行業(yè)資訊
近些年來，隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車產(chǎn)生的油耗、環(huán)保和安全的問題日益受到人們的關(guān)注。展望未來汽車工業(yè)的發(fā)展方向，輕量化、油耗低及排放少是發(fā)展的主題。根據(jù)國際權(quán)威部門統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，汽車燃料燃燒能量的60%消耗于自身質(zhì)量，盡管目前高強度薄鋼板、鋁材、鎂材、金屬基復(fù)合材料及塑料樹脂類材料在減輕汽車重量方面已經(jīng)發(fā)揮了作用，但是工業(yè)用鈦材料的出現(xiàn)使得汽車制造有了更好的選擇。
鈦金屬具有密度小、比強度高、耐蝕性好的優(yōu)點，汽車采用鈦材料可極大地減輕車身質(zhì)量，降低燃料消耗，提高發(fā)動機的工作效率，改善環(huán)境和降低噪聲。但是昂貴的價格，使得鈦合金在汽車工業(yè)中只能在豪華車型和跑車上有一些應(yīng)用，在普通汽車上鮮有應(yīng)用。因此，研究與開發(fā)適應(yīng)市場需要的低成本鈦合金是推動其應(yīng)用于普通家用汽車的關(guān)鍵。
鈦合金在汽車工業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀
盡管鈦合金已廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工以及艦船工業(yè)上，但是在汽車工業(yè)中的應(yīng)用卻發(fā)展緩慢。從1956年美國通用公司研制成功第 一輛全鈦汽車開始，鈦制汽車零部件直到20世紀80年代才達到批量生產(chǎn)的水平，90年代隨著豪華汽車、跑車、賽車需求量的逐年增加，鈦制零部件才得到了飛快發(fā)展。1990年全世界汽車用鈦量僅為50t，1997年達到了500t，2002年達到了1100t，2009年達到了3000t，預(yù)計2015年全世界汽車用鈦量將突破5000t。目前鈦合金零部件有以下幾種比較常用。
1. 發(fā)動機連桿
鈦合金是連桿用材料的理想選擇。用鈦合金制造的發(fā)動機連桿能有效減輕發(fā)動機質(zhì)量，提高燃油利用率和減少排氣量。相比于鋼制連桿，鈦制連桿可減輕15%～20%的質(zhì)量。鈦合金連桿的應(yīng)用首先在意大利的新型法拉利轎車3.5LV8與Acura的NSX發(fā)動機上得到了體現(xiàn)。鈦合金連桿所用的材料主要有Ti-6Al-4V、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-3Al-2.0V和Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si等，其他鈦合金材料如Ti-4Al-2Si-4Mn和Ti-7M-4Mo等在連桿中的應(yīng)用也在研發(fā)中。
2.發(fā)動機氣門
用鈦合金制造的汽車發(fā)動機氣門，不但能減輕質(zhì)量、延長使用壽命，而且可降低油耗和提高汽車的可靠性。鈦制氣門與鋼制氣門相比，質(zhì)量可減少30%～40%，發(fā)動機極限轉(zhuǎn)速可提高20%。就目前的應(yīng)用而言，進氣門的材料以Ti-6Al-4V為主，排氣門的材料以Ti-6242S為主，通常Sn和Al一起被添加，可以得到較低的脆性和較高的強度；Mo的添加可改善鈦合金的熱處理性能，加強淬火及時效鈦合金的強度，同時增加硬度。其他具有發(fā)展?jié)摿Φ拟伜辖鹩校?/p>
1）進氣門可采用Ti-62S，其特性相當于Ti-6Al-4V，且價格較便宜。
2）排氣門可采用Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0.45Si，因為較低的Mo含量，故其耐潛變抵抗性較Ti-6242S優(yōu)，耐氧化溫度可達600℃。
3）排氣門可采用γ-TiAl，其具有耐高溫及重量輕的特點，但加工時不適合用傳統(tǒng)的鍛造法，僅適合采用鑄造法與粉末冶金法加工。
3.氣門彈簧座
高強度及耐疲勞性是汽門彈簧座必須具備的性能，β鈦合金為熱處理型合金，能通過固溶時效處理來獲得很高的強度，相應(yīng)的比較適合的材料有Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn與Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si。三菱汽車在其規(guī)?；a(chǎn)汽車上使用Ti-22V-4Al 鈦合金汽門彈簧座，較原鋼制鎖扣減輕了42%的質(zhì)量，氣門機構(gòu)減少了6%的慣性質(zhì)量，發(fā)動機Z大轉(zhuǎn)速增加了300r/min。
4.鈦合金彈簧
鈦及其合金相對于鋼材料具有較低的彈性模量，σs/E值大，適合制造彈性元件。與鋼制汽車彈簧相比，在相同彈性功的前提下，鈦制彈簧的高度僅為鋼彈簧的40%，質(zhì)量僅為鋼制彈簧的30%～40%，便于車體設(shè)計。另外，鈦合金優(yōu)異的疲勞性能和耐蝕性能可提高彈簧的使用壽命。目前，可用來制造汽車用彈簧的鈦合金材料有Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5 Al和Ti-13V11C-3Al等。
5.渦輪增壓器
渦輪增壓器可以提高發(fā)動機的燃燒效率并增強發(fā)動機的功率及扭力。渦輪增壓器的輪機轉(zhuǎn)子需要長期工作在850℃以上的高溫廢氣中，因此要求有很好的耐熱性。傳統(tǒng)的如鋁合金等輕金屬，因熔點較低而無法使用。雖然陶瓷材料因為重量輕且耐高溫性佳而在輪機轉(zhuǎn)子上得到應(yīng)用，但由于成本高及形狀上無法Z佳化而使其應(yīng)用受限。為了解決這些問題，Tetsui等人研發(fā)了TiAl輪機轉(zhuǎn)子，經(jīng)過多次試驗驗證，其不但具有良好的耐久性及效能，而且也能改善發(fā)動機的加速性。此項設(shè)計已成功在Mitsubishi Lancer Evolution系列車型上得到了商業(yè)化應(yīng)用。
6.排氣系統(tǒng)及消聲器
鈦在汽車的排氣系統(tǒng)中使用量較大。用鈦及其合金制造的排氣系統(tǒng)，不僅可以提高可靠性、延長壽命和改善外觀，還可以減少質(zhì)量及提高燃料燃燒效率。鈦制排氣系統(tǒng)與鋼制排氣系統(tǒng)相比，質(zhì)量可減少約40%。在Golf系列汽車中，鈦制排氣系統(tǒng)質(zhì)量可減少7～9kg，目前排氣系統(tǒng)使用的鈦材主要為工業(yè)純鈦。
鈦制消聲器質(zhì)量只有5～6kg，比不銹鋼等消聲器輕。2000款雪佛萊CorvetteZ06汽車上用一個11.8kg的鈦消聲器和尾氣管系統(tǒng)代替原來20kg的不銹鋼系統(tǒng)，質(zhì)量減輕了41%。替代后的系統(tǒng)強度不變，并使汽車速度更快、操作更靈活及節(jié)約燃料。消聲器使用的鈦材同樣主要是工業(yè)純鈦。
7.車體框架部分
為了提高汽車的安全性和可靠性，需要從設(shè)計和制造方面，尤其是制造材料方面進行考慮。鈦是一種用來制造車體框架很好的材料，其不僅比強度較高，還具有良好的韌性。在日本，汽車生產(chǎn)廠商選擇純鈦金屬焊接管制作車身框架，這種框架能夠使得駕車者在駕駛時具有足夠的安全感。
8.其他鈦合金部件
除了以上幾種部件，鈦還應(yīng)用于發(fā)動機搖臂、懸掛彈簧、發(fā)動機活塞銷、車用緊固件、掛耳螺帽、汽車門突入梁、汽車擋支架、制動器卡鉗活塞、銷軸栓、壓力板、變速按鈕及汽車離合器圓板等汽車零件。
鈦合金的應(yīng)用
1.優(yōu)點
鈦合金具有質(zhì)量輕、比強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點，故被廣泛應(yīng)用在汽車工業(yè)中，應(yīng)用鈦合金Z多的是汽車發(fā)動機系統(tǒng)。利用鈦合金制造發(fā)動機零件有很多好處，主要表現(xiàn)在：
1）鈦合金的密度低，可以降低運動零件的慣性質(zhì)量，同時鈦氣門彈簧可以增加自由振動，減弱車身的振顫，提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)速及輸出功率。
2）減小運動零件的慣性質(zhì)量，從而使摩擦力減小，提高發(fā)動機的燃油效率。
3）選擇鈦合金可以減輕相關(guān)零件的負載應(yīng)力，縮小零件的尺寸，從而使發(fā)動機及整車的質(zhì)量減輕。
4）零部件慣性質(zhì)量的降低，使得振動和噪聲減弱，改善發(fā)動機的性能。
鈦合金在其他部件上的應(yīng)用可提高人員的舒適度和汽車的美觀等。在汽車工業(yè)上的應(yīng)用，鈦合金在節(jié)能降耗方面起到了不可估量的作用。
2.應(yīng)用限制
鈦合金零部件盡管具有如此優(yōu)越的性能，但距鈦及其合金普遍應(yīng)用在汽車工業(yè)中還有很大的距離，原因包括價格昂貴、成形性不好及焊接性能差等問題。
隨著近年來鈦合金近凈成形技術(shù)及電子束焊、等離子弧焊、激光焊等現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展，鈦合金的成形及焊接問題已不再是制約鈦合金應(yīng)用的關(guān)鍵因素，阻礙鈦合金普遍應(yīng)用于汽車工業(yè)的Z主要原因還是成本過高。
無論是金屬Z初的冶煉還是后續(xù)的加工，鈦合金的價格都遠遠高于其他金屬。汽車工業(yè)能夠接受的鈦制零件成本，用連桿鈦材8～13美元/kg，氣閥用鈦材13～20美元/kg，彈簧、發(fā)動機排氣系統(tǒng)及緊固件用鈦材希望在8美元/kg以下。而目前用鈦材料生產(chǎn)的零件成本比這些價格高了很多，鈦板材的生產(chǎn)成本大多數(shù)高于33美元/kg，是鋁板材的6～15倍，鋼板材的45～83倍。
汽車用鈦合金研究現(xiàn)狀
目前，降低成本是汽車工業(yè)用鈦合金的主要研究方向。針對汽車工業(yè)用鈦合金成本分布的特點，材料研發(fā)工作者主要從以下兩個方面來達到降低成本的目的：開發(fā)新型低成本合金體系和使用新型加工制備技術(shù)。
1.新型低成本鈦合金體系
各國工作者研發(fā)新型低成本鈦合金體系，主要著眼以下方面：使用廉價合金元素的合金設(shè)計和改善加工特性的合金設(shè)計。其中代表有日本和美國，我國國內(nèi)也成功開發(fā)出了兩種低成本鈦合金，即Ti8LC與Ti12LC。在車用低成本鈦合金成分設(shè)計中，常使用的廉價合金元素有Fe、Cr、Si、Al等。
2.新型加工制備技術(shù)
鈦合金材料在生產(chǎn)過程中加工成本占總成本的60%以上，因此在降低成本方面，怎樣降低鈦合金的加工成本成為重點研究的方向。這方面的研究主要分為兩方面：一是改進傳統(tǒng)鑄鍛工藝，二是采用粉末冶金近凈成形技術(shù)。
在新型鍛造工藝研制開發(fā)中，冷鍛法是目前鈦合金制造汽車零部件Z寄予希望的方法之一。β鈦合金在常溫下變形阻力小，切削加工成形好，是可以進行冷鍛造的材料，目前日本已經(jīng)開發(fā)出三種冷變形的β鈦合金。β鈦合金也有一些不足，在冷鍛時容易產(chǎn)生不均勻變形，且容易粘附在模具上，因此用冷鍛技術(shù)量產(chǎn)β鈦合金零部件還需要進一步的探索與開發(fā)。
在降低鈦合金加工成本方面，粉末冶金是一項很重要的技術(shù)。在粉末冶金汽車零部件制造方面，傳統(tǒng)的壓制—燒結(jié)方法仍然處在主導(dǎo)地位，主要包括元素粉末法（BE）和預(yù)合金粉末法（PA）。目前元素粉末法因為其簡單的工藝及更低的成本，在低成本汽車鈦合金粉末冶金領(lǐng)域應(yīng)用Z廣泛。近年來，其他的粉末冶金技術(shù)也在不斷出現(xiàn)，包括激光成形技術(shù)、金屬粉末注射成形（MIM）等技術(shù)，在車用復(fù)雜零部件試制與生產(chǎn)方面得到了廣泛的應(yīng)用，可大大的縮短產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)周期，進一步的降低成本。
結(jié)語
新一代汽車設(shè)計更重視車身的輕量化、燃料的低消耗、發(fā)動機的低噪聲及輕振動，以滿足環(huán)境日益苛刻的要求。在這種背景下，輕金屬鈦將成為未來汽車的一種主要應(yīng)用選擇材料。
綜合考慮目前車用低成本鈦合金的研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，為了進一步降低車用鈦合金成本，應(yīng)主要著眼于以下幾方面的研究：
1）在低成本合金體系開發(fā)方面，盡量在不影響性能的前提下開發(fā)不用或少用昂貴合金元素的合金體系，同時要充分發(fā)展利用回收的鈦合金。
2）在鑄鍛工藝開發(fā)方面，向開發(fā)β鈦合金及冷變形鈦合金方向發(fā)展，進行其量產(chǎn)化的可行性研究。
3）在粉末冶金方面，在保證低成本優(yōu)勢的同時，還需要進一步提高鈦制件的性能。
隨著經(jīng)濟的發(fā)展以及鈦的成本降低，會有更多的工程設(shè)計人員將選擇鈦件用作汽車零部件。鈦合金Z終將在汽車工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。
