成大材料系曹紀元教授研究團隊 真材實料 以高性能機車引擎汽缸套獲經濟部2004輕金屬創新應用精品獎與設計競賽第二名
採訪記者 : t 於 December 24, 2004 at 15:24:20 :
新聞內容 :
【台南訊】繼獲得教育部之九十年度大專校院教師產學合作獎殊榮之後，國立成功大學材料系曹紀元教授研究團隊今再以「高性能機車引擎汽缸套」參加經濟部舉辦的「2004輕金屬創新應用精品獎與設計競賽」脫穎而出，從全國各大專院校四十六件作品中奪得第二名，表現亮眼。該項設計不僅
針對機車引擎汽缸套之特殊應用場合設計出適用之高矽鋁合金，同時亦開發出一套從上游合金設計以及生產，到中游成型及加工，乃至下游配合機車製造商生產最終產品之技術。
以「高性能機車引擎汽缸套」榮獲經濟部「2004輕金屬創新應用精品獎與設計競賽」第二名的成大材料系曹紀元教授研究團隊，由曹紀元教授領軍，成員包括今年甫畢業的博士生蘇彥豪，以及博士班研究生江俊憲、郭敏郎與王宣人等人。
曹紀元教授指出，高性能機車引擎汽缸套係利用搭配高矽鋁合金汽缸套的引擎，具有價格性能比之優勢，將完全取代現有搭配陶瓷電鍍汽缸或搭配傳統灰鑄鐵汽缸套之引擎，目前在台灣125cc以下機車市場中已有三成之佔有率，預估總產值約新台幣一億五千元，初期以台灣市場為主。
對於「高性能機車引擎汽缸套」之結構及功能，成大材料系曹紀元教授指出，「高性能機車引擎汽缸套」是以高矽鋁合金汽缸套完全取代現有灰鑄鐵汽缸套，其結構可與現有汽缸套完全相同，主要功能為導引活塞正常運動，維持汽缸之氣密性，以使得燃料爆炸產生之壓力能有效傳遞至活塞而產生動力。此外，相對於鑄鐵汽缸套，採用鋁合金汽缸套亦可達到引擎減重之效果。
曹紀元教授進一步表示，高性能機車引擎汽缸套是結合熱力學合金設計軟體以及先進噴覆成型製程製造適合高溫場合應用之耐磨耗高矽鋁合金，所生產之材料可利用傳統加工製程，例如擠型、車削或搪孔等製程輕易加工成機車引擎汽缸套。
至於「高性能機車引擎汽缸套」創作特點及優勢，曹紀元教授提出四項特點。他說，一、生產及加工困難度低，二、應用特性佳，三、投入生產之技術及投資門檻低，四、成品單件成本收益比高。曹紀元教授進一步表示，因為以先進噴覆成型製程所製造之高矽鋁合金具有均勻細緻之微觀結構，可輕易以業界廣用之擠型機擠製成型，再加上可施以精密切削，此兩點皆遠非傳統擠壓鑄造材所能及，所以在生產及加工困難度大為降低。在應特性上，跟業界採用之活塞環素料─鑄鐵比較起來，新開發的高矽鋁合金有較高之抗磨耗能力與較低的摩擦係數。
此外，「高矽鋁合金機車汽缸套」除了原料製造方式必須使用先進噴覆成型製程外，其後續加工製程使用之機具皆為目前業界廣泛採用之型式，並不需額外購置特殊加工機具，加工後之半成品應用在現有機車製造業之生產線上，可完全取代傳統之灰鑄鐵汽缸套，因此亦不需要額外購置機具，僅需在製程上微幅修改機具之操作參數即可。以機車製造業之角度而言，除了原料來源與物理特性不同，生產流程需要進行微幅修正外，不需要其他任何額外投資與技術開發。
由於採用噴覆成型製程屬於熔化再凝固之物理性製程，相較於陶瓷電鍍汽缸之化學性製程，在工業廢棄物處理、環保配套措施上之投資以及營運成本皆較低，可有效降低單件成本。不僅如此，所搭配生產之引擎卻具有與陶瓷電鍍引擎同級甚至更優越的性能，因此同屬高價位引擎，卻使得高矽鋁合金成品單件成本收益比高，具有更佳的價格競爭優勢。
至於，當初設計「高性能機車引擎汽缸套」之構想，曹紀元教授強調，基於現有機車引擎之特性、高矽鋁合金之特性，以及先進噴覆成型製程之特性為考慮因素。由於引擎工作溫度遠高於一般鋁合金之使用溫度，故針對此應用特性進行合金設計是必要之策略，添加矽元素亦可提高鋁合金之高溫強度。此外，高矽鋁合金熱膨脹係數與引擎本體使用之ADC12合金相近，熱傳導係數亦高於鑄鐵汽缸套或陶瓷電鍍層，因此極具取代傳統鑄鐵汽缸套之潛力，而所製造之引擎磨損後亦可施以搪缸處理，故能克服陶瓷電鍍無法搪缸之缺點。
曹紀元教授說，引擎為機車之動力來源，猶如人體之心臟，引擎性能除了取決於其操作參數以及結構設計之匹配性外，各部件所選用之材料亦有決定性影響，其中又以汽缸內壁材料與活塞、活塞環之匹配性最為關鍵，活塞與汽缸內壁必須保持適當之間隙，以兼顧活塞運動之順暢以及油氣燃燒化學能轉換為機車運動機械能之效率。由於引擎工作溫度遠高於室溫，因此缸體與活塞之熱膨脹係數是設計或製造引擎時必須考慮的重要因素，此外，油氣燃燒後所產生之廢熱，必須藉由引擎缸體向外傳導以維持引擎穩定運轉，因此缸體熱傳導能力亦是考慮重點。
曹紀元教授指出，以現有機車引擎之特性來看，目前市面使用之機車引擎依材質可分為二類，一類為鋁合金引擎本體搭配鑄鐵汽缸套之引擎；另一類則為缸體內面施以陶瓷耐磨層電鍍披覆處理之鋁合金引擎。在第一類引擎中，由於鑄鐵汽缸套之熱膨脹係數約為鋁合金的三分之一，熱傳導係數約為四分之一，這使得引擎設計人員必須遷就熱膨脹係數差異而犧牲部分引擎性能，此外針對低熱傳導性所採行的必要冷卻配套措施亦將提高引擎設計之複雜性及製造之困難度。而在第二類引擎中，汽缸與活塞熱膨脹係數差異之問題雖可得到改善，但披覆層仍會導致引擎散熱不良之問題，此外，披覆層磨損後無法搪缸處理是另一個維修上的問題。
高矽鋁合金之特性，為鋁、矽兩元素可以任意比例混合形成共晶合金，矽晶粒與鋁質基地間有良好的冶金鍵結，且由於矽晶粒具有極高的硬度，使得添加高量矽元素之鋁合金材料廣泛應用於須耐磨耗之場合。添加矽元素亦可提高鋁合金之高溫強度。此外，其熱膨脹係數與引擎本體使用之ADC12合金相近，熱傳導係數亦高於鑄鐵汽缸套或陶瓷電鍍層，因此極具取代傳統鑄鐵汽缸套之潛力，而所製造之引擎磨損後亦可施以搪缸處理，故能克服陶瓷電鍍無法搪缸之缺點。除了上述優點外，相對於鑄鐵汽缸套，採用鋁合金汽缸套可達到引擎減重之效果。
先進噴覆成型製程之特性，為利用高動能氣體霧化熔融合金，使霧化後之液滴快速冷卻，並在未完全凝固前凝結在一起而形成塊材，成品具有微觀結構細緻、成份分布均勻等特性，尤其是矽含量超過20wt%之鋁合金，傳統鑄件中分布不均之粗大多角狀矽晶，可藉此製程改質為圓鈍細微之晶粒，大幅提升此類材料之加工及切削性。
由於引擎工作環境之特性，汽缸內壁之加工精度必須小於10微米，表面平均粗糙度亦到達次微米等級，傳統方法鑄造之高矽含量鋁合金內，矽晶粒尺寸皆大於20微米，有些晶粒甚至大於100微米，因此極難以車床進行上述之精切削作業，故勢必採用先進噴覆成型製程所製造之高矽鋁合金材料。931224t
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【台南訊】繼獲得教育部之九十年度大專校院教師產學合作獎殊榮之後，國立成功大學材料系曹紀元教授研究團隊今再以「高性能機車引擎汽缸套」參加經濟部舉辦的「2004輕金屬創新應用精品獎與設計競賽」脫穎而出，從全國各大專院校四十六件作品中奪得第二名，表現亮眼。該項設計不僅
針對機車引擎汽缸套之特殊應用場合設計出適用之高矽鋁合金，同時亦開發出一套從上游合金設計以及生產，到中游成型及加工，乃至下游配合機車製造商生產最終產品之技術。
以「高性能機車引擎汽缸套」榮獲經濟部「2004輕金屬創新應用精品獎與設計競賽」第二名的成大材料系曹紀元教授研究團隊，由曹紀元教授領軍，成員包括今年甫畢業的博士生蘇彥豪，以及博士班研究生江俊憲、郭敏郎與王宣人等人。
曹紀元教授指出，高性能機車引擎汽缸套係利用搭配高矽鋁合金汽缸套的引擎，具有價格性能比之優勢，將完全取代現有搭配陶瓷電鍍汽缸或搭配傳統灰鑄鐵汽缸套之引擎，目前在台灣125cc以下機車市場中已有三成之佔有率，預估總產值約新台幣一億五千元，初期以台灣市場為主。
對於「高性能機車引擎汽缸套」之結構及功能，成大材料系曹紀元教授指出，「高性能機車引擎汽缸套」是以高矽鋁合金汽缸套完全取代現有灰鑄鐵汽缸套，其結構可與現有汽缸套完全相同，主要功能為導引活塞正常運動，維持汽缸之氣密性，以使得燃料爆炸產生之壓力能有效傳遞至活塞而產生動力。此外，相對於鑄鐵汽缸套，採用鋁合金汽缸套亦可達到引擎減重之效果。
曹紀元教授進一步表示，高性能機車引擎汽缸套是結合熱力學合金設計軟體以及先進噴覆成型製程製造適合高溫場合應用之耐磨耗高矽鋁合金，所生產之材料可利用傳統加工製程，例如擠型、車削或搪孔等製程輕易加工成機車引擎汽缸套。
至於「高性能機車引擎汽缸套」創作特點及優勢，曹紀元教授提出四項特點。他說，一、生產及加工困難度低，二、應用特性佳，三、投入生產之技術及投資門檻低，四、成品單件成本收益比高。曹紀元教授進一步表示，因為以先進噴覆成型製程所製造之高矽鋁合金具有均勻細緻之微觀結構，可輕易以業界廣用之擠型機擠製成型，再加上可施以精密切削，此兩點皆遠非傳統擠壓鑄造材所能及，所以在生產及加工困難度大為降低。在應特性上，跟業界採用之活塞環素料─鑄鐵比較起來，新開發的高矽鋁合金有較高之抗磨耗能力與較低的摩擦係數。
此外，「高矽鋁合金機車汽缸套」除了原料製造方式必須使用先進噴覆成型製程外，其後續加工製程使用之機具皆為目前業界廣泛採用之型式，並不需額外購置特殊加工機具，加工後之半成品應用在現有機車製造業之生產線上，可完全取代傳統之灰鑄鐵汽缸套，因此亦不需要額外購置機具，僅需在製程上微幅修改機具之操作參數即可。以機車製造業之角度而言，除了原料來源與物理特性不同，生產流程需要進行微幅修正外，不需要其他任何額外投資與技術開發。
由於採用噴覆成型製程屬於熔化再凝固之物理性製程，相較於陶瓷電鍍汽缸之化學性製程，在工業廢棄物處理、環保配套措施上之投資以及營運成本皆較低，可有效降低單件成本。不僅如此，所搭配生產之引擎卻具有與陶瓷電鍍引擎同級甚至更優越的性能，因此同屬高價位引擎，卻使得高矽鋁合金成品單件成本收益比高，具有更佳的價格競爭優勢。
至於，當初設計「高性能機車引擎汽缸套」之構想，曹紀元教授強調，基於現有機車引擎之特性、高矽鋁合金之特性，以及先進噴覆成型製程之特性為考慮因素。由於引擎工作溫度遠高於一般鋁合金之使用溫度，故針對此應用特性進行合金設計是必要之策略，添加矽元素亦可提高鋁合金之高溫強度。此外，高矽鋁合金熱膨脹係數與引擎本體使用之ADC12合金相近，熱傳導係數亦高於鑄鐵汽缸套或陶瓷電鍍層，因此極具取代傳統鑄鐵汽缸套之潛力，而所製造之引擎磨損後亦可施以搪缸處理，故能克服陶瓷電鍍無法搪缸之缺點。
曹紀元教授說，引擎為機車之動力來源，猶如人體之心臟，引擎性能除了取決於其操作參數以及結構設計之匹配性外，各部件所選用之材料亦有決定性影響，其中又以汽缸內壁材料與活塞、活塞環之匹配性最為關鍵，活塞與汽缸內壁必須保持適當之間隙，以兼顧活塞運動之順暢以及油氣燃燒化學能轉換為機車運動機械能之效率。由於引擎工作溫度遠高於室溫，因此缸體與活塞之熱膨脹係數是設計或製造引擎時必須考慮的重要因素，此外，油氣燃燒後所產生之廢熱，必須藉由引擎缸體向外傳導以維持引擎穩定運轉，因此缸體熱傳導能力亦是考慮重點。
曹紀元教授指出，以現有機車引擎之特性來看，目前市面使用之機車引擎依材質可分為二類，一類為鋁合金引擎本體搭配鑄鐵汽缸套之引擎；另一類則為缸體內面施以陶瓷耐磨層電鍍披覆處理之鋁合金引擎。在第一類引擎中，由於鑄鐵汽缸套之熱膨脹係數約為鋁合金的三分之一，熱傳導係數約為四分之一，這使得引擎設計人員必須遷就熱膨脹係數差異而犧牲部分引擎性能，此外針對低熱傳導性所採行的必要冷卻配套措施亦將提高引擎設計之複雜性及製造之困難度。而在第二類引擎中，汽缸與活塞熱膨脹係數差異之問題雖可得到改善，但披覆層仍會導致引擎散熱不良之問題，此外，披覆層磨損後無法搪缸處理是另一個維修上的問題。
高矽鋁合金之特性，為鋁、矽兩元素可以任意比例混合形成共晶合金，矽晶粒與鋁質基地間有良好的冶金鍵結，且由於矽晶粒具有極高的硬度，使得添加高量矽元素之鋁合金材料廣泛應用於須耐磨耗之場合。添加矽元素亦可提高鋁合金之高溫強度。此外，其熱膨脹係數與引擎本體使用之ADC12合金相近，熱傳導係數亦高於鑄鐵汽缸套或陶瓷電鍍層，因此極具取代傳統鑄鐵汽缸套之潛力，而所製造之引擎磨損後亦可施以搪缸處理，故能克服陶瓷電鍍無法搪缸之缺點。除了上述優點外，相對於鑄鐵汽缸套，採用鋁合金汽缸套可達到引擎減重之效果。
先進噴覆成型製程之特性，為利用高動能氣體霧化熔融合金，使霧化後之液滴快速冷卻，並在未完全凝固前凝結在一起而形成塊材，成品具有微觀結構細緻、成份分布均勻等特性，尤其是矽含量超過20wt%之鋁合金，傳統鑄件中分布不均之粗大多角狀矽晶，可藉此製程改質為圓鈍細微之晶粒，大幅提升此類材料之加工及切削性。
由於引擎工作環境之特性，汽缸內壁之加工精度必須小於10微米，表面平均粗糙度亦到達次微米等級，傳統方法鑄造之高矽含量鋁合金內，矽晶粒尺寸皆大於20微米，有些晶粒甚至大於100微米，因此極難以車床進行上述之精切削作業，故勢必採用先進噴覆成型製程所製造之高矽鋁合金材料。931224t
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