汽车发动机材料技术发展动态_汽车新技术发展动态
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汽车发动机材料技术发展动态
发动机技术发展趋势
伴随汽车产销量快速增长带来的是大气污染和石油消耗。目前，中国已成为仅次于美国和日本的第三大石油进口国。而汽车的石油消耗又占了中国石油年消耗量的50%。无疑，先进的发动机技术在汽车节能、环保技术开发中起着关键的决定性作用。
自20世纪末期以来，汽车排放法规日益严格。与美国上世纪90年代中实施的联邦排放法规相比，于2007年全面实施的新联邦排放法规将要求汽车氮氧化物排放降低幅度高达95%，碳氢排放物降低幅度高达84%。2007年美国联邦排放标准中第五分组碳氢排放极限约为欧Ⅳ排放极限的一半。
这越来越严格的排放法规和人们对节能认识的加深，使得低排放、低油耗、高功率密度、代用燃料(压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、二甲醚、甲醇、乙醇汽油、生物柴油等)等车用发动机技术的开发受到高度的重视，从而促使传统的内燃机技术不断创新。如汽油机直喷技术、可变气门定时技术、可变进气管、燃烧速率控制滑片、可变排量技术、高压共轨直喷柴油机等等。
关键零部件材料技术
随着汽车工业的发展，对汽车零部件的要求越来越高，需要满足更高的机械载荷、更高的温度、更强的腐蚀环境、更苛刻的润滑条件，因此，对材料的要求也日趋严格，高强度、轻量化、耐热、耐磨、减摩、耐蚀等成为如今的发展方向。如下以缸体与缸盖、曲轴、连杆等为例介绍零部件材料技术。
缸体与缸盖
缸体与缸盖选择材料的主要出发点在于高强度、优良的热疲劳性能，轻量化。轿车发动机的汽油机已普遍从灰铸铁到铝合金，现在正逐步发展到镁合金材料。以宝马6缸镁铝复合发动机缸体为例，缸套及缸体的内芯部分为AlSi17Cu4Mg铝合金，外壁与基座为AJ62镁合金。复合缸体中镁合金重18kg。与铸铁缸体比较，铝缸体减重幅度约26％，而镁铝复合缸体可达44％。2005年宝马3系列、5系列和7系列，以及2006年上市的Z4Roadster和Z4Coupe均已采用这种镁铝复合缸体的发动机。
今后需继续研究的课题有：
耐热镁合金材料开发。
材料性能测试：静态机械性能、高周与低周疲劳性能、蠕变抗力、耐腐蚀性能、螺栓摩擦性能及载荷保持能力。
结构优化设计。
铸造工艺。
毛坯检测技术。
未来重型柴油机缸体、缸盖材料，灰铸铁、合金灰铸铁有逐渐被蠕墨铸铁替代的趋势。蠕墨铸铁有两大优点：第一、它的强度高，意味着气缸可以在更高的压力下工作，从而满足日益严格的尾气排放要求；第二、如果工作压力不变，设计师可以减轻发动机的重量，改进其紧凑性。
如今，考虑到轻量化能达到减排的效果，铝合金成为中小型柴油机缸体与缸盖材料的发展方向。梅塞德斯－奔驰公司最近成功开发出了世界第一台全铝3L直喷式柴油机，并投入了批量生产。铝合金缸体的重量较铸铁减少了35kg，其它铝零件还有缸盖、缸盖罩、水泵活塞、油底壳、加压分配器等。其功率密度达0.97kW/kg，较原设计提高了20％。
本田公司开发出了所谓的“先进半固态铸造技术”，并成功地用于其最新的2.2L轿车柴油机铝合金缸体的生产。该柴油机为四缸共轨直喷式，对缸体的性能要求很高。“先进半固态铸造技术”是一种新的喷射铸造工艺，它除了具有普通压铸生产效率高的优点外，独特之处在于可使用砂芯并消除气孔，因而可采用固溶处理大幅提高缸体的强度。它较同尺寸的常规铸铁缸体减轻了15kg，而刚度却显著增加。
曲轴
选材的主要出发点是考虑疲劳强度及耐磨性。
钢
调质钢：
45、40Cr、35CrMo、42CrMo。
非调质钢：48MnV、C38N2、49MnVS3、43MnVS、38MnSiV。
球墨铸铁
珠光体球铁：QT700－
2、QT800－
2、QT800－
6、QT900－
2、QT900－5。
以下是对多种强化工艺的分析：
表面感应淬火
强化机理：表层材料硬度提高，圆角形成残余压应力。
强化效果：零件弯曲疲劳极限提高幅度，锻钢曲轴在80％以上，球铁曲轴在20％左右。
钢＋轴颈及圆角表面感应淬火是目前承载能力最高的一种曲轴材料工艺组合，为重型及高爆压发动机所广泛采用，但其工艺难度较大(变形、淬硬层均匀性、圆角表面光洁度等)。
圆角滚压
强化机理：圆角形成大的残余压应力场，表层材料冷作硬化。
强化效果：零件弯曲疲劳极限提高幅度，锻钢曲轴在80％以上，球铁曲轴在100％以上。
球铁＋轴颈表面感应淬火＋圆角滚压是目前性价比最高的一种曲轴材料工艺组合，虽然其疲劳强度较同等圆角淬火钢曲轴低15％左右，但它具有以下优点：成本约下降40％~50％；减重8％以上；耐磨性好；减振降噪。
圆角滚压球铁曲轴广泛应用于轻型车和轿车发动机，它在相当程度上可取代锻钢曲轴用于中等增压的柴油机(已有小批量应用于160bar发动机的实例)。
氮化 强化机理：表层形成硬化层，圆角产生残余压应力。
强化效果：零件弯曲疲劳极限提高幅度，锻钢曲轴在大约30％~60％；球铁曲轴在大约20％~40％。
氮化属于一种整体表面处理工艺，因其能耗高、效率低、成本高、强化效果有限、对环境造成污染等缺点，将逐步被淘汰。
连杆
连杆的选材主要出发点是材料需具有疲劳强度，轻量化的特征。现今连杆材料技术有：
铸造连杆
球墨铸铁－QT700-2
可锻铸铁－GTS-65
锻造连杆
调质钢－
45、55，40MnB、40Cr、45Mn2、53CaS、42CrMo
非调质钢－有35MnVS、35MnVN、40MnV、48MnV，C70S6，粉末冶金连杆
连杆的制造工艺有粉末锻造和常规粉末烧结。粉末冶金连杆有技术经济性的优点。与锻钢连杆相比有较好的机械性能和重量精度，由于配粉时的精确称量及采用闭式模锻技术，零件重量误差很小，以致无需分级配重。尺寸精度也较好，尺寸公差可控制在普通连杆的1/5以内。除此之外，连杆的整体质量减轻10％以上，材料可节约40％，机加工工序减少约47％，能源消耗可节约50％，零件生产成本可降低10％。
上世纪八十年代初开始应用在日本丰田公司1981年建成粉锻连杆生产线，用于Camry轿车1.8L发动机。到本世纪初粉锻连杆生产已累计超过5亿支，目前广泛应用于轿车发动机。
连杆分离面断开工艺是利用低塑性材料在应力集中条件下的脆性断裂特性加工分离面的一种新工艺，利用断口的高度啮合特性定位，极大地简化了连杆结构，连杆加工也更加简单。
裂解工艺适用于铸造连杆、锻造连杆、粉冶连杆。连杆裂解工艺与传统加工方法相比，胀断技术优越性体现在：改善连杆结合面定位；使连杆由分体加工变为整体加工，取消杆、盖结合面的切削、拉削与磨削等工序；降低了螺栓孔的加工精度和加工成本；简化连杆及连杆螺栓结构；节省投资25%；减少刀具费用35%；节省能源40%；生产成本可降低15%~30%。
目前，连杆裂解工艺已应用于国外多个厂商，国内也已开发出胀断连杆品种，上海大众、一汽大众、东风本田、上海通用都已采用了胀断连杆技术。
裂解工艺的应用将在未来越来越广泛，粉末冶金连杆所占低比例将稳步增长，铝基复合材料连杆的研究开发力度将加大。
活塞
活塞的选材主要出发点是须有高温强度高，抗氧化、耐蚀，轻量化的特性。目前活塞材料技术采用：
铝合金＋表面处理，其中铸造铝合金应用在汽油机、中重型柴油机；锻造铝合金主要用于高级轿车及赛车发动机。
锻钢－调质钢、非调质钢，应用于重型柴油机。
钢－铝组合，应用于重型柴油机。
铸铁－灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁，在大、中缸径的中、低速柴油机中应用。
活塞顶部的处理方法主要有阳极氧化处理、镀铬、陶瓷喷镀、微弧氧化；活塞裙部的处理方法主要有镀锡、涂石墨、涂二硫化钼。
锻钢活塞的特点：
强度高－可承受最高的爆压达250bar。
强热稳定性，高刚度，长寿命－满足可靠性100万km。
尺寸紧凑－可以实现压缩高度仅为气缸直径的一半。
配缸间隙小－具有极好的导向性能。
重量与铝活塞接近。
整体锻钢活塞是重型柴油机未来的发展方向，铝基复合材料和碳基复合材料是活塞新材料。铝基复合材料是以铝合金为基体，添加了纤维、晶须、颗粒等增强材料而制成的一种金属复合材料，它具有单一材料所无法达到的综合性能。用于制造活塞整体或局部增强(燃烧室口边缘、环槽、销孔等部位)。它的优点是重量轻、动载荷小、耐磨性好，与基体合金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。碳纤维增强碳基复合材料的性能有：①热膨胀系数低(1~5×106/℃)，约是铝合金的1/10；②热导率高(150~180W/m·K)；③密度小(约为1.80g/cm3)，是陶瓷的1/2~1/3；④摩擦性能好(摩擦系数为0.2~0.3)，且具有自润滑作用；⑤热冲击性能优良；⑥最优异的高温性能。碳基复合材料活塞优点有：
①不但减轻了活塞的重量，而且因级联效应可减轻如连杆、曲轴、飞轮等零件的重量，由此可大大提高内燃机的热效率和机械效率。
②提高了活塞的使用温度，如活塞顶覆盖CVR硅基涂层，其使用温度可提高到1400℃。
③如果气缸套也用碳基复合材料制造时，气缸套与活塞之间的间隙很小，甚至无需活塞环和活塞裙，从而进一步地提高了内燃机的机械效率。
具有轻量化潜力的零件
汽车轻量化技术无论对传统燃油汽车还是新能源汽车，都是一项共性的基础技术，是一项涉及汽车产品设计、安全、材料、制造、回收再利用等领域的复杂系统工程。研究显示，乘用车的重量减轻10％，油耗将降低6％~8％。这只是轻量化汽车节能的一方面，此外，重量减轻还减少了原材料在生产过程中的能耗，节能的同时实现了减排。
材料技术是发动机技术发展的基础，发动机的技术进步又有力地推动了材料技术的发展，材料技术发展的优先度分别为法规、性能、成本。铝合金已广泛应用于进气管、普通飞轮壳、PTO飞轮壳、齿轮室、油底壳、机油冷却器壳等零部件中。如今，镁合金、非金属材料也渐渐应用于发动机技术中。
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