铝合金打造车用新动力

时下人们在选购汽车的时候，经常会听到许多厂商推广宣传他们的“全铝发动机”。众所周知，传统的发动机无论是缸体还是缸盖都是采用铸铁的，但是铸铁有着许多先天的不足，例如重量大、散热性差、摩擦系数高等等，所以，许多发动机厂商都在寻找更适合的材料制造发动机的构成部件。铝、镁合金则是理想的现代汽车发动机轻量化材料首选。

为了降低燃料消耗，轿车铸件朝着轻量化、精确化、强韧化和复合化方向发展，而扩大铝合金的应用是轿车工业的重要发展趋势。目前几乎全部轿车缸盖都采用高强度铝合金生产，预计有更多的缸体也将采用铝合金生产。

铝汽缸体、汽缸盖 我们日常所说的全铝发动机是指缸盖和缸体都是铝合金制造的发动机。而缸盖是铝合金，缸体是铸铁的发动机，一般我们还是称作铸铁发动机。很早以前的汽车发动机就开始大规模采用全铝缸盖了。缸盖的重量并不大，所以汽车制造商喜欢它并不是因为它重量轻，而是因为它有更好的散热性能。随着发动机技术的发展，四气阀结构成为发动机的主流设计趋势。与两气阀发动机相比，每缸四气阀的气缸盖比每缸两气阀的气缸盖在工作时要产生更多的热量，采用全铝缸盖是最好的解决办法。出于成本的考虑，气缸体采用全铝设计比气缸盖要晚得多。气缸体是发动机上最重的部分，因而使用铝合金材料可以减轻发动机的重量，从而达到减轻整车重量的目的。这一点对于前置前驱车型来说，显得尤为可贵，当然在另一方面，由于材料价格和加工工艺的区别，采用铝合金缸体的发动机会增加一些成本。

现在，全铝发动机已经在大量的车型上被采用，在国外，罗孚的k系列发动机，宝马的M52直列六缸发动机，日产的VQ发动机，捷豹的AJ V8发动机、奔驰的V6和V8发动机、通用的LS1和北极星V8发动机、标致的2升四缸发动机和通用的新型直列四缸发动机等等都是采用铝合金制造。国内的许多小排量发动机也逐步采用全铝发动机，如国产铃木系列的发动机G13、K14等。甚至包括一些国产发动机也采用铝合金材质了，最著名的就是东安动力开发的468发动机，这款发动机被配备在哈飞路宝和昌河爱迪尔上，获得了很大的成功。美国GM公司采用全铝缸套，法国车的铝汽缸盖已达100%，铝汽缸体已达45%。美国福特公司NGT货车发动机汽缸盖、Zeta4缸机、ModularV6/V8机、克莱斯勒公司新V6发动机缸体和缸盖都使用铝合金材料。克莱斯勒公司Jeep5缸机、3.8升V6和道奇货车发动机改用铝合金缸盖。日本的日产汽车公司在Maxima车上使用了新型的VQ系列V6发动机，其特点是在制造这种发动机的铸铝缸体时，使用了高压模铸工艺。这种工艺可改善浇注，增加强度，尤其适于薄壁汽缸，该缸体比原来的缸体轻50%以上。此外，在动力系统中使用铝材的零部件还在扩大。在日本和欧洲的发动机中使用铸铝油底壳,可改善刚性结构、降低NVH。日产公司VQ和丰田公司的Lexus IMZ-FEV6发动机均使用了铸铝油底壳。通用公司也在5.7LCorvetteV8发动机上使用这种油底壳。此外，日产公司VQ汽缸还采用了铝气门挺杆。由于铝的再生效果显著，本田公司在美国的制造厂还将回收铝用于发动机零件的制造上。

铝制活塞 发动机的响应性与发动机部件的运动惯性是分不开的，发动机的运动部件包括曲轴、活塞、连杆等。由于曲轴要求瞬间强度非常高，所以只能采用高强度钢来制造。活塞就没有曲轴这样的局限了，在高转速发动机上，通常都是用铝合金来制造活塞。更轻的活塞重量能产生更高的发动机转速，从而能获得更大的动力输出。使用铝合金来制造活塞，成本并不是非常昂贵，主要问题是出在摩擦阻力上。在发动机运转的时候，活塞与气缸壁之间肯定会产生摩擦。而铝和铝之间的摩擦系数是很高的，它比铝和铸铁之间的摩擦系数要高得多。这样一来，如果全铝缸体配合全铝活塞，发动机运转的时候摩擦阻力就会非常大，这显然是不可取的，这也就是为何许多发动机使用铝合金活塞，但必须使用铸铁缸体的原因。但如果采用全铝缸体和铸铁活塞，那显然更得不偿失。为解决这一矛盾，目前最主流的解决办法，就是在铝制的气缸体内镶一个钢制的气缸套，让铝合金活塞不会与铝制的气缸壁相接触。这种设计可以解决这一矛盾，当然也会增加一些成本。这种方法在70年代中期首先被雪佛兰Vega所采用。它的发动机采用全铝设计，在铝合金的气缸体内镶上了一个铸铁的缸套，当然活塞同样也是用铝合金制造的。它的摩擦阻力比全铸铁的发动机要小得多，因此它的动力得到了很大程度的提高。不仅如此，这台发动机还能获得更轻的重量和更小的运动惯性，改善了车子的加速性、操控性和经济性。后来，这种方法被许多配备了高转速发动机的汽车所采用。

铝基轴承合金 随着汽车发动机向高速、重载、增压强化方向发展，轴承的工作条件更加恶化，因此，对轴承材料提出了更高的要求。铝基轴承合金基本上具备了轴承合金的优点，因此，在汽车发动机上应用日益增多。

铝基轴承合金是以铝为基体加入锑、锡等合金元素所组成的合金，密度小，导热性和耐蚀性好、抗疲劳强度高。它是一种新型减摩材料，原料丰富,价格便宜,广泛应用于高速、重载下工作的汽车、拖拉机及柴油机轴承等。但它的线膨胀系数大，运转时容易与轴咬合使轴磨损，可通过提高轴颈硬度，加大轴承间隙和降低轴承和轴颈表面粗糙度值等办法来解决。

按化学成分可分为铝锡系(Al-20%Sn-1%Cu)、铝锑系(Al-4%Sb-0.5%Mg)和铝石墨系(Al-8Si合金基体＋3%－6%石墨)三类。铝锑系轴承合金适用于载荷不超过20MN/m2、滑动线速度不大于10m/s工作条件下的轴承。铝石墨系轴承合金具有优良的自润滑作用和减振作用以及耐高温性能，适用于制造活塞和机床主轴的轴承。铝基轴承合金的缺点是膨胀系数较大，抗咬合性低于巴氏合金,同时制造工艺较为复杂。它一般用08钢作衬背，一起轧成双合金带使用。

常用的铝基轴承合金有如下两类：

铝锑镁轴承合金：该合金与08钢板一起热轧成双金属轴承，生产工艺简单，成本低廉，并具有良好的疲劳强度和耐磨性，但承载能力不大。适于制造负荷小于2000N/mm2、滑动速度低于10m/s的轴承。

铝锡轴承合金：这种合金也以08钢为衬背，轧制成双合金带，具有较高的疲劳强度和良好的耐热性、耐磨性及耐蚀性，生产工艺简单,成本低。可制造负荷高达3200N/mm2、滑动速度低于13m/s的轴承。目前它代替其他轴承合金，广泛应用于汽车、拖拉机和内燃机车等。

铝散热器 汽车的冷气设备(冷凝器、蒸发器)、机油冷却器、散热器、暖风设备等热交换器中的冷凝器、蒸发器、空冷式机油冷却器几乎100%的用铝制造。铝散热器的难点是耐久性和散热能力。耐久性主要是因腐蚀而漏水的问题。其原因是冷却液引起的内部腐蚀和盐类引起的外部腐蚀。向冷却水中添加防锈剂可防止内部腐蚀；对于盐类引起的外部腐蚀可采用表面处理和耐蚀合金来防止。散热片目前比较常用是铜、铝及铝合金。铝的导热系数低，但通过增加鳍片增大散热面积，也能起到较好的散热效果。

铝是汽车工业使用较多的金属材料，也是汽车轻量化的首选材料。铝的最大优势是质量轻，比重仅为铜的三分之一，相同体积情况下，质量可以大大降低；铝资源比铜丰富，成本也低于铜；虽然铝的热传导率比铜低，仅为铜的60%，但由于铜散热器存在热传导率更低的锡保护层，使得铝散热器的热效率反而要高于铜散热器。另外，铝还有良好的铸造加工性能。

虽然铝散热器具有质量轻、原料成本低、散热性能好等优点，但其焊接工艺性差、生产设备投入大是长期难以解决的问题，限制了铝散热器的广泛应用。直到20世纪80年代中期，美国采用钎焊工艺制造铝散热器取得成功后，才使铝散热器的规模化生产和应用成为可能。

铜铝结合散热器具有散热效果好、重量、价格适中等优点。把铝材成本低、重量轻、散热快、易加工等特点与铜的高导热性能相结合。充分利用铜芯快速吸热，铝鳍片快速散热的特点,起到了良好的散热效果,一般以纯铜板做散热器底，铝合金做散热鳍片。

从铜、铝散热器结构上来说，其产品功能没有什么不同，也不影响产品之间的互换。铜、铝散热器都是普遍采用管带式结构，散热带采用波浪带式结构，铜散热器散热管采用咬口式，铝散热器采用高频焊管和比较先进的B型管，只是由于原材料制造工艺和装备以及铜铝材料的性能不同，其材料和规格的选择不同。

从材料选用上看，铝散热器要比铜散热器选材厚一些，抗内部压力变形能力会比铜散热器强一些。从物理传热特性方面看，铜的导热比铝材要优越，但是，焊接铜散热器所用的锡铅焊料导热系数比铝材焊料导热系数要小得多。因此，从产品的整体散热效果来说，匹配同一车型，同样正面面积，采用铝散热器的散热效率要高于铜散热器。一般情况下设计铜散热器时，经常采用芯子加厚的方案来满足整车的散热性能，同时也带来散热器的风阻增大等一系列问题。目前东风公司新一代重型车基本都采用铝代铜的散热器产品方案，非常明显地说明铝散热器能够满足整车的要求，而铜散热器不能达到整车要求而逐渐被淘汰。所以，采用铝水箱替代原有铜水箱，是整车技术发展的必然结果。用户不必担心产品的性能，可以放心地使用。

由于铜、铝散热器采用的焊接设备和工艺方法上的不同，其产品的结构强度差别较大。铝散热器焊接为硬钎焊，焊接温度为577－612℃，而铜散热器采用的是软钎焊，焊接温度低于450℃。铝散热器焊接接头的剪切强度为50－58MPa，抗拉强度为86－96MPa，而铜散热器锡焊抗扭强度为34－37MPa，所以铝散热器的结构强度要高于铜散热器很多。考虑到铝散热器的不易维修性，生产厂家在材料选型时必须考虑到产品的可靠性和使用寿命，因此，铝散热器的可靠性要远高于铜散热器，目的是尽量减少整车用户的后期使用维修成本。另一方面，铝散热器在抗腐蚀性能方面存在不如铜散热器的事实，要求客户对汽车铝散热器的使用条件要比铜散热器严格些，主要是客户必须使用整车厂家规定的防冻液，不能采用其它介质，如水。在同等条件下，铝散热器无故障里程要远远高于铜散热器。

采用低锡焊料、有机焊剂和高效率的氮气保护硬钎焊工艺，生产铝散热器是今后发展的趋势。以铝代铜可以进一步减小散热器质量，特别是硬钎焊生产的铝散热器可以实现整个总成等强度，极大地提高了散热器的可靠性。

首台全铝合金发动机问世 2004年7月，在墨尔本港霍顿最先进的发动机工厂，全铝合金3.6升V6发动机问世。这种取名为“Alloytec V6”(合金技术V6)的顶尖发动机,也被装备到上海通用汽车从霍顿引进生产的行政级高档轿车别克荣御上。采用Alloytec V6，将使别克荣御尽显超凡动力和动态舒适科技。福特蒙迪欧2.5 V6也采用福特最新一代的Duratec 2.5 V6发动机,由一级方程式动力名厂Cosworth提供，采用V型六缸设计，顶置双凸轮轴，全铝合金材质；Duratec 2.5 V6发动机运转品质更加顺畅、安静、高效，具有低转速高扭力的风格，发动机在转速约2000转时即能发挥90%的扭力，而马力的输出高原则落在约4000转的中后段转速，动力迅猛而且储备充足，不仅令起步快速，更让车辆在高速行驶中仍然展现出源源不断的后续加速度。与同级主要竞争对手所采用的2.4直列四缸发动机或2.5 V6顶置单凸轮轴12气门铸铁发动机相比, Duratec 2.5 V6顶置双凸轮轴24气门全铝合金发动机具有明显的技术优势，无论从厂家提供的技术数据或是从发动机运转的平稳安静程度上，都胜对手一筹。

早在1948年，澳洲大陆上第一辆本土轿车48-215就开始装备霍顿自己生产的2.15升“银色6缸”发动机。这台45KW的6缸发动机凭借自己可靠的性能、优异的经济性和耐用性，在经过不断升级之后成为霍顿在50年代和60年代里的“心脏”之一。1995年，霍顿投巨资全面更换之前的发动机生产平台，推出全新ECOTEC 第二代V6发动机。运用了低摩擦设计技术的ECOTEC发动机是霍顿最为成功的6缸作品，紧凑轻巧经济性好的它很快成为1996年VT Commodore的主力装备，并于1997年基于市场需要升级成为171KW的最高马力。ECOTEC在性能和油耗上的优异表现成为了霍顿公司多年占据市场龙头老大位置和霍顿Commodore车型连续8年成为销量冠军的最大功臣之一。2004年，霍顿全新全铝合金V6发动机诞生。铁器时代的结束，宣布另一个全新铝合金时代的来临！

不久前，Alloytec V6全铝合金发动机诞生于通用汽车全球V6发动机发展平台，霍顿的工程师与美国、英国、德国、瑞士的同行经过几年时间，开发出这台具有世界级动力品质的6缸发动机。它摒弃了旧款发动机的54度夹角和90度夹角，重新回到经典的60度夹角设计。动力强劲、油耗较低和排放干净是Alloytec V6全铝合金发动机最为突出的优点，同时这种发动机的升级能力和可改装性都极高，不但有3.6升排量，还支持2.8升和3.2升可随时推出的涡轮增压版本，甚至稍加改造就能用于混合动力，从而满足包括后驱、四驱等绝大多数高性能车型的需要。

3.6升的Alloytec V6全铝合金发动机可以在6500转时输出190KW的最大输出功率，峰值扭矩为340Nm，并且同样在较大的发动机转数范围内可以输出90%以上的扭矩1570－5870转，达到了很多V8发动机才有的性能，这无疑归功于该发动机采用的多种先进技术。Alloytec V6全铝合金发动机使用欧洲2002年产的电子5速手/自一体变速系统，这款变速箱甚至在宝马、路虎等豪华车里都可以找到。动力输出强劲有余却又不失平顺，在出色的5速手/自一体变速箱的协助下，掌控发动机转速成为轻而易举的事情，而且发动机声音也被调教得十分动听，整体表现都让人相信它将成为霍顿动力再写辉煌的奠基石，也将使别克荣御为国内豪华高档车市场树立全新的动力典范。

铝合金汽缸体是发动机轻量化措施的重要目标 汽缸体是发动机里最重的零件，采用轻质的材料可以大幅度减轻发动机的重量。压铸铝是首选的新型机体材料。铝合金汽缸体与灰铸铁相比其质量大约可减轻30%,当前轿车的开发目标之一是减轻所有零部件的质量。发动机约占整车质量的15%,所以在减轻质量的措施方面具有很大的潜力。目前在发动机领域大多都还是采用灰铸铁制造。若对发动机的各种零部件进行一番比较，就可以发现汽缸体占发动机总质量的30%以上，因而汽缸体成了发动机轻量化措施的重要目标。铝合金当前从总体性能来说都为轻金属汽缸体提供了最优越的条件，它相对于灰铸铁来说减轻质量的潜力高达50%左右。在汽油机领域内用铝合金代替灰铸铁的趋势已经相当普遍。

奔驰公司开发的微型轿车用OM660共轨直喷柴油机(排量0.799L)，采用Si－cu系列的GD—AISi9Cu3压铸铝;日本“丰田”开发的SUV车用AZ系列汽油机(排量2.0L和2.4L)的机体也是用压铸铝制造的。GD-AISi9Cu3压铸铝的密度为2.75 kg/cm ，仅为铸铁的30％左右，可见减重的幅度较大。由于机体采用了铝合金，所以主轴盖底座不必另外考虑，而是采用整体框架式结构。采用压铸铝整体框架式主轴承盖底座，可以降低制造成本、便于安装、减少噪声辐射，但存在轴承间隙随温度升高而增大的问题。解决这个新矛盾的对策是采用奥氏体主轴承螺栓和适当的轴瓦造型，最终可使轴承间隙的增大量控制在横向20mm、承载方向l0m之内。来自美国汽车界的研究表明，高硅铝合金比含铜的过共晶铝合金更有竞争力。因为高硅铝合金材料具有抗疲劳强度高、耐磨性好、抗缸孔变形能力强、重量轻和导热性好等优点，制造方面具有成本低、铸件质量更好、机加工性能和刀具寿命高等优点。

随着科学技术的飞速发展，现代汽车制造材料的构成发生了较大的变化，高密度材料的比例下降，低密度材料有较大幅度的增加，有色轻金属的应用范围在不断扩大。可以说，从上世纪90年代开始，汽车材料向轻量化、节省资源、高性能和高功能方向发展，越来越多地使用铝、镁、钛合金轻合金材料。铝、镁、钛合金在现代汽车的轻量化中将扮演极为重要的角色，被认为是21世纪最富于开发和应用潜力的“绿色材料”。采用铝、镁、钛合金材料，可提高汽车的安全性，因此将是今后的发展趋势。

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