?鈦合金在汽車輕量化制造中的應用
鈦及鈦合金具有密度小、機械性能優異、生物相容性好、耐腐蝕、耐高溫、低溫韌性好等特點, 目前已被大量應用于汽車制造領域。鈦合金密度只有鋼的60%, 而強度可以達到800MPa以上, 在500℃左右仍然保持良好的機械性能, 且焊接和成形性能都較好, 在20多年以前就已經被應用于賽車的制造上, 大幅減輕了賽車發動機的質量, 同時提高了發動機性能。
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、發動機系統、傳動和減振系統以及車體框架部分。
1. 排氣系統
汽車排氣系統材料要求具有較好的高溫力學性能和耐S、Cl元素腐蝕性能。傳統的排氣門組件都是由不銹鋼制備的, 但是人們發現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的點蝕和焊縫銹蝕等問題, 同時還提高了燃油的燃燒效率和加速能力, 縮短了制動距離。
美國最大的鈦材制造商Timet一直致力于鈦合金排氣系統的研發與制造, 日本多家公司也開展了相關的研制工作, 目前, 富士重工株式會社已經限量生產了440套鈦合金車用排氣管。
2. 發動機系統
汽車發動機系統是汽車領域使用鈦合金最多的部件，鈦合金在發動機系統上的應用主要有氣門、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發動機中使用了鍛造鈦連桿；三菱汽車公司制造的高容量、四缸發動機中使用了鈦氣門彈簧座, 保時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性能、抗氧化和抗蠕變性能, 有效改善了發動機性能, 提高了汽車速度。
(2) 氣門座
鈦合金氣門座在賽車和運動汽車上已得到廣泛的應用, 每年生產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動機的質量, 提高汽車性能。目前主要的制備材料為Ti-6Al-4V合金。日本大同株式會社目前正在開發一種兩相鈦合金
Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La, 該合金具有良好的切削性, 在力學性能、疲勞性能和耐腐蝕性方面也較為優異, 期望用在發動機的急加速、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用, 但是日本專門開發的Ti-3Al-2.5V合金已經在本田賽車上面得到驗證, 在有效減輕質量的同時, 將發動機轉速提高了700r/min, 證明了鈦合金曲軸的優越性。同時, 日本已經在試制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用。
3. 減振系統
汽車減振懸掛系統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, 具有更高的比強度和更低的切變模量, 抗疲勞強度也較高, 更加適合用作制造汽車減振彈簧。由于彈簧的撓度和圈數呈正比, 與材料的切變模量呈反比, 因此, 鈦合金彈簧在達到相同彈簧反應的情況下, 比鋼制彈簧需要更少的圈數, 有效減輕了彈簧質量, 節約了空間。
同時, 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, 已經有汽車公司在車檔支架、制動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用, 隨著鈦合金制備工藝和汽車工業的不斷發展, 鈦合金必將在汽車零部件上得到更多的應用。
5. 鈦合金對汽車輕量化的意義
國外研究機構測算發現, 當汽車整備質量下降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, 隨著我國經濟的不斷發展, 汽車保有量的不斷增加, 汽車輕量化已經成為減少能源消耗, 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性能, 目前在汽車零部件中得到了大量應用。鈦材料的使用不僅有效提高了汽車的性能和安全系數, 還在汽車輕量化方面發揮了重要作用, 有效減輕了汽車整備質量, 降低了燃油消耗。
汽車排氣系統采用鈦制尾噴管-回氣管組件相比于傳統不銹鋼系統, 大約能夠減重8.2kg。而發動機零部件中氣門、連桿等部件使用鈦合金制品替代傳統鋼和鑄鐵材料都能夠有效減輕發動機質量。
根據日本汽車行業的研究, 汽車動力閥使用約0.8kg的鈦材料零件相當于20kg鋼制零件所達到的效果;每一個鈦制氣門座相比于鋼制氣門座能夠減輕10g左右的質量;連桿和曲軸用于鈦合金, 對減輕發動機質量最為有效。
減振系統上面, 每個鈦合金彈簧可比鋼制彈簧減輕60%以上的質量, 以每輛車4個懸簧計算, 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, 如果用現有的鈦合金汽車零件替換掉傳統的零件, 汽車整備質量將由原來的1500kg左右減重至1000kg左右, 減重率可達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境污染的問題。
以上數據顯示, 鈦合金的使用在汽車輕量化方面效果明顯, 在現代汽車工業中, 應不斷開發鈦及鈦合金在汽車零部件中的應用技術, 提高鈦合金在汽車上的應用比例。
目前鈦合金在我國汽車行業中的應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, 未來的主要任務應該是通過開發廉價的鈦合金材料, 降低鈦合金原材料的生產成本等方式, 降低鈦合金零部件價格, 通過改善加工工藝提高鈦合金零部件的加工效率。
國外的經驗表明, 只有汽車設計制造方和鈦合金研制方聯合, 才能為汽車提供更加優質的鈦合金材料。
相信隨著研發工作的不斷深入, 鈦及鈦合金在我國的現代汽車工業中必將發揮越來越重要的作用, 推動汽車工業的不斷發展。
