镁金属在N52发动机中应用以及其结构件及装配件解析
BMWCHE/2015-12-07/技术解析/阅读:次
一、镁金属
(一)概述
(一)概述
发动机重量对车辆总重量和车桥载荷分配的影响很大。减轻重量意味着降低耗油量，同时改善车辆的行驶动力性和灵活性。不断减轻发动机内最重的单个部件(曲轴箱)的重量非常重要。
此前虽然已针对铸铝曲轴箱采取了所有减轻重量的方法，但为了进一步减轻发动机重量，现在需要进一步考虑采用镁这种材料。N52发动机采用世界首创的铝镁合金复合式曲轴箱，这样就可以通过减轻曲轴箱的重量来提高动力性(重量较轻时比功率较高)。
(二)様金属的电化学特性及其合金使用特性
金属分为贵金属和普通金属。例如，金是一种贵金属，钠是一种非常普通的金属。其他金属分布在它们之间。将两种相互接触的金属(例如铁和镁)放入一种导电溶液(例如盐溶液)内，普通金属就会溶解并进入溶液，同时会从贵金属向普通金属流过电流。
在某些情况下，普通金属会附着在贵金属上。镁是一种普通金属，其表面很容易受到其他物质的侵蚀，见下图。
在电解液内的两种金属之间会产生一个电压。所有金属都能根据该电压进行分类。在电压排序中铁位于中间位置，而铝，尤其是镁属于普通金属。金属之间的压差越大，电化学腐蚀过程就越快。当两种金属直接接触且接触面被飞、般的水等弄湿时，就会出现接触腐蚀。如果接触面之间留有积聚湿气的间隙，就会加速接触腐蚀。保持接触面干燥或使用非导电发动机机油可避免出现接触腐蚀，这样就可以保证发动机内的所有镁制、铝制和钢制接触面都不会产生任何问题。N52发动机采用特殊的镁合金，由于添加了其他金属，因此大大消除了纯金属的不利特性，从而满足了对所用材料的性能要求。
镁及镁合金最突出的特性是其具有大约1.8g/cm3的低密度。由于某些镁合金具有很好的铸造特性，因此可以制造出面积较大、较复杂且具有较高表面质量的压铸件。由于镁合金的熔化温度较低，熔化能量和热容量较小，因此压铸镁合金时的压射率最多可比压铸铝合金时提高50%。
镁金属的另一优势是切削特性出色，但在使用镁及镁合金时存在的一些问题抵消了这种优势特性。开发耐腐蚀性较强的合金可大大缓解较为严重的腐蚀问题。因此，N52发动机采用的镁合金为AJ62。即便如此，如果忽视相关材料的使用知识，那么仍存在较大的腐蚀危险。这就是说，与镁金属接触的材料必须经过许可，即只允许安装宝马原厂配件。安装件的材料必须与AJ62相配或用密封垫与镁制売体隔开。电动冷却液泵的隔离垫圈见下图。
(三)不同材料的物理特性
1、膨胀系数
虽然镁和铝的膨胀系数几乎相等，但它们的膨胀系数大约是钢的膨胀系数的两倍。镁的膨胀系数为 0.0026%/℃，铝的膨胀系数为 0.0023%/℃，钢的膨胀系数为 0.001%/℃。因此，连接镁和铝这两种材料时不会出现任何问题，而与钢连接这会出现热胀冷缩问题。
N52 发动机不使用任何钢制螺栓。当发动机受热时钢制螺栓的膨胀速度只有曲轴箱的一半左右。相反，当发动机冷却时却存在钢制螺栓松动的危险，因此在 N52发动机的重要部位使用的都是铝制螺栓。
2、熔点
镁的熔点为650℃，铝的熔点为660℃。这两种材料的熔化温度几乎相同。钢的熔化温度相当高，其熔点为1750℃。
3、导电性 .
销和镁的导电性远胜于钢。因此，铝和镁及其合金非常适于屏蔽电磁干扰，例如来自点火火花的电磁干扰。
(四)工作安全
1、对镁金属进行切削加工
针对镁金属进行的绝大多数维修工作并不危险。切削螺纹时产生的少量金属碎屑无需采用任何特殊抽吸装置进行处理。但对镁合金曲轴箱进行精加工时，必须确保没有氢气聚集在金属碎屑的收集容器内并没有湿气从容器中释放出。湿气仅指水或含有水的化合物。
2、切削加工注意事项
虽然镁合金具有良好的干式加工切削特性，但湿式加工是现在的最新技术。湿式加工时使用切削油或乳化剂。切削加工时最大的危险来自于金属碎屑。潮湿的金属碎屑尤为危险，而被油液浸湿的金属碎屑则很难点燃，因此不用担心湿式加工时会直接点燃金属碎屑。
镁和水发生化学反应可以生成氢氧化镁和氢气。如果在使用乳化剂加工的过程中不断产生的氢气聚集在一起并达到临界浓度，那么就会存在氢气爆炸的危险。因此，必须将金属碎屑收集器内的湿气释放出来。此外，还必须迅速地从乳化剂中排出金属碎屑，否则就会发生皂化或硬化，导致乳化剂无法使用。
进行镁加工时可使用铝加工时所用的切削材料托盘，即高速钢、硬金属和多晶钻(PKD)。当进行研磨工作时需要特别注意，研磨会产生最微小的金属碎屑(研磨粉尘)，这些粉尘与空气的混合比例达到某一限值时，就会因存在火源(例如燃烧残留物、弯折时飞、般的火花、焊接)而以爆炸形式燃烧。直径大约为50μm镁颗粒的爆燃密度为15~30g/m3。因此，当无法进行或非常不便进行湿式研磨时，必须吸走所产生的研磨粉尘并用分离器中的水将其冲净。也就是说，在加工镁金属时，当产生金属粉尘时必须使用适合的抽吸装置。
因刀具碰撞或加工钢材料而产生火花是另一个危险源，如果在采取了所有预防措施的情況下仍因镁金属而引起了火灾，切勿用水或含水灭火剂灭火。这是因为用水会产生氢气，引发气体爆炸。ABC干粉灭火器、二氧化碳和氮都不适于镁金属灭火，应使用通于金属火灾的灭火器。
二、采用镁金属的结构件及装配件
(一)铝镁合金复合式曲轴箱
由于某些区域(例如汽缸工作表面)不能使用镁金属，因此曲轴箱采用复合式结构，见下图。
1.曲轴箱上部件 2.底板
这种曲轴箱可以采用刨屑方式加工面成。该曲轴箱由一个硅铝合金嵌入件组成，该嵌入件与一种镁合金浇铸为一体。这种镁合金称为 AJ62，由宝马公司独立研发。硅铝合金嵌入件通过螺栓连接变速器、汽缸盖和曲轴轴承以及冷却液通道，这样镁金属就不会接触到冷却液和水。铝镁合金复合式曲轴箱的剖面模型见下图。
1.铝镁合金复合式曲轴箱 2.硅铝合金嵌入件
(二)底板
N52发动机采用四缸发动机已使用的两件式曲轴箱_曲轴箱上部件采用的是销镁合金复合式结构。为了提高部件刚度，下部件采用底板结构。底板也由镁金属制成。为了承受主轴承作用力，曲轴轴承下部件采用烧结钢嵌入件，见下图。
(三)密封垫
在金属部件之问放置一个绝缘密封垫可防止接触腐蚀。油底壳密封垫和汽缸盖密封垫的作用与之相同，用于将铝制油底壳和汽缸盖与镁制曲轴箱分隔开，见下图。
汽缸盖密封垫也是这样。但要注意的是，与以前的汽缸盖密封垫不同，N52发动机的汽缸盖密封垫有一个密封唇。该密封唇用于防止灰尘和水进入密封接缝，从而防止接触到金属部件，见下图。
切勿损坏凸出的密封垫。如果密封垫损坏，那么汽缸盖铝制部分和曲轴箱镁制部分之间很快就会出现接触腐蚀。 密封唇损坏严重时会影响到密封塾核心的钢制部分，因此必须更换已损坏的密封垫。
(四)螺栓
材料不同，膨胀系数不同，N52发动机在所有装入接制部件的螺栓連接处都使用铝制螺栓，而不是钢制螺栓。汽缸盖罩(镁制)也通过铝制螺栓固定在铝制汽缸盖上)铝制螺栓带有蓝色的螺栓头。铝制螺栓见图。
进行发动机螺栓连接时需要特别注意，取下螺栓后必须立即吹干螺纹孔，以免因冷却液造成腐蚀。重新安装螺栓前也要完全吹千螺纹孔，避免以后在曲轴箱材料和螺栓材料之间形成接触腐独。
原则上铝制螺栓只允许使用一次，因此每次松开销制螺栓后都必须更換。铝的抗拉强度低于钢，必须按照规定的操作方法拧紧铝制螺栓，首先用规定組矩拧紧螺栓，施加该組矩后，待紧固的部件不再留有任何间隙，而螺栓自身几乎不承受任何应力。随后将螺栓继续拧到规定角度处，此时即达到了所要求的螺栓应力。铝制螺栓的拧紧方法见下图。
I.拧紧扭矩 II.拧紧角度
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