鋁鎂鈦合金材料在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

1、鋁、鎂、鈦合金材料在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)的報(bào)告指出，汽車質(zhì)量每減少10%，燃油消耗可以降低6%8%。由此可見減輕汽車自重是實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)約能源，降低燃油消耗，減少尾氣排放的重要措施。汽車輕量化是當(dāng)代汽車發(fā)展的一個(gè)重要課題，其基本要求是：(1)在保證汽車質(zhì)量和功能不受影響的前提下，最大限度地減輕各零部件的質(zhì)量，降低燃耗，減少排放污染。(2)在使汽車減輕質(zhì)量、降低燃耗、減少排放的同時(shí)，努力謀求它的高輸出功率、高響應(yīng)性、低噪聲、低振動(dòng)、良好的操縱性、高可靠性和高舒適性等。(3)在汽車輕量化的同時(shí)，汽車的價(jià)格應(yīng)當(dāng)下降或保持在合理水平，具有商業(yè)競爭能力，即汽車的輕量化技術(shù)必須是兼顧質(zhì)量、性能、價(jià)格

2、的技術(shù)。通常占汽車總質(zhì)量比重較大的部分有發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身、內(nèi)外裝備等，所占比例如表1所示。汽車各部分的質(zhì)量是相互關(guān)聯(lián)的，發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，其質(zhì)量不容忽視。如果減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，底盤質(zhì)量就能相應(yīng)減輕，而減輕車身零部件的質(zhì)量，支承它的車架、車橋、車輪、懸架等行走系的負(fù)荷就會(huì)降低，其質(zhì)量和尺寸可相應(yīng)減小，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)和制動(dòng)器的質(zhì)量和尺寸也可相應(yīng)減小。但汽車輕量化是具有前提條件的，即在保證汽車整體質(zhì)量和性能不受影響的前提下，應(yīng)最大限度地減輕各零部件的質(zhì)量，努力謀求高輸出功率、低噪聲、低振動(dòng)和良好的操縱性、高可靠性等，降低燃油消耗，減少排放污染。為此，各國的汽車制造廠家為了使發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化、高速化、高功

3、率化，并且有較高的耐久性，做了大量的工作，大量新材料被應(yīng)用進(jìn)來。1鋁合金在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用鋁是生產(chǎn)汽車的優(yōu)良材料。鋁代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼鐵制造汽車，可使整車重量減輕30%40%，研究表明，汽車上每使用1kg鋁，便可降低自重2.25kg，減重效應(yīng)高達(dá)125%，同時(shí)，在汽車整個(gè)使用壽命期內(nèi)，可減少廢氣排放20kg。即用鋁的減重和排放效果比為1：2.25：20。鋁回收利用簡便，是鋼鐵以外能最大限度回收利用的材料，幾乎90%的汽車用鋁可回收并循環(huán)使用，在世界環(huán)保意識高漲的今天，能高度回收利用的材料和制品日益受到重視。因此，鋁材對促進(jìn)汽車輕量化，降低能源消耗和改善人類生存環(huán)境貢獻(xiàn)很大。各國的汽車制造廠家為了使

4、發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化、高速化、高功率化，并且有較高的耐久性，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上越來越多地使用鋁合金材料。如鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)體、鋁質(zhì)缸蓋、鋁質(zhì)進(jìn)氣歧管。鋁具有高導(dǎo)熱性和耐腐蝕性，單位重量導(dǎo)熱性幾乎比鐵大3倍，用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、進(jìn)氣歧管和活塞等零件，既減重效果明顯，又可能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，減少熱應(yīng)力，提高熱效率和發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，表2為鋁鑄件與鑄鐵件重量比較。汽缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)里最重的零件，采用輕質(zhì)的材料可以大幅度減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。鋁缸體和缸蓋比原用材料輕30%40%，鋁6缸發(fā)動(dòng)機(jī)比同類鑄鐵缸體輕32%左右，V6發(fā)動(dòng)機(jī)輕50%左右。轎車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁缸蓋和鋁缸體處于增長趨勢，如奔馳公司開發(fā)的微型轎車用0M660共軌直噴

5、柴油機(jī)(排量0.799L)，采用SiCu系列的GDAlSi9Cu3壓鑄鋁；日本豐田開發(fā)的SUV車用AZ系列汽油機(jī)(排量2.0L/2.4L)的機(jī)體也是用壓鑄鋁制造的。GDAlSi9Cu3壓鑄鋁的密度為2.75g/cm3，僅為鑄鐵的30%左右，可見減重的幅度較大。目前，北美轎車市場上鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)占有率幾乎接近100%。在國產(chǎn)轎車中，雖然大多采用了鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋和進(jìn)氣歧管，而發(fā)動(dòng)機(jī)鋁缸體的比例不大，轎車發(fā)動(dòng)機(jī)用鋁低于國外水平。2鎂合金在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度為1.75-1.90g/cm3。鎂合金的張度和彈性模量較低，但它有高的比張度和比剛度，在相同重量的構(gòu)件中，選用鎂合金

6、可使構(gòu)件獲得更高的剛度。鎂合金有很高的阻尼容量和良好的減振性能，可承受較大的沖擊震動(dòng)負(fù)荷，適用于制造承受沖擊載荷和振動(dòng)的零部件。鎂合金的熔點(diǎn)比鋁合金低，壓鑄成型性能好。鎂合金鑄件的抗拉張度與鋁合金鑄件相當(dāng)，一般可達(dá)250MPa，最高可達(dá)600MPa以上。屈服張度、延伸率與鋁合金相比也相差不大。鎂合金還具有良好的耐腐蝕性能、電磁屏蔽性能、防輻射性能，可進(jìn)行高精度機(jī)械加工。鎂合金具有良好的壓鑄成型性能，壓鑄件比厚最小可達(dá)0.5mm，適合制造汽車各類壓鑄件。為適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)零件工作溫度較高的需要，近年來歐美等國家先后開發(fā)出了Mg-A1-Ca，Mg-A1-Ca-Re等高強(qiáng)度抗蠕變鎂合金，以及MR1201S

7、，MRl202S與MR1203S等高溫鎂合金。歐洲正在使用和研制的鎂合金汽車零部件有60多種，單車用鎂合金913-2013g。北美正在使用和研制的鎂合金汽車零部件有100多種，是世界上汽車用鎂合金量最大的地區(qū)，單車用鎂合金518-2613g。日本三菱鋁業(yè)公司與澳大利亞工業(yè)科技部合作開發(fā)一種超輕質(zhì)量的鎂發(fā)動(dòng)機(jī)。我國研制新型壓鑄鎂合金，其成分與德國的TL2VW030成分相當(dāng)，但雜質(zhì)含量低，除具有較高強(qiáng)度、硬度和韌性外，還有較高抗蝕性能。目前，我國汽車上使用鎂壓鑄件只有桑塔納轎車的變速器殼體和殼蓋。使用鎂合金壓鑄件對實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化、高速、節(jié)能等整體功能效果明顯，鎂壓鑄件每年以20%25%的速度增加

8、。我國汽車行業(yè)和壓鑄業(yè)應(yīng)用戰(zhàn)略眼光看待這種趨勢，研制和生產(chǎn)鎂合金壓鑄件。當(dāng)前，制約鎂在汽車中大量應(yīng)用的最主要因素是技術(shù)問題。就結(jié)構(gòu)件而言，由于存在諸如對鎂材料的特性缺乏深層次的理解，鎂零件的防蝕技術(shù)未取得突破，鎂材料的性能數(shù)據(jù)缺乏(尤其缺少工藝性能數(shù)據(jù))和鎂零件的設(shè)計(jì)與使用經(jīng)驗(yàn)不足等問題，使鎂在汽車中的普及程度暫時(shí)還難以與鋁匹敵。據(jù)此估計(jì)，近期內(nèi)它在國內(nèi)汽車用材中所占的比例不會(huì)超過1%。3鈦合金在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用鈦合金是一種新型結(jié)構(gòu)材料，鈦的密度為4.15g/cm3，比鐵小很多；鈦的熔點(diǎn)1668，比鐵還要高；熱脹系數(shù)小，作為耐熱材料很有潛力；其制成的鈦合金抗拉強(qiáng)度可達(dá)1500MPa，可與超高

9、強(qiáng)度鋼媲美，其比強(qiáng)度是常用工程材料中最高的；鈦合金可在550以下工作，優(yōu)于鋁合金及一般鋼。因此它在航空、航天、汽車、造船等工業(yè)部門獲得日益廣泛的應(yīng)用，發(fā)展迅猛。由于鈦及其合金的優(yōu)異抗蝕性能，良好的力學(xué)性能，以及合格的組織相容性，使它用于制作假體裝置等生物材料。鈦的耐蝕性比不銹鋼好，密度是鐵的12，韌性也與鋼鐵相當(dāng)，在航空業(yè)被普遍采用，是與鋁、復(fù)合材料相并列的“材料三大支柱”之一。其缺點(diǎn)是成本高，加工性能差，切削、焊接、表面處理都較難。鈦合金化后可提高高溫強(qiáng)度、加工性、焊接和耐蝕性。 鈦合金適于制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門彈簧、氣門和發(fā)動(dòng)機(jī)連桿。用鈦合金制造板簧與用抗拉強(qiáng)度達(dá)2100MPa的高強(qiáng)

10、度鋼相比，可降低自重20%。鈦合金在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的實(shí)例。(1)鈦合金連桿。意大利的新型法拉利(Fer-rari)315LV8與Acura的NSX發(fā)動(dòng)機(jī)首次使用了鈦合金連桿，比鋼制連桿輕15%20%。(2)鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)氣門。用鈦合金等制成的氣門比鋼制氣門輕30%40%，可提高極限轉(zhuǎn)速20%。排氣門因采用了Ti224Si合金提高了高溫強(qiáng)度，但排氣溫度在于750t以上時(shí)，強(qiáng)度、抗氧化性不穩(wěn)定。另外，鈦合金很早就被用于制作行駛時(shí)間較短的賽車上的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門，而值得關(guān)注的是，近年來某些廠家正在將這種氣門安裝在數(shù)量較少的批量生產(chǎn)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上。據(jù)報(bào)道，該產(chǎn)品采用了摻有TiB的鈦合金燒結(jié)材料和特殊的粉末冶

11、金技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)降低價(jià)格的目標(biāo)。用這種方法，制造進(jìn)氣門也許問題不大，但排氣門的使用溫度一般是高于750t的，這一溫度已經(jīng)超過了鈦合金的使用溫度上限。在這樣的條件下，可以認(rèn)為其高頻疲勞壽命的衰減速度主要取決于高溫氧化強(qiáng)度。蠕變斷裂強(qiáng)度暫且不論，就疲勞強(qiáng)度而言，很難確認(rèn)是由于摻人TiB的效果而得以使其顯著增強(qiáng)。但這些正在被實(shí)際使用的氣門畢竟為我們提供了確鑿的疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)。(3)鈦合金彈簧類。Ti213V211C23A1等合金的開發(fā)，可望用于發(fā)動(dòng)機(jī)氣門彈簧、懸架彈簧上。鈦合金利用的最大難點(diǎn)是成本高。其次，提高加工性、耐久性及表面處理技術(shù)的開發(fā)，再生技術(shù)的建立也是很必要的。鈦和鈦合金應(yīng)用的最大阻力來自于其高價(jià)格，所以鈦合金的研制和生產(chǎn)工藝的開發(fā)重點(diǎn)都在于降低成本。日本豐田開發(fā)了低成本鈦基復(fù)合材料，該復(fù)合材料以Ti26A124V合金為基體，以TiB為增強(qiáng)體，用粉末冶金法