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    发动机轴承上的新材料

     曲轴上的新材料

      曲轴在工作中受到不断变化的燃气压力、惯性力及力矩作用,从而在各部分产生弯曲、扭转、剪切、拉压等交变应力。曲轴的重要性及其工作状况的复杂性,要求曲轴有较高的抗拉强度、疲劳强度、表面强度、耐磨性”,同时心部要有一定的韧性。

      目前,国内普遍使用的曲轴材料主要有锻钢和球墨铸铁两类。

      (1)锻钢曲轴

      热处理锻钢曲轴,这类曲轴多采用精锻中碳钢或中碳合金钢,需要采用调质(或正火)热处理来提高强度并改善加工性能。锻造曲轴由于需要热处理,工艺较复杂,需要时间多,而且能源消耗较大。另外,国外采用钙钢经锻造余热淬火后,增加淬透性,以提高硬度、抗拉强度、冲击韧性和延伸率,从而降低毛坯成本。

      微合金非调质钢曲轴是近年来发展起来的新钢种,通过添加V、Nb、Ti等合金元素细化晶粒,强化钢的基体,提高钢的强度。其优点是可省去调质(或正火)处理工艺,具有明显的简化工艺、节时节能效果。同时可改善切削加工性能,浅高劳动生产率6微合金钢与调质碳钢相比可降低成本7%-11%,与调质合盒钢相比可降低成本11%-19%。国外汽车应用微合金非调质钢曲轴已十分广泛,德鲁的Benz、意大利的Fiat、美国的Ford、日本的三菱和丰田汽车公司都有部分汽车发动机曲轴采用非调质钢。

      (2)球墨铸铁曲轴

      球墨铸铁比钢轻约10%,无残留应力,加工时产生的缺陷少,面且球墨铸铁减振性、耐磨性、对缺口敏感性等优于锻钢。铸造曲轴与锻造曲轴相比,可使连杆轴径中空,减轻回转质量,且可减少轴拐角处的应力集中。球墨铸铁曲,尤其是铸态球墨铸铁曲轴,具有生产工艺简单、能源消耗少、生产成本低、生产效率高等优点。球铁要取代锻钢,重点是提高韧性,尤其是动态韧性,可采用如下方法:细化晶粒租显微组织;尽量降低有害杂质含量;球化或钝化、分散弱相(如石墨)以减小应力集中系数;生成或引入韧性好的不连续组织(如ADI球铁中的残余奥氏体)来提高性能。

      ADI是近年来在铸铁冶金中的重大发现之一。将球铁加热到897℃附近,奥氏体化溶解碳,然后进入247℃-397℃盐浴中急冷,以防止出现珠光体,并保温1h-2h,最后急冷到室温,获得基体为奥氏体加贝氏体混合组织的ADI材料。通常在其中加入少量Ni、Mo或Cu来提高硬度。富含碳的残余奥氏体比较稳定,韧性好且不连续,这极大地提高了材料的性能。它的另外一个突出特点是加工感应相变形成马氏体。且仅是加工部分产生硬化,提高了强度和耐磨性,此种硬化效果具有持续性。ADI材料可被用来制造承受高负载的曲轴,而通常条件下;普通球铁材料是达不到这么高的要求的。ADI材料的开发提高了球墨铸铁类材料的机械性能,拓展了球铁材料的应用空间。由于其价格低廉,设计自由度大,经不同:温度等温淬火处理后,具有高强度、高韧性、耐疲劳和耐磨性能,复合轴承,因此是一种非常有发展前途的材料。

      球铁材料过去一直采用正火来提高强度。随着生产技术的成熟,铸态珠光体球墨铸铁曲轴逐步代替了正火球墨铸铁曲轴。由于石墨球数增加、基体组织全为珠光体,因而铸态下就能获得较高酌机械性能。铸态曲轴不需正火热处理,这样不仅简化生产工序、降低能源消耗和生产成本,还避免了人为因素产生的内应力,从而减少了曲轴在切削加工后进行表面淬火强化处理时的变形倾向。以EQl092汽车曲轴的生产为例,只要铸态基体组织珠光体含量不少于75%,轴颈表面淬火硬度就高于铂HRC,变形量小于0.3mm,而原来采用正火球墨铸铁曲轴,表面淬火后,曲轴变形很大且不稳定,平均为15ma,最大达到3.5mm。

      目前,球铁取代锻钢的最大障碍就是强度和韧性有限。但是随着高强度二高韧性球铁,尤其是奥氏体等温淬火球铁(ADl)技术的日趋成熟,凭借其高强度、高韧性、成形性能好、成本低、综合机械性能优良等诸多优点,必将在更大范围内取代锻钢。

      活塞和活塞环

      活塞及活塞环位于发动机的心脏,其工作质量的优劣直接影响发动机的性?。现代发动机的活塞多采用铝合金作材料。其主要优点是质量轻二导热性能好。活塞与活塞环是一对摩擦。为使其工作性能达到最佳化,在选用原材料和工作面的涂覆材料方面,首先应考虑两者间的匹配性。如:活塞环端面进行化学钝化处理,则活塞应选用AEB5型共晶铝(5%的Cu含量)作材料,且对活塞环槽进行磷化处理。随着发动机功率的不断提高和活塞工作寿命的不断延长,普通的铝合金活塞难以满足要求,许多性能更好的新材料应用于活塞中。铝基复合材料的性能已达到使用的最好材料Ni-resist,铸铁的水平,而制成活塞和活塞环后质量大大减轻,与普通铝合金材料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。可提高活塞使用寿命,降低油耗和废气排放量,提高发动机功率。日本丰田汽车公司的发动机巳广泛采用这种材料,美国公司还研制出用以制作汽车发动机括塞的发泡石墨。这种材料具有比铝高4倍,比铜高5倍的传热系数,以及相对密度低、质量轻、制取成本不高等特点,既可减小质量40%(与金屑制材相比),又可散热制冷,可有效地增加发动机输出功率,改进工作效率。

     



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