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現代車用柴油機主（zhǔ）要部件的金屬材（cái）料

2019-12-10 來源：-- 作者（zhě）：劉道春

省油（yóu）、廢氣排放少、比功率大、轉矩（jǔ）高,優良的行駛性能越來越變成（chéng）人們對車輛的不懈追求（qiú）。於是,在安全、環保、節能和舒適性（xìng）等方麵的強烈要求下,現代車用（yòng）柴油機日益成為人們關注的熱點。現代車用柴油機的應用越（yuè）來越廣泛,尤其是高速、直噴柴油機在現代轎車（chē）上的使用與日俱增。基於這一現實及柴油機前景預測,當前世界各國（guó）都把開發、研製滿足發展要求的現代車用柴油機主要部件的新結（jié）構、新材料、新工藝技術作為柴油機發展和科研的重（chóng）大課題和（hé）技（jì）術（shù）競爭的重要焦點（diǎn）。

1.現代車用柴油發動（dòng）機上的金屬材料概述

世（shì）界運輸（shū）車輛發動機發展的總趨勢是輕量化,以（yǐ）達到節能（néng）降耗的目的。現代車（chē）用柴油發動機質量減小，能耗就會下降，廢氣排放減（jiǎn）少，有利於改善人類生存環境。來來車用柴油（yóu）發動機不（bú）管選（xuǎn）用何種動力（lì）驅動，都（dōu）必須輕量化。輕量化、節能降耗和降低排放汙染是發展（zhǎn）現代（dài）車用柴油發動機的三項戰略性（xìng）課題，其（qí）中發動機的輕量化是關鍵。

現代/起亞公（gōng）司為了重點滿足高級SUV車的要求，新開發了一（yī）款3.0LV6柴油機，其有效功率（lǜ）為SUV車提供了良好（hǎo）的（de）行駛舒適性，並達到歐Ⅳ排放標準。通過（guò）燃燒和廢（fèi）氣後處理方案的優化，其發（fā）動機的（de）基本（běn）設計方案（àn）可成為未來達（dá）到（dào）歐Ⅴ排放標（biāo）準（zhǔn）的（de）基（jī）礎，同時為了滿（mǎn）足美國US-Tier-2-Bin-5排放標（biāo）準限值的要求，正在開發采用尿（niào）素噴射的NOx廢氣後處理係統(SCR)。

這款（kuǎn）新（xīn）的S係列V6-3.0L柴油（yóu）機具有競爭力的功率值；具有寬廣的扭矩範圍,以獲得突出的動（dòng）力性能和靈活性；在降低單位功（gōng）率重量（liàng）的同時，具有低的噪聲（shēng）；具有競爭力的（de）低燃油耗。現代(Hyundai)2007款iX55車和（hé）起亞(Kia)2008款Mohave車進入市場。為了滿（mǎn）足在進一步（bù）降低發動機重量（liàng）的同（tóng）時提高功率和降低噪聲的要求，曲軸箱材料選（xuǎn）用蠕墨鑄鐵(致密石墨鑄鐵；CGI)。這種材料具有極佳的強度和疲勞極限，因而允許采用較薄的壁（bì）厚，在降低重量的優化（huà）設計中具有更大的自由度。為了能勝任諸如具有競爭力的功率值、低燃（rán）油耗和高的聲學舒適性等高目標的要求（qiú），該款柴油機配備了具有技術含量的基礎發動機部件。所采（cǎi）用（yòng）的柴油機微粒捕集器（qì）應用（yòng）了能提高灰分存儲能力的新型非均勻蜂（fēng）窩狀（zhuàng）載體技術(ACT)，而其表麵有（yǒu）貴金屬塗層，能夠在汽車正常行駛範圍內實現自動再生。在功率明顯較高並要（yào）求固體聲輻射較低的情況下，要同時滿足在降低發動機重量方麵（miàn）大多相互矛盾的（de）要求，新型V6柴油機采用（yòng）蠕墨鑄（zhù）鐵(CGI)作為（wéi）氣缸體材料。蠕墨鑄鐵(CGI)具有較（jiào）高的疲勞強度（dù）極限值,恰好能（néng）夠使得諸如主軸承框架底座這樣的危險應力區域在氣缸爆發壓力提高的情況下仍具有較高的疲勞強度。

發動機金屬材料是車輛設計（jì）、品質、質量及競爭力的基礎，車用柴油發動機技術的發展在很大程度上取決於發動機金屬材料的發（fā）展。今後相（xiàng）當長的一段時期內，車用柴油（yóu）發動（dòng）機用材料將緊緊地圍繞著（zhe）環保、節能、安全、舒（shū）適性和低（dī）成（chéng）本這五個（gè）主題展開，因而車用柴油（yóu）發動機金屬材料的發展也更加多（duō）樣（yàng）化、多元化。其中輕（qīng）量（liàng）化（huà）的要求更為突出，使之材料構成有了明顯變化。這幾年（nián），鋁合金、高（gāo）強度鋼、合成塑（sù）料、複合材料和陶瓷在車用柴油發動機中的應用越來越廣泛。當（dāng）前國內外重點材料的開發方向是：鋁合金、錳（měng）合金、鈦合金、高強度鋼、複合材料(如金屬基複合材料（liào）)等。隨著現代科學技術的（de）迅速發展，對車用柴油發動機（jī）的要（yào）求越（yuè）來（lái）越高。而輕量（liàng）化、低成本和低排放汙染的要求，更使發動機用金屬（shǔ）材料不（bú）得不兼顧多方（fāng）位的要求。具體地說，車用柴油發動機要滿足動力（lì）性（xìng）、燃油（yóu）消耗、廢氣排放、舒適性（xìng）、低（dī）製造成本和維修費用的要求。開發和應用金屬材料是實現（xiàn）這些多方位要求的主要途徑。

2.汽缸（gāng）體和缸套的材料

汽缸體作為發動機中最重要的部件之一，其尺寸較大，結構（gòu）複雜，壁厚較薄又很不均勻(最薄處僅為3mm～5 mm),而且在高溫、高壓及潤滑條件不（bú）良且有固體（tǐ）微粒和腐蝕介質工況條件下作高速相（xiàng）對運動,零件內部產生（shēng）很大的機械應力和熱應力,同時承受強（qiáng）烈的摩擦（cā）磨損。因此，要求汽（qì）缸體材料具有良好的綜合性能，即應具有良好的強韌性、導（dǎo）熱性、耐磨性、耐（nài）蝕性、加（jiā）工工藝性能（néng）和經濟性。另外，對材（cái）料（liào）的再循環性及環境保（bǎo）護的因素在國外也是要（yào）考慮的重要方麵。

灰鑄鐵（tiě）汽（qì）缸體材料（liào）：灰鑄鐵由於具有良好的（de）鑄造工藝（yì）性能和機械性能，優越的耐磨性、減振性和導熱性，而且生產（chǎn）方便，價格便宜，在很多（duō）工業領域的鐵係零（líng）件中被選定為複雜形狀零件的首選材料（liào），特別是交通運輸行業用作製造（zào）發（fā）動機的材料。盡管在現代（dài）出現了（le）眾多代用的新材料，但它仍是廣泛用於各個工業領域的（de）重要材料。鑄鐵鑄件一般占（zhàn）各類鑄件總產量（liàng）的75%以上；而灰鑄鐵件（jiàn）產量又（yòu）占（zhàn）鑄鐵件（jiàn）總（zǒng）產（chǎn）量的75 %以上。灰鑄鐵的鑄造性（xìng）能，尤其是它的缺口敏感性、減震性及耐磨（mó）性是其他材料不可取代的（de）。由於市場的激烈競爭，對鑄鐵材質的要求愈來愈高，隨著現代（dài）科學技術的進步和（hé）對節能要求的（de）提高（gāo），於是能提高性（xìng）能、減（jiǎn）輕質量、降低能耗及降（jiàng）低成本的高強度薄（báo）壁灰鑄鐵件就（jiù）成為國內（nèi）外研究者們進行研究的一項重要內容，並在車用柴油發動機（jī）等薄（báo）壁複雜件生（shēng）產中得到廣泛的（de）應用。

國外對缸體的材質（zhì）基本上已（yǐ）規範化，一般采用相當於我國的HT250或（huò）更高牌號的低合金鑄鐵，金相（xiàng）組織為98 %以上的珠光體；為保證良好的鑄造工藝性能，在化學成分的控製上采用較高的碳當量，在化學成分（fèn）中絕大多數含有Cr 0.15 %～0.40%和（hé）Cu 0～0.8%，有的還含有Mo、Ni、Sn等元素，以提高鑄件本體的強度、硬度及其均勻性以及（jí）薄斷麵處的珠光體量(一般大於95 %)，鑄件本體檢測（cè）點硬度以185HB～235HB居（jū）多，很少（shǎo）低於180HB，厚薄處的硬度差小於30 HB。灰鑄鐵的金相組（zǔ）織（zhī）是影響其性能的主要因素，特別是灰鑄鐵中的C元素（sù）的形態直接影響（xiǎng）到灰鑄鐵作為汽缸體材料時的性（xìng）能（néng），當C元素以石墨形態出現時，由於石墨本身就是優良的潤滑材料，因而能改善（shàn）摩擦磨損性能，但（dàn）由於片狀石墨的縮減和切割作（zuò）用，直接影響灰鑄鐵的機械性能（néng），因此（cǐ），國外（wài）絕大多（duō）數工廠對石墨形態控製較嚴，基本上為A型2級～3級，隻允許有少量的B型和（hé）D型石墨（mò）出現（xiàn）。

蠕墨鑄鐵汽缸體材（cái）料：鑄鐵機械性能的高低，是由其金相組（zǔ）織（zhī）所決定的（de）。由於灰鑄（zhù）鐵中的片狀石墨（mò）長且薄，表麵平坦（tǎn），端部尖銳，在承受負荷（hé）時，尖銳的端（duān）部易產（chǎn）生應力集中，成為鑄（zhù）件破壞的起點，造成鑄件的強度和韌性下降；石墨雖然是優良的固體潤滑劑，能防止劇烈的磨損（sǔn），但其平（píng）坦的（de）表麵易（yì）造成石墨脫落，同時尖銳的端（duān）部產生裂紋擴展，反而會引起（qǐ）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（tí）高灰鑄鐵強度、韌性和耐磨性變得（dé）極為困難。因此，從某種意義上來說，石墨的形態決定了鑄鐵件的性（xìng）能。為迅速提高汽缸體的性能，近（jìn）年來，從（cóng）改善石墨形態的目的出發，蠕墨鑄鐵（tiě）引起了國內外（wài）高度重視。

蠕（rú）墨鑄鐵的石墨形狀與片狀石墨相比（bǐ），其長度較短而厚，端部較圓，長厚（hòu）比在（zài）10以下(灰鑄鐵一般為50～100)，且表麵粗（cū）糙，較圓的端部（bù）能抑製裂紋的（de）發生和擴展，粗糙的表麵能（néng）限製石墨的脫離。這種獨特的（de）石墨形狀，與（yǔ）灰鑄鐵相（xiàng）比，能（néng）大大提高抗拉強度、疲勞強度、彈性模量和耐磨性等性能。

汽缸體（tǐ）與曲軸箱（xiāng）的輕量化材料：汽缸體是發動機裏最重的零件，采用輕質的材料可以大幅度減輕（qīng）發（fā）動機的重（chóng）量，壓鑄鋁是首選（xuǎn）的新型機體材料。由於機體采用（yòng）了鋁合金，故主軸（zhóu）蓋底座不必另外考慮，而是采用整體框架式結構。采用壓鑄鋁（lǚ）整體框（kuàng）架式主軸承蓋底座，可以降低製造（zào）成本、便於安（ān）裝（zhuāng）、減少（shǎo）噪聲（shēng）輻射（shè）。來自美國汽（qì）車界的研究表（biǎo）明（míng），高矽鋁合金比含銅的過共晶鋁合金（jīn）更有競爭力。因為（wéi）高矽鋁合金材料具有疲勞強度高（gāo）、耐磨性（xìng）好、抗缸孔（kǒng）變形（xíng）能力強、重量輕和導熱（rè）性好等優點，製造方麵具有製造成本低（dī）、鑄件質量更（gèng）好及（jí）機加工性能和刀（dāo）具壽（shòu）命（mìng）高等（děng）優點。

3.汽缸密封墊（diàn）的材料

密封墊汽缸墊位於汽（qì）缸蓋與汽缸體之間，對整個汽缸係統的密封起著重要的（de）作用。新型車用發動機汽缸墊，正（zhèng）向著采用輕型結構、減小厚度、減小壓緊預緊（jǐn）力和汽缸變形，提高匹配性能和（hé）密封效果（guǒ）等方向發展。

根據發展趨勢，德國Elring公司開發了（le）如（rú）下三種新型汽缸墊。

FW(鋼板-軟材料)汽缸墊。目前這種汽缸墊在歐洲幾乎已用於所有的車（chē）用發（fā）動機（jī）。該結構包括一個插入的支撐鋼板（bǎn），兩邊是軟材料覆蓋層。為了提高燃燒室壓力和防禦燃燒氣體在燃燒室區域燃燒,設置了金屬鑲邊。軟材料由非石棉材料(纖維、填料（liào）、黏結介質和疏水的摻和劑)製成（chéng）。這種汽缸墊（diàn）具有較高的（de）耐高溫穩定性、優良的匹配能力、良（liáng）好的回彈能力以及較強（qiáng）的抗機（jī）油和（hé）冷卻（què）液的化學穩定性。

MLC(金屬-塗層)汽缸墊。近十年來，ELring公司（sī）將（jiāng）該汽缸墊用於批量生產的載重汽車和轎車發動機（jī）上。該汽缸墊為多層特（tè）殊.金屬塗層的組合，轎車發動機汽（qì）缸墊是（shì）由多（duō）層（céng）鋼板組成的（de），根據其（qí）層數汽（qì）缸墊厚度至（zhì）少為0.45mm。渦流（liú）室（shì）式柴油機汽缸墊厚度應不小於0.85 mm。鋼板一般采用（yòng）奧氏體彈（dàn）簧鋼製（zhì）造,板厚在0.10～0.30mm範圍內（nèi），其中間層和燃燒（shāo）層密封部位采用不鏽鋼或耐腐蝕的鎳鉻鋼。為了確保金屬層相互間密封以及曲軸箱和汽（qì）缸蓋的密封，需要采用薄的、具有彈性和良好適應性的塗層，彈性塗層能夠在安裝後保持微觀密封作用，其厚度取決於零件表麵結構（gòu）及表麵粗糙度；每層間的塗層厚度約為5～10μm，而頂層上表麵（miàn）塗層約為10～25μm。目前所采用（yòng）的材料為氟膠(FKM)和氮化膠(NBR)。

ME(金屬（shǔ）-彈性體)汽缸墊。該汽缸墊可形成新的密封壓力分配形式，即用彈性體材料密（mì）封整個（gè）流體通道隻需很小的壓力，這樣，缸蓋螺栓擰緊力矩主要由（yóu）燃燒室密封所需的壓力決定（dìng）。與全平麵的（de）有效密封係統相比，能減少擰緊力矩30%。這種汽缸墊采用一個金屬層，兩邊設置彈性體結構，其特點為：采用彈性體為密封媒介，密封接（jiē）觸麵壓（yā）力小（xiǎo），發動機部件（jiàn）與彈性體表麵具有（yǒu）良（liáng）好的匹配性；密封斷麵具（jù）有高的反彈率；可用於密封間隙變化的部位。它特別適應輕型結構發動機。

4.活塞和（hé）活塞環的材料

活塞及活塞環位於發（fā）動機的心髒，其（qí）工作質（zhì）量的優劣直接影響發動機的性能。現代車用柴油發動（dòng）機的活塞多采用鋁合（hé）金作材料。其主要優點是質量輕、導熱性（xìng）能好。活塞（sāi）與活塞環（huán）是一對摩擦（cā）副。為使其工（gōng）作性能達到最佳化，在選用原材料（liào）和工作麵的塗覆材料方麵，首先（xiān）應考慮兩者間的匹配性。如：活塞環端麵進行化學鈍化處理，則活塞應選用共晶鋁（lǚ）(5%的（de）Cu含量)作（zuò）材料，且對活塞環槽進（jìn）行磷化處理。隨著發動（dòng）機功率（lǜ）的（de）不斷提高和活塞工（gōng）作壽命的不斷延長，普通的鋁合金活塞難以滿足要求，許多（duō）性能更好的新（xīn）材料應用於活塞中。鋁基複合材（cái）料的性能已達到使用鑄鐵的水平，而製成活塞和活塞環（huán）後質量大大（dà）減輕，與普通鋁合金（jīn）材料相比其高溫強度和抗熱（rè）疲勞性能明顯提高，並具有較低的線膨脹係數。可提高活塞使用壽命，降低油耗和廢氣排放（fàng）量，提高發動機（jī）功率。

活塞環是易損件，在工作中與缸套摩擦劇烈，其摩擦損失，占發動機總摩擦損失的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(尤其是壓縮環)工作麵上（shàng）塗覆（fù）一層耐磨微小顆粒物質可（kě）提高（gāo）其耐磨性能和載荷能力。例如；對柴油機壓縮環施以鉻和陶瓷塗層，其耐磨強度（dù）較普通環提高0.5～1.5倍。有了這種塗層，活塞（sāi）環的工作（zuò）麵將永久存留一層潤滑油膜。有的活塞環的表麵塗覆的不是氧化錳山類的微小顆粒，而是極（jí）精細的鑽石微小顆粒(GDC)，這可進一步提高環的耐磨強度（dù）。

以鋁（lǚ）合金為主流活塞材料（liào）應具（jù）有低密度、高導熱性、高溫疲勞強度、低膨脹係數、減磨性能和良好的工藝性能。除鋁合金，能同時滿足以上要（yào）求的（de）材料（liào）極少（shǎo），所以至今（jīn）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度鋁材是目前有前途的活塞材料。上述各種性能（néng）的兼容性、製造成本和工藝上暴露出來的問題是（shì）活塞新材（cái）料應用的主要阻力。活（huó）塞的改進主要在（zài）結構和工藝兩方麵。例如改變加強筋的形狀、環槽的表麵粗糙（cāo）度等，以改變活塞工（gōng）作時的應力分布、溫度場和耐磨（mó）性（xìng）。

5.曲軸和主（zhǔ）軸承蓋螺栓的材料

曲軸（zhóu）是發動機的“脊梁”。曲（qǔ）軸形狀複雜、受力複雜（zá）、應力集中嚴重，要求盡可能（néng）高的彎曲剛度和扭轉剛度，同（tóng）時（shí）軸頸在很（hěn）高的比（bǐ）壓下發生滑動摩擦。因此曲軸應同時滿（mǎn）足高強度、高（gāo）剛度、耐磨和輕巧的要求，然而這些要求是矛盾的。曲軸也是發動機中較重的零件之一，減（jiǎn）輕曲軸的重量具有（yǒu）很大的誘惑力。但曲軸特殊的結（jié）構和工作狀況、對剛度的要求及其在發動機裏的重要地位（wèi），材料的（de）變更始終未（wèi）能（néng）超出普碳鋼、合（hé）金鋼、微合金鋼和鑄鐵的範疇。減輕重（chóng）量、降低成本和提高性能的方式主要是通過改變結構（gòu）和工藝來實現，例如采用空心曲軸結構、過渡圓角滾壓強化（huà）等。發動機在較長（zhǎng）的一段時間內曲軸材料仍不會有很大的變化。

鍛鋼曲軸（zhóu）：熱處理鍛（duàn）鋼曲軸，這類曲軸多采用精鍛（duàn）中碳鋼或中碳合金鋼，需（xū）要采用調質(或正火)熱處理來提高強度並改善加工（gōng）性能（néng）。鍛造曲（qǔ）軸由於需要熱處（chù）理，工藝較複雜，需要時間多（duō），而且（qiě）能源消耗較大。微合金非調質鋼曲軸是近年來發展起來的新鋼種，通過添加（jiā）V、Nb、Ti等合金元素細化晶粒，強化鋼的基體，提高鋼的（de）強度。其優點是可省去調質(或正火（huǒ）)處理工藝，具有明顯的簡化工藝、節時節能效果。同時可改善切（qiē）削加工性能，與調質鋼（gāng）相比（bǐ）可降低成本11%～19%。國外汽（qì）車應用微合金非調質鋼曲軸已十分廣泛，德魯的Benz、意大利的Fiat、美（měi）國（guó）的Ford、日（rì）本的（de）三菱和豐田汽車公司都有部分（fèn）汽（qì）車發動機曲軸采用非調質鋼。

球墨鑄鐵曲軸：球墨鑄鐵比（bǐ）鋼輕約10%,無殘留應力,加（jiā）工時（shí）產（chǎn）生的缺陷少,麵且球墨鑄鐵減振性、耐磨性、對缺（quē）口敏（mǐn）感（gǎn）性等優於鍛鋼。鑄造曲軸與鍛造曲軸相比,可使連杆軸徑（jìng）中空,減輕回轉質量,且可減少（shǎo）軸拐角處的應力集中。球墨鑄（zhù）鐵曲,尤其是鑄態球墨（mò）鑄鐵曲軸，具有生產工藝簡單（dān）、能（néng）源消耗少、生產成本（běn）低、生產效率高等優點。球鐵要取代鍛鋼，重點是提（tí）高（gāo）韌性，尤其是動態韌性,可采用如下方法：盡量降低有害雜質含量；球化或鈍化、分散（sàn）弱相(如石墨)以減小應力（lì）集中（zhōng）係數；生成或引入韌性好的不（bú）連（lián）續組織（zhī）來提高性能。

球鐵材料過去一直（zhí）采用正火來提高強度。隨著生產技術的成熟，鑄（zhù）態珠光體球墨（mò）鑄鐵（tiě）曲軸（zhóu）逐步代（dài）替了正火球墨鑄鐵曲軸。由於石墨球（qiú）數增（zēng）加、基體組織（zhī）全為珠光體，因而鑄態下就能獲（huò）得較高的機械性能。鑄態曲軸不需正火（huǒ）熱處理，這樣不僅簡化生產工序、降低能（néng）源消耗和生產成本，還避免了人為因素產（chǎn）生（shēng）的內應力，從而減少了曲軸在切削加工後進行（háng）表麵淬火強化處理時的變形傾向。目前，球鐵取代鍛鋼的最大障礙就是強度和（hé）韌性有限。但（dàn）是隨（suí）著高強度-高韌性球鐵，尤其是奧氏體等溫淬（cuì）火球（qiú）鐵技術的日（rì）趨成熟，憑借其高強度、高韌性、成形性能好、成本低、綜合機械性能優良等諸（zhū）多優（yōu）點，必將在更大範圍內取代（dài）鍛鋼。

主（zhǔ）軸承蓋螺栓（shuān）的材料（liào）：一般發動機的主軸承蓋螺栓采（cǎi）用中碳合金鋼製造的螺栓（shuān）。采用壓鑄鋁整體框架式主軸承蓋（gài）底座後出現軸承間隙隨溫度升（shēng）高而增大的新問題，為此采用奧氏體耐熱鋼來（lái）製造主軸承蓋螺栓，但會（huì）使成本（běn）提高。奧氏體鋼的熱膨脹係（xì）數比鐵素體鋼大，可以（yǐ）使溫度時效（xiào）的影響減少約50％，從而可能減少螺栓的預緊力（lì）。因（yīn）此可以使螺栓的強度級別降低，可用8.8級的奧氏體鋼螺栓替代10.9級的中碳鋼（gāng）螺栓。連杆螺栓工作時受到交變（biàn）載荷的作用，處於疲勞應力（lì）狀（zhuàng）態，它（tā）的尺寸（cùn）受到限製，又有嚴（yán）重的應力集中，而它的破壞又會引起整個發（fā）動機的重（chóng）大事故。所以，連杆螺栓是發動機裏級別最高的螺栓，通常（cháng）為12.9級。通常連（lián）杆螺栓的材料是（shì）中碳合金鋼。連杆（gǎn）螺栓追求的是（shì）提高預緊力和疲勞強度，因此改善螺栓形狀、製造工藝和裝配工藝成為提高螺栓緊固效果和疲勞性能的（de）主要手段（duàn），例（lì）如進行柔性結構設計、先調質處理（lǐ）再搓絲、用扭矩-轉角法裝配等。目（mù）前尚無更合適的材料替代中（zhōng）碳（tàn）合金（jīn）鋼製作連杆螺栓。

6.連杆材料

連杆主要承受氣體壓力和往複慣性力所產生的交變載荷，因此連（lián）杆必須具有（yǒu）足夠的疲勞強度與剛度（dù）。同時,為了減（jiǎn）少慣性力，連（lián）杆的重量應盡可能地輕。長期以來連杆使用的材料是中碳鋼、中碳合金鋼或鑄鐵。當然最理想的是（shì）高比強度（dù）的輕質材（cái）料鈦合金，但目前限於成本昂貴,鈦合金連杆僅用於賽車發動機上。近年來連杆材料發生不（bú）少變化（huà）,如粉末冶金和裂解連杆用高碳鋼用於大規模生產。這既是（shì）對傳統連杆用材料的挑戰，也是降低成本的有效途徑。使用溫壓粉末（mò）冶金可（kě）使連杆的總成（chéng）本降低30％，使用裂解連杆用鋼則（zé）可降低11％的總成本。

目前，主要（yào）汽車廠家都在考慮變（biàn）換連杆材料以代替傳統的連杆材料。美國杜邦公司和克萊（lái）斯（sī）勒汽車廠合作開發出剛玉纖維增強鋁鋰合金基複合鑄造的汽車連杆，其重（chóng）量輕、強度（dù）好，抗拉強度達560MPa，而且膨脹係數小，對提高（gāo）發動機（jī）效（xiào）率極為有利，其剛度、強度和疲勞極限都能滿足高性能汽車的材料要求（qiú）。

粉末冶金連杆：溫壓粉末（mò）冶金克服（fú）了傳統粉末冶金密（mì）度低、成本高（gāo）的缺點，將提高零件的密度，生產成本較傳統的低。溫壓工藝中使用潤滑劑以降低粉末之間的摩擦力、減小壓製過程中的顆（kē）粒重排阻力（lì）、提高密度。溫壓技術的出現為製造高性（xìng）能粉末冶金壓製連杆（gǎn）提供了新的契機，它不但可以有效提高粉末冶金壓製連杆的密度，而且可以使燒結態連杆獲得足夠（gòu）的（de）使用（yòng）性能，免（miǎn）去普通粉末冶金工藝後期的熱處理（lǐ）工序。發動機試驗結果（guǒ）表明（míng），溫壓-燒結連杆的使（shǐ）用（yòng）性能和模鍛（duàn）粉末冶金鍛造連杆相同，並且有效降低了連杆的製造成本，其溫壓（yā）溫度為（wéi）1130℃時的燒結密度達7.4g/cm。在燒結狀態下（xià），抗拉強度（dù）為1050MPa，屈服強度為560MPa，抗壓屈服強度為750MPa，對稱循環抗拉疲勞強度為320MPa，標準差僅為±10MPa。溫壓提高了密度，使壓坯有足夠的強度滿足去（qù）毛刺（cì）、鑽孔、攻螺紋等機加（jiā）工的要求,以及有（yǒu）望直接對連杆壓坯大頭進行裂（liè）解處理。

裂解連杆：20世紀90年代中期，國外（wài）鋼廠與汽車廠合作開發了裂解（jiě）連杆用鋼。這種鋼在成本與性能方麵都有較（jiào）大的優（yōu）越性，鍛造後空冷而無需熱處理，裂解（jiě）後連杆本體與連杆蓋的接觸麵不（bú）需要機械加工，節約了加工費用，裝配後連杆本體與連杆蓋的裂解麵緊密接觸並互相鎖定，防止它們之間的相互移動（dòng），提高了曲軸（zhóu）零件的剛度，改善了發動機性能。迄今為止，德國有60種發動機采用這種鋼生產連杆。一汽-大眾的“捷（jié）達”轎車發（fā）動機連杆也是用這種鋼生產的。裂解連杆還（hái）有一個優點就是尺寸不受限製，從摩（mó）托車發（fā）動（dòng）機連杆到重（chóng）型載貨車發動機連（lián）杆均可采用不同類型的裂解連杆鋼。裂解連杆用鋼要同時（shí）滿足三個要求。一是要保證鍛造空冷後有足夠（gòu）的（de）強度，以滿足連杆使用性能的需要。二（èr）是要保證連杆裂解（jiě）後有最（zuì）小的塑性變（biàn）形和裝配時（shí）曲軸孔的圓度符合規定的要求。三是要保證有良好的切削（xuē）加工性能（néng），可切削加工性（xìng）能不能低於原用的中碳鋼。因此，裂解連杆（gǎn）用鋼的碳（tàn）含量要從一般連杆用（yòng）鋼的0.45％提高到接近0.7％左右。這樣鍛造空冷後的金相組織全部為珠光體，而且裂解後的塑（sù）性變形最小。但碳含量提高後，鋼材的淬透性能也會隨（suí）之提高。若保持原（yuán）來的錳含量（liàng）不（bú）變，鍛造空冷後（hòu）硬度會提高，而且金相組織中還（hái）可能出（chū）現貝氏體，惡化切削加（jiā）工性能。現代連杆加工多為用拉床拉（lā）削，對毛坯連杆的加工性能要求較高。為了改善可切削加工性能又必須適當降低硫（liú）含量，使錳和硫結合，故錳含量又不能過低，至少要3倍於硫含量，以此確定錳含量的下（xià）限。用裂解連杆用鋼生產連杆由於（yú）鍛後空冷，省（shěng）去了淬火和高溫回火工（gōng）序（xù），再加上（shàng）連杆（gǎn）本體與連杆蓋（gài）裝配麵無需機械加工，省去了（le）加工費用，可以使生產成本降低25％。

7.發動機的軸承(瓦)材料

現代車用柴油發動機以功（gōng）率大、燃油耗低為特點,這種發動（dòng）機的（de）爆（bào）發壓力大,機油黏度低，曲軸和連杆軸瓦的比壓高，因此軸和軸瓦之間的油膜厚度逐漸變薄，軸承的工作條（tiáo）件變得更為苛刻。這要求軸瓦必須具有很高的承載（zǎi）能力、疲勞強度和（hé）耐磨性，於是適應苛刻工作條件的軸瓦由此應運而生。例如德國Federal—Mogul公司的噴鍍軸瓦（wǎ）,這種（zhǒng）軸瓦先在鋼背上澆鑄一層sn-Pb青（qīng）銅的基體材料，然後用噴鍍法(PVD)將A1Sn20噴鍍在基體材料上作為（wéi）滑動層，具有很高的疲勞強度。為提高曲（qǔ）軸軸承的載荷能力和耐磨強度，需（xū）要對其表麵塗覆更硬的材料。軸（zhóu）承表麵鍍鉻是提（tí）高其硬度（dù）的傳統方法，實際上，這一工藝還有潛力可挖。迄今為止，通過電鍍方法可使軸承表（biǎo）麵塗覆層Cu和Sn的含（hán）量分（fèn）別穩定在5%～10%。為進一步提高軸承的使用壽命，需要提高（gāo）Cu和Sn的含量。試驗（yàn）表明，軸承（chéng）工作麵（miàn）塗（tú）層Cu含量僅為2%，則在載荷超過，50MPa時就（jiù）開始出現磨損現象。為獲得更滿意的效果，可將陰極（jí）噴濺鋁、錫合金和電鍍Glyc081型材料結合起來應用。比如對上軸承（chéng）表麵進行噴濺（jiàn）鋁、錫合金，而（ér）對下軸承表麵則（zé）電鍍（dù）Glyco8l型（xíng）材料。

還有一種（zhǒng）複合軸承（chéng）,它以（yǐ）低碳鋼背為載體表麵鍍銅後燒結一層青銅（tóng）粉末，再與（yǔ）性能（néng）優良的工程塑料熱複合為一體（tǐ）後所製（zhì）成。按工程塑料的種類，可（kě）分為兩種（zhǒng）：一種（zhǒng）是表（biǎo）層以聚四氟乙烯為基體的複合軸承體係，適用於作高（gāo）速低負荷（hé）工作的滑動軸承，可在無油或少（shǎo）油的條件下使用；另（lìng）一種（zhǒng）是表層以改性共聚甲醛為（wéi）基體的複合軸承，適用於低速大負荷（hé）條件下工作。如東風汽車（chē）上廣泛運用的EGQS型鋼（gāng）背-塑料（liào）複合軸承襯套（tào）就是後一種類型體係。這種鋼背（bèi）-塑（sù）料複合軸承具有工程塑料（liào）減（jiǎn）磨、耐磨的優點，又具有鋼（gāng）背承載能力強的特點，使（shǐ）其具有高承載、低磨耗、摩擦阻力小的優良性能。

8.車用柴油機零件用的輕金（jīn）屬、陶瓷和複合材料

車用柴油發動機零件的特殊工（gōng）作環境和出於成本的考慮，使（shǐ）新材料的應用受到很大的（de）限製。眾多新材料裏鈦（tài）合金是最具誘人前景的，鈦合金密（mì）度低(僅為鋼的58％)、模（mó）量小（xiǎo）、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、無磁性（xìng），在輕金屬材料中，隻有鈦合金（jīn）具有與鋼相同的高強度。例如Ti一（yī）6A1—4V的抗拉強度可達980MPa，比強（qiáng）度高達222.7，因此鈦合金可以（yǐ）擔當發動機裏許多零件的重任。用鈦合金製造的連（lián）杆比鋼連杆輕30％，因此工作時（shí）的慣（guàn）性小，轉速可達7000r/min，可提高發動（dòng）機的效率，降低噪聲。鈦（tài）合金氣門彈簧質輕負荷小，可（kě）降低機械摩擦，改善凸輪軸工作條件，提高燃油效（xiào）率。鈦合金氣（qì）門（mén）和閥座既可減輕重量（liàng），又可（kě）使氣（qì）門係統的運動慣量降低。鈦合金還可用於凸輪軸、消聲（shēng）器排氣岐管（guǎn）等發（fā）動機零件。

鈦合金的（de）材料成本高，加（jiā）工條件複雜，限製了鈦合金在發動機零件上的（de）應用。因此（cǐ），選用廉價合金元素以（yǐ）獲得經濟型鈦（tài）合（hé）金，改進冷（lěng）、熱（rè）加工工藝以降低鈦合金零件的製造成本（běn），是實現鈦合金在發動機乃至汽車（chē）上（shàng）其他零部件的應用的主（zhǔ）攻（gōng）方向。除鈦（tài）合金外、鎂合金也是頗有競爭力的輕金屬材料。鎂（měi）合金可用來製造發動機缸蓋、進氣岐管等（děng）零件。當然材料成本和製造成本也製約著鎂合金的應用。

由於陶瓷材料的強度高、耐熱、耐腐蝕、耐磨（mó），是製造挺杆、氣（qì）門、軸承（chéng）、廢（fèi）氣渦輪壓縮機轉子等發動機零件的（de）理想材料（liào）。日本“五十鈴”公司和美國“福特”公司成功地研製出陶瓷挺杆，德國“奔馳”公司研製的陶瓷氣門收到了（le）節油和減少有害物排放（fàng）的效果。另外、陶瓷噴（pēn）塗可以起到低散熱的效果（guǒ），用表麵陶瓷噴塗（tú）活塞、缸套和氣門的發動（dòng）機（jī），可以取消（xiāo）冷卻係統，減少發動（dòng）機重量，減少燃（rán）油（yóu）消耗（hào）。

複合材料是由基體材料(包括樹脂、金屬、陶（táo）瓷等)和增（zēng）強劑(有（yǒu）纖維狀的、晶須狀的、顆粒（lì）狀的等)複合而成的。複（fù）合材料的力學性能和功能，可以根據實際需要，通過適（shì）當選材和優化設計（jì）來獲得。當前複合材料（liào）開展的重點在以下幾個（gè）方麵：熱塑性樹脂基複合材料、金（jīn）屬基複合材（cái）料、陶瓷（cí）基複合（hé）材料、碳基複合材料。

9.結語

總之，由於惡劣、苛刻（kè）和複雜的服役條件和輕量化、低成本、低排放汙染的（de）需要，對車用柴油發動機零件的要求越來越高。隨著材料技（jì）術和零件製造技（jì）術的不斷發展，能兼顧（gù）多方位要（yào）求的新材料將日趨成熟（shú），昂貴的新材料將不斷以可以接受的價格走出實驗室，化解層出不窮（qióng）的矛盾，成為發動（dòng）機裏質優價廉的生力軍。新材料的發展和應（yīng）用又（yòu）將使發（fā）動機的動力性、經濟（jì）性和排放（fàng）標準不（bú）斷提（tí）高（gāo）。

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