鋁合金打造車用新動力

時下人們在選購汽車的時候，經(jīng)常會聽到許多廠商推廣宣傳他們的“全鋁發(fā)動機”。眾所周知，傳統(tǒng)的發(fā)動機無論是缸體還是缸蓋都是采用鑄鐵的，但是鑄鐵有著許多先天的不足，例如重量大、散熱性差、摩擦系數(shù)高等等，所以，許多發(fā)動機廠商都在尋找更適合的材料制造發(fā)動機的構(gòu)成部件。鋁、鎂合金則是理想的現(xiàn)代汽車發(fā)動機輕量化材料首選。

為了降低燃料消耗，轎車鑄件朝著輕量化、精確化、強韌化和復(fù)合化方向發(fā)展，而擴大鋁合金的應(yīng)用是轎車工業(yè)的重要發(fā)展趨勢。目前幾乎全部轎車缸蓋都采用高強度鋁合金生產(chǎn)，預(yù)計有更多的缸體也將采用鋁合金生產(chǎn)。

鋁汽缸體、汽缸蓋 我們?nèi)粘Ｋf的全鋁發(fā)動機是指缸蓋和缸體都是鋁合金制造的發(fā)動機。而缸蓋是鋁合金，缸體是鑄鐵的發(fā)動機，一般我們還是稱作鑄鐵發(fā)動機。很早以前的汽車發(fā)動機就開始大規(guī)模采用全鋁缸蓋了。缸蓋的重量并不大，所以汽車制造商喜歡它并不是因為它重量輕，而是因為它有更好的散熱性能。隨著發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展，四氣閥結(jié)構(gòu)成為發(fā)動機的主流設(shè)計趨勢。與兩氣閥發(fā)動機相比，每缸四氣閥的氣缸蓋比每缸兩氣閥的氣缸蓋在工作時要產(chǎn)生更多的熱量，采用全鋁缸蓋是最好的解決辦法。出于成本的考慮，氣缸體采用全鋁設(shè)計比氣缸蓋要晚得多。氣缸體是發(fā)動機上最重的部分，因而使用鋁合金材料可以減輕發(fā)動機的重量，從而達到減輕整車重量的目的。這一點對于前置前驅(qū)車型來說，顯得尤為可貴，當(dāng)然在另一方面，由于材料價格和加工工藝的區(qū)別，采用鋁合金缸體的發(fā)動機會增加一些成本。

現(xiàn)在，全鋁發(fā)動機已經(jīng)在大量的車型上被采用，在國外，羅孚的k系列發(fā)動機，寶馬的M52直列六缸發(fā)動機，日產(chǎn)的VQ發(fā)動機，捷豹的AJ V8發(fā)動機、奔馳的V6和V8發(fā)動機、通用的LS1和北極星V8發(fā)動機、標(biāo)致的2升四缸發(fā)動機和通用的新型直列四缸發(fā)動機等等都是采用鋁合金制造。國內(nèi)的許多小排量發(fā)動機也逐步采用全鋁發(fā)動機，如國產(chǎn)鈴木系列的發(fā)動機G13、K14等。甚至包括一些國產(chǎn)發(fā)動機也采用鋁合金材質(zhì)了，最著名的就是東安動力開發(fā)的468發(fā)動機，這款發(fā)動機被配備在哈飛路寶和昌河愛迪爾上，獲得了很大的成功。美國GM公司采用全鋁缸套，法國車的鋁汽缸蓋已達100%，鋁汽缸體已達45%。美國福特公司NGT貨車發(fā)動機汽缸蓋、Zeta4缸機、ModularV6/V8機、克萊斯勒公司新V6發(fā)動機缸體和缸蓋都使用鋁合金材料。克萊斯勒公司Jeep5缸機、3.8升V6和道奇貨車發(fā)動機改用鋁合金缸蓋。日本的日產(chǎn)汽車公司在Maxima車上使用了新型的VQ系列V6發(fā)動機，其特點是在制造這種發(fā)動機的鑄鋁缸體時，使用了高壓模鑄工藝。這種工藝可改善澆注，增加強度，尤其適于薄壁汽缸，該缸體比原來的缸體輕50%以上。此外，在動力系統(tǒng)中使用鋁材的零部件還在擴大。在日本和歐洲的發(fā)動機中使用鑄鋁油底殼，可改善剛性結(jié)構(gòu)、降低NVH。日產(chǎn)公司VQ和豐田公司的Lexus IMZ-FEV6發(fā)動機均使用了鑄鋁油底殼。通用公司也在5.7LCorvetteV8發(fā)動機上使用這種油底殼。此外，日產(chǎn)公司VQ汽缸還采用了鋁氣門挺桿。由于鋁的再生效果顯著，本田公司在美國的制造廠還將回收鋁用于發(fā)動機零件的制造上。

鋁制活塞 發(fā)動機的響應(yīng)性與發(fā)動機部件的運動慣性是分不開的，發(fā)動機的運動部件包括曲軸、活塞、連桿等。由于曲軸要求瞬間強度非常高，所以只能采用高強度鋼來制造。活塞就沒有曲軸這樣的局限了，在高轉(zhuǎn)速發(fā)動機上，通常都是用鋁合金來制造活塞。更輕的活塞重量能產(chǎn)生更高的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，從而能獲得更大的動力輸出。使用鋁合金來制造活塞，成本并不是非常昂貴，主要問題是出在摩擦阻力上。在發(fā)動機運轉(zhuǎn)的時候，活塞與氣缸壁之間肯定會產(chǎn)生摩擦。而鋁和鋁之間的摩擦系數(shù)是很高的，它比鋁和鑄鐵之間的摩擦系數(shù)要高得多。這樣一來，如果全鋁缸體配合全鋁活塞，發(fā)動機運轉(zhuǎn)的時候摩擦阻力就會非常大，這顯然是不可取的，這也就是為何許多發(fā)動機使用鋁合金活塞，但必須使用鑄鐵缸體的原因。但如果采用全鋁缸體和鑄鐵活塞，那顯然更得不償失。為解決這一矛盾，目前最主流的解決辦法，就是在鋁制的氣缸體內(nèi)鑲一個鋼制的氣缸套，讓鋁合金活塞不會與鋁制的氣缸壁相接觸。這種設(shè)計可以解決這一矛盾，當(dāng)然也會增加一些成本。這種方法在70年代中期首先被雪佛蘭Vega所采用。它的發(fā)動機采用全鋁設(shè)計，在鋁合金的氣缸體內(nèi)鑲上了一個鑄鐵的缸套，當(dāng)然活塞同樣也是用鋁合金制造的。它的摩擦阻力比全鑄鐵的發(fā)動機要小得多，因此它的動力得到了很大程度的提高。不僅如此，這臺發(fā)動機還能獲得更輕的重量和更小的運動慣性，改善了車子的加速性、操控性和經(jīng)濟性。后來，這種方法被許多配備了高轉(zhuǎn)速發(fā)動機的汽車所采用。

鋁基軸承合金 隨著汽車發(fā)動機向高速、重載、增壓強化方向發(fā)展，軸承的工作條件更加惡化，因此，對軸承材料提出了更高的要求。鋁基軸承合金基本上具備了軸承合金的優(yōu)點，因此，在汽車發(fā)動機上應(yīng)用日益增多。

鋁基軸承合金是以鋁為基體加入銻、錫等合金元素所組成的合金，密度小，導(dǎo)熱性和耐蝕性好、抗疲勞強度高。它是一種新型減摩材料，原料豐富，價格便宜，廣泛應(yīng)用于高速、重載下工作的汽車、拖拉機及柴油機軸承等。但它的線膨脹系數(shù)大，運轉(zhuǎn)時容易與軸咬合使軸磨損，可通過提高軸頸硬度，加大軸承間隙和降低軸承和軸頸表面粗糙度值等辦法來解決。

按化學(xué)成分可分為鋁錫系(Al-20%Sn-1%Cu)、鋁銻系(Al-4%Sb-0.5%Mg)和鋁石墨系(Al-8Si合金基體＋3%－6%石墨)三類。鋁銻系軸承合金適用于載荷不超過20MN/m2、滑動線速度不大于10m/s工作條件下的軸承。鋁石墨系軸承合金具有優(yōu)良的自潤滑作用和減振作用以及耐高溫性能，適用于制造活塞和機床主軸的軸承。鋁基軸承合金的缺點是膨脹系數(shù)較大，抗咬合性低于巴氏合金，同時制造工藝較為復(fù)雜。它一般用08鋼作襯背，一起軋成雙合金帶使用。

常用的鋁基軸承合金有如下兩類：

鋁銻鎂軸承合金：該合金與08鋼板一起熱軋成雙金屬軸承，生產(chǎn)工藝簡單，成本低廉，并具有良好的疲勞強度和耐磨性，但承載能力不大。適于制造負荷小于2000N/mm2、滑動速度低于10m/s的軸承。

鋁錫軸承合金：這種合金也以08鋼為襯背，軋制成雙合金帶，具有較高的疲勞強度和良好的耐熱性、耐磨性及耐蝕性，生產(chǎn)工藝簡單，成本低。可制造負荷高達3200N/mm2、滑動速度低于13m/s的軸承。目前它代替其他軸承合金，廣泛應(yīng)用于汽車、拖拉機和內(nèi)燃機車等。

鋁散熱器 汽車的冷氣設(shè)備(冷凝器、蒸發(fā)器)、機油冷卻器、散熱器、暖風(fēng)設(shè)備等熱交換器中的冷凝器、蒸發(fā)器、空冷式機油冷卻器幾乎100%的用鋁制造。鋁散熱器的難點是耐久性和散熱能力。耐久性主要是因腐蝕而漏水的問題。其原因是冷卻液引起的內(nèi)部腐蝕和鹽類引起的外部腐蝕。向冷卻水中添加防銹劑可防止內(nèi)部腐蝕；對于鹽類引起的外部腐蝕可采用表面處理和耐蝕合金來防止。散熱片目前比較常用是銅、鋁及鋁合金。鋁的導(dǎo)熱系數(shù)低，但通過增加鰭片增大散熱面積，也能起到較好的散熱效果。

鋁是汽車工業(yè)使用較多的金屬材料，也是汽車輕量化的首選材料。鋁的最大優(yōu)勢是質(zhì)量輕，比重僅為銅的三分之一，相同體積情況下，質(zhì)量可以大大降低；鋁資源比銅豐富，成本也低于銅；雖然鋁的熱傳導(dǎo)率比銅低，僅為銅的60%，但由于銅散熱器存在熱傳導(dǎo)率更低的錫保護層，使得鋁散熱器的熱效率反而要高于銅散熱器。另外，鋁還有良好的鑄造加工性能。

雖然鋁散熱器具有質(zhì)量輕、原料成本低、散熱性能好等優(yōu)點，但其焊接工藝性差、生產(chǎn)設(shè)備投入大是長期難以解決的問題，限制了鋁散熱器的廣泛應(yīng)用。直到20世紀80年代中期，美國采用釬焊工藝制造鋁散熱器取得成功后，才使鋁散熱器的規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用成為可能。

銅鋁結(jié)合散熱器具有散熱效果好、重量、價格適中等優(yōu)點。把鋁材成本低、重量輕、散熱快、易加工等特點與銅的高導(dǎo)熱性能相結(jié)合。充分利用銅芯快速吸熱，鋁鰭片快速散熱的特點，起到了良好的散熱效果，一般以純銅板做散熱器底，鋁合金做散熱鰭片。

從銅、鋁散熱器結(jié)構(gòu)上來說，其產(chǎn)品功能沒有什么不同，也不影響產(chǎn)品之間的互換。銅、鋁散熱器都是普遍采用管帶式結(jié)構(gòu)，散熱帶采用波浪帶式結(jié)構(gòu)，銅散熱器散熱管采用咬口式，鋁散熱器采用高頻焊管和比較先進的B型管，只是由于原材料制造工藝和裝備以及銅鋁材料的性能不同，其材料和規(guī)格的選擇不同。

從材料選用上看，鋁散熱器要比銅散熱器選材厚一些，抗內(nèi)部壓力變形能力會比銅散熱器強一些。從物理傳熱特性方面看，銅的導(dǎo)熱比鋁材要優(yōu)越，但是，焊接銅散熱器所用的錫鉛焊料導(dǎo)熱系數(shù)比鋁材焊料導(dǎo)熱系數(shù)要小得多。因此，從產(chǎn)品的整體散熱效果來說，匹配同一車型，同樣正面面積，采用鋁散熱器的散熱效率要高于銅散熱器。一般情況下設(shè)計銅散熱器時，經(jīng)常采用芯子加厚的方案來滿足整車的散熱性能，同時也帶來散熱器的風(fēng)阻增大等一系列問題。目前東風(fēng)公司新一代重型車基本都采用鋁代銅的散熱器產(chǎn)品方案，非常明顯地說明鋁散熱器能夠滿足整車的要求，而銅散熱器不能達到整車要求而逐漸被淘汰。所以，采用鋁水箱替代原有銅水箱，是整車技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。用戶不必擔(dān)心產(chǎn)品的性能，可以放心地使用。

由于銅、鋁散熱器采用的焊接設(shè)備和工藝方法上的不同，其產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強度差別較大。鋁散熱器焊接為硬釬焊，焊接溫度為577－612℃，而銅散熱器采用的是軟釬焊，焊接溫度低于450℃。鋁散熱器焊接接頭的剪切強度為50－58MPa，抗拉強度為86－96MPa，而銅散熱器錫焊抗扭強度為34－37MPa，所以鋁散熱器的結(jié)構(gòu)強度要高于銅散熱器很多。考慮到鋁散熱器的不易維修性，生產(chǎn)廠家在材料選型時必須考慮到產(chǎn)品的可靠性和使用壽命，因此，鋁散熱器的可靠性要遠高于銅散熱器，目的是盡量減少整車用戶的后期使用維修成本。另一方面，鋁散熱器在抗腐蝕性能方面存在不如銅散熱器的事實，要求客戶對汽車鋁散熱器的使用條件要比銅散熱器嚴格些，主要是客戶必須使用整車廠家規(guī)定的防凍液，不能采用其它介質(zhì)，如水。在同等條件下，鋁散熱器無故障里程要遠遠高于銅散熱器。

采用低錫焊料、有機焊劑和高效率的氮氣保護硬釬焊工藝，生產(chǎn)鋁散熱器是今后發(fā)展的趨勢。以鋁代銅可以進一步減小散熱器質(zhì)量，特別是硬釬焊生產(chǎn)的鋁散熱器可以實現(xiàn)整個總成等強度，極大地提高了散熱器的可靠性。

首臺全鋁合金發(fā)動機問世 2004年7月，在墨爾本港霍頓最先進的發(fā)動機工廠，全鋁合金3.6升V6發(fā)動機問世。這種取名為“Alloytec V6”(合金技術(shù)V6)的頂尖發(fā)動機，也被裝備到上海通用汽車從霍頓引進生產(chǎn)的行政級高檔轎車別克榮御上。采用Alloytec V6，將使別克榮御盡顯超凡動力和動態(tài)舒適科技。福特蒙迪歐2.5 V6也采用福特最新一代的Duratec 2.5 V6發(fā)動機，由一級方程式動力名廠Cosworth提供，采用V型六缸設(shè)計，頂置雙凸輪軸，全鋁合金材質(zhì)；Duratec 2.5 V6發(fā)動機運轉(zhuǎn)品質(zhì)更加順暢、安靜、高效，具有低轉(zhuǎn)速高扭力的風(fēng)格，發(fā)動機在轉(zhuǎn)速約2000轉(zhuǎn)時即能發(fā)揮90%的扭力，而馬力的輸出高原則落在約4000轉(zhuǎn)的中后段轉(zhuǎn)速，動力迅猛而且儲備充足，不僅令起步快速，更讓車輛在高速行駛中仍然展現(xiàn)出源源不斷的后續(xù)加速度。與同級主要競爭對手所采用的2.4直列四缸發(fā)動機或2.5 V6頂置單凸輪軸12氣門鑄鐵發(fā)動機相比， Duratec 2.5 V6頂置雙凸輪軸24氣門全鋁合金發(fā)動機具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，無論從廠家提供的技術(shù)數(shù)據(jù)或是從發(fā)動機運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)安靜程度上，都勝對手一籌。

早在1948年，澳洲大陸上第一輛本土轎車48-215就開始裝備霍頓自己生產(chǎn)的2.15升“銀色6缸”發(fā)動機。這臺45KW的6缸發(fā)動機憑借自己可靠的性能、優(yōu)異的經(jīng)濟性和耐用性，在經(jīng)過不斷升級之后成為霍頓在50年代和60年代里的“心臟”之一。1995年，霍頓投巨資全面更換之前的發(fā)動機生產(chǎn)平臺，推出全新ECOTEC 第二代V6發(fā)動機。運用了低摩擦設(shè)計技術(shù)的ECOTEC發(fā)動機是霍頓最為成功的6缸作品，緊湊輕巧經(jīng)濟性好的它很快成為1996年VT Commodore的主力裝備，并于1997年基于市場需要升級成為171KW的最高馬力。ECOTEC在性能和油耗上的優(yōu)異表現(xiàn)成為了霍頓公司多年占據(jù)市場龍頭老大位置和霍頓Commodore車型連續(xù)8年成為銷量冠軍的最大功臣之一。2004年，霍頓全新全鋁合金V6發(fā)動機誕生。鐵器時代的結(jié)束，宣布另一個全新鋁合金時代的來臨！

不久前，Alloytec V6全鋁合金發(fā)動機誕生于通用汽車全球V6發(fā)動機發(fā)展平臺，霍頓的工程師與美國、英國、德國、瑞士的同行經(jīng)過幾年時間，開發(fā)出這臺具有世界級動力品質(zhì)的6缸發(fā)動機。它摒棄了舊款發(fā)動機的54度夾角和90度夾角，重新回到經(jīng)典的60度夾角設(shè)計。動力強勁、油耗較低和排放干凈是Alloytec V6全鋁合金發(fā)動機最為突出的優(yōu)點，同時這種發(fā)動機的升級能力和可改裝性都極高，不但有3.6升排量，還支持2.8升和3.2升可隨時推出的渦輪增壓版本，甚至稍加改造就能用于混合動力，從而滿足包括后驅(qū)、四驅(qū)等絕大多數(shù)高性能車型的需要。

3.6升的Alloytec V6全鋁合金發(fā)動機可以在6500轉(zhuǎn)時輸出190KW的最大輸出功率，峰值扭矩為340Nm，并且同樣在較大的發(fā)動機轉(zhuǎn)數(shù)范圍內(nèi)可以輸出90%以上的扭矩1570－5870轉(zhuǎn)，達到了很多V8發(fā)動機才有的性能，這無疑歸功于該發(fā)動機采用的多種先進技術(shù)。Alloytec V6全鋁合金發(fā)動機使用歐洲2002年產(chǎn)的電子5速手/自一體變速系統(tǒng)，這款變速箱甚至在寶馬、路虎等豪華車里都可以找到。動力輸出強勁有余卻又不失平順，在出色的5速手/自一體變速箱的協(xié)助下，掌控發(fā)動機轉(zhuǎn)速成為輕而易舉的事情，而且發(fā)動機聲音也被調(diào)教得十分動聽，整體表現(xiàn)都讓人相信它將成為霍頓動力再寫輝煌的奠基石，也將使別克榮御為國內(nèi)豪華高檔車市場樹立全新的動力典范。

鋁合金汽缸體是發(fā)動機輕量化措施的重要目標(biāo) 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。鋁合金汽缸體與灰鑄鐵相比其質(zhì)量大約可減輕30%，當(dāng)前轎車的開發(fā)目標(biāo)之一是減輕所有零部件的質(zhì)量。發(fā)動機約占整車質(zhì)量的15%，所以在減輕質(zhì)量的措施方面具有很大的潛力。目前在發(fā)動機領(lǐng)域大多都還是采用灰鑄鐵制造。若對發(fā)動機的各種零部件進行一番比較，就可以發(fā)現(xiàn)汽缸體占發(fā)動機總質(zhì)量的30%以上，因而汽缸體成了發(fā)動機輕量化措施的重要目標(biāo)。鋁合金當(dāng)前從總體性能來說都為輕金屬汽缸體提供了最優(yōu)越的條件，它相對于灰鑄鐵來說減輕質(zhì)量的潛力高達50%左右。在汽油機領(lǐng)域內(nèi)用鋁合金代替灰鑄鐵的趨勢已經(jīng)相當(dāng)普遍。

奔馳公司開發(fā)的微型轎車用OM660共軌直噴柴油機(排量0.799L)，采用Si－cu系列的GD—AISi9Cu3壓鑄鋁;日本“豐田”開發(fā)的SUV車用AZ系列汽油機(排量2.0L和2.4L)的機體也是用壓鑄鋁制造的。GD-AISi9Cu3壓鑄鋁的密度為2.75 kg/cm ，僅為鑄鐵的30％左右，可見減重的幅度較大。由于機體采用了鋁合金，所以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，但存在軸承間隙隨溫度升高而增大的問題。解決這個新矛盾的對策是采用奧氏體主軸承螺栓和適當(dāng)?shù)妮S瓦造型，最終可使軸承間隙的增大量控制在橫向20mm、承載方向l0m之內(nèi)。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抗疲勞強度高、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，制造方面具有成本低、鑄件質(zhì)量更好、機加工性能和刀具壽命高等優(yōu)點。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代汽車制造材料的構(gòu)成發(fā)生了較大的變化，高密度材料的比例下降，低密度材料有較大幅度的增加，有色輕金屬的應(yīng)用范圍在不斷擴大。可以說，從上世紀90年代開始，汽車材料向輕量化、節(jié)省資源、高性能和高功能方向發(fā)展，越來越多地使用鋁、鎂、鈦合金輕合金材料。鋁、鎂、鈦合金在現(xiàn)代汽車的輕量化中將扮演極為重要的角色，被認為是21世紀最富于開發(fā)和應(yīng)用潛力的“綠色材料”。采用鋁、鎂、鈦合金材料，可提高汽車的安全性，因此將是今后的發(fā)展趨勢。