試論汽車發動機連桿的現狀及發展趨勢

謝凱

摘 要：當前，國內汽車行業取得較快的發展，汽車內部發動機連桿的剛度、強度及質量等參數對于整個汽車發動機安全可靠的運行有著直接的影響。該文基于多年的汽車發動機車間車床工作經驗及個人對于汽車發動機連桿材料的研究，簡要論述了汽車發動機連桿材料的現狀及其發展趨勢。

關鍵詞：汽車發動機 連桿材料 現狀 發展趨勢

中圖分類號：U464 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（a）-0228-01

隨著國內對于汽車的排量及相關油耗要求的不斷提升，小排量、大功率、高轉矩已經成為整個汽車發動機行業發展的主要趨勢之一，現階段汽車發動機內部的最高爆發壓力已經達到20兆帕。由于不斷增強對于汽車發動機的設計，使得人們更為關注汽車發動機連桿材料的整體質量，且國外對于發動機連桿材料的研究工作也在不斷地推進。

1 國內外汽車發動機連桿的發展現狀

現階段國內外汽車發動機連桿材料主要使用的原料有三大類，分別為：調質鋼、非調質鋼及金屬基復合型材料。

1.1 發動機調質鋼連桿材料

調質鋼是現階段最為傳統的發動機連桿材料，也是現階段國內生產汽車發動機連桿主要采用的材料之一，其傳統的制作工藝為：先下料，再鍛造，再正火處理，再進行調制，最后進行機械加工。其主要的缺點為整個生產工藝消耗時間較長，能量消耗較高，材料整體的氧化脫碳較為嚴重。調質鋼另一方面的工作為強化，也就是對調質鋼的表面進行噴丸強化和熱化學處理。例如：日本在進行發動機連桿生產過程中對整個連桿進行噴丸表面處理，在其表面上能夠產生300兆帕左右的壓殘余應力，其整體的疲勞強度會相對于先前提升20%左右。采用調質鋼的主要優勢為該種類型鋼材能夠提供較強的韌性且質量容易得到保證。該種類型鋼材國內還會沿用一定的時間，但是考慮到其生產工藝的復雜性、能耗量較大及鋼材生產成本較為昂貴，該種材料會隨著新型材料的不斷出現，而逐步被全面取代。

1.2 發動機連桿非調質鋼材料

所謂的非調質鋼材料是在中碳鋼的內部加入一定量的鈦、釩等相關的微量合金元素，在具體的生產過程中通過實現對于鍛造過程及軋制過程冷卻速度的有效控制，使其在內部基體中析散出一定量的氮、碳類型的化合物，最終得到強度強化的目的。在進行非調質鋼材的生產過程中，由于其主要的添加物為微量合金元素，因此其總體的生產成本較低，是一種價位較低的節能型鋼材，這也是現階段非調質性鋼材逐漸取代調質型鋼材的主要原因之一。

國外在進行發動機連桿的生產過程中主要采用的材料為非調質性鋼材。早在20世紀60年代，美國就在SDE2140鋼材的基礎之上，通過提升鋼材內部的錳元素的含量并加入一定量微合金元素等，經過一定的鍛造之后，不用進行調制環節處理，就實現了將其直接用于發動機連桿制作過程當中。在1984年，日本內部的75%的汽車發動機連桿都采用非調質性鋼制作，歐洲內部的相關國家發動機連桿在生產過程中非調質性鋼的使用比例也達到50%以上。

我國與20世紀80年代開始了非調質性鋼材的研究工作并取得一些關鍵性的進展，但是其整體的技術水平與世界汽車生產大國相比還有著較大的差距。例如：國內生產的非調質性鋼材的汽車連桿其總體的韌性還不夠高，在很多關鍵性技術方面還有待較大的提升。

1.3 金屬基復合型發動機連桿材料

在進行連桿的設計過程中，如果能夠降低連桿整體的重量，這就能在很大程度上降低發動機的慣性力及振動幅度。所以，現階段人們在生產發動機連桿的過程當中開始廣泛使用一些輕質的材料，來實現發動機整體質量的降低，現在較為常用的為用鎂、鋁等相關的輕型金屬作為連桿的基體性材料，再用陶瓷纖維、不銹鋼纖維或者晶須作為相關的強化型材料，將輕質金屬和纖維強化材料通過相關的方式進行結合，制作成為金屬基復合型材料?，F階段，國內外都已經開展了金屬基復合型材料在汽車連桿生產過程中的應用工作，例如：豐田汽車發動機技術研究中心，已經研究成功不銹鋼纖維強化鋁合金連桿、碳化硅晶須和顆粒強化鋁合金連桿和氧化鋁纖維強化鋁合金連桿，并已經將其實際運用到汽車連桿的生產過程當中，取得較好的效果，發動機連桿整體的重量相對于采用傳統材料連桿重量降低了約30%，總體的抗疲勞及抗拉強度也有一定的提升，能夠全面的滿足發動機連桿相關工作性能的要求。

2 汽車發動機連桿的發展趨勢

現階段汽車發動機連桿材料主要的發展趨勢為采用輕質的金屬基復合型材料。金屬基復合型材料在強度、質量及成本等方面相對于其他連桿材料有著較大的優勢?，F階段應重點解決的為金屬基復合型材料連桿裝置的制造生產工藝的具體成本問題。在具體的生產過程中可以采用粉末燒結鍛造制備連桿的方式進行，這在很大程度上能夠降低金屬基復合型材料的生產成本，與傳統的生產工藝相比，粉末鍛造燒結的發動機連桿，其總體材料的使用能夠降低大約40%，生產總體的成本能夠降低約10%，在能源消耗的方面也能夠降低約50%，并且能夠最大程度上實現發動機連桿的總體輕量化。優化選擇合理的熱壓燒結參數，以上述制備出的金屬復合粉末為原料，經預成型壓制，在保護氣氛中進行加熱燒結及做鍛造毛坯，然后在壓力機上實現一次鍛造成型。此外，在具體的生產過程當中應當根據實際的生產情況科學選用高能磨球參數，提升基體金屬內部的均質性，進一步提升金屬連桿的強度。

3 結語

隨著我國經濟的再次較快發展，國家對于節能減排工作將會提出更高的要求，這就要求相關的汽車生產單位，在進行相關材料的生產、設計及制作的過程當中，全面考慮汽車的總體性能指標。在進行汽車發動機連桿的生產過程當中，全面把握好連桿的強度、質量及剛度等相關的指標，將連桿材料的選擇與汽車發動機相關的節能環保標準結合到一起，不斷開發出新型的發動機連桿材料。

參考文獻

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