鈦及鈦合金在汽車(chē)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1、    鈦及鈦合金在汽車(chē)中的應(yīng)用現(xiàn)狀    摘 要：隨著對(duì)低油耗高性能汽車(chē)需求的不斷增長(zhǎng)，鈦及鈦合金憑借其優(yōu)越的材料性能，逐漸被汽車(chē)工業(yè)所重視。如何在汽車(chē)行業(yè)利用鈦及鈦合金已成為研究的熱點(diǎn)。本文詳細(xì)的介紹了鈦合金在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，整車(chē)用零部件和防腐蝕零部件的應(yīng)用案例，分析了鈦合金在汽車(chē)零件上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及存在的問(wèn)題，最后對(duì)將來(lái)車(chē)用鈦合金的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：鈦及鈦合金；汽車(chē)零部件；應(yīng)用現(xiàn)狀doi：10.16640/ki.37-1222/t.2015.23.0300 引言隨著汽車(chē)保有量不斷的持續(xù)快速增長(zhǎng)，汽車(chē)的排放污染對(duì)我國(guó)環(huán)境質(zhì)量造成了嚴(yán)重威脅。

2、這種現(xiàn)狀使得我國(guó)的汽車(chē)行業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。要解決汽車(chē)保有量增加帶來(lái)的巨大能源消耗和環(huán)境污染問(wèn)題，我國(guó)的汽車(chē)行業(yè)必須采取積極有效的節(jié)能減排措施。汽車(chē) “輕量化”是汽車(chē)行業(yè)一項(xiàng)非常重要直接的節(jié)能減排的措施，目前已成為行業(yè)的共識(shí)。研究表明，汽車(chē)所用燃料約60%消耗于汽車(chē)自重，汽車(chē)每減輕10%的重量，廢氣排放量可減少10%，可降低油耗 7%1。鈦及鈦合金是 20 世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來(lái)的一種非常重要的金屬及合金，它們具有密度小，抗腐蝕性能強(qiáng)，比剛度、比強(qiáng)度高，抗疲勞和蠕變性能好，高溫力學(xué)性能優(yōu)等優(yōu)良的綜合性能2。鈦及其合金逐漸廣泛的應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)，它的使用減輕了車(chē)身自重，帶來(lái)燃料消耗的降低和工作效

3、率的升高，并提供更低的排放來(lái)改善環(huán)境。因此鈦及鈦合金是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)節(jié)能減重的最理想金屬，也是以后汽車(chē)設(shè)計(jì)制造中重要的發(fā)展方向。1 鈦及鈦合金在汽車(chē)上的應(yīng)用目前，在國(guó)內(nèi)外鈦及鈦合金在汽車(chē)產(chǎn)品上的用途主要分為兩大類(lèi)，第一類(lèi)的目的是減少原有零件的質(zhì)量，涉及零件主要有發(fā)動(dòng)機(jī)的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)件和汽車(chē)自重。對(duì)于高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)零件而言，即使質(zhì)量減少幾克也會(huì)對(duì)零件性能造成非常大的影響，而降低汽車(chē)總質(zhì)量是我們節(jié)能減排的重要措施之一。第二類(lèi)是用來(lái)制作耐腐蝕件，主要包括排氣系統(tǒng)，底盤(pán)零件，懸架系統(tǒng)等零件這類(lèi)所處環(huán)境惡劣的汽車(chē)零部件，提高汽車(chē)零件的使用壽命。目前為止，汽車(chē)上鈦及其合金主要應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵元件和底盤(pán)部件上。在發(fā)

4、動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，鈦及其合金可制作連桿、閥門(mén)彈簧、閥門(mén)、閥簧承座等部件；在底盤(pán)部件主要為消聲器及其連接件、減震彈簧、半軸和緊固件等1，主要使用部位的示意圖如圖1所示3。2 發(fā)動(dòng)機(jī)用零部件2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)用于發(fā)動(dòng)機(jī)上的進(jìn)、排氣門(mén)，是發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要部件。進(jìn)排氣門(mén)工作環(huán)境十分惡劣，它不僅受到高溫燃?xì)獾臎_擊，還要承受高頻的往復(fù)高應(yīng)力的反復(fù)作用。氣門(mén)質(zhì)量的輕微改變都會(huì)很大程度影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。鈦合金對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣門(mén)是一種非常理想的結(jié)構(gòu)金屬，利用鈦及其合金來(lái)制作發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)，可以極大的減輕氣門(mén)重量，降低往復(fù)慣性力以提高提高轉(zhuǎn)速，延長(zhǎng)使用壽命，節(jié)省燃油45。美國(guó)和日本先后有公司把鈦合金氣門(mén)應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)上，其中

5、，日本早在20年前就把鈦應(yīng)用于賽車(chē)及一部分跑車(chē)，如日產(chǎn)r382汽車(chē)因采用了鈦合金制氣門(mén)，在日本大賽中獲勝。戶(hù)田制作所用ti-6al-4v生產(chǎn)的進(jìn)、排氣氣門(mén)，降低了氣門(mén)質(zhì)量，提高了輕度，從而改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，結(jié)果使汽車(chē)速度提高10%15%。采用優(yōu)良的鈦合金粉末制成汽車(chē)進(jìn)、排氣氣門(mén)已通過(guò)日本豐田公司的應(yīng)用考核，目前已裝配在新型的豐田轎車(chē)上6，其開(kāi)發(fā)的氣門(mén)如圖2。在美國(guó)方面，利用鈦合金制作發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣門(mén)比較普遍。由考慮到進(jìn)排氣門(mén)工況的不同，所以采用不同特性的鈦合金，進(jìn)氣門(mén)使采用6al-4v合金，排氣門(mén)使采用ti-6al-2sn-4zr-2mo合金。2.2 氣門(mén)座鈦制氣門(mén)座廣泛應(yīng)用于是賽車(chē)上，它一

6、般用ti-6al-4v合金制造，也有采用ti-5al-2cr-1fe合金制作的。氣門(mén)座形狀非常簡(jiǎn)單，加工制造成本低廉，也不必要進(jìn)行一些特殊的表面處理，所以也是最容易推廣的汽車(chē)鈦零件。鈦制的氣門(mén)座和鋼制的氣門(mén)座相比，能減重10 g12 g7。2.3 連桿連桿是汽車(chē)的高速運(yùn)動(dòng)件，用鈦合金制造連桿對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能最有效，鈦制連桿能極大地提高燃油效率，減少排氣量。與鋼制連桿相比，鈦制連桿的重量可以減輕15%-20%，速度提高15%。首次使用鈦合金連桿的汽車(chē)是意大利的法拉利（ferrari）315lv8發(fā)動(dòng)機(jī)與acura的nsx發(fā)動(dòng)機(jī) 8。1992年，日本本田轎車(chē)在新型高性能轎車(chē)上應(yīng)用ti-3al-2v

7、-rareearth材料的鈦合金連桿，極大提高了車(chē)輛性能。1999年，保時(shí)捷運(yùn)用ti-6al-4v材料制作鈦合金連桿，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，增強(qiáng)了發(fā)動(dòng)機(jī)功率，減小了燃料消耗，取得較好效果。國(guó)內(nèi)有研究表明，鈦合金連桿和鋼制連桿在保持相同的油膜厚度條件下，采用鈦合金連桿的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比采用鋼制連桿的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可提高700 r/min。轉(zhuǎn)速的提高可使發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率大幅度提高，并且降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲和排放，有利于環(huán)保。2.4 曲軸和其它發(fā)動(dòng)機(jī)部件曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中重要的運(yùn)動(dòng)部件，對(duì)其質(zhì)量的減輕可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和降低振動(dòng)和噪聲。目前，鈦合金曲軸還處于研究階段，日本正在試制ti-5al-2cr-1fe合金曲軸，但

8、是這種曲軸因需要進(jìn)行防粘接處理，目前還未實(shí)用。其它發(fā)動(dòng)機(jī)部件如搖臂，氣門(mén)彈簧，活塞閥，渦輪盤(pán)和連桿的連接螺栓等可利用鈦合金來(lái)自制造，并有成功的例子，如1999年，豐田公司就在它的汽車(chē)上運(yùn)用了ti-6al-4v & pm-ti材料制作的活塞閥。2000年，三菱公司在汽車(chē)上運(yùn)用了-titanium alloys簧保持器和-tial渦輪盤(pán)。3 整車(chē)用零部件3.1 車(chē)用彈簧鈦合金彈簧是汽車(chē)上應(yīng)用最廣，也是目前應(yīng)用最成功的零件之一。與汽車(chē)使用的普通鋼彈簧相比，有以下6個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：（1） 在滿(mǎn)足相同彈性功能的前提下，鈦合金彈簧比鋼制彈簧的高度降低了40%，可以降低車(chē)身高度； （2） 因?yàn)殁亸椈蓮?/p>

9、性極限高，彈性模量低，這就導(dǎo)致彈性應(yīng)變能非常高，是普通鋼制彈簧的 10倍以上，因此，對(duì)乘車(chē)舒適度有著非常明顯的改善；（3）鈦合金具有優(yōu)異的疲勞極限性能，可以承受較大彎曲疲勞強(qiáng)度的載荷，增長(zhǎng)了使用壽命；（4） 車(chē)用彈簧往往是裸露在環(huán)境中的，所以要求很強(qiáng)的抗腐蝕性能，鈦合金彈簧不用對(duì)表面做額外的防銹處理就能擁有很強(qiáng)的抗腐蝕性能，并且使用壽命比汽車(chē)本身還長(zhǎng)，無(wú)需中間更換；（5）制備彈簧的鈦合金一般為 鈦合金，其，加工容易，生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單；（6）由于鈦合金的密度小，鈦彈簧的質(zhì)量比鋼彈簧重量減輕60%70 %，所以在油耗方面表現(xiàn)優(yōu)異。endprint從以上6個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，可以看出鈦合金彈簧應(yīng)用到汽車(chē)上是非

10、常具有優(yōu)勢(shì)的，同時(shí)也涌現(xiàn)出一批裝備鈦合金彈簧的汽車(chē)。1999年，歐洲大眾汽車(chē)公司在lupo fsi上首次使用了timetal lcb材質(zhì)的鈦合金彈簧。2003年，法拉利采用了同樣材質(zhì)的鈦合金彈簧（圖3）。3.2 緊固件目前，鈦合金緊固件在飛機(jī)，航天以及船舶上被廣泛的運(yùn)用，但是在汽車(chē)上的應(yīng)用比較少。隨著人們對(duì)汽車(chē)使用和性能要求的不斷提高，在2009年3月初世界首輛陸空兩用汽車(chē)在美國(guó)實(shí)現(xiàn)了首飛。2010年7月6日，美國(guó)terrafugia公司制造的陸空兩用汽車(chē)，被美國(guó)航空主管部門(mén)允許投入商業(yè)性生產(chǎn)。這些高科技的汽車(chē)對(duì)零件的特殊要求加大了對(duì)鈦合金在汽車(chē)上的運(yùn)用范圍，從目前汽車(chē)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)輕型運(yùn)

11、輸工具中運(yùn)用鈦緊固件是一條可行或必須的道路的。3.3 車(chē)體及其他部件timet認(rèn)為鈦及其合金可用在家用汽車(chē)中，以大大削減車(chē)重，提高效率，降低排放?？梢赃\(yùn)用的部件包括發(fā)動(dòng)機(jī)元件、懸掛系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)齒輪系零件、減震緩沖器中心桿、門(mén)突入梁、掛耳螺帽和螺栓、控制桿緊固件、車(chē)擋支架、從動(dòng)軸、銷(xiāo)軸栓等。用ti-6al-4v合金可制造離合器片、壓力板等變速器部件。日本利用一種新的組合滑動(dòng)模開(kāi)發(fā)了一種汽車(chē)鈦合金鏈輪。4 防腐蝕零部件4.1 回氣管鈦制尾噴管/回氣管組件由于良好的抗腐蝕性能，可以不受路鹽和含有硫的排出廢氣的腐蝕，不會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)蝕.并與不銹鋼回氣管相比可減輕40%的重量，同時(shí)降低油耗。新型雪佛萊corve

12、ttez06型車(chē)中，與傳統(tǒng)不銹鋼零件相比每輛汽車(chē)可減輕8.2kg重量，這是一個(gè)很可觀(guān)的重量削減。4.2 消音器對(duì)于消聲器這樣大尺寸的汽車(chē)零件，是節(jié)能減重的重要關(guān)注對(duì)象。消聲器減重不僅能減低燃油消耗，更能提高發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)輛的整體性能。目前，汽車(chē)在消耗鈦材料一大半都用于消聲器。鈦制消聲器與不銹鋼消聲器相比有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）鈦消聲器比傳統(tǒng)的消聲器減重40%以上；（2）鈦合金焊接性能較好，與不銹鋼相比不容易焊縫開(kāi)裂；（3） 鈦合金消聲器不受路鹽和含有硫的排出廢氣的腐蝕，耐腐蝕性能優(yōu)于不銹鋼；（4）鈦合金的回收利用要好于不銹鋼；基于以上鈦合金消聲器的優(yōu)良性能，全球各大汽車(chē)廠(chǎng)家紛紛嘗試在自己的產(chǎn)品中運(yùn)用鈦消

13、聲器。gm公司的2000款雪佛萊corvette z06汽車(chē)上，用了一個(gè)11.8 kg重的鈦消音器和尾氣管系統(tǒng)代替了原來(lái)重20 kg的不銹鋼系統(tǒng)，減重41%，強(qiáng)度不變，開(kāi)創(chuàng)汽車(chē)用鈦消聲器的先河1。2010年末開(kāi)始批量生產(chǎn)的雷克薩斯lfa采用了ti-1.2asnex材質(zhì)的消聲器，也取得較好的效果。5 鈦及鈦合金在汽車(chē)上的發(fā)展前景目前，為了滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)車(chē)輛節(jié)油和環(huán)境保護(hù)的要求，車(chē)輛的設(shè)計(jì)的輕量化扮演著越來(lái)越重要的地位，這時(shí)鈦制汽車(chē)零件表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，將是汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)重要的發(fā)展方向。在上文中已經(jīng)闡述了鈦及鈦合金在汽車(chē)上主要的應(yīng)用部位及相應(yīng)成功的例子，可見(jiàn)在汽車(chē)上鈦合金的用途非常的廣泛，但是目前汽車(chē)上

14、鈦零件應(yīng)用的還是較少，制約其在汽車(chē)上運(yùn)用的因素還是成本。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前各種低成本鈦合金不斷地研發(fā)成功，在汽車(chē)上鈦合金的成本將會(huì)越來(lái)越低，鈦零件運(yùn)用將會(huì)是有著很大的發(fā)展空間。到2015年，全球的乘用車(chē)和商用車(chē)產(chǎn)量將超過(guò)7700萬(wàn)輛，其中預(yù)計(jì)中國(guó)貢獻(xiàn)40%左右，約3000萬(wàn)輛，如果每輛車(chē)上有1kg鈦零件使用，那么全球汽車(chē)用鈦就將達(dá)到77000多噸，中國(guó)汽車(chē)用鈦達(dá)到接近30000噸，這將是非常大的市場(chǎng)。綜上所述，鈦及鈦合金在汽車(chē)行業(yè)的運(yùn)用將有非常大的發(fā)展前景，它會(huì)為汽車(chē)的工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展提供強(qiáng)大的推進(jìn)力。參考文獻(xiàn)：1李中，陳偉等.鈦在汽車(chē)上的應(yīng)用j.世界有色金屬， 2010（01）：66-69.2彭昂，毛振東.鈦合金的研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀j.船電技術(shù)，2012，10（10）：57-60.3friedrich h et al. titanium in automotive applications-nightmare， vision or realitym. weinheim： tms， 2003：33934 toshiya yamaguchi et al. development of p/m titanium engi