汽車發(fā)動(dòng)機(jī)材料的發(fā)展[共6頁]

1、 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)材料的發(fā)展歷史摘要：本文主要闡述了現(xiàn)代車用發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史 目前，應(yīng)用最廣、數(shù)量最多的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)為水冷、四沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，其中汽油機(jī)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(dòng)機(jī)多為柴油機(jī)。少數(shù)轎車和輕型客貨車發(fā)動(dòng)機(jī)也有用柴油機(jī)的。此外，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)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(jīng)濟(jì)性和較低的排放污染物，被認(rèn)為是車用發(fā)動(dòng)機(jī)較為理想的代用燃料，得到廣泛應(yīng)用。發(fā)動(dòng)機(jī)的一步步改善和進(jìn)步的同時(shí)，也對發(fā)動(dòng)機(jī)材料的選擇有了更高

2、的要求。二 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件的材料發(fā)展 發(fā)動(dòng)機(jī)材料是汽車設(shè)計(jì)、品質(zhì)、質(zhì)量及競爭力的基礎(chǔ),汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展在很大程度上取決于發(fā)動(dòng)機(jī)材料的發(fā)展。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)主題展開,因而汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)中最重要的部件之一,其尺寸較大,結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhì)工況條件下作高速相對運(yùn)動(dòng),零件內(nèi)部產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力,同時(shí)承受強(qiáng)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(yīng)具有良好的強(qiáng)韌性、導(dǎo)熱性、耐磨性、耐蝕性、加工工藝性

3、能和經(jīng)濟(jì)性。另外,對材料的再循環(huán)性及環(huán)境保護(hù)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(jī)械性能,優(yōu)越的耐磨性、減振性和導(dǎo)熱性,而且生產(chǎn)方便,價(jià)格便宜,在很多工業(yè)領(lǐng)域的鐵系零件中被選定為復(fù)雜形狀零件的首選材料,特別是交通運(yùn)輸行業(yè)用作制造發(fā)動(dòng)機(jī)的材料。鑄鐵鑄件一般占各類鑄件總產(chǎn)量的75%以上;而灰鑄鐵件產(chǎn)量又占鑄鐵件總產(chǎn)量的75%以上。灰鑄鐵的鑄造性能,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(jī)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(fù)荷時(shí),尖銳的端部

4、易產(chǎn)生應(yīng)力集中,成為鑄件破壞的起點(diǎn),造成鑄件的強(qiáng)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(shí)尖銳的端部產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展,反而會(huì)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(qiáng)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(nèi)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(kuò)展,粗糙的表面能限制石墨的脫離。這種獨(dú)特的石墨形狀,與灰鑄鐵相比,能大大提

5、高抗拉強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度、彈性模量和耐磨性等性能。（3）缸套材料 為減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量,很多汽油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體采用鋁合金作材料;而另外設(shè)置一個(gè)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(huì)影響整個(gè)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(nèi)層為鐵,外層為鋁合金,兩者構(gòu)成一個(gè)整體。石墨鋁基復(fù)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(dòng)機(jī)的功率,降低線膨脹系數(shù)和油耗,改善導(dǎo)熱性。2活塞和活塞環(huán)的材料 活塞及活塞環(huán)位于發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟,其工作質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能?，F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞多采用鋁合金作材料。其主要優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性能好。活

6、塞與活塞環(huán)是一對摩擦副。為使其工作性能達(dá)到最佳化,在選用原材料和工作面的涂覆材料方面,首先應(yīng)考慮兩者間的匹配性。如:活塞環(huán)端面進(jìn)行化學(xué)鈍化處理,則活塞應(yīng)選用共晶鋁作材料,且對活塞環(huán)槽進(jìn)行磷化處理。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率的不斷提高和活塞工作壽命的不斷延長,普通的鋁合金活塞難以滿足要求,許多性能更好的新材料應(yīng)用于活塞中。鋁基復(fù)合材料的性能已達(dá)到使用鑄鐵的水平,而制成活塞和活塞環(huán)后質(zhì)量大大減輕,與普通鋁合金材料相比其高溫強(qiáng)度和抗熱疲勞性能明顯提高,并具有較低的線膨脹系數(shù)?？商岣呋钊褂脡勖?降低油耗和廢氣排放量,提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率。這種材料具有比鋁高4倍,比銅高5倍的傳熱系數(shù),以及相對密度低、質(zhì)量輕、制取成本不

7、高等特點(diǎn),既可減小質(zhì)量40%,又可散熱制冷,可有效地增加發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率,改進(jìn)工作效率?；钊h(huán)是易損件,在工作中與缸套摩擦劇烈,其摩擦損失,占發(fā)動(dòng)機(jī)總摩擦損失的60%70%,因此減輕摩擦和降低磨損是提高效率、延長壽命的重要途徑。研究表明,在活塞環(huán)(尤其是壓縮環(huán))工作面上涂覆一層耐磨微小顆粒物質(zhì)可提高其耐磨性能和載荷能力。例如:對柴油機(jī)壓縮環(huán)施以鉻和陶瓷涂層,其耐磨強(qiáng)度較普通環(huán)提高0.51.5倍。有了這種涂層,活塞環(huán)的工作面將永久存留一層潤滑油膜。有的活塞環(huán)的表面覆的不是氧化錳類的微小顆粒,而是極精細(xì)的鉆石微小顆粒,這可進(jìn)一步提高環(huán)的耐磨強(qiáng)度。以鋁合金為主流活塞材料應(yīng)具有低密度、高導(dǎo)熱性、高溫疲勞

8、強(qiáng)度、低膨脹系數(shù)、減磨性能和良好的工藝性能。除鋁合金,能同時(shí)滿足以上要求的材料極少,所以至今活塞材料的主流還是鋁合金。盡管如此,具有分散顆粒的陶瓷材料和驟冷凝固粉末的高強(qiáng)度鋁材是目前有前途的活塞材料。3 曲軸和主軸承蓋螺栓的材料 曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的脊梁。曲軸形狀復(fù)雜、受力復(fù)雜、應(yīng)力集中嚴(yán)重,要求盡可能高的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度,同時(shí)軸頸在很高的比壓下發(fā)生滑動(dòng)摩擦。因此曲軸應(yīng)同時(shí)滿足高強(qiáng)度、高剛度、耐磨和輕巧的要求,然而這些要求是矛盾的。曲軸也是發(fā)動(dòng)機(jī)中較重的零件之一,減輕曲軸的重量具有很大的誘惑力。但曲軸特殊的結(jié)構(gòu)和工作狀況、對剛度的要求及其在發(fā)動(dòng)機(jī)里的重要地位,材料的變更始終未能超出普碳鋼、合金鋼、

9、微合金鋼和鑄鐵的范疇。 鍛鋼曲軸熱處理鍛鋼曲軸,這類曲軸多采用精鍛中碳鋼或中碳合金鋼,需要采用調(diào)質(zhì)(或正火)熱處理來提高強(qiáng)度并改善加工性能。鍛造曲軸由于需要熱處理,工藝較復(fù)雜,需要時(shí)間多,而且能源消耗較大。另外,國外采用鈣鋼經(jīng)鍛造余熱淬火后,增加淬透性,以提高硬度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性和延伸率,從而降低毛坯成本。4連桿材料的發(fā)展（1） 調(diào)質(zhì)鋼 調(diào)質(zhì)鋼是傳統(tǒng)的連桿材料，到目前為止，我國仍大部分沿用這類材料。它們的傳統(tǒng)工藝是下料鍛造正火調(diào)質(zhì)機(jī)加工，此工藝過程周期常、能耗高、氧化脫碳嚴(yán)重。對這類鋼的另一方面的工作是強(qiáng)化，即進(jìn)行表面化學(xué)熱處理或噴丸強(qiáng)化，這類鋼由于強(qiáng)韌性高、質(zhì)量易保證，在我國還能沿用一段

10、時(shí)間，但由于其工藝較繁、耗能較大、成本較高，從新材料的發(fā)展看，將逐漸被其它新材料所取代。（2） 非調(diào)質(zhì)鋼 非調(diào)質(zhì)鋼是在中碳鋼的基礎(chǔ)上添加釩、鈦、鈮等微合金元素，通過控制軋制或控制鍛造過程的冷卻速度，使其在基體組織中彌散析出碳、氮的化合物使其得到強(qiáng)化。非調(diào)質(zhì)鋼由于其添加的是微合金元素，因此材料的成本不高，作為一種廉價(jià)的節(jié)能鋼種，非調(diào)質(zhì)鋼正在逐步的取代調(diào)質(zhì)鋼，國外已經(jīng)幾乎完全采用非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)連桿。早在 20 世紀(jì) 60 年代，美國就在鋼的基礎(chǔ)上提高錳含量并添加微合金元素，鍛造后不經(jīng)過調(diào)制處理即應(yīng)用于轎車發(fā)動(dòng)機(jī)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

11、車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、曲軸和前軸應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼制造。20 世紀(jì) 80 年代初，我國開始研究非調(diào)質(zhì)鋼，取得了一些進(jìn)展，但與世界先進(jìn)水平相比，仍有一定差距，如目前研究的非調(diào)質(zhì)鋼韌性還不夠高，只能代替調(diào)質(zhì)碳鋼。（3） 粉末冶金材料 粉末冶金材料是集材料生產(chǎn)加工技術(shù)零件制造于一體，與其它制造技術(shù)相比，它的最大優(yōu)點(diǎn)是材料的利用率高、制造加工能耗低，經(jīng)濟(jì)效益顯著。我國粉末冶金技術(shù)與國際先進(jìn)水平相比差距較大，燒結(jié)鍛造技術(shù)落后，專用的粉末冶金壓機(jī)及燒結(jié)爐的應(yīng)用還不普遍，金屬粉末的品種少、質(zhì)量差且不穩(wěn)定，另外燒結(jié)保護(hù)氣體還需進(jìn)一步地研究改進(jìn)。目前，國內(nèi)粉末冶金鍛造連桿的研制還未見報(bào)道，因此，提高我國粉末冶金技術(shù)水平，研制

12、連桿這類比較重要的零件是亟需解決的問題。（4） 金屬基復(fù)合材料 減輕連桿的重量可減少發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和減小慣性力。因而，人們越來越廣泛使用輕質(zhì)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(qiáng)化材料，制成金屬基復(fù)合材料。目前，國際上已經(jīng)研究和正在研制的金屬基復(fù)合材料連桿包括：日本豐田技術(shù)研究所研制的不銹鋼纖維強(qiáng)化鋁合金連桿、碳化硅晶須和顆粒強(qiáng)化鋁合金連桿和氧化鋁纖維強(qiáng)化鋁合金連桿。這種連桿的重量輕，比鋼質(zhì)連桿能減輕大約 30%，抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度高，線膨脹系數(shù)小，可滿足連桿工作時(shí)性能的要求。而且由于復(fù)合材料連桿的輕量化，允許其它一些與連桿相關(guān)的零件（如

13、曲軸、軸承等）減輕重量，并可省去為減少噪音和振動(dòng)所加的平衡重量，連桿和其它相關(guān)零件重量的減輕還可改善發(fā)動(dòng)機(jī)靈敏度響應(yīng)性。但是，金屬基復(fù)合材料價(jià)格較高，成本問題是他的積癥所在。由于工藝復(fù)雜，加工過程的成本往往大于強(qiáng)化材料的費(fèi)用而成為成本中的主要部分，這就使它的應(yīng)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(shí)，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(jié)論 汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，對實(shí)現(xiàn)我國“保增長、擴(kuò)內(nèi)需、調(diào)節(jié)構(gòu)”的經(jīng)濟(jì)計(jì)劃將起著十分重要的作用。隨著世界工業(yè)的進(jìn)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(gè)非常必要而且有意義的事。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)也還有很大的進(jìn)步空間，這就依賴于新材料的發(fā)現(xiàn)與制造，只有制作材料得到改進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能才會(huì)提高。1李朝輝，楊新樺 汽車新技術(shù) 重慶：重慶大學(xué)出版社，20042褚東寧，馮美斌 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)材料技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，20103鄭乃金.汽車排放控制技術(shù)發(fā)展趨勢.汽車技