現(xiàn)代車用柴油機主要部件的金屬材料
2019-12-10 來源：-- 作者：劉道春
省油、廢氣排放少、比功率大、轉(zhuǎn)矩高,優(yōu)良的行駛性能越來越變成人們對車輛的不懈追求。于是,在安全、環(huán)保、節(jié)能和舒適性等方面的強烈要求下,現(xiàn)代車用柴油機日益成為人們關(guān)注的熱點。現(xiàn)代車用柴油機的應(yīng)用越來越廣泛,尤其是高速、直噴柴油機在現(xiàn)代轎車上的使用與日俱增。基于這一現(xiàn)實及柴油機前景預(yù)測,當前世界各國都把開發(fā)、研制滿足發(fā)展要求的現(xiàn)代車用柴油機主要部件的新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝技術(shù)作為柴油機發(fā)展和科研的重大課題和技術(shù)競爭的重要焦點。
1.現(xiàn)代車用柴油發(fā)動機上的金屬材料概述
世界運輸車輛發(fā)動機發(fā)展的總趨勢是輕量化,以達到節(jié)能降耗的目的。現(xiàn)代車用柴油發(fā)動機質(zhì)量減小，能耗就會下降，廢氣排放減少，有利于改善人類生存環(huán)境。來來車用柴油發(fā)動機不管選用何種動力驅(qū)動，都必須輕量化。輕量化、節(jié)能降耗和降低排放污染是發(fā)展現(xiàn)代車用柴油發(fā)動機的三項戰(zhàn)略性課題，其中發(fā)動機的輕量化是關(guān)鍵。
現(xiàn)代/起亞公司為了重點滿足高級SUV車的要求，新開發(fā)了一款3.0LV6柴油機，其有效功率為SUV車提供了良好的行駛舒適性，并達到歐Ⅳ排放標準。通過燃燒和廢氣后處理方案的優(yōu)化，其發(fā)動機的基本設(shè)計方案可成為未來達到歐Ⅴ排放標準的基礎(chǔ)，同時為了滿足美國US-Tier-2-Bin-5排放標準限值的要求，正在開發(fā)采用尿素噴射的NOx廢氣后處理系統(tǒng)(SCR)。
這款新的S系列V6-3.0L柴油機具有競爭力的功率值；具有寬廣的扭矩范圍,以獲得突出的動力性能和靈活性；在降低單位功率重量的同時，具有低的噪聲；具有競爭力的低燃油耗。現(xiàn)代(Hyundai)2007款iX55車和起亞(Kia)2008款Mohave車進入市場。為了滿足在進一步降低發(fā)動機重量的同時提高功率和降低噪聲的要求，曲軸箱材料選用蠕墨鑄鐵(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厚，在降低重量的優(yōu)化設(shè)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、低燃油耗和高的聲學舒適性等高目標的要求，該款柴油機配備了具有技術(shù)含量的基礎(chǔ)發(fā)動機部件。所采用的柴油機微粒捕集器應(yīng)用了能提高灰分存儲能力的新型非均勻蜂窩狀載體技術(shù)(ACT)，而其表面有貴金屬涂層，能夠在汽車正常行駛范圍內(nèi)實現(xiàn)自動再生。在功率明顯較高并要求固體聲輻射較低的情況下，要同時滿足在降低發(fā)動機重量方面大多相互矛盾的要求，新型V6柴油機采用蠕墨鑄鐵(CGI)作為氣缸體材料。蠕墨鑄鐵(CGI)具有較高的疲勞強度極限值,恰好能夠使得諸如主軸承框架底座這樣的危險應(yīng)力區(qū)域在氣缸爆發(fā)壓力提高的情況下仍具有較高的疲勞強度。
發(fā)動機金屬材料是車輛設(shè)計、品質(zhì)、質(zhì)量及競爭力的基礎(chǔ)，車用柴油發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展在很大程度上 取決于發(fā)動機金屬材料的發(fā)展。今后相當長的一段時期內(nèi)，車用柴油發(fā)動機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主題展開，因而車用柴油發(fā)動機金屬材料的發(fā)展也更加多樣化、多元化。其中輕量化的要求更為突出，使之材料構(gòu)成有了明顯變化。這幾年，鋁合金、高強度鋼、合成塑料、復(fù)合材料和陶瓷在車用柴油發(fā)動機中的應(yīng)用越來越廣泛。當前國內(nèi)外重點材料的開發(fā)方向是：鋁合金、錳合金、鈦合金、高強度鋼、復(fù)合材料(如金屬基復(fù)合材料)等。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的迅速發(fā)展，對車用柴油發(fā)動機的要求越來越高。而輕量化、低成本和低排放污染的要求，更使發(fā)動機用金屬材料不得不兼顧多方位的要求。具體地說，車用柴油發(fā)動機要滿足動力性、燃油消耗、廢氣排放、舒適性、低制造成本和維修費用的要求。開發(fā)和應(yīng)用金屬材料是實現(xiàn)這些多方位要求的主要途徑。
2.汽缸體和缸套的材料
汽缸體作為發(fā)動機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(最薄處僅為3mm～5 mm),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動,零件內(nèi)部產(chǎn)生很大的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力,同時承受強烈的摩擦磨損。因此，要求汽缸體材料具有良好的綜合性能，即應(yīng)具有良好的強韌性、導(dǎo)熱性、耐磨性、耐蝕性、加工工藝性能和經(jīng)濟性。另外，對材料的再循環(huán)性及環(huán)境保護的因素在國外也是要考慮的重要方面。
灰鑄鐵汽缸體材料：灰鑄鐵由于具有良好的鑄造工藝性能和機械性能，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，特別是交通運輸行業(yè)用作制造發(fā)動機的材料。盡管在現(xiàn)代出現(xiàn)了眾多代用的新材料，但它仍是廣泛用于各個工業(yè)領(lǐng)域的重要材料。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。由于市場的激烈競爭，對鑄鐵材質(zhì)的要求愈來愈高，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的進步和對節(jié)能要求的提高，于是能提高性能、減輕質(zhì)量、降低能耗及降低成本的高強度薄壁灰鑄鐵件就成為國內(nèi)外研究者們進行研究的一項重要內(nèi)容，并在車用柴油發(fā)動機等薄壁復(fù)雜件生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。
國外對缸體的材質(zhì)基本上已規(guī)范化，一般采用相當于我國的HT250或更高牌號的低合金鑄鐵，金相組織為98 %以上的珠光體；為保證良好的鑄造工藝性能，在化學成分的控制上采用較高的碳當量，在化學成分中絕大多數(shù)含有Cr 0.15 %～0.40%和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薄斷面處的珠光體量(一般大于95 %)，鑄件本體檢測點硬度以185HB～235HB居多，很少低于180HB，厚薄處的硬度差小于30 HB。灰鑄鐵的金相組織是影響其性能的主要因素，特別是灰鑄鐵中的C元素的形態(tài)直接影響到灰鑄鐵作為汽缸體材料時的性能，當C元素以石墨形態(tài)出現(xiàn)時，由于石墨本身就是優(yōu)良的潤滑材料，因而能改善摩擦磨損性能，但由于片狀石墨的縮減和切割作用，直接影響灰鑄鐵的機械性能，因此，國外絕大多數(shù)工廠對石墨形態(tài)控制較嚴，基本上為A型2級～3級，只允許有少量的B型和D型石墨出現(xiàn)。
蠕墨鑄鐵汽缸體材料：鑄鐵機械性能的高低，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，在承受負荷時，尖銳的端部易產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為鑄件破壞的起點，造成鑄件的強度和韌性下降；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，同時尖銳的端部產(chǎn)生裂紋擴展，反而會引起磨損的加劇，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。為迅速提高汽缸體的性能，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，長厚比在10以下(灰鑄鐵一般為50～100)，且表面粗糙，較圓的端部能抑制裂紋的發(fā)生和擴展，粗糙的表面能限制石墨的脫離。這種獨特的石墨形狀，與灰鑄鐵相比，能大大提高抗拉強度、疲勞強度、彈性模量和耐磨性等性能。
汽缸體與曲軸箱的輕量化材料：汽缸體是發(fā)動機里最重的零件，采用輕質(zhì)的材料可以大幅度減輕發(fā)動機的重量，壓鑄鋁是首選的新型機體材料。由于機體采用了鋁合金，故主軸蓋底座不必另外考慮，而是采用整體框架式結(jié)構(gòu)。采用壓鑄鋁整體框架式主軸承蓋底座，可以降低制造成本、便于安裝、減少噪聲輻射。來自美國汽車界的研究表明，高硅鋁合金比含銅的過共晶鋁合金更有競爭力。因為高硅鋁合金材料具有疲勞強度高、耐磨性好、抗缸孔變形能力強、重量輕和導(dǎo)熱性好等優(yōu)點，制造方面具有制造成本低、鑄件質(zhì)量更好及機加工性能和刀具壽命高等優(yōu)點。
3.汽缸密封墊的材料
密封墊汽缸墊位于汽缸蓋與汽缸體之間，對整個汽缸系統(tǒng)的密封起著重要的作用。新型車用發(fā)動機汽缸墊，正向著采用輕型結(jié)構(gòu)、減小厚度、減小壓緊預(yù)緊力和汽缸變形，提高匹配性能和密封效果等方向發(fā)展。
根據(jù)發(fā)展趨勢，德國Elring公司開發(fā)了如下三種新型汽缸墊。
FW(鋼板-軟材料)汽缸墊。目前這種汽缸墊在歐洲幾乎已用于所有的車用發(fā)動機。該結(jié)構(gòu)包括一個插入的支撐鋼板，兩邊是軟材料覆蓋層。為了提高燃燒室壓力和防御燃燒氣體在燃燒室區(qū)域燃燒,設(shè)置了金屬鑲邊。軟材料由非石棉材料(纖維、填料、黏結(jié)介質(zhì)和疏水的摻和劑)制成。這種汽缸墊具有較高的耐高溫穩(wěn)定性、優(yōu)良的匹配能力、良好的回彈能力以及較強的抗機油和冷卻液的化學穩(wěn)定性。
MLC(金屬-涂層)汽缸墊。近十年來，ELring公司將該汽缸墊用于批量生產(chǎn)的載重汽車和轎車發(fā)動機上。該汽缸墊為多層特殊.金屬涂層的組合，轎車發(fā)動機汽缸墊是由多層鋼板組成的，根據(jù)其層數(shù)汽缸墊厚度至少為0.45mm。渦流室式柴油機汽缸墊厚度應(yīng)不小于0.85 mm。鋼板一般采用奧氏體彈簧鋼制造,板厚在0.10～0.30mm范圍內(nèi)，其中間層和燃燒層密封部位采用不銹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缸蓋的密封，需要采用薄的、具有彈性和良好適應(yīng)性的涂層，彈性涂層能夠在安裝后保持微觀密封作用，其厚度取決于零件表面結(jié)構(gòu)及表面粗糙度；每層間的涂層厚度約為5～10μm，而頂層上表面涂層約為10～25μm。目前所采用的材料為氟膠(FKM)和氮化膠(NBR)。
ME(金屬-彈性體)汽缸墊。該汽缸墊可形成新的密封壓力分配形式，即用彈性體材料密封整個流體通道只需很小的壓力，這樣，缸蓋螺栓擰緊力矩主要由燃燒室密封所需的壓力決定。與全平面的有效密封系統(tǒng)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(shè)置彈性體結(jié)構(gòu)，其特點為：采用彈性體為密封媒介，密封接觸面壓力小，發(fā)動機部件與彈性體表面具有良好的匹配性；密封斷面具有高的反彈率；可用于密封間隙變化的部位。它特別適應(yīng)輕型結(jié)構(gòu)發(fā)動機。
4.活塞和活塞環(huán)的材料
活塞及活塞環(huán)位于發(fā)動機的心臟，其工作質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響發(fā)動機的性能。現(xiàn)代車用柴油發(fā)動機的活塞多采用鋁合金作材料。其主要優(yōu)點是質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性能好。活塞與活塞環(huán)是一對摩擦副。為使其工作性能達到最佳化，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)端面進行化學鈍化處理，則活塞應(yīng)選用共晶鋁(5%的Cu含量)作材料，且對活塞環(huán)槽進行磷化處理。隨著發(fā)動機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度和抗熱疲勞性能明顯提高，并具有較低的線膨脹系數(shù)。可提高活塞使用壽命，降低油耗和廢氣排放量，提高發(fā)動機功率。
活塞環(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(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；對柴油機壓縮環(huán)施以鉻和陶瓷涂層，其耐磨強度較普通環(huán)提高0.5～1.5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)的表面涂覆的不是氧化錳山類的微小顆粒，而是極精細的鉆石微小顆粒(GDC)，這可進一步提高環(huán)的耐磨強度。
以鋁合金為主流活塞材料應(yīng)具有低密度、高導(dǎo)熱性、高溫疲勞強度、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度鋁材是目前有前途的活塞材料。上述各種性能的兼容性、制造成本和工藝上暴露出來的問題是活塞新材料應(yīng)用的主要阻力。活塞的改進主要在結(jié)構(gòu)和工藝兩方面。例如改變加強筋的形狀、環(huán)槽的表面粗糙度等，以改變活塞工作時的應(yīng)力分布、溫度場和耐磨性。
5.曲軸和主軸承蓋螺栓的材料
曲軸是發(fā)動機的“脊梁”。曲軸形狀復(fù)雜、受力復(fù)雜、應(yīng)力集中嚴重，要求盡可能高的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，同時軸頸在很高的比壓下發(fā)生滑動摩擦。因此曲軸應(yīng)同時滿足高強度、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)動機中較重的零件之一，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)動機里的重要地位，材料的變更始終未能超出普碳鋼、合金鋼、微合金鋼和鑄鐵的范疇。減輕重量、降低成本和提高性能的方式主要是通過改變結(jié)構(gòu)和工藝來實現(xiàn)，例如采用空心曲軸結(jié)構(gòu)、過渡圓角滾壓強化等。發(fā)動機在較長的一段時間內(nèi)曲軸材料仍不會有很大的變化。
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，需要時間多，而且能源消耗較大。微合金非調(diào)質(zhì)鋼曲軸是近年來發(fā)展起來的新鋼種，通過添加V、Nb、Ti等合金元素細化晶粒，強化鋼的基體，提高鋼的強度。其優(yōu)點是可省去調(diào)質(zhì)(或正火)處理工藝，具有明顯的簡化工藝、節(jié)時節(jié)能效果。同時可改善切削加工性能，與調(diào)質(zhì)鋼相比可降低成本11%～19%。國外汽車應(yīng)用微合金非調(diào)質(zhì)鋼曲軸已十分廣泛，德魯?shù)腂enz、意大利的Fiat、美國的Ford、日本的三菱和豐田汽車公司都有部分汽車發(fā)動機曲軸采用非調(diào)質(zhì)鋼。
球墨鑄鐵曲軸：球墨鑄鐵比鋼輕約10%,無殘留應(yīng)力,加工時產(chǎn)生的缺陷少,面且球墨鑄鐵減振性、耐磨性、對缺口敏感性等優(yōu)于鍛鋼。鑄造曲軸與鍛造曲軸相比,可使連桿軸徑中空,減輕回轉(zhuǎn)質(zhì)量,且可減少軸拐角處的應(yīng)力集中。球墨鑄鐵曲,尤其是鑄態(tài)球墨鑄鐵曲軸，具有生產(chǎn)工藝簡單、能源消耗少、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。球鐵要取代鍛鋼，重點是提高韌性，尤其是動態(tài)韌性,可采用如下方法：盡量降低有害雜質(zhì)含量；球化或鈍化、分散弱相(如石墨)以減小應(yīng)力集中系數(shù)；生成或引入韌性好的不連續(xù)組織來提高性能。
球鐵材料過去一直采用正火來提高強度。隨著生產(chǎn)技術(shù)的成熟，鑄態(tài)珠光體球墨鑄鐵曲軸逐步代替了正火球墨鑄鐵曲軸。由于石墨球數(shù)增加、基體組織全為珠光體，因而鑄態(tài)下就能獲得較高的機械性能。鑄態(tài)曲軸不需正火熱處理，這樣不僅簡化生產(chǎn)工序、降低能源消耗和生產(chǎn)成本，還避免了人為因素產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，從而減少了曲軸在切削加工后進行表面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韌性有限。但是隨著高強度-高韌性球鐵，尤其是奧氏體等溫淬火球鐵技術(shù)的日趨成熟，憑借其高強度、高韌性、成形性能好、成本低、綜合機械性能優(yōu)良等諸多優(yōu)點，必將在更大范圍內(nèi)取代鍛鋼。
主軸承蓋螺栓的材料：一般發(fā)動機的主軸承蓋螺栓采用中碳合金鋼制造的螺栓。采用壓鑄鋁整體框架式主軸承蓋底座后出現(xiàn)軸承間隙隨溫度升高而增大的新問題，為此采用奧氏體耐熱鋼來制造主軸承蓋螺栓，但會使成本提高。奧氏體鋼的熱膨脹系數(shù)比鐵素體鋼大，可以使溫度時效的影響減少約50％，從而可能減少螺栓的預(yù)緊力。因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級的中碳鋼螺栓。連桿螺栓工作時受到交變載荷的作用，處于疲勞應(yīng)力狀態(tài)，它的尺寸受到限制，又有嚴重的應(yīng)力集中，而它的破壞又會引起整個發(fā)動機的重大事故。所以，連桿螺栓是發(fā)動機里級別最高的螺栓，通常為12.9級。通常連桿螺栓的材料是中碳合金鋼。連桿螺栓追求的是提高預(yù)緊力和疲勞強度，因此改善螺栓形狀、制造工藝和裝配工藝成為提高螺栓緊固效果和疲勞性能的主要手段，例如進行柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計、先調(diào)質(zhì)處理再搓絲、用扭矩-轉(zhuǎn)角法裝配等。目前尚無更合適的材料替代中碳合金鋼制作連桿螺栓。
6.連桿材料
連桿主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷，因此連桿必須具有足夠的疲勞強度與剛度。同時,為了減少慣性力，連桿的重量應(yīng)盡可能地輕。長期以來連桿使用的材料是中碳鋼、中碳合金鋼或鑄鐵。當然最理想的是高比強度的輕質(zhì)材料鈦合金，但目前限于成本昂貴,鈦合金連桿僅用于賽車發(fā)動機上。近年來連桿材料發(fā)生不少變化,如粉末冶金和裂解連桿用高碳鋼用于大規(guī)模生產(chǎn)。這既是對傳統(tǒng)連桿用材料的挑戰(zhàn)，也是降低成本的有效途徑。使用溫壓粉末冶金可使連桿的總成本降低30％，使用裂解連桿用鋼則可降低11％ 的總成本。
目前，主要汽車廠家都在考慮變換連桿材料以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的連桿材料。美國杜邦公司和克萊斯勒汽車廠合作開發(fā)出剛玉纖維增強鋁鋰合金基復(fù)合鑄造的汽車連桿，其重量輕、強度好，抗拉強度達560MPa，而且膨脹系數(shù)小，對提高發(fā)動機效率極為有利，其剛度、強度和疲勞極限都能滿足高性能汽車的材料要求。
粉末冶金連桿：溫壓粉末冶金克服了傳統(tǒng)粉末冶金密度低、成本高的缺點，將提高零件的密度，生產(chǎn)成本較傳統(tǒng)的低。溫壓工藝中使用潤滑劑以降低粉末之間的摩擦力、減小壓制過程中的顆粒重排阻力、提高密度。溫壓技術(shù)的出現(xiàn)為制造高性能粉末冶金壓制連桿提供了新的契機，它不但可以有效提高粉末冶金壓制連桿的密度，而且可以使燒結(jié)態(tài)連桿獲得足夠的使用性能，免去普通粉末冶金工藝后期的熱處理工序。發(fā)動機試驗結(jié)果表明，溫壓-燒結(jié)連桿的使用性能和模鍛粉末冶金鍛造連桿相同，并且有效降低了連桿的制造成本，其溫壓溫度為1130℃時的燒結(jié)密度達7.4g/cm。在燒結(jié)狀態(tài)下，抗拉強度為1050MPa，屈服強度為560MPa，抗壓屈服強度為750MPa，對稱循環(huán)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毛刺、鉆孔、攻螺紋等機加工的要求,以及有望直接對連桿壓坯大頭進行裂解處理。
裂解連桿：20世紀90年代中期，國外鋼廠與汽車廠合作開發(fā)了裂解連桿用鋼。這種鋼在成本與性能方面都有較大的優(yōu)越性，鍛造后空冷而無需熱處理，裂解后連桿本體與連桿蓋的接觸面不需要機械加工，節(jié)約了加工費用，裝配后連桿本體與連桿蓋的裂解面緊密接觸并互相鎖定，防止它們之間的相互移動，提高了曲軸零件的剛度，改善了發(fā)動機性能。迄今為止，德國有60種發(fā)動機采用這種鋼生產(chǎn)連桿。一汽-大眾的“捷達”轎車發(fā)動機連桿也是用這種鋼生產(chǎn)的。裂解連桿還有一個優(yōu)點就是尺寸不受限制，從摩托車發(fā)動機連桿到重型載貨車發(fā)動機連桿均可采用不同類型的裂解連桿鋼。裂解連桿用鋼要同時滿足三個要求。一是要保證鍛造空冷后有足夠的強度，以滿足連桿使用性能的需要。二是要保證連桿裂解后有最小的塑性變形和裝配時曲軸孔的圓度符合規(guī)定的要求。三是要保證有良好的切削加工性能，可切削加工性能不能低于原用的中碳鋼。因此，裂解連桿用鋼的碳含量要從一般連桿用鋼的0.45％提高到接近0.7％左右。這樣鍛造空冷后的金相組織全部為珠光體，而且裂解后的塑性變形最小。但碳含量提高后，鋼材的淬透性能也會隨之提高。若保持原來的錳含量不變，鍛造空冷后硬度會提高，而且金相組織中還可能出現(xiàn)貝氏體，惡化切削加工性能。現(xiàn)代連桿加工多為用拉床拉削，對毛坯連桿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含量，使錳和硫結(jié)合，故錳含量又不能過低，至少要3倍于硫含量，以此確定錳含量的下限。用裂解連桿用鋼生產(chǎn)連桿由于鍛后空冷，省去了淬火和高溫回火工序，再加上連桿本體與連桿蓋裝配面無需機械加工，省去了加工費用，可以使生產(chǎn)成本降低25％。
7.發(fā)動機的軸承(瓦)材料
現(xiàn)代車用柴油發(fā)動機以功率大、燃油耗低為特點,這種發(fā)動機的爆發(fā)壓力大,機油黏度低，曲軸和連桿軸瓦的比壓高，因此軸和軸瓦之間的油膜厚度逐漸變薄，軸承的工作條件變得更為苛刻。這要求軸瓦必須具有很高的承載能力、疲勞強度和耐磨性，于是適應(yīng)苛刻工作條件的軸瓦由此應(yīng)運而生。例如德國Federal—Mogul公司的噴鍍軸瓦,這種軸瓦先在鋼背上澆鑄一層sn-Pb青銅的基體材料，然后用噴鍍法(PVD)將A1Sn20噴鍍在基體材料上作為滑動層，具有很高的疲勞強度。為提高曲軸軸承的載荷能力和耐磨強度，需要對其表面涂覆更硬的材料。軸承表面鍍鉻是提高其硬度的傳統(tǒng)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面涂覆層Cu和Sn的含量分別穩(wěn)定在5%～10%。為進一步提高軸承的使用壽命，需要提高Cu和Sn的含量。試驗表明，軸承工作面涂層Cu含量僅為2%，則在載荷超過，50MPa時就開始出現(xiàn)磨損現(xiàn)象。為獲得更滿意的效果，可將陰極噴濺鋁、錫合金和電鍍Glyc081型材料結(jié)合起來應(yīng)用。比如對上軸承表面進行噴濺鋁、錫合金，而對下軸承表面則電鍍Glyco8l型材料。
還有一種復(fù)合軸承,它以低碳鋼背為載體表面鍍銅后燒結(jié)一層青銅粉末，再與性能優(yōu)良的工程塑料熱復(fù)合為一體后所制成。按工程塑料的種類，可分為兩種：一種是表層以聚四氟乙烯為基體的復(fù)合軸承體系，適用于作高速低負荷工作的滑動軸承，可在無油或少油的條件下使用；另一種是表層以改性共聚甲醛為基體的復(fù)合軸承，適用于低速大負荷條件下工作。如東風汽車上廣泛運用的EGQS型鋼背-塑料復(fù)合軸承襯套就是后一種類型體系。這種鋼背-塑料復(fù)合軸承具有工程塑料減磨、耐磨的優(yōu)點，又具有鋼背承載能力強的特點，使其具有高承載、低磨耗、摩擦阻力小的優(yōu)良性能。
8.車用柴油機零件用的輕金屬、陶瓷和復(fù)合材料
車用柴油發(fā)動機零件的特殊工作環(huán)境和出于成本的考慮，使新材料的應(yīng)用受到很大的限制。眾多新材料里鈦合金是最具誘人前景的，鈦合金密度低(僅為鋼的58％)、模量小、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、無磁性，在輕金屬材料中，只有鈦合金具有與鋼相同的高強度。例如Ti一6A1—4V的抗拉強度可達980MPa，比強度高達222.7，因此鈦合金可以擔當發(fā)動機里許多零件的重任。用鈦合金制造的連桿比鋼連桿輕30％，因此工作時的慣性小，轉(zhuǎn)速可達7000r/min，可提高發(fā)動機的效率，降低噪聲。鈦合金氣門彈簧質(zhì)輕負荷小，可降低機械摩擦，改善凸輪軸工作條件，提高燃油效率。鈦合金氣門和閥座既可減輕重量，又可使氣門系統(tǒng)的運動慣量降低。鈦合金還可用于凸輪軸、消聲器排氣岐管等發(fā)動機零件。
鈦合金的材料成本高，加工條件復(fù)雜，限制了鈦合金在發(fā)動機零件上的應(yīng)用。因此，選用廉價合金元素以獲得經(jīng)濟型鈦合金，改進冷、熱加工工藝以降低鈦合金零件的制造成本，是實現(xiàn)鈦合金在發(fā)動機乃至汽車上其他零部件的應(yīng)用的主攻方向。除鈦合金外、鎂合金也是頗有競爭力的輕金屬材料。鎂合金可用來制造發(fā)動機缸蓋、進氣岐管等零件。當然材料成本和制造成本也制約著鎂合金的應(yīng)用。
由于陶瓷材料的強度高、耐熱、耐腐蝕、耐磨，是制造挺桿、氣門、軸承、廢氣渦輪壓縮機轉(zhuǎn)子等發(fā)動機零件的理想材料。日本“五十鈴”公司和美國“福特”公司成功地研制出陶瓷挺桿，德國“奔馳”公司研制的陶瓷氣門收到了節(jié)油和減少有害物排放的效果。另外、陶瓷噴涂可以起到低散熱的效果，用表面陶瓷噴涂活塞、缸套和氣門的發(fā)動機，可以取消冷卻系統(tǒng)，減少發(fā)動機重量，減少燃油消耗。
復(fù)合材料是由基體材料(包括樹脂、金屬、陶瓷等)和增強劑(有纖維狀的、晶須狀的、顆粒狀的等)復(fù)合而成的。復(fù)合材料的力學性能和功能，可以根據(jù)實際需要，通過適當選材和優(yōu)化設(shè)計來獲得。當前復(fù)合材料開展的重點在以下幾個方面：熱塑性樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料。
9.結(jié)語
總之，由于惡劣、苛刻和復(fù)雜的服役條件和輕量化、低成本、低排放污染的需要，對車用柴油發(fā)動機零件的要求越來越高。隨著材料技術(shù)和零件制造技術(shù)的不斷發(fā)展，能兼顧多方位要求的新材料將日趨成熟，昂貴的新材料將不斷以可以接受的價格走出實驗室，化解層出不窮的矛盾，成為發(fā)動機里質(zhì)優(yōu)價廉的生力軍。新材料的發(fā)展和應(yīng)用又將使發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放標準不斷提高。
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