1、鋁、鎂、鈦合金材料在汽車發動機中的應用世界鋁業協會的報告指出，汽車質量每減少10%，燃油消耗可以降低6%8%。由此可見減輕汽車自重是實現汽車節約能源，降低燃油消耗，減少尾氣排放的重要措施。汽車輕量化是當代汽車發展的一個重要課題，其基本要求是：(1)在保證汽車質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量，降低燃耗，減少排放污染。(2)在使汽車減輕質量、降低燃耗、減少排放的同時，努力謀求它的高輸出功率、高響應性、低噪聲、低振動、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，汽車的價格應當下降或保持在合理水平，具有商業競爭能力，即汽車的輕量化技術必須是兼顧質量、性能、價格

2、的技術。通常占汽車總質量比重較大的部分有發動機、底盤、車身、內外裝備等，所占比例如表1所示。汽車各部分的質量是相互關聯的，發動機是汽車的心臟，其質量不容忽視。如果減輕發動機質量，底盤質量就能相應減輕，而減輕車身零部件的質量，支承它的車架、車橋、車輪、懸架等行走系的負荷就會降低，其質量和尺寸可相應減小，從而使發動機和制動器的質量和尺寸也可相應減小。但汽車輕量化是具有前提條件的，即在保證汽車整體質量和性能不受影響的前提下，應最大限度地減輕各零部件的質量，努力謀求高輸出功率、低噪聲、低振動和良好的操縱性、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動機輕量化、高速化、高功

3、率化，并且有較高的耐久性，做了大量的工作，大量新材料被應用進來。1鋁合金在汽車發動機上的應用鋁是生產汽車的優良材料。鋁代替傳統的鋼鐵制造汽車，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，減重效應高達125%，同時，在汽車整個使用壽命期內，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使用，在世界環保意識高漲的今天，能高度回收利用的材料和制品日益受到重視。因此，鋁材對促進汽車輕量化，降低能源消耗和改善人類生存環境貢獻很大。各國的汽車制造廠家為了使

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

5、柴油機(排量0.799L)，采用SiCu系列的GDAlSi9Cu3壓鑄鋁；日本豐田開發的SUV車用AZ系列汽油機(排量2.0L/2.4L)的機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發動機占有率幾乎接近100%。在國產轎車中，雖然大多采用了鋁質發動機缸蓋和進氣歧管，而發動機鋁缸體的比例不大，轎車發動機用鋁低于國外水平。2鎂合金在汽車發動機上的應用鎂合金是最輕的金屬結構材料，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，在相同重量的構件中，選用鎂合金

6、可使構件獲得更高的剛度。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負荷，適用于制造承受沖擊載荷和振動的零部件。鎂合金的熔點比鋁合金低，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，一般可達250MPa，最高可達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，可進行高精度機械加工。鎂合金具有良好的壓鑄成型性能，壓鑄件比厚最小可達0.5mm，適合制造汽車各類壓鑄件。為適應發動機零件工作溫度較高的需要，近年來歐美等國家先后開發出了Mg-A1-Ca，Mg-A1-Ca-Re等高強度抗蠕變鎂合金，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，單車用鎂合金518-2613g。日本三菱鋁業公司與澳大利亞工業科技部合作開發一種超輕質量的鎂發動機。我國研制新型壓鑄鎂合金，其成分與德國的TL2VW030成分相當，但雜質含量低，除具有較高強度、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現汽車的輕量化、高速、節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、。我國汽車行業和壓鑄業應用戰略眼光看待這種趨勢，研制和生產鎂合金壓鑄件。當前，制約鎂在汽車中大量應用的最主要因素是技術問題。就結構件而言，由于存在諸如對鎂材料的特性缺乏深層次的理解，鎂零件的防蝕技術未取得突破，鎂材料的性能數據缺乏(尤其缺少工藝性能數據)和鎂零件的設計與使用經驗不足等問題，使鎂在汽車中的普及程度暫時還難以與鋁匹敵。據此估計，近期內它在國內汽車用材中所占的比例不會超過1%。3鈦合金在汽車發動機上的應用鈦合金是一種新型結構材料，鈦的密度為4.15g/cm3，比鐵小很多；鈦的熔點1668，比鐵還要高；熱脹系數小，作為耐熱材料很有潛力；其制成的鈦合金抗拉強度可達1500MPa，可與超高

9、強度鋼媲美，其比強度是常用工程材料中最高的；鈦合金可在550以下工作，優于鋁合金及一般鋼。因此它在航空、航天、汽車、造船等工業部門獲得日益廣泛的應用，發展迅猛。由于鈦及其合金的優異抗蝕性能，良好的力學性能，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，在航空業被普遍采用，是與鋁、復合材料相并列的“材料三大支柱”之一。其缺點是成本高，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度、加工性、焊接和耐蝕性。 鈦合金適于制造汽車發動機氣門彈簧、氣門和發動機連桿。用鈦合金制造板簧與用抗拉強度達2100MPa的高強

10、度鋼相比，可降低自重20%。鈦合金在汽車發動機上應用的實例。(1)鈦合金連桿。意大利的新型法拉利(Fer-rari)315LV8與Acura的NSX發動機首次使用了鈦合金連桿，比鋼制連桿輕15%20%。(2)鈦合金發動機氣門。用鈦合金等制成的氣門比鋼制氣門輕30%40%，可提高極限轉速20%。排氣門因采用了Ti224Si合金提高了高溫強度，但排氣溫度在于750t以上時，強度、抗氧化性不穩定。另外，鈦合金很早就被用于制作行駛時間較短的賽車上的發動機氣門，而值得關注的是，近年來某些廠家正在將這種氣門安裝在數量較少的批量生產的汽車發動機上。據報道，該產品采用了摻有TiB的鈦合金燒結材料和特殊的粉末冶

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