鈦及鈦合金具有密度小、機(jī)械性能優(yōu)異、生物相容性好、耐腐蝕、耐高溫、低溫韌性好等特點(diǎn),目前已被大量應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域。

鈦合金密度只有鋼的60%,而強(qiáng)度可以達(dá)到800MPa以上,在500℃左右仍然保持良好的機(jī)械性能,且焊接和成形性能都較好,在20多年以前就已經(jīng)被應(yīng)用于賽車的制造上,大幅減輕了賽車發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量,同時(shí)提高了發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

目前,汽車制造中所使用的鈦合金零部件主要分布在汽車排氣系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、傳動(dòng)和減振系統(tǒng)以及車體框架部分。

1.排氣系統(tǒng)

汽車排氣系統(tǒng)材料要求具有較好的高溫力學(xué)性能和耐S、Cl元素腐蝕性能。傳統(tǒng)的排氣門組件都是由不銹鋼制備的,但是人們發(fā)現(xiàn)鈦合金在性能方面更加適合用作排氣門材料。

在新型的雪佛蘭Corvette Z206汽車上使用的鈦制回氣管,有效地避免了不銹鋼管上出現(xiàn)的點(diǎn)蝕和焊縫銹蝕等問題,同時(shí)還提高了燃油的燃燒效率和加速能力,縮短了制動(dòng)距離。

美國最大的鈦材制造商Timet一直致力于鈦合金排氣系統(tǒng)的研發(fā)與制造,日本多家公司也開展了相關(guān)的研制工作,目前,富士重工株式會(huì)社已經(jīng)限量生產(chǎn)了440套鈦合金車用排氣管。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是汽車領(lǐng)域使用鈦合金最多的部件，鈦合金在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)上的應(yīng)用主要有氣門、連桿、曲軸、氣門座等零部件。

日本本田汽車公司在NSX賽車V-6發(fā)動(dòng)機(jī)中使用了鍛造鈦連桿；三菱汽車公司制造的高容量、四缸發(fā)動(dòng)機(jī)中使用了鈦氣門彈簧座,保時(shí)捷汽車中也使用了鈦連桿。

(1)氣門

鈦合金氣門方面,美國和日本都進(jìn)行了大量的研究工作,美國目前普遍使用Ti-6Al-4V合金制造進(jìn)氣門,使用Ti-6Al-2Sn-4Zr-2M o合金制造排氣門;而日本豐田公司則使用Ti-6Al-4V/Ti B合金制備進(jìn)氣門,使用Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B合金制備排氣門。這幾類鈦合金都具有較好的高溫力學(xué)性能、抗氧化和抗蠕變性能,有效改善了發(fā)動(dòng)機(jī)性能,提高了汽車速度。

(2)氣門座

鈦合金氣門座在賽車和運(yùn)動(dòng)汽車上已得到廣泛的應(yīng)用,每年生產(chǎn)25萬套以上,主要采用Ti-6Al-4V或Ti-5Al-2Cr-1Fe合金制備,由于氣門座形狀比較簡單,所以在機(jī)械加工方面要求不高,且不需要特殊的表面處理,成本較便宜,在汽車減重方面效果明顯。

(3)連桿

鈦合金連桿的使用能夠有效減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量,提高汽車性能。目前主要的制備材料為Ti-6Al-4V合金。日本大同株式會(huì)社目前正在開發(fā)一種兩相鈦合金Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La,該合金具有良好的切削性,在力學(xué)性能、疲勞性能和耐腐蝕性方面也較為優(yōu)異,期望用在發(fā)動(dòng)機(jī)的急加速、急減速的連桿部件上。

(4)曲軸

鈦合金曲軸目前雖然沒有得到廣泛的應(yīng)用,但是日本專門開發(fā)的Ti-3Al-2.5V合金已經(jīng)在本田賽車上面得到驗(yàn)證,在有效減輕質(zhì)量的同時(shí),將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高了700r/min,證明了鈦合金曲軸的優(yōu)越性。同時(shí),日本已經(jīng)在試制Ti-5Al-2Cr-Fe合金曲軸,期望鈦合金在曲軸部件上得到更加廣泛的應(yīng)用。

3.減振系統(tǒng)

汽車減振懸掛系統(tǒng)的核心部件就是懸簧。鈦合金相比于一般汽車彈簧用鋼而言,具有更高的比強(qiáng)度和更低的切變模量,抗疲勞強(qiáng)度也較高,更加適合用作制造汽車減振彈簧。由于彈簧的撓度和圈數(shù)呈正比,與材料的切變模量呈反比,因此,鈦合金彈簧在達(dá)到相同彈簧反應(yīng)的情況下,比鋼制彈簧需要更少的圈數(shù),有效減輕了彈簧質(zhì)量,節(jié)約了空間。

同時(shí),鈦合金彈簧還能夠有效提高彈簧的共振頻率,提高其使用壽命。目前大部分的鈦合金彈簧都是用單相β鈦合金制備。德國大眾公司已經(jīng)在部分汽車上使用了Lupo FSI鈦合金齒輪彈簧,用量約為3500輛。

4.車體框架

車體框架部件方面,鈦合金較高的比強(qiáng)度,較低的密度以及良好的耐蝕性能,都說明其是良好的車體框架制備材料。目前,已經(jīng)有汽車公司在車檔支架、制動(dòng)器卡鉗活塞等部件上使用鈦合金。變速器部件中,日本目前正在開發(fā)一種高旋壓成型法制備鈦合金外殼的工藝,與鋼制外殼相比,鈦合金外殼更好地減輕飛輪的沖擊,緩沖效果更好。

另外,鈦合金還在汽車緊固件等部件上得到了應(yīng)用,隨著鈦合金制備工藝和汽車工業(yè)的不斷發(fā)展,鈦合金必將在汽車零部件上得到更多的應(yīng)用。

5.鈦合金對(duì)汽車輕量化的意義

國外研究機(jī)構(gòu)測算發(fā)現(xiàn),當(dāng)汽車整備質(zhì)量下降10%,油耗可降低6%~8%。還有研究表明,汽車每減重91kg,平均每升燃油可多行駛0.43km。因此,隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,汽車保有量的不斷增加,汽車輕量化已經(jīng)成為減少能源消耗,降低空氣污染的重要途徑之一。

鈦及鈦合金材料因其出色的物理化學(xué)性能,目前在汽車零部件中的到了大量應(yīng)用。鈦材料的使用不僅有效提高了汽車的性能和安全系數(shù),還在汽車輕量化方面發(fā)揮了重要作用,有效減輕了汽車整備質(zhì)量,降低了燃油消耗。

汽車排氣系統(tǒng)采用鈦制尾噴管-回氣管組件相比于傳統(tǒng)不銹鋼系統(tǒng),大約能夠減重8.2kg。而發(fā)動(dòng)機(jī)零部件中氣門、連桿等部件使用鈦合金制品替代傳統(tǒng)鋼和鑄鐵材料都能夠有效減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量。

根據(jù)日本汽車行業(yè)的研究,汽車動(dòng)力閥使用約0.8kg的鈦材料零件相當(dāng)于20kg鋼制零件所達(dá)到的效果;每一個(gè)鈦制氣門座相比于鋼制氣門座能夠減輕10g左右的質(zhì)量;連桿和曲軸用于鈦合金,對(duì)減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量最為有效。

減振系統(tǒng)上面,每個(gè)鈦合金彈簧可比鋼制彈簧減輕60%以上的質(zhì)量,以每輛車4個(gè)懸簧計(jì)算,換用鈦合金彈簧之后,每輛車可減重9~13.6kg。另外,鈦合金消音器的質(zhì)量只有5~6kg,比不銹鋼消音器輕了40%。

以普通中型轎車為例,如果用現(xiàn)有的鈦合金汽車零件替換掉傳統(tǒng)的零件,汽車整備質(zhì)量將由原來的1500kg左右減重至1000kg左右,減重率可達(dá)30%,綜合油耗可降低20%以上,這將大大減少全世界的燃油消耗,有效緩解能源緊缺和環(huán)境污染的問題。

以上數(shù)據(jù)顯示,鈦合金的使用在汽車輕量化方面效果明顯,在現(xiàn)代汽車工業(yè)中,應(yīng)不斷開發(fā)鈦及鈦合金在汽車零部件中的應(yīng)用技術(shù),提高鈦合金在汽車上的應(yīng)用比例。

目前鈦合金在我國汽車行業(yè)中的應(yīng)用還只是處于嘗試階段。存在的主要問題是鈦合金材料成本過高,零部件不易加工等。

因此,未來的主要任務(wù)應(yīng)該是通過開發(fā)廉價(jià)的鈦合金材料,降低鈦合金原材料的生產(chǎn)成本等方式,降低鈦合金零部件價(jià)格,通過改善加工工藝提高鈦合金零部件的加工效率。

國外的經(jīng)驗(yàn)表明,只有汽車設(shè)計(jì)制造方和鈦合金研制方聯(lián)合,才能為汽車提供更加優(yōu)質(zhì)的鈦合金材料。

相信隨著研發(fā)工作的不斷深入,鈦及鈦合金在我國的現(xiàn)代汽車工業(yè)中必將發(fā)揮越來越重要的作用,推動(dòng)汽車工業(yè)的不斷發(fā)展。