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汽车发动机材料的发展历史

摘要：

本文主要阐述了现代车用发动机某些零件的材料发展：如气缸体和缸套，活塞，曲轴和主轴，连杆等零件的材料组成及发展历史及将来的发展方向。

一汽车发动机的发展历史

目前，应用最广、数量最多的汽车发动机为水冷、四冲程往复活塞式内燃机，其中汽油机多用于轿车和轻型客货车上，而大客车和中、重型货车发动机多为柴油机。少数轿车和轻型客货车发动机也有用柴油机的。此外，燃气发动机也渐渐地兴起，液化石油气，压缩天然气，液化天然气等清洁汽车能源以其良好的经济性和较低的排放污染物，被认为是车用发动机较为理想的代用燃料，得到广泛应用。发动机的一步步改善和进步的同时，也对发动机材料的选择有了更高的要求。

二汽车发动机零件的材料发展

发动机材料是汽车设计、品质、质量及竞争力的基础,汽车发动机技术的发展在很大程度上取决于发动机材料的发展。汽车发动机用材料将紧紧地围绕着环保、节能、安全、舒适性和低成本这五个主题展开,因而汽车发动机材料的发展也更加多样化、多元化。

1气缸体和缸套的材料

气缸体作为发动机中最重要的部件之一,其尺寸较大,结构复杂,壁厚较薄又很不均匀,而且在高温、高压及润滑条件不良且有固体微粒和腐蚀介质工况条件下作高速相对运动,零件内部产生很大的机械应力和热应力,同时承受强烈的摩擦磨损。因此,要求气缸体材料具有良好的综合性能,即应具有良好的强韧性、导热性、耐磨性、耐蚀性、加工工艺性能和经济性。另外,对材料的再循环性及环境保护的因素也是要考虑的重要方面。

（1）灰铸铁气缸体材料

灰铸铁由于具有良好的铸造工艺性能和机械性能,优越的耐磨性、减振性和导热性,而且生产方便,价格便宜,在很多工业领域的铁系零件中被选定为复杂形状零件的首选材料,特别是交通运输行业用作制造发动机的材料。铸铁铸件一般占各类铸件总产量的75%以上;而灰铸铁件产量又占铸铁件总产量的75%以上。灰铸铁的铸造性能,尤其是它的缺口敏感性、减震性及耐磨性是其他材料不可取代的。

（2）蠕墨铸铁气缸体材料

铸铁机械性能的高低是由其金相组织所决定的。由于灰铸铁中的片状石墨长且薄,表面平坦,端部尖锐,在承受负荷时,尖锐的端部易产生应力集中,成为铸件破坏的起点,造成铸件的强度和韧性下降;石墨虽然是优良的固体润滑剂,能防止剧烈的磨损,但其平坦的表面易造成石墨脱落,同时尖锐的端部产生裂纹扩展,反而会引起磨损的加剧,所以片状石墨的存在,使得为了满足更高的使用要求而继续提高灰铸铁强度、韧性和耐磨性变得极为困难。因此,从某种意义上来说,石墨的形态决定了铸铁件的性能。为迅速提高气缸体的性能,近年来,从改善石墨形态的目的出发,蠕墨铸铁引起了国内外高度重视。蠕墨铸铁的石墨形状与片状石墨相比,其长度较短而厚,端部较圆,且表面粗糙,较圆的端部能抑制裂纹的发生和扩展,粗糙的表面能限制石墨的脱离。这种独特的石墨形状,与灰铸铁相比,能大大提高抗拉强度、抗疲劳强度、弹性模量和耐磨性等性能。

（3）缸套材料

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。目前已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、抗磨合性、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。

2活塞和活塞环的材料

加微合金元素，锻造后不经过调制处理即应用于轿车发动机连杆的制造中。到1984年，日本已有75%的连杆和曲轴、欧洲各国有3%-50%的汽车发动机连杆、曲轴和前轴应用非调质钢制造。20世纪80年代初，我国开始研究非调质钢，取得了一些进展，但与世界先进水平相比，仍有一定差距，如目前研究的非调质钢韧性还不够高，只能代替调质碳钢。

（3）粉末冶金材料

粉末冶金材料是集材料生产－加工技术－零件制造于一体，与其它制造技术相比，它的最大优点是材料的利用率高、制造加工能耗低，经济效益显著。我国粉末冶金技术与国际先进水平相比差距较大，烧结锻造技术落后，专用的粉末冶金压机及烧结炉的应用还不普遍，金属粉末的品种少、质量差且不稳定，另外烧结保护气体还需进一步地研究改进。目前，国内粉末冶金锻造连杆的研制还未见报道，因此，提高我国粉末冶金技术水平，研制连杆这类比较重要的零件是亟需解决的问题。

（4）金属基复合材料

减轻连杆的重量可减少发动机振动和减小惯性力。因而，人们越来越广泛使用轻质材料来制造连杆。为了减轻重量，通常采用铝、镁等轻金属作为基体材料，用不锈钢纤维、陶瓷纤维或晶须作强化材料，制成金属基复合材料。目前，国际上已经研究和