发动机上的新材料

发动机上的新材料

虽然现代材料技术发展迅速，但是金属材料仍然是现代汽车发动机上使用最广泛的材料

曲轴上的新材料

曲轴在工作中受到不断变化的燃气压力、惯性力及力矩作用，从而在各部分产生弯曲、扭转、剪切、拉压等交变应力。曲轴的重要性及其工作状况的复杂性，要求曲轴有较高的抗拉强度、疲劳强度、表面强度、耐磨性”，同时心部要有一定的韧性。目前，国内普遍使用的曲轴材料主要有锻钢和球墨铸铁两类。

(1)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。微合金非调质钢曲轴是近年来发展起来的新钢种，通过添加V、Nb、Ti等合金元素细化晶粒，强化钢的基体，提高钢的强度。其优点是可省去调质(或正火)处理工艺，具有明显的简化工艺、节时节能效果。同时可改善切削加工性能，浅高劳动生产率6微合金钢与调质碳钢相比可降低成本7%-11%，与调质合盒钢相比可降低成本11%-19%。国外汽车应用微合金非调质钢曲轴已十分广泛，德鲁的Benz、意大利的Fiat、美国的Ford、日本的三菱和丰田汽车公司都有部分汽车发动机曲轴采用非调质钢。

(2)球墨铸铁曲轴球墨铸铁比钢轻约10%，无残留应力，加工时产生的缺陷少，面且球墨铸铁减振性、耐磨性、对缺口敏感性等优于锻钢。铸造曲轴与锻造曲轴相比，可使连杆轴径中空，减轻回转质量，且可减少轴拐角处的应力集中。球墨铸铁曲，尤其是铸态球墨铸铁曲轴，具有生产工艺简单、能源消耗少、生产成本低、生产效率高等优点。球铁要取代锻钢，重点是提高韧性，尤其是动态韧性，可采用如下方法：细化晶粒租显微组织；尽量降低有害杂质含量；球化或钝化、分散弱相(如石墨)以减小应力集中系数；生成或引入韧性好的不连续组织(如ADI球铁中的残余奥氏体)来提高性能。ADI是近年来在铸铁冶金中的

重大发现之一。将球铁加热到897℃附近，奥氏体化溶解碳，然后进入247℃-397℃盐浴中急冷，以防止出现珠光体，并保温1h-2h，最后急冷到室温，获得基体为奥氏体加贝氏体混合组织的ADI材料。通常在其中加入少量Ni、Mo或Cu来提高硬度。富含碳的残余奥氏体比较稳定，韧性好且不连续，这极大地提高了材料的性能。它的另外一个突出特点是加工感应相变形成马氏体。且仅是加工部分产生硬化，提高了强度和耐磨性，此种硬化效果具有持续性。ADI材料可被用来制造承受高负载的曲轴，而通常条件下；普通球铁材料是达不到这么高的要求的。ADI材料的开发提高了球墨铸铁类材料的机械性能，拓展了球铁材料的应用空间。由于其价格低廉，设计自由度大，经不同：温度等温淬火处理后，具有高强度、高韧性、耐疲劳和耐磨性能，因此是一种非常有发展前途的材料。球铁材料过去一直采用正火来提高强度。随着生产技术的成熟，铸态珠光体球墨铸铁曲轴逐步代替了正火球墨铸铁曲轴。由于石墨球数增加、基体组织全为珠光体，因而铸态下就能获得较高酌机械性能。铸态曲轴不需正火热处理，这样不仅简化生产工序、降低能源消耗和生产成本，还避免了人为因素产生的内应力，从而减少了曲轴在切削加工后进行表面淬火强化处理时的变形倾向。以EQl092汽车曲轴的生产为例，只要铸态基体组织珠光体含量不少于75%，轴颈表面淬火硬度就高于铂HRC，变形量小于0.3mm，而原来采用正火球墨铸铁曲轴，表面淬火后，曲轴变形很大且不稳定，平均为15ma，最大达到3.5mm。目前，球铁取代锻钢的最大障碍就是强度和韧性有限。但是随着高强度二高韧性球铁，尤其是奥氏体等温淬火球铁(ADl)技术的日趋成熟，凭借其高强度、高韧性、成形性能好、成本低、综合机械性能优良等诸多优点，必将在更大范围内取代锻钢。

活塞和活塞环

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?。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二导热性能好。活塞与活塞环是一对摩擦。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AEB5型共晶铝(5%的Cu含量)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的最好材料Ni-resist，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。日本丰田汽车公司的发动机巳广泛采用这种材料，美国公司还研制出用以制作汽车发动机括塞的发泡石墨。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%(与金屑制材相比)，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(AI203的含量为2%-6%)，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。有的活塞环的表面涂覆的不是氧化锰山类的微小颗粒，而是极精细的钻石微小颗粒(GDC)，这可进一步提高环的耐磨强度。

缸套

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。目前巳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?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。采用碳短纤维增强的铝合金缸套取代铸铁缸套，以A12O3与碳纤维的混合物作为增强物，在铝合金缸体的内、表层形成2mm 厚的石墨铝基复合材料层，其中会纤维体积为12%-15%，不但达到减重、改善冷却特性、减小发动机尺寸的目的，而且能够减小汽缸的变形，提高汽缸和活塞的耐磨性。本田公司批量生产出碳短纤维增强的铝合金缸套，这种缸套在汽油机缸体中已大量试用。