虽然现代材料技术发展迅速，但是金属材料仍然是现代汽车发动机上使用最广泛的材料

　　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，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。

　　活塞环是易损件，在工作中与缸套摩擦剧烈，其摩擦损失，占发动机总摩擦损失的60%-70%，因此减轻摩擦和降低磨损是提高效率、延长寿命的重要途径。研究表明，在活塞环(尤其是压缩环)工作面上涂覆一层耐磨微小颗粒物质可提高其耐磨性能和载荷能力。例如；对柴油机压缩环施以铬和陶瓷涂层(AI203的含量为2%-6%)，其耐磨强度较普通环提高0.5-1.5倍。有了这种涂层，活塞环的工作面将永久存留一层润滑油膜。有的活塞环的表面涂覆的不是氧化锰山类的微小颗粒，而是极精细的钻石微小颗粒(GDC)，这可进一步提高环的耐磨强度。

　　缸套

　　为减轻发动机质量，很多汽油发动机机体采用铝合金作材料；而另外设置一个灰铸铁缸套作为气缸的工作面。由于两种材料具有不同的热膨胀特性，会影响整个气缸系统的工作和降低效率。目前巳开发出双层材料缸套，即内层为铁，外层为铝合金，两者构成一个整体。

　　石墨铝基复合材料具有较好的耐磨性、抗?合性、自润滑性。采用该材料代替传统的铸铁缸套可大大提高发动机的功率。降低线膨胀系数和油耗，改善导热性。采用碳短纤维增强的铝合金缸套取代铸铁缸套，以A12O3与碳纤维的混合物作为增强物，在铝合金缸体的内、表层形成2mm厚的石墨铝基复合材料层，其中会纤维体积为12%-15%，不但达到减重、改善冷却特性、减小发动机尺寸的目的，而且能够减小汽缸的变形，提高汽缸和活塞的耐磨性。本田公司批量生产出碳短纤维增强的铝合金缸套，这种缸套在汽油机缸体中已大量试用。

　　轴承

　　为提高曲轴轴承的载荷能力和耐磨强度，需要对其表面涂覆更硬的材料。轴承表面镀铬是提高其硬度的传统方法，实际上，这一工艺还有潜力可挖。迄今为止，通过电镀方法可使轴承表面涂覆层Cu和Sn的含量分别稳定在5%-10%。为进一步提高轴承的使用寿命，需要提高Cu和Sn的含量。目前，已开发一种靳出也锼工艺，使用甲烷磺酸液池，可使涂覆层Cu的含量提高到8%(这种涂覆材料被命名为Gly-c081型)，大大提高了轴承表面的疲劳强度。试验表明，轴承工作面涂层Cu含量仅为2%，则在载荷超过，50MPa时就开始出现磨损现象，而电镀上Glyco8l型材料的表面只有当负荷超过70MPa时才开始发生磨损现象。为获得更满意的效果，可将上述两种方法(阴极喷溅铝、锡合金和电镀Glyc081型材料)结合起来应用。比如对上轴承表面进行喷溅铝、锡合金，而对下轴承表面则电镀Glyco8l型材料。

　　还有一种钢背喵塑料复合轴承。它以低碳钢背为载体表面镀铜后烧结一层青铜粉末，再与性能优良的工程塑料热复合为一体后所制成。按工程塑料的种类，可分为两种：一种是表层以聚四氟乙烯为基体的复合轴承体系，适用于作高速低负荷工作的滑动轴承，可在无油或少油的条件下使用；另一种是表层以改性共聚甲醛为基体的复合轴承，适用于低速大负荷条件下工作。如二汽生产的东风系列汽车上广泛运用的EGQS型钢背-塑料复合轴承衬套就是后一种类型体系。这种钢背-塑料复合轴承具有工程塑料减磨、耐磨的优点，又具有钢背承载能力强的特点，使其具有高承载、低磨耗、摩擦阻力小的优良性能。

　　汽缸

　　密封垫气缸垫位于气缸盖与气缸体之间，对整个气缸系统的密封起着重要的作用。新型车用发动机气缸垫，正向着采用轻型结构、减小厚度、减小压紧预紧力和气缸变形，提高匹配性能和密封效果等方向发展。

　　根据发展趋势，德国Elring公司开发了三种新型气缸垫。FW(钢板-软材料)气缸垫。目前这种气缸垫在欧洲几乎已用于所有酌车用发动机。该结构包括一个插入的支撑钢板，两边是软材料覆盖层。为提高燃烧室压方和防御的热龄燃烧气拢在燃烧室区域设置了金属镶边。软材料由非石棉材料(纤维、填料、粘结介质和疏水的掺和剂)制成。这种气缸垫具有较高的耐高温稳定性、优良的匹配能力、良好的回弹能力以及较强的抗机油和冷却液的化学稳定性。

　　MLC(金属-涂层)气缸垫。近十年来，ELring公司将该气缸垫用于批量生产的载重汽车和轿车发动机上。该气缸垫为多层特殊.金属涂层的组合，轿车发动机气缸垫是由多层钢板组成的，根据其层数气缸垫厚度至少丸0.45mm。涡流室式柴油机气缸垫厚度应不小于0.85 mm。钢板一般采用奥氏体弹簧铜制造5板厚在0.10-0.30mm范围内，其中间层和燃烧层密封部位采用不锈钢或耐腐蚀的镍铬钢。为了确保金属层相互间密封以及曲轴箱和气缸盖的密封，需要采用薄的、具有弹性和良好适应性的涂层，弹性涂层能够在安装后保持微观密封作用，其厚度取决于零件表面结构及表面粗糙度；每层间的涂层厚度约为5-10um，而顶层上表面涂层约为10-25um。目前所采用的材料为氟胶(FKM)和氮化胶(NBR)。

　　ME(金属-弹性体)气缸垫。该气缸垫可形成新的密封压力分配形式，即用弹性体材料密封整个流体通道只需很小的压力，这样，缸盖螺栓拧紧力矩主要由燃烧室密封所需的压力决定。与全平面的有效密封系统相比，能减少拧紧力矩30%。这种气缸垫采用一个金属层，两边设置弹性体结构，其特点为：采用弹性体为密封媒介，密封接触面压力小，发动机部件与弹性体表面具有良好的匹配性；密封断面具有高的反弹率；可用于密封间隙变化的部位。它特别适应轻型结构发动机。

　　进气歧管

　　随着铝合金在发动机应用范围不断扩大，进气歧管也逐渐由钢铁改为铝材。为了进一步减轻零部件的质量，非金属材料开始向进气歧管领域延伸。玻璃纤维增强尼龙(GFPA)便是其中一个很好的材料。采用玻璃纤维增强尼龙(GFPA)替代金属制造进气歧管，可以减少流动阻力，提高发动机燃烧效率，降低油耗，减少振动，降低噪音。用玻璃纤维增强尼龙(GFPA)制造进气鼓管采用模具旋转焊接法(DRI)，将注塑与注射焊接集成于一个生产循环中，模制的两个部分不需从模具中取出，因此可保持热态、柔顺、焊接时不会翘曲，可在普通注塑件上的同一模具内完成进气鼓管的注塑与焊接。欧宝公司1.2L Corsa牌轿车的进气歧管已由金属改为塑料件，ROVER(陆虎)和MANN+HUMMEL公司也制造出先进的KV 62 L/2.5L塑料进气歧管。

　　连杆和其他零件

　　目前，主要汽车厂家都在考虑变换连杆材料以代替传统的连杆材料。美国杜邦公司和克莱斯勒汽车厂合作开发出刚玉纤维增强铝锂合金基复合铸造的汽车连杆，其重量轻、强度好，抗拉强度达560MPa，而且膨胀系数小，对提高发动机效率极为有利，其刚度、强度和疲劳极限都能满足高性能汽车的材料要求。本田研究开发中心开发出一种不锈钢加强的铁合金连杆，重量减轻了30%，应用在家庭小汽车上，提高了发动机功率和燃料经济性能。

　　高强耐热钛合金制造发动机配气系和曲轴连杆机构零件，如气门、气门弹簧、凸轮轴、连杆和涡轮转子等，有很好的使用效果。钛合金连杆比相同钢件轻30%，运动惯性小，转速达7000r／min，发动机效率提高，噪音显著降低，有很好的综合使用性能。钛合金气、阀弹簧质轻负荷小，可降低机械摩擦，改善凸轮轴工作条件，提高燃料效率。钛合金气门和阀座可减轻质量40%，使气门系统的运动惯量降低。