉积法、热压法等，各有其优缺点。以纤维、晶须作为增强体制备的 复合材料虽然具有优异的力学性能，但由于成本高，且材料的制备工艺复杂，限制了它在民用 工业中的发展和应用。而颗粒增强的金属基复合材料因价格相对低廉，具有良好的力学性能、 物理性能和优异的工艺性能，并且具有各向同性的特点，可采用传统的成型工艺进行制备和二 次加工．已为民用工业所接受。颗粒增强金属基复合材料的性能一般取决于增强颗粒的种类、 形状、尺寸和数量，基体金属的种类和性质以及材料的复合工艺等。 颗粒增强金属基复合材料中研究较多、应用最广的是碳化硅颗粒增强铝基复合材料，也是 目前金属基复合材料中最早实现大规模产业化的品种。此种复合材料的密度仅为钢的三分之 ～，与铝合金相近，其比强度与钛合金相近，比铝合金高，比模量略高于钛合金，比铝合金高得 多。此外，碳化硅增强铝基复合材料还具有良好的耐磨性能（与钢相似，比铝台金大１倍），使用 温度最高可达３００℃一５００Ｃ。目前碳化硅颗粒增强铝基复合材料已批量应用于汽车工业和机 械工业中制造大功率柴油发动机的活塞、活塞环以及刹车片等ｏ”ｕ“。 表４给出了几种典型的碳化硅增强铝基复合材料及其基体的拉伸性能数据，与基体合金 相比，碳化硅增强后复合材料的弹性模量和抗拉强度均有所提高，并且随着增强体含量增加， 弹性模量和抗拉强度提高的幅度增加。从拉伸性能上看，颗粒增强的铝基复合材料比常规铝合 金更适用于制造车用发动机连杆。
４３ｌ ３９３ ２７６ ６８９ ６２０ ‘６２７
５３７ ４３１ ３１０ ７２３ ６８９ ６７５
１．９ ５．５ １２ １．０ ２．５
９
４发动机连杆的使用性能要求
在发动机中，连杆小头与活塞销相连，与活塞一起作往复运动，大头与曲柄销相连，与曲柄
一起作旋转运动。连杆主要承受气缸体内的气体压力以及其自身和活塞组运动惯性力所产生
生产成本。与锻钢连杆相比，铸铁连杆的设计灵活性较大，成品更加接近设计尺寸（其重量偏差 一般在３％～４％）。由于铸铁具有优良的机加工性能，且价格低廉，因而极具竞争力。至１ ９９２ 年，美国通用汽车公司已生产了５０００多万支铸铁连杆，有１１种不同发动机的铸铁连杆实现了 标准化，且汽缸排量小于７Ｉ。的发动机均采用铸铁连杆。在欧洲，德国铸造行业每年供应欧洲 汽车制造业需用的铸铁连杆约１０００万根以上，其中ＯＰＥＩ。汽车公司是最大的用户之 一：２］－ｍ¨一
连杆是发动机的重要运动件之一，由于运动惯性力的存在，发动机的上述各项性能指标均 受到连杆重量的严重影响。随着连杆重量增加，运动惯性力增加，导致发动机的摩擦损失功率 增加，零部件的机械负荷增大，磨损加快，平衡和振动问题加剧。因此，连杆轻量化对发动机具 有１一分重大的意义。
一般而言，轻量化应从产品设计、制造工艺和材料选用等方面人手。对于车用发动机连杆 而言，要实现大幅度减重，必须彻底改变目前仅限于选用钢铁材料制造车用发动机连杆的现 状，采用比强度和比模量等性能指标更优于钢铁材料的轻质材料。
的交变载荷，工作温度最高不会超过１２０Ｕ，对于汽油机，其工作温度会更低。因此，对连杆的
基本要求是具有足够的疲劳强度和结构剐度。
分析连杆在实际工作中所承受载荷的特性可知，在某一具体工况条件下，连杆上各截面所
承受的载荷幅值相等且只与气缸内的爆发压力有关，由于连杆本身的质量分布·实际工作中连
杆各截面所承受的平均载荷是不同的，其代数值从大头端到小头端逐渐减小且一般均为负值
较成熟，可靠性高。在现今世界汽车行业每年约２亿多根的连杆产量中约占８７％，仍处于绝对
的主导地位“ｎ纠”ｊ。
～２１—
２０世纪６０年代中期，为降低连杆生产成本，珠光体可锻铸铁连杆首先由美国通用汽车公 司应用于汽车发动机，相继有德国的ＯＰＥＩ，汽车公司、ＶＡＵＸＨＡＩ，Ｉ。汽车公司等用于轿车发 动机·均成功地取代了部分锻钢连杆。此后又采用球墨铸铁以取代可锻铸铁，并近一步降低了
关键词：连杆材料铝
１前言 ． 当今世界汽车技术的发展主要是围绕着节约能源、降低公害和提高安全这三大主题，其中
尤以能源问题最为突出，因此，如何制造出经济性更高的车辆是各大汽车商家竞争的主要手 段。影响车辆经济性的因素很多，发动机的性能无疑是最重要的因素之一，为满足车辆经济性 能指标的要求，车用发动机除要求具有高的动力性能，高的燃油经济性、高的工作可靠性和足 够的使用寿命外，还要求具有外形小、重量轻、结构紧凑等特点，即还要求具有高的体积功率和 低的比重量。
（即压载荷）：ｔ５］Ｅｗ］。因此可用材料在对称拉压条件下（Ｒ一一１，系连杆实际工作中可能达到的
最大值）的疲劳极限作为材料的许用应力，以连杆在最大爆压条件下的应力幅作为连杆实际工
作中的最大交变应力来计算连杆的疲劳强度安全系数。
以东风汽车公司生产的ＥＱ４９１发动机球铁连杆为例，计算得该连杆在实际工作中的最大
卜————堡一
ｌ ｋ一——２也…～
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ｌ ｉ卜——彦…一．叫ｌ ｌ
ｌ元素名称
Ｉ元素含量
图１拉伸试样
图２疲劳试样
Ｍｎ
０．６０
表１试验材料化学成份（Ｗｔ％）
Ｍｇ
ห้องสมุดไป่ตู้Ｃｕ
１．４２
４．５２
Ｓｉ ０．２２
Ｆｅ ０．３４
ｌ
屈服强度
Ｉ
３８０Ｎ／ｒａｍ２
表２拉伸及硬度试验结果
抗拉强度
延伸率
５４５Ｎ／ｒａｍ２
浅谈铝质材料在轻轿车发动机连杆上的应用
东风汽车公司工艺研究所张先国
【摘要】讨论车用发动机连杆的现状及发展趋势，分析发动机连杆的使用性 能要求，测量铝合金中最常用的Ｉ，Ｙ１２在人工时效条件下的常温疲劳性能，介绍碳 化硅颗粒增强铝基复合材料的性能特点，计算在１５０ Ｃ高温条件下用Ｉ．Ｙ１２制造 轻轿车发动机连杆的安全系数，分析采用常规铝合金和碳化硅颗粒增强铝基复合 材料制造车用发动机杆的可行性。
果如表２和图３所示。由图３可知，固溶处理后ＬＹｌ２在寿命基数为１０，周次时的疲劳强度不
低于１６０Ｎ／ｍｍ２。表３的数据摘自《机械工程材料性能数据手册》“”，经验表明：铝合金在寿命
基数为５×１０８周次时的疲劳强度较１０７周次时低约１０％～１５％，由此可知，本次试验所得
蛙群 ＬＹｌ２的疲劳性能数据与表３的结果基本相当。
由于铝具有密度小，强度高的特性，故采用铝基材料制造车用发动机连杆能取到显著的轻 量化效果。日本丰田汽车公司采用体积率为４０％的氧化铝长纤维增强铝基复合材料生产发动 机连杆，重量比锻钢连杆减轻了３５％。日本本田公司采用不锈钢纤维增强铝基复台材料生产 其轿车发动机连杆，据报道至少已有５万件这种连杆被采用。但这种连杆由于采用了长纤维增 强铝基复合材料，使得其生产成本不为当今的汽车工业所接受ｏ…。
试验材料为东北轻合金加工厂生产的巧３０ｍｍ热挤压棒材，化学成份如表１。试验所用试
样如图１和图２，其热处理工艺为：４９５＋５‘Ｃ×０．５ｈ固溶＋１６０ Ｃ×６ｈ人工时效。试样加工过
程为：租车、热处理、精车、手工抛光。拉伸试验在济南材料试验机厂生产的ＷＥ－－３００Ａ型液压
式万能材料试验机上进行，疲劳试验在Ａｍｓｌｅｒ ＨＦＰ４２２型１００ｋＮ高频疲劳试验机上进行，结
１４．ＯＮ／ｒａｍ２
硬
度
１４３ＨＢ一１４９ＨＢ
表３不同温度条件下ＬＹｌ２的疲劳强度数据（ｍ４０ｍｍ棒材）
试验温度（Ｃ）
２５
１５０
疲劳强度（Ｎ／ｒａｍ２）
１３７
１１７
试样热处理工艺：４９５＋１０ ｃ水冷＋２５ ｃ×９６ｈ，疲劳强度的寿命基数：５×１０８
。 誊 ≥
、，
馨 Ｒ 目
疲劳寿命（Ｎ）
图３ ＬＹｌ２ Ｓ—Ｎ曲线
．
颗粒增强铝基复合材料因采用价格低廉的陶瓷颗粒作增强相，是金属基复合材料中价格 唯一为汽车行业所接受的类别。目前采用压力浸渗工艺生产的５０％ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材 料已达到弹性模量２×１０５Ｎ／ｒａｍ２、弯曲强度８００Ｎ／ｒａｍ２、弯曲疲劳强度２００Ｎ／ｒａｍ２的性能指 标．极具应用前景。
采用常规铝合金生产车用发动机连杆是现今研究的另一方向，人们希望采用这种技术制 造的连杆比锻钢连杆减重５０％，价格能够控制在锻钢连杆的】．５倍以内，但由于难以达到 １ ５０ Ｃ时的高温疲劳强度和低膨胀系数要求，目前能够使用的仍是高硅的铝台金材料。但高硅 铝合金材料如采用常规工艺生产，会产生粗大的晶粒，造成其强度和韧性等力学性能下降。现 已研究出将熔融的铝合金熔液进行气雾化，以１００Ｋ／Ｓ以上的快速使之快速冷凝为高硅铝合 金粉未，经粉未热挤压——锻造法制得高硅铝合金材料的新技术。采用这种技术制得的高硅铝 合金，显微组织细小而均匀致密，具有低热膨胀、高耐磨、高强度特性”““““。
～２２～
３常规铝合金及以其为基体的颗粒增强铝基复合材料
如前所述，人们已成功地利用碳纤维和不锈钢纤维增强的铝基复合材料制造轿车发动机
连杆，但这种连杆因价格方面的原因距实际应用还十分遥远。为尝试利用价格相对低廉的常规 铝合金或颗粒增强的铝基复合材料制造发动机连杆的可能性，试验测量了目前应用最广泛的 ＬＹｌ ２的疲劳性能，并收集了一些有关的颗粒增强铝基复合材料的性能数据。 ３．１ 常规铝合金的疲劳性能试验